エクストロニックCVTと日産のHR15DEエンジン。より多くの送信写真を参照してください。
老犬に新しいトリックを教えることはできないと言う人もいます。しかし、レオナルド・ダ・ヴィンチが500年以上前に概念化し、現在一部の自動車のプラネタリーオートマチックトランスミッションに取って代わっている無段変速機（CVT）は、確かにいくつかの新しいトリックを学んだ1匹の老犬です。実際、1886年に最初のトロイダルCVT特許が出願されて以来、技術は洗練され、改善されてきました。今日、ゼネラルモーターズ、アウディ、ホンダ、日産を含むいくつかの自動車メーカーは、CVTを中心にドライブトレインを設計しています。
この記事では、CVTが典型的な後輪駆動車でどのように機能するかを探り、途中でいくつかの質問に答えます。
- CVTは、従来のプラネタリーオートマチックトランスミッションと比べてどうですか？
- どの部分があり、それらの部分はどのように機能しますか？
- CVTは従来のオートマチックトランスミッションに比べてどのような利点がありますか？不利な点はどうですか？
- CVTを搭載した車での運転体験はどうですか？
- どのようなメーカーやモデルにCVTが組み込まれていますか？
- 自動車以外のCVTの用途はありますか？
まず、CVTと従来のオートマチックトランスミッションとの比較を見ていきます。
- トランスミッションの基本
- プーリーベースのCVT
- トロイダルCVT
- 静水圧CVT
- CVTテストドライブ
トランスミッションの基本
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これ以上のギアはありません
CVTイノベーションのタイムライン
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あなたが自動変速機の構造と機能について読んでいればどのように自動変速機の作業、そしてあなたは、伝送の仕事はエンジンや自動車の車輪間の速度比を変更することがあることを知っています。言い換えれば、トランスミッションがなければ、車には1つのギアしかありません。つまり、車が希望の最高速度で走行できるようにするギアです。 1速のみの車または3速のみの車を運転しているところを想像してみてください。前者の車は完全に停止してから十分に加速し、急な坂を登ることができますが、最高速度は時速数マイルに制限されます。一方、後者の車は高速道路を時速80マイルで飛行しますが、発進時にはほとんど加速せず、丘を登ることができません。
そのため、トランスミッションは、ローからハイまでのさまざまなギアを使用して、運転条件の変化に応じてエンジンのトルクをより効果的に利用します。ギアは手動または自動で噛み合うことができます。
写真提供：DaimlerChrysler Mercedes-BenzCLKオートマチックトランスミッション。 |
従来のオートマチックトランスミッションでは、ギアは文字通りギアです。つまり、回転運動とトルクの伝達と変更を支援するインターロック式の歯車です。遊星歯車の組み合わせにより、トランスミッションが生成できるさまざまな歯車比がすべて作成されます。通常、前進歯車が4つ、後進歯車が1つです。このタイプのトランスミッションがギアを循環するとき、各ギアが噛み合っているときにドライバーは衝撃を感じることがあります。
CVTの基本
従来のオートマチックトランスミッションとは異なり、無段変速機にはギア数が設定されたギアボックスがありません。つまり、連動する歯車がありません。最も一般的なタイプのCVTは、個別のステップやシフトなしで最高ギアと最低ギアの間で無限の変動を可能にする独創的なプーリーシステムで動作します。
写真提供： CVTを搭載したフォードモーターカンパニー フォードフリースタイルデュラテックエンジン |
CVTの説明に「ギア」という言葉がまだ表示されているのはなぜか疑問に思われる場合は、大まかに言って、ギアはドライブシャフト速度に対するエンジンシャフト速度の比率を指すことを覚えておいてください。CVTは、遊星歯車のセットを使用せずにこの比率を変更しますが、慣例により、「歯車」が低いものと高いものがあると説明されています。
次に、プーリーベース、トロイダル、静水圧など、さまざまなタイプのCVTについて説明します。
プーリーベースのCVT
写真提供： 日産グローバル プーリーベースのCVT |
- ハイパワーメタルまたはラバーベルト
- 可変入力「駆動」プーリー
- 出力「ドリブン」プーリー
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可変径プーリーはCVTの心臓部です。各プーリーは、向かい合う2つの20度の円錐で構成されています。 2つのコーンの間の溝にベルトが乗っています。ベルトがゴム製の場合は、Vベルトが推奨されます。 Vベルトの名前は、ベルトがV字型の断面を持っていることから付けられました。これにより、ベルトの摩擦グリップが向上します。
プーリーの2つのコーンが離れている場合（直径が大きくなる場合）、ベルトは溝の中で低くなり、プーリーの周りを回るベルトループの半径は小さくなります。コーンが接近しているとき（直径が小さくなるとき）、ベルトは溝の中でより高く乗り、プーリーを回るベルトループの半径は大きくなります。 CVTは、油圧、遠心力、またはばね張力を使用して、プーリーの半分を調整するために必要な力を生成する場合があります。
可変直径プーリーは常にペアで提供する必要があります。ドライブプーリー（またはドライブプーリー）と呼ばれるプーリーの1つは、エンジンのクランクシャフトに接続されています。駆動プーリーは、エンジンからのエネルギーがトランスミッションに入る場所であるため、入力プーリーとも呼ばれます。 2番目のプーリーは、最初のプーリーが回転しているため、ドリブンプーリーと呼ばれます。出力プーリ、従動プーリは駆動シャフトにエネルギーを伝達します。
プーリーの中心からベルトが溝の中で接触する場所までの距離は、ピッチ半径として知られています。プーリーが離れていると、ベルトが低くなり、ピッチ半径が小さくなります。プーリーが接近すると、ベルトが高くなり、ピッチ半径が大きくなります。ドリブンプーリーのピッチ半径とドリブンプーリーのピッチ半径の比率によってギアが決まります。 |
一方のプーリーが半径を大きくすると、もう一方のプーリーは半径を小さくしてベルトをしっかりと保ちます。 2つのプーリーが相互に半径を変更すると、ギア比が無限に作成されます。ギア比は、低から高、およびその間のすべてになります。たとえば、駆動プーリーのピッチ半径が小さく、従動プーリーのピッチ半径が大きい場合、従動プーリーの回転速度が低下し、「ギア」が低くなります。駆動プーリーのピッチ半径が大きく、従動プーリーのピッチ半径が小さい場合、従動プーリーの回転速度が速くなり、「ギア」が高くなります。したがって、理論的には、CVTには無限の数の「ギア」があり、いつでも、どのエンジンまたは車両速度でも通過できます。
CVTのシンプルさと無段階の性質により、CVTは、自動車だけでなく、さまざまな機械やデバイスにとって理想的なトランスミッションになっています。CVTは、電動工具やドリルプレスで長年使用されてきました。また、トラクター、スノーモービル、スクーターなど、さまざまな車両にも使用されています。これらすべての用途において、トランスミッションは高密度のゴムベルトに依存しており、これは滑ったり伸びたりする可能性があるため、効率が低下します。
新しい材料の導入により、CVTの信頼性と効率がさらに向上します。最も重要な進歩の1つは、プーリーを接続するための金属ベルトの設計と開発です。これらの柔軟なベルトは、高強度の蝶ネクタイ型の金属片を一緒に保持するいくつか（通常は9または12）の薄い鋼のバンドで構成されています。
金属ベルトのデザイン |
金属ベルトは滑りにくく、耐久性に優れているため、CVTはより多くのエンジントルクを処理できます。また、ゴムベルト駆動のCVTよりも静かです。
トロイダルCVT
写真提供： Nissan Global NissanExtroidトロイダルCVT |
このようなシステムは大幅に異なるように見えますが、すべてのコンポーネントはベルトとプーリーのシステムに類似しており、同じ結果、つまり無段変速機につながります。仕組みは次のとおりです。
- 1枚のディスクがエンジンに接続されます。これは駆動プーリーに相当します。
- 別のディスクがドライブシャフトに接続します。これは従動プーリーに相当します。
- ディスクの間にあるローラーまたはホイールはベルトのように機能し、一方のディスクからもう一方のディスクに動力を伝達します。
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ホイールは2つの軸に沿って回転できます。それらは水平軸を中心に回転し、垂直軸を中心に内外に傾斜します。これにより、ホイールがさまざまな領域のディスクに触れることができます。車輪が中央近くの駆動ディスクに接触しているとき、それらはリム近くの駆動ディスクに接触しなければならず、その結果、速度が低下し、トルクが増加します（つまり、低速ギア）。ホイールがリム近くのドリブンディスクに接触すると、ホイールは中央近くのドリブンディスクに接触する必要があり、その結果、速度が増加し、トルクが減少します（つまり、オーバードライブギア）。次に、ホイールを傾けるだけでギア比が段階的に変化し、スムーズでほぼ瞬時の比変化が実現します。
静水圧CVT
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多くの場合、油圧トランスミッションは遊星ギアセットおよびクラッチと組み合わされて、油圧機械式トランスミッションとして知られるハイブリッドシステムを作成します。油圧機械式トランスミッションは、3つの異なるモードでエンジンからホイールに動力を伝達します。低速では、動力は油圧で伝達され、高速では、動力は機械的に伝達されます。これらの両極端の間で、トランスミッションは油圧と機械の両方の手段を使用して動力を伝達します。ハイドロメカニカルトランスミッションは、ヘビーデューティーアプリケーションに最適です。そのため、農業用トラクターや全地形対応車で一般的です。
CVTのメリット
無段変速機は、正当な理由で人気が高まっています。それらは、ドライバーと環境保護主義者の両方にアピールするいくつかの利点を誇っています。以下の表は、CVTの主な機能と利点のいくつかを説明しています。
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| 特徴 | メリット |
| 完全停止から巡航速度までの一定の無段階加速 | 「シフトショック」を排除-よりスムーズな乗り心地を実現 |
| 車の走行速度に関係なく、車を最適な出力範囲に保つように機能します | 改善された燃費 |
| スロットルや速度の変化など、変化する条件によりよく反応します | 車が減速するとき、特に丘を登るときのギアハンティングを排除します |
| 一般的なオートマチックトランスミッションよりもCVTの電力損失が少ない | より良い加速 |
| ガソリンエンジンの速度範囲のより良い制御 | 排出量のより良い管理 |
| 機械式クラッチの自動バージョンを組み込むことができます | 非効率的な流体トルクコンバータを交換してください |
次のセクションでは、CVTベースの車を運転するのがどのようなものかを見ていきます。
CVTテストドライブ
写真提供： スバルフランス スバルジャスティ |
1989年から1993年の間に販売されたジャスティは、アメリカ人ドライバーの注目を集めることはありませんでした。では、新しいCVTベースの車（Saturn Vue、Audi A4とA6、Nissan Murano、Honda Insightなどの車）の違いは何ですか？その質問に答える最良の方法は、これらの車の1台を「試乗」することです。以下のアニメーションは、CVTを搭載した車と搭載していない車の加速度を比較したもので、体験の良さを感じさせます。
無段変速機を搭載した車のアクセルペダルを踏むと、すぐに違いに気づきます。エンジンは、最大出力を生成するrpmに向かって回転し、その後、そこに留まります。しかし、車はすぐには反応しません。その後、しばらくすると、トランスミッションが作動し、シフトなしでゆっくりと着実に車を加速します。理論的には、CVTを搭載した車は、同じエンジンとマニュアルトランスミッションを搭載した同じ車よりも25％速く60 mph（100 km / hr）に到達するはずです[参照]。これは、CVTがエンジンの動作曲線上のすべてのポイントをそれ自体の動作曲線上の対応するポイントに変換するためです。
CVTを搭載していない車の出力曲線を見ると、これが正しいことがわかります。この状況でのタコメーターは、ギアが変わるたびにエンジンが上下に回転することを示していることに注意してください。これは、出力曲線のスパイクとして記録されます（ドライバーは衝撃として感じます）。
CVTは丘でも同様に効率的です。CVTは運転条件に適したギア比まで無段階に循環するため、「ギアハンティング」はありません。従来のオートマチックトランスミッションは、適切なギアを見つけようとして前後にシフトしますが、これははるかに効率が悪くなります。
CVTにはすべての利点がありますが、いくつかの欠点があります。米国では、彼らはまだ画像の問題を克服しようとしています。たとえば、スバルジャスティはガットレスマイクロカーとして知られていました。従来、ベルト駆動CVTは、処理できるトルクの量が制限されており、自動および手動のCVTよりも大きくて重いものでした。技術の進歩により、CVTは競争の領域に置かれました。日産ムラーノのCVTは、3.5リッターの245馬力のV6エンジンを処理できますが、第一印象を克服するのは困難です。
無段変速機と関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
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その他のすばらしいリンク
- InsightCentral.net：CVTトランスミッション
- Automotive Engineering International Online：アウディは15世紀から21世紀にCVTを採用しています
- Edmunds.com：CVTが主流に入る
- MSN Autos：新しいトランスミッションのエンジニアリング
- 日産USA：Xtronic CVT
ソース
- バーチ、スチュアート。2000年。アウディは15世紀から21世紀にCVTを取ります。自動車工学インターナショナルオンライン。1月。
- カーニー、ダン。2002年。小型SUVは対決。ポピュラーサイエンス。2月18日。
- Cars.com用語集。無段変速機（CVT）。
- CVT：無段変速機。
- Encyclopedia Britannica 2005、sv「オートマチックトランスミッション」。CD-ROM、2005。
- Gizmology.net。無段変速機に関する注記。
- 仕事、アン。新しいトランスミッションのエンジニアリング。MSNAutos。2005年3月20日にアクセス。
- InsightCentral.net。CVTトランスミッション。
- クルーガー、マイケルA.2000。CVTの準備。今日のテクノロジー。夏号。
- リエナート、ダン。2003.かっこいい。どこで入手できますか？ポピュラーサイエンス。1月16日。
- リエナート、ダン。2003年。舗装に力を入れる。ポピュラーサイエンス。8月13日。
- メマー、スコット。CVTが主流になります。Edmunds.com。2005年3月20日にアクセス。
- 日産USA。XtronicCVT。
