グーネット

ミッション・駆動系修理・整備[2019.07.10 UP]

AT(オートマチックトランスミッション)の仕組みとは?

クラッチを持たない自動車である(オートマチックトランスミッション)にはいくつかの形態があるが、主流となっているのは1940年代にアメリカで実用化されたトルクコンバーターとプラネタリーギヤを組み合わせた仕組みだ。

AT(オートマチックトランスミッション)の種類

 AT(オートマチックトランスミッション)には様々な形態がある。もっとも普及しているのがトルクコンバーターと複数のプラネタリーギヤを組み合わせた方式だ。この方式はアメリカで実用化され、その後多くのメーカーに採用されていったもので、ATオートマチックトランスミッションの主流といってもいい。1980年代に登場したのが金属プーリーとベルトを組み合わせたCVTで、小型車のトランスミッションとして普及している。またCVTのバリエーションとして、トロイダル方式のCVTも開発された。

トルクコンバーター+プラネタリーギヤ

コンベンショナルなAT(オートマチックトランスミッション)の構造。トルクコンバーターに複数のプラネタリーギヤを内蔵した変速部分、そして油圧制御システムで構成されている。

・AT(オートマチックトランスミッション)のパーツの構成
 フルードカップリングは、フルードを満たしたケースの中にポンプとタービンを向かい合わせ、動力の伝達を行う。エンジンからのインプットシャフトはポンプに繋がれ、カップリングからのアウトプットシャフトはタービンに結合される。ポンプ、タービンの両方に放射状に羽根が設けられる。
 クランクシャフトの回転は機械的にポンプを回し、ポンプによって撹拌され、羽根の作用で流れの方向性を持たされたフルードはタービンに向かって流れ、タービンに設けられた羽根の作用によってタービンを回転させる。いったん機械式に取り出された回転はフルードによって伝えられ、再び機械的な回転として取り出される。
 回転の変換は扇風機や風車を連想するとわかりやすい。扇風機は羽根を回転させることで風を送り出し、風車は、それに風を当てることで回転する。扇風機を2つ向かい合わせ、一方を回転させると、もう一方の羽根が回り出すのも同じ原理だ。
 ポンプとタービンは機械的に接合されていないので、流体クラッチとしての作用を持つという大きな特徴がある。ポンプの回転が低い時は、タービンに与える影響は少なく、タービンを固定したままでもポンプは回転を続けられる。AT(オートマチックトランスミッション)車が停止時に、ギヤを入れたままでいいのはこの機構によるものだ。
 動力伝達機能を持ち、さらにクラッチ作用を持つことから、初期のAT(オートマチックトランスミッション)は、フルードカップリングが主役で、変速機能は従の関係にあった。例えばトヨタ初のオートマチックトランスミッションの変速段数は2速のみで、スタート、定常走行は常に2速に固定され、登坂などでトルクを要求される場合にのみ、手動で1速を選択するようになっていた。
 フルードカップリングは、流体力学上、ポンプで生み出したのと同じエネルギーしかタービンに伝えられない。しかしクルマのトランスミッションに用いられるフルードカップリングはトルクコンバーターといわれ、伝達トルクの増強作用を持っている。その秘密はステーターという羽根に隠されている。ステーターはリングの外周に飛行機の翼と同じ断面形状を持つフィンを多数、設けたもので、ポンプとタービンの間に挿入されている。ポンプから送り出されたフルードはタービンを回転させるが、タービンで用済みとなったフルードはステーターで流れの方向を変え、再びポンプに戻る。この時、戻されたフルードはポンプを回転させる方向に流れ、ポンプの回転力を補う働きをする。これがトルク増大作用だ。
 トルク増大効果は、ポンプとタービンの回転差が大きいほど顕著になる。発進時はポンプの回転が上がり、タービンの回転は止まっているから、トルク増大効果は最大になる。感覚の鋭いドライバーなら、発進時や加速時に、ターボエンジンのようなトルクの延びを一瞬、感じるはずだ。ポンプとタービンの回転が同じになると、ステーターの羽根に流れるオイルの方向が、ポンプの回転を補う方向とは逆になるため、ワンウェイクラッチの働きでステーターは自由に回転し、負の要素を現さないようになっている。

プラネタリーギヤを3セット用いた6速トランスミッションの横からのカット写真。プラネタリーギヤ、クラッチ、ブレーキの配置がよくわかる。

FF車用オートマチックトランスミッションの構造。エンジンの横に直列にセットされ、ドライブピニオンからディファレンシャルに直接動力が伝えられる。

・AT(オートマチックトランスミッション)のロックアップ機構
 フルードによる動力の伝達は、摩擦がない、ショックがないという大きな利点を持っているが、常に滑っている状態なのでエネルギー損失が大きいという決定的な欠点も抱えている。この欠点を解消するメカニズムがタービンとポンプハウジングを機械的に接続するロックアップ機構だ。
 タービンの外側に設けられたロックアップクラッチアッセンブリーはタービンと一体になりアウトプットシャフトに結合されている。ロックアップクラッチはポンプハウジングの内周に近接してセットされ、クラッチを油圧でポンプハウジングに押しつけることで、ホンプハウジングとタービンが機械的に接続され、動力の伝達がロスなく行われる。クラッチにはマニュアルトランスミッションのクラッチと同じ構造のトーションダンパーが内蔵され、クラッチ接続時のショックを吸収するようになっている。 
 ロックアップは常に行われるわけではない。大きな駆動トルクが要求される発進時や低速からの加速時にロックアップをすると、ぎくしゃくした動きとなってしまう。このため、速度とアクセル開度を検出し、速度が高く、アクセル開度が少ない運転領域でロックアップが行われ、それ以外の運転領域ではロックアップが解除され、フルードカップリングの滑りが活かされる。
 ロックアップはドライバビリティの向上だけでなく、燃費に大きな影響を与えるため、最近はロックアップ領域を拡大する傾向にある。その一つの方法としてフレックスロックアップも行われる。ロックアップクラッチを100%結合するのではなく、油圧を制御してクラッチにわずかな滑りを与える。これによって低速域でもロックアップの効果が現れる。

トルクコンバーターの構造。中心部分にステーターがセットされ、タービンランナーからポンプインペラーに戻るフルードに勢いを与え、トルクを増強する。

フルードカップリングの原理。フィンを持った2つのカップを向かい合わせ、内部にフルードを充填する。一方のフィンを回転させると、フルードにも回転エネルギーが伝わり、もう一方のフィンを回転させる。

トルクコンバーターのロックアップクラッチの構造。タービンランナーと一体になって回転するクラッチをハウジングに押しつけて、トルクコンバーターそのものを一体化させる。これによってポンプインペラーの回転が機械的にタービンランナーに伝えられる。

4速AT(オートマチックトランスミッション)が1速に入っている状態。フロントプラネタリーリングギヤとリヤプラネタリーキャリアーにブレーキがかけられ、インプットシャフトとプラネタリーサンギヤが接続される。


・AT(オートマチックトランスミッション)の自動変速機のメカニズム
 トルクコンバーターは機械的な接続なしで動力を伝えられる自動クラッチの役割と、ある程度の変速能力を持っているが、それだけではクルマの変速機としては機能しない。そのために、複数のギヤを持つ変速機が組み合わせられる。マニュアルトランスミッションでは、シフトレバーによってギヤを選択できるため、各速ギヤはメインギヤとカウンターギヤという2対のギヤの組み合わせでいいが、AT(オートマチックトランスミッション)にはプラネタリーギヤユニットが用いられている。
 プラネタリーギヤの原理は1800年代に考案され、1908年に発売されたフォードT型にも用いられたものだが、現代のAT(オートマチックトランスミッション)では、複数のプラネタリーギヤを組み合わせ、多段化を行っている。
 プラネタリーギヤは中心のサンギヤ、それに噛み合っているピニオンギヤ、ピニオンギヤを覆うように内周で噛み合っているリングギヤから構成されている。サンギヤ、リングギヤは一つのユニットに対して1個しか存在しないが、自転と公転をするピニオンギヤはサンギヤの外周に複数存在する。それぞれを結合するためにプラネタリーキャリアーがある。
 この組み合わせは様々な回転数と入力軸、出力軸の可変を可能にする。例えばリングギヤを固定し、サンギヤを回すとピニオンギヤを結合したプラネタリーキャリアーが出力軸となる。サンギヤを固定し、リングギヤを回しても、プラネタリーキャリアーが出力軸となるが、回転数は異なる。リングギヤを固定し、プラネタリーキャリアーを回すと、サンギヤが出力軸となり、同様にプラネタリーキャリアーを回して、サンギヤを固定するとリングギヤが出力軸となる。プラネタリーギヤを固定し、サンギヤを回しても、同様にリングギヤが出力軸となる。また、プラネタリーギヤを固定し、リングギヤを回すと、サンギヤが出力軸となる。このように一組のプラネタリーギヤの入力と出力取り出しパターンは6種類にもなる。
 多段トランスミッションは複数のプラネタリーギヤを組み合わせているが、1セットのプラネタリーギヤを例に変速の制御を説明すると以下のようになる。

ニュートラル
 リングギヤ、プラネタリーギヤ、サンギヤのいずれのギヤも固定しないで、自由に回転できる状態にすると、どのギヤに入力しても、空転するだけで、トルクは伝達されない。リングギヤを回してみよう。内周で噛み合っているピニオンギヤが回転するが、それはプラネタリーキャリアーを回転する力にはならない。プラネタリーギヤの回転に伴ってサンギヤは回転するが、プラネタリーキャリアーが固定されていないので、回転トルクは発生しない。
 なお、サンギヤを回しても、プラネタリーキャリアーを回しても、同じことがいえる。

増速作用
 サンギヤを固定し、プラネタリーキャリアーに入力すると、プラネタリーギヤは自転しながらサンギヤの外周とリングギヤの内周の間で公転し、リングギヤを回転させる。プラネタリーギヤの自転はリングギヤを増速させ、プラネタリーキャリアーの回転よりも速くなる。リングギヤを固定して、プラネタリーキャリアーに入力すると、公転の他に自転の力がサンギヤを増速させる。

減速作用
 サンギヤを固定し、リングギヤに入力するとプラネタリーギヤは自転しながら、サンギヤの回りを公転する。プラネタリーギヤの自転は、この場合、リングギヤの回転方向ではなく、逆の方向となる。このためプラネタリーキャリアーの公転速度は遅くなり、リングギヤの回転は減速される。リングギヤを固定し、サンギヤに入力しても、同じように減速効果が得られる。

逆転作用
 プラネタリーキャリアーを固定し、リングギヤに入力すると、プラネタリーギヤは自転のみを行い、その回転をサンギヤに伝える。サンギヤに伝えられる回転はリングギヤとは逆の方向になる。この場合、大きなリングギヤの回転を小さなサンギヤで取り出すために逆転増速となる。
 プラネタリーキャリアーを固定して、サンギヤに入力しても、リンクギヤの逆転作用が現れる。プラネタリーギヤは自転のみを行い、リングギヤを回転させる。この場合、小さなサンギヤの回転を大きなリングギヤで取り出すために減速作用が現れる。

グーネットピット編集部

ライタープロフィール

グーネットピット編集部

車検・点検、オイル交換、修理・塗装・板金、パーツ持ち込み取り付けなどのメンテナンス記事を制作している、 自動車整備に関するプロ集団です。愛車の整備の仕方にお困りの方々の手助けになれればと考えています。

この人の記事を読む

車検・点検、オイル交換、修理・塗装・板金、パーツ持ち込み取り付けなどのメンテナンス記事を制作している、 自動車整備に関するプロ集団です。愛車の整備の仕方にお困りの方々の手助けになれればと考えています。

この人の記事を読む
  • twitter
  • このエントリーをはてなブックマークに追加

グーネット SNS公式アカウント

車の整備は事前に予約 空いた時間を有効活用
タイヤ・オイル交換は かんたんネット予約
×
COPYRIGHT©PROTO CORPORATION. ALL RIGHTS RESERVED.