【絶滅か!? 進化か!?】ニッポンのガラパゴス変速機「CVT」の行方

 日本車に多く使われているCVTはあまり諸外国では使われていないため、ガラパゴス変速機とさえ言われています。CVTは、独特のダイレクト感に乏しいフィーリングや特有の作動音に違和感を覚えている人も多いでしょう。

 その反面、トルコン式ATよりもストップ&ゴーの多い日本の都市部ではよりスムーズに走行することができ、燃費がいいというメリットがあります。 

 さて、このCVT、これから生き残っていくのでしょうか? テクノロジーに強いモータージャーナリスト・高根英幸氏が解説します。

文/高根英幸

写真/ベストカーWeb編集部 

出典/トヨタ、日産、ジヤトコ、CVTEC


■まずはCVTを理解する

プーリーをベルトが回って無段階に変速する(写真はエレメント式金属製ベルト)

2対のプーリーとそれらをつなぐベルトで構成されており、プーリーの直径を変化させることで連続的に変速することができる。CVTは無段階に変速できるため、変速ショックのないスムーズな走りが可能。また常に最適な変速比を保つことができるため、無駄なエネルギーを使用することなく燃費の良い走りを可能にする

 CVTとは無段変速機のこと。一般的には金属ベルトとプーリーを使ったエレメント式のことを指すが、実はクルマ用のCVTにもいろいろな構造がある。

 例えばプリウスに使われているTHSのハイブリッド機構は、遊星ギアの回転をモーターがコントロールすることで、無段階に減速比を変化させられるため、電気式CVTと呼ばれている。

■理想といわれたエクストロイドCVTの失敗

 その昔、日産とジヤトコで共同開発したトロイダル式CVT(商品名はエクストロイドCVT)というCVTもあった。

 これは鼓型に向かい合う入力と出力側のディスクの間にローラーを当て、それぞれのディスクに当たる角度を変化させることで変速を行なうユニークで伝達効率に優れたCVTだったが、非常に高い加工精度が要求された変速機だった。

 しかも作動に関しても精密さがシビアすぎて、あっという間に姿を消してしまった。

1999年11月に発売された日産セドリック、グロリアに搭載されたエクストロイドCVT。期待は大きかったが、300LX-Z Sパッケージ(セドリック)の477万円とATモデルよりも50万円高となったためか人気を得ることはできなかった

エクストロイドCVTの基本メカニズム。変速機の中心はディスク(入力&出力ディスク)とパワーローラーから構成される。エンジンの動力を受けた入力ディスクの回転は、パワーローラーから出力ディスクへと伝えられる。パワーローラーの傾きを連続的に変えることで、滑らかな無断変速を行う

 チェーン式はエレメント式に比べて屈曲性が高いため、プーリー径を小さくすることができる。つまり縦置きの変速機に使うことで幅広い変速比と無段変速を両立できるメリットがあるのだ。

 スバルやアウディが採用した理由はまさにここにある。チェーンのピン部分だけがプーリーに接触するので、エレメント式に比べて騒音が出やすいのが難点だが、防音性を高めることで解決させている。

 チェーン式のメリットとして許容トルクが大きいイメージがあるが、実は金属ベルトも今や400Nm(40.8kgm)を許容するほどの容量を誇るCVTが存在するから、容量面での優位性はそれほど大きくない。それくらいCVTは進化しているのである。

チェーン式を採用するスバルのリニアトロニック。一部車種にはアクセルを踏み込まない「低開度」時は、滑らかな無段階変速。 ドライバーがぐっと踏み込みアクセルが「高開度」になると、自動的にステップ変速に切り替わり、エンジン回転がぐっと伸びてリニアな加速が味わえるオートステップ変速切り替えモードが用意されている。また300ps/40.8kgmのWRX S4やレヴォーグの2Lターボにも耐えうる設計

 ちなみにエレメント式のCVTはベルトがプーリーを押すようにして力を伝える(エレメント=要素の意で、この場合は金属コマの1つ1つがエレメントで、薄いスチールベルトがエレメントを連結している)のに対し、チェーン式はプーリーを引っ張ることで力を伝える。構造は似ていても、実は考え方は真逆な部分も存在するのだ。

 さて、エレメント式CVTに話を戻すと、この構造は1970年にオランダで考案され、欧州の自動車メーカーや日本のスバル(ジャスティ)などが1980年代に小型車に採用している。

 そして一度市場から消えた後に特許が切れたこともあって、日産やホンダ、トヨタなどの自動車メーカーとジヤトコ、アイシンなどの変速機メーカーが独自の技術を盛り込んだCVTを開発して搭載していくのである。

エレメント式のCVTベルトは高い強度を実現できる特殊鋼の薄板を多層に重ね層間の隙間も数ミクロンという高精度に仕上げられたリングに動力伝達の要「エレメント」という小さな金属板を組み込んでできたもの。一般的なゴムベルトがベルトの張力で動力伝達をする「プルベルト」であるのに対して、隣り合ったエレメントの押す力により動力伝達をする「プッシュベルト」であることが最大の特徴。一見すればシンプルな構造だが、滑らかで確実な動力伝達とノイズの低減のために、随所に独自の技術と工夫が凝縮されている

ホンダマルチマチックのエレメント式ベルト

 それ以来、CVTは特に日本のコンパクトカーの主要な変速機として普及してきた。そのいっぽうで、日本車以外では採用されたケースは少ない。

 初代BMWミニのCVT、それに先代のメルセデスAクラス/Bクラスに採用されたりしているが、欧州ではやはり少数派だ。

 それは、MTが主流で多段ATも少ないという地域性だけでなく、やはり無段変速ならではの滑らか過ぎる加速がエンジンのトルクの盛り上がりを感じにくくさせてしまい、ドライビングの楽しさを損なったり、違和感を感じさせてしまうからだろう。スポーツカーにCVT搭載車がないのは、これらが理由だ。

 そもそも金属ベルト式のCVTは、様々な矛盾を抱えた伝達装置であり、それをホンダや日本の変速機メーカーが地道な努力を続け、難題を克服してきた。

 金属ベルトとプーリーで駆動力を伝達する、ということはプーリーがベルトをがっちりと挟み込んで摩擦力によって駆動力を伝えると同時に焼き付きを抑え、なおかつプーリーからベルトが離れていく部分では滑らせることが必要になる。

 その上で変速時にはプーリーの幅を変化させてベルトを挟み込む位置を変える。つまり、ベルトを直径方向には滑らせながらも円周方向では摩擦させるという芸当をこなしているのだ。

■多段ATやMT、DCTと比べるとCVTの伝達効率は劣る

 潤滑(&冷却)と摩擦という相反する要素を両立させるためには、緻密な油圧による制御だけでなく、プーリーとベルトの間で潤滑を行なうCVTフルードの開発、プーリー表面の仕上げやエレメントの耐久性アップなど様々な部分に渡って設計や制御の工夫が不可欠なのだ。

 それでもCVTは多段ATやMT、DCTと比べて伝達効率は劣る。前述のようにベルトとプーリーの間では滑りがなければ回転できないし、変速もできないからだ。歯車機構も接触する表面では滑りが起こっている(しかし潤滑しているため摩擦は少ない)が、歯車同士は噛み合っているため、高い伝達効率を実現できているからだ。

 伝達効率が低い変速機なのに、なぜ燃費が良いのか。それは幅広い減速比が実現できるため、最終的に巡航時にはエンジン回転を低く抑えることができるのと、変速時に駆動力が途切れないためにMTや多段ATと比べ、実質的な伝達損失は意外と少ないのである。

 無駄な加速(変速により滑りが増え、燃費が低下する)を抑える運転方法さえ守れば、燃費に優れるのはこのためだ。

 だから燃費職人と呼ばれるメーカーのテストドライバーがキッチリと運転すれば燃費は伸びる。言い方は悪いが、カタログ燃費を引き出すにもCVTは好都合な変速機だったのだ。

 そのため欧米の自動車メーカーがサジを投げたこの変速機に挑戦し続け、低燃費を追求し続けてきたのである。これは偏に変速機メーカーの努力によるもの、と言っていい。

■進化し続けてきたCVT

 例えばジヤトコは、この20年間の開発で伝達効率を10%は引き上げている。その根拠となるのが、CVTにとって重要な油圧による損失の低減だ。CVTの駆動にはかなりの油圧を必要とする。

 金属ベルトを挟み込むには高い油圧が必要だが、必要以上に高すぎれば摩擦が増えて抵抗になるだけでなく、油圧ポンプの駆動による損失も無駄に大きくなる。アイシンAWではCVTの油圧経路を、ベルトを挟む高圧系とトルクコンバーターなどの低圧系に分けることで油圧の最適利用を図っている。

 最近では副変速機や発進用ローギアを備えるCVTも登場してきた。そんな変速機メーカーの努力によってCVTの実燃費は向上してきたし、加速時の制御もより柔軟で人間の感性も考慮できるようになった。それは伝達効率が高まった分、加速時に常に変速し続ける必要が無くなったということだ。

日産ジューク/ノート、スズキスイフト/アルト/ワゴンR、三菱ミラージュなどに搭載されている、変速範囲を広くとれる副変速機付きのジヤトコ製CVT

 実際、最新のCVTを搭載したクルマに乗ると、その加速感もかなり自然になっており、ドライビングも楽しい。CVTとしての利点を活かしながら、ドライビングの楽しさも追求できるようになってきたのが今日のCVTなのだ。

 特に小型車ではATを多段化するのはコストや車重の面からいって実現が難しい。そのためCVTが採用されてきた訳だが、今後マイルドハイブリッドの普及が進んでくると多段化しなくても変速機のステップ比をモーターが補ってくれるから、燃費のいい領域でエンジンを運転しやすくなっていく。

■今後HV、EVが増えるにつれCVTは姿を消していく

 CVTもモーターを組み込むなどのハイブリッド化が進められているが、電動化との相性がいいのはむしろAMTや従来のATだ。

 そう考えると、これからますます燃費や排ガス規制が強化され、パワートレーンの効率化は追求されていくから、日本でもCVTは徐々に減っていくことになりそうだ。

 中型車以上のCVTはここ5年〜7年くらいで姿を消す可能性が高いが、1〜1.5Lクラスや軽自動車は、10〜15年は使われ続けるだろう。

 しかしハイブリッドとの組み合せ、もしくはEV化で姿を消すのは、残念ながら避けられそうにない。

■CVT、AT、DCT、AMTの長所と課題

最後に各トランスミッションの長所と課題を挙げたので読んでいただきたい。

■CVT
●構造上の特徴
1対のプーリーに金属ベルトを配置し、プーリの幅を変化させることで、ベルトの巻きかけ半径を変化させて減速比を連続的に変化させる。
●長所
構造がシンプルで軽量。変速時に駆動力が途切れないシームレスな変速を実現。変速比が大きく、巡航時の燃費性能が高い。
●課題
摩擦で駆動力を伝えるため、歯車より駆動損失は大きい(85%前後)。ベルトを挟み込むため、高い油圧が必要になる。停止直前には、発進時に備えて減速比を大きくしておく必要がある

■AT
●構造上の特徴
遊星歯車機構を制御することで変速する。歯車それぞれに多板クラッチを配置し、変速時に段階的に切り替え、スムーズな変速を実現する。
●長所
多板クラッチをスムーズに切り替えることでシームレスな変速を実現。トルクコンバーターのロックアップ領域を高めたことで駆動損失を抑えた(90%前後)。変速は副変速機的に利用できるため多段化に有利。多段化により変速比は非常に大きい。
●課題
変速機の中で内部構造が最も複雑。多段化が進んでおり、構造は複雑化している。質量増やコスト高になっている。

■DCT
●構造上の特徴
MT同様、1対の歯車の組み合わせを各段ごとに変更することにより変速。偶数段、奇数段それぞれにクラッチを与え、クラッチを切り替えることで変速する
●長所
MTと比べオイルポンプが必要な程度で損失が少ないため、駆動効率は極めて高い(乾式クラッチで95%前後、湿式クラッチで90%前後)。二つのクラッチの切り替えをスムーズに行なうことで、ほぼシームレスな変速を実現。
●課題
湿式クラッチを採用したDCTは、油圧のための損失に加え、クラッチの滑り、引き摺り抵抗による損失が発生する。多段化する場合、歯車の増加とともに、容積や質量が増える

■AMT(シングルクラッチMT)
●構造上の特徴
MTと同じ平行軸歯車を電子油圧制御により操作することで変速。クラッチもMTと同じ乾式単板を電子制御で断続させる。
●長所
構造がシンプルで低コストかつ小型軽量。オイルポンプの損失も少なく、伝達効率はほぼMT並みを誇る(97%前後)。副変速機を搭載すれば、多段化を一気に実現できる。
●課題
変速が緩慢でスムーズさに欠ける。その一方、変速の応答性を高めるとショックが大きくなる。スムーズに変速するためにはMT並みに運転者にスキルが要求される

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