オーバードライブ（メカニック）

オーバードライブとは、エンジン回転数（rpm）を下げて自動車を一定速度で 巡航させることで、燃費の向上、騒音の低減、摩耗の低減につながります。^[1]この用語は曖昧です。^[1]最も基本的な意味は、エンジンと車輪の間の全体的なギア比であり、車がオーバーギアになり、潜在的な最高速度に到達できない、つまり、エンジンの回転数が高ければ、ギアを低くして、より速く走行できるということです。^[1]

エンジンによって生成される出力は、エンジンの回転数とともに最大まで増加し、その後低下します。最大出力のポイントは、それが制限される絶対最大エンジン回転数、つまり「レッドライン」よりもいくらか低い値です。車の速度は、速度とともに増加する空気抵抗に逆らって車を運転するために必要な出力によって制限されます。最高速度では、エンジンは最大出力、つまり出力ピークで動作しており、車は空気抵抗がその最大出力に等しい速度で移動しています。したがって、車が最高速度を達成できる特定のギア比が 1 つあります。つまり、そのエンジン回転数をその移動速度と一致させるギア比です。^[1]この最大値を下回る移動速度では、エンジン出力を空気抵抗と一致させることができるギア比の範囲があり、最も燃費が良いのは、エンジン回転数が最低になるギア比です。したがって、車は最高速度に達するために 1 つのギア比を必要としますが、より低い速度で 最大の燃費効率に達するためには別のギア比が必要です。

自動車の初期開発とほぼ普遍的な後輪駆動レイアウトにより、高速車の最終駆動（すなわち後車軸）比は最高速度の比となるように選択された。ギアボックスは、効率性を考慮して、最速の比が「ダイレクトドライブ」または「ストレートスルー」の1:1比になるように設計され、ギアの摩擦損失を回避した。したがって、巡航用のオーバードライブ比を達成するには、これよりもさらに高いギアボックス比、すなわちギアボックスの出力軸がエンジンよりも速く回転する必要がありました。ギアボックスと後車軸を連結するプロペラシャフトはこのようにオーバードライブされ、これを実行できるトランスミッションは「オーバードライブ」トランスミッションと呼ばれるようになりました。^[1]

オーバードライブトランスミッションを実現するための装置は、通常、メインギアボックスの後部に取り付けられ、専用のシフトレバーで制御される小さな独立したギアボックスでした。^[1]これらは、同じ車の一部のモデルではオプションであることが多かった。

1973年の石油危機以降、大衆車が法定制限を超えて高速化し、燃料費が重要視されるようになると、5速ギアボックスの使用が量販車でより一般的になった。これらには、オーバードライブ5速ギアを備えたダイレクト（1：1）4速ギアがあり、個別のオーバードライブギアボックスの必要性をなくした。^[1]

前輪駆動車の普及により、別々だったギアボックスとファイナルドライブが1つのトランスアクスルに統合されました。プロペラシャフトがなくなったため、「オーバードライブ」の意味はもはや適用できなくなりました。ただし、全体的な比率が最高速度の比率よりも高いという基本的な意味は依然として適用されます。1:1よりも高い比率を持つより高いギアは、「オーバードライブギア」と呼ばれます。^[1]

特定の条件と速度で車を推進するために必要なパワーは、主に総重量と車の速度に基づいて簡単に計算できます。これらは、車を減速させる 2 つの主な力、転がり抵抗と空気抵抗を生み出します。前者は車の速度に応じてほぼ変化し、後者は速度の 2 乗に応じて変化します。これらを第一原理から計算するのは、さまざまな現実世界の要因により通常は困難であるため、風洞や同様のシステム で直接測定されることがよくあります。

エンジンが生み出すパワーは、エンジンの回転数とともに最大まで増加し、その後低下します。これは最大パワーポイントとして知られています。車両全体の抗力を表す曲線が与えられれば、総抗力がエンジンの最大パワーと同じになる速度を簡単に見つけることができます。これが車両が到達できる最高速度を定義します。与えられた前進速度での車輪の回転速度は、タイヤの円周に回転数を掛けることで簡単に計算できます。^[a]最高速度でのタイヤの回転数は、そのパワーでのエンジンの回転数と同じではないため、ギア比を持つトランスミッションを使用して一方を他方に変換します。^[b]

最高速度よりわずかに低い速度でも、車両にかかる総抗力はかなり少なくなり、エンジンは、この大幅に減少した量のパワーを供給する必要があります。この場合、エンジンの回転数は大幅に変化していますが、車輪の回転数はほとんど変化していません。明らかに、この状況では、異なるギア比が必要です。ギア比が供給されない場合、エンジンは最適よりも高い回転数で動作することを余儀なくされます。エンジンは、回転数が高いほど内部摩擦を克服するためにより多くのパワーを必要とするため、この速度でエンジンを動作させ続けるためだけに、より多くの燃料が使用されることになります。エンジンのサイクルごとに摩耗が発生するため、エンジンを高い回転数に保つことは、エンジンの寿命にとっても不利です。さらに、エンジンの音は回転数と強く関連しているため、低い回転数で動作させると、一般的に静かになります。^[1]

最高速度を得るために上で概説したのと同じ RPM トランスミッション エクササイズを実行するが、代わりに「最高速度」を高速道路巡航速度に設定すると、理想的な燃費を実現するより高いギア比が出力されます。自動車がそれほど速く走行できなかった時代では、最大出力ポイントは望ましい速度に十分近かったため、追加のギアは必要ありませんでした。しかし、特に 1960 年代に、より強力な自動車が登場すると、最大出力ポイントと望ましい速度のこの差は大幅に拡大しました。つまり、自動車は最も効率的なポイントから遠く離れた場所で動作していることが多くなりました。特に1973 年の石油危機以降、燃費向上の要望が高まるにつれて、「巡航ギア」の必要性がさらに高まりました。^[1]

この問題の明らかな解決策は、トランスミッションにギアを追加することです。確かに、現代の車ではこれが一般的です。しかし、歴史的な特殊性により、これは必ずしも実用的ではありませんでした。

従来の後輪駆動レイアウトでは、トランスミッション システムは通常、エンジンの後ろに取り付けられた「ギアボックス」または「トランスミッション」と、車体後部のリア アクスルに取り付けられた「ファイナル ドライブ」の 2 つのセクションで構成されていました。車の前部と後部で役割を分離する理由は、より高い RPM を使用して、ドライブ シャフトを低いトルクで動作できるようにするためです。パワーは RPM とトルクの積であるため、シャフトをより高い RPM で動作させることで、より低いトルクでより多くのパワーを伝達できます。これにより、ドライブ シャフトが保持しなければならないトルクが軽減され、必要な強度と重量が軽減されました。

設計者は理論上、ギアボックスとファイナルドライブの比率を自由に選択できましたが、ほとんどのギアボックスのトップギアが 1:1 または「ダイレクトドライブ」であるという追加の考慮事項が 1 つありました。これは効率性のために選択されました。動力を伝達するためにギアを必要とせず、ギアによる動力損失を減らすためです。これは自動車の初期の時代には特に重要でした。当時のストレートカットギアは仕上げが悪く、騒音が大きく、非効率的だったからです。ファイナルドライブは、この出力を受け取り、構築がはるかに簡単な固定比率のトランスミッション構成で調整しました。ファイナルドライブの比率は 4:1 が一般的でした。^[c]つまり、車輪はエンジンに直接接続されている場合の 4 分の 1 の速度で回転します。

最終減速比を変えるだけで、異なるホイールサイズの異なる車種に対応できた時代では、すべてのトランスミッションでダイレクトドライブを最高ギアとして使用するのは理にかなったことでした。しかし、前述のように、これではエンジンの回転数が高すぎて、効率的な巡航ができなくなります。巡航ギアをメインギアボックスに追加することは可能でしたが、既存のギアボックスに別の 2 ギア オーバードライブ システムを追加する方が一般的には簡単でした。これは、さまざまな車両に合わせて調整できるだけでなく、簡単にインストールできるオプションとして提供できるという利点もありました。

前輪駆動レイアウトを使用すると、ギアボックスとファイナルドライブが 1 つのトランスアクスルに結合されます。その間にドライブ シャフトがないため、「ダイレクト ドライブ」という概念は適用されません。「オーバードライブ」という用語はまだ使用されていますが、これは現在、ギアボックスの比率によって達成されるか、異常に高いファイナルドライブによって達成されるかに関係なく、効率的な巡航のための超高比率を指すマーケティング用語として主に使用されています。^[d]

一般的に、オーバードライブはトランスミッションの最高ギアです。オーバードライブにより、一定の道路速度でエンジンをより低い回転数で作動させることができます。これにより、車両の燃費が向上し、高速道路での運転がより静かになることがよくあります。スイッチをオンにすると、オートマチックトランスミッションは、一定の速度 (通常は負荷に応じて 70 km/h 以上 [40-45 mph 以上]) に達するとオーバードライブ モードに切り替わります。オフにすると、オートマチックトランスミッションのシフトは低速ギアに制限されます。オーバードライブは通常、平均速度が 70 km/h (40-45 mph) を超える場合に選択します。

オートマチックトランスミッションは、負荷が大きくなると、OD からダイレクトドライブに自動的にシフトします。負荷が小さくなると、OD に戻ります。上り坂を走行しているときやトレーラーを牽引しているときなど、特定の状況では、トランスミッションが OD と次に高いギアの間で「ハンティング」し、前後にシフトすることがあります。この場合、スイッチをオフにすると、トランスミッションが「決定」するのに役立ちます。また、下り坂を走行しているときなど、エンジンブレーキが必要な場合にも、スイッチをオフにすると有利になることがあります。車両のオーナーズマニュアルには、各車両について、このような状況に関する情報と適切な手順が記載されていることがよくあります。

今日では、マニュアル トランスミッションかオートマチック トランスミッションかを問わず、ほぼすべての車両 (自動車とトラック) にオーバードライブが搭載されています。自動車のアフターマーケットでは、既存の初期のトランスミッションにオーバードライブを後付けすることもできます。オーバードライブは、60 年代と 70 年代に、燃費とスポーツ ドライビングを向上させるために、ボルトオン オプションとしてマニュアル トランスミッションを搭載したヨーロッパの自動車で広く使用されていましたが、後期のトランスミッションではこのギアが組み込まれることがますます一般的になりました。車両にボルトオン オーバードライブ (GKN または Gear Vendors など) が装備されている場合、オーバードライブが組み込まれているのではなく、通常、トップ ギアだけでなく、より多くのギアでオーバードライブを使用するオプションがあります。この場合、オーバードライブが切断されていても、すべてのギアでギア変更が可能です。オーバードライブは、ギアに有効な範囲を追加するだけなので、オーバードライブの 3 速と 4 速は、実質的に「3 速半」と 5 速になります。実際には、これにより、特に高性能車では、ドライバーにより多くの比率が与えられ、より柔軟に使用できます。

オーバードライブは、トランスミッションユニットの後ろにボルトで固定された、電気または油圧で作動する遊星歯車列で構成されています。入力ドライブシャフトを出力シャフト (またはプロペラ シャフト) に直接結合するか(1:1)、出力速度を上げて入力シャフトよりも速く回転するようにすることができます (1:1 +  n )。したがって、出力シャフトは入力シャフトに対して「オーバードライブ」される可能性があります。新しいトランスミッションでは、オーバードライブ速度は通常、トランスミッションに統合されている遊星/遊星歯車セットの組み合わせの結果として決まります。たとえば、ZF 8HP トランスミッションには 8 つの前進ギアがあり、そのうち 2 つはオーバードライブ (< 1:1) ギア比です。古い車両では、ノブまたはボタンで作動することがあり、多くの場合はギアシフト ノブに組み込まれており、クラッチの操作は必要ありません。新しい車両には電子オーバードライブがあり、コンピューターが電力要件と負荷の条件に自動的に調整します。

ヨーロッパ車のオーバードライブの大部分はエドガー・ド・ノーマンヴィルによって発明・開発され、^[2]イギリスのレイコック・エンジニアリング社（後のGKNレイコック）がシェフィールドのリトル・ロンドン・ロードにある工場で製造した。ド・ノーマンヴィルが考案したシステムは、レイコックの製品エンジニアとの偶然の出会いをきっかけにレイコックに採用され、製造された。ド・ノーマンヴィルのオーバードライブは、最初はスタンダード・トライアンフ社が製造した車両に搭載され、その後フォード、BMC、ブリティッシュ・レイランド、ジャガー、ルーツ・グループ、ボルボなどが続いた。別のイギリス企業で、元航空機メーカーのフェアリーは、ランドローバー向けに全機械式ユニットを製造して成功を収め、現在もアメリカで生産されている。

レイコック システムを搭載した最初の量産車は、1948 年のスタンダード ヴァンガード サルーンでした。最初に作られたユニットは A タイプ オーバードライブで、1950 年代から 1960 年代後半にかけて多くのスポーツカーに搭載されました。ジャガー、アストン マーティン、フェラーリ、オースチン ヒーレー、ジェンセン、ブリストル、AC、アームストロング シドレー、トライアンフの TR スポーツカー シリーズなど、いくつかの有名ブランドが A タイプ オーバードライブを使用していました。TR2 から 1972 年モデルの TR6 の終わりまで使用されました。

1959年、レイコックエンジニアリング社はDタイプオーバードライブを発表しました。これは、ボルボ120および1800、サンビームアルパインおよびレイピア、トライアンフスピットファイア、さらに1962～1967年のMGB（3シンクロトランスミッション搭載車）など、さまざまな自動車に搭載されました。

1967年からはLHタイプのオーバードライブが導入され、1968～1980年のMGB、MGC、フォード ゼファー、初期のリライアント シミター、TVR、ギルバーンなど、さまざまなモデルに搭載されました。

J タイプ オーバードライブは 1960 年代後半に導入され、ボルボ、トライアンフ、ボクスホール/オペル、アメリカン モーターズ、クライスラーの自動車、およびフォード トランジットバンに適合するように改良されました。

P タイプ オーバードライブは最後のアップデートであり、Gear Vendors US バージョンと Volvo バージョンで製造されました。Volvo バージョンは J タイプと同じパッケージ サイズを維持しましたが、更新された 18 要素フリーホイールと、プラネット キャリアを通るより強力なスプラインが採用されています。Gear Vendors US バージョンは、より大きな 1.375 外径の出力シャフトを使用して容量を高め、リア ケースを長くしています。

レイコック エンジニアリングは40 年間にわたり、350 万台以上のオーバードライブ ユニットを製造し、そのうち 100 万台以上がボルボの自動車に搭載されました。

2008年にカリフォルニア州エルカホンの米国企業Gear Vendors, Inc. ^[3]がGKNのオーバードライブ資産をすべて買収し、米国版とJ型およびP型の全スペアパーツの全世界での生産を継続しました。

このシステムの特徴は、標準ギアボックスの背面に取り付けられた油圧作動装置で、ギアボックス出力シャフトで作動します。油圧、ソレノイド、ピストンのシステムにより、オーバードライブは、どのギアで使用しても回転数を 22% (0.778) 下げます。たとえば、Triumph TR5に適用されているオーバードライブ システムは、2 速、3 速、トップ ギアで作動します。オーバードライブが作動すると、回転数は 3000 から 666 RPM 下がり、3500 からは 777 RPM 下がって 2723 になります。この回転数の減少による燃費へのメリットは、高速道路での走行中にほぼ 22% 減少することがよくあります。

オートマチックトランスミッションが一般的になる前の時代、特に1950年代には、多くの後輪駆動のアメリカ車にオーバードライブオプションが装備されていました。ボルグワーナーは、ワーナーギア部門で生産するためにウィリアム・B・バーンズがインディアナ州マンシーで開発した大幅な改良により、トランスミッションと短縮されたドライブシャフトの間に工場で取り付けられたボックスを提供しました。 オーバードライブ機能を有効にすると、クラッチペダルを踏むことなくアクセルを緩めるだけでシフトできるため、動作はセミオートマチックによく似ていました。 また、電動ソレノイドがアクセルペダルの下のスイッチを介してユニットを非アクティブ化し、オートマチックのキックダウンと同等の機能を提供します。 一部の緊急ブレーキアプリケーションに似た、ボーデンケーブルに接続されたノブも提供され、ユニットを機械的にロックアウトします。メインの 3 速トランスミッションを 2 速にしてオーバードライブを使用すると、比率は 3 速と似ており、メインのトランスミッションを 3 速にすると、全体の比率は分数になります (つまり、「真のオーバードライブ」)。これは、摩耗、損傷、ノイズ、および制御の難しさを軽減する上で重要でした。

このようなアドオンオーバードライブボックスは、1930 年代から 1970 年代にかけて、乗用車や小型トラック向けに提供されていました。

今日では、ほとんどのガソリン車とディーゼル車とトラックには、燃費向上のためオーバードライブトランスミッションが搭載されています。^[4]オーバードライブは、オートマチックトランスミッションとマニュアルトランスミッションの両方に追加のギア（場合によっては2つ）として含まれています。^[5]

オーバードライブ ギアを使用すると、車のエンジン速度が下がり、摩耗が減り、通常は燃料が節約されます。1981 年に米国企業平均燃費(CAFE) 法が制定されて以来、事実上すべての国産車に燃料節約のためのオーバードライブが搭載されています。オーバードライブで走行する適切な速度については、車の取扱説明書を参照してください。すべてのエンジンにはピーク効率の範囲があり、オーバードライブを使用すると、不適切な速度で使用した場合、エンジンをその使用時間の全体または一部でこの範囲外に保つことができ、その結果、エンジン速度の低下による燃料節約が削減されます。

ドライブトレイン全体の減速は、トランスミッションギア（オーバードライブを含む）、差動ギア（車軸内）、タイヤサイズという 3 つの基本要素に帰着します。回転速度の問題は、差動ギアの比率が高く、オーバードライブで補正する場合に発生します。これにより、高速走行時に不快な振動が発生し、求心力や不均衡なバランスによりドライブシャフトが破損する可能性があります。

ドライブシャフトは通常、振動を減らすためにバランス調整が必要な中空の金属管であり、内部に補強材はありません。

ドライブシャフトと関連部品の高速回転により、オーバードライブと高差動ギア (または非常に小さいタイヤ) が組み合わされ、不要な摩擦が発生すると、熱や摩耗の問題が発生する可能性があります。差動ギアは重油に浸されており、ハウジングに吹き付ける空気以外に冷却手段がほとんどないため、これは特に重要です。

その原動力は、オーバードライブの使用を最小限に抑え、より高い比率の 1 速ギアを提供することです。つまり、エンジンを最も効率的な速度に保つために、1 速と 3 速の間にギアを増やすということです。これは、現代の自動車のトランスミッションにギアの数が多くなる傾向がある理由の 1 つです。また、特殊な状況、つまりトラックや高性能車のように、車両を動かすために高い (数値の) ディファレンシャル ギアが必要な場合を除いて、車両に複数のオーバードライブ ギアがほとんど見られないのもこのためです。ただし、他の車両では、車軸ギアの減速比が小さいことが多いダブル オーバードライブ トランスミッションが一般的ですが、通常は時速 100 キロメートル (62 マイル) を超える速度でのみ作動します。

ウィキメディア・コモンズには、 Overdrivesに関連するメディアがあります。

無料辞書『ウィクショナリー』で「オーバードライブ」を調べてください。

• How Stuff Worksの「オートマチックトランスミッションの仕組み - オーバードライブ」（インタラクティブ アニメーション、Flash Playerが必要）