自動変速機の仕組み：トルクコンバーター、ギア、シフト操作の解説

クラッチペダルに触れたことのないドライバーでも、車が発進したり速度を変えたりするたびに作動する機械部品と油圧部品の連鎖に依存しています。自動ギアボックスの中核には2つのタスクがあります。エンジンをエンストさせずにアイドリングさせることと、ドライバーがギアを選択することなく、エンジン速度とホイール速度の比率を変更することです。

トルクコンバーターはクラッチの役割を果たします

最も一般的な自動変速機の場合、機械的なクラッチは、液体充填された密閉ハウジングであるトルクコンバーターに置き換わります。車の整備参考サイト『How a Car Works』によると、3つの主な部品が含まれています。エンジンのフライホイールに固定されたインペラー、ギアボックス入力シャフトに接続されたタービン、一方向クラッチが装備された中央リアクター。

インペラーがエンジンとともに回転すると、変速液を外側のタービンに飛ばし、ギアボックス入力シャフトを回転させます。低いエンジン速度では、リアクターは静止したままで、液体をインペラーに戻して方向を変え、トルクを増幅し、車がスタンディングスタートから発進するのに役立ちます。エンジン速度が上がると、リアクターはフリーホイールし、コンバーターは単なる液体フライホイールとして機能します。『How a Car Works』が説明しています。

オーストラリアのメディア『CarsGuide』は、この液体リンクがトルクコンバーター自動変速機が滑らかに感じられ、低回転で強い牽引力を提供する理由だと報告しています。歴史的には、直接的な機械的リンクよりも効率が低いことがトレードオフでした。そのため、ほとんどの現代的なトルクコンバーター装置は、車が速度に達すると『ロックアップ』機能を追加し、インペラーとタービンを機械的に結合して電力損失を削減します。『CarsGuide』によると。

遊星ギアは物理的なギア交換なしに比率を変更します

ギアボックスに電力が到達すると、1つ以上の遊星（エピサイクル）ギアセットを通過します。『How a Car Works』は、これらを中央の太陽ギア、内側に歯を持つ外側のリングギア、および両方とメッシュする小さい遊星ギアのセットとして説明しています。3つの部品すべては常に接触しているため、手動ギアボックスのように伝達機が物理的に一対のギアに接触またははずすことはありません。

代わりに、油圧操作のブレーキバンドと多板クラッチが、ギアセットのさまざまな部品を保持するか、自由に回転させます。『How a Car Works』は基本的な組み合わせをリストしています。太陽ギアをロックしながらキャリアが惑星を駆動すると、速度が上がります。リングギアをロックして太陽ギアを駆動すると、速度が低下します。太陽ギアに電力を送信しながら遊星キャリアをブレーキにかけるとリバースが起動し、太陽ギアとリングギアを一緒にロックするとダイレクトドライブ、つまり1対1の比率が起動します。

このように使用される単一の遊星セットでも、既に複数の比率を提供できます。最も単純な古典的なレイアウトである2つのエピサイクルセットのペアリングは、3つの前進速度を生成できます。『How a Car Works』を参照。メーカーは、今日の自動車で一般的な5段、6段、8段、9段、および10段の変速機に到達するために、より多くのセットとクラッチを一緒にチェーンします。

油圧と電子機器がいつシフトするかを決定します

ギアボックス内のロックシーケンスは、ブレーキバンドとクラッチに作用する油圧によってトリガーされ、『How a Car Works』が複雑な油圧弁の配列と呼ぶものを通して経路付けられます。古い設計では、これらのバルブはエンジン負荷、道路速度、スロットル位置に機械的に応答します。「キックダウン」メカニズムは、アクセルが全開に押されたときに追加の加速のためにダウンシフトを強制します。現代の自動車では、電子センサーと制御コンピューターが同じ作業を実行し、各シフトのタイミングをとるためにソレノイドバルブを開閉します。

自動変速機を構築する3つの異なる方法

すべての自己シフトギアボックスが同じ方法で機能するわけではありません。『CarsGuide』は、現代的な自動変速機を3つの主な種類に分類し、古い、大部分廃止された4番目のタイプも含みます。

• トルクコンバーター自動変速機 — 上記の液体カップリングを使用します。低速トルクが強く、シフトが滑らかで、MazdaやLexusなどのブランドに見られます。『CarsGuide』によると。
• デュアルクラッチ変速機（DCT）— 事実上、1つのケーシングを共有する2つの手動ギアボックス、それぞれが独自のクラッチを備えています。1つのギアが事前に選択されている間、もう1つが係合しているため、システムはクラッチを交換してミリ秒単位でギアを変更し、トルク損失を最小限に抑えます。『CarsGuide』はVolkswagen DSG、Nissan GT-R、Ferrari 488 GTB、McLaren 650Sを例として挙げています。
• 無段階変速機（CVT）— 固定ギアがまったくありません。ベルトまたはチェーンは、有効直径が変わる2つのプーリー間を走行し、『CarsGuide』の言葉によると、「トラフィックコーン上のゴムバンドのような」作用、および最大燃料効率のための理論的に無制限の比率を実現します。
• シングルクラッチオートマテッドマニュアル — 従来のマニュアルギアボックスで1つのコンピューター操作クラッチを備えた古い設計。『CarsGuide』はそのシフトがぎこちなく遅延していると説明し、このタイプは現在ほぼ廃止されていると述べています。

比較すると、『CarsGuide』は従来のマニュアルギアボックスは通常6つの前進速度を備えており、Porsche 911などの一部のスポーツカーは7つを提供していることに注意しています。

日常運転にとって重要な理由

床下の自動変速機のタイプは、単にクラッチペダルがあるかどうかではなく、車がどのように感じられるかに影響します。トルクコンバーター自動変速機の液体カップリングは、エンジンがエンストすることなくアイドリング時に車を前方にゆっくり進ませるのを可能にするもので、『How a Car Works』はこれをトルクコンバーターの設計に直接起因すると説明しています。DCTの2つのクラッチは、パフォーマンスカーが古い自動変速機で感じられる瞬間的な電力ギャップなしにギアを変更できるようにするものです。『CarsGuide』によると。CVTの固定比率の欠如により、道路速度に関係なくエンジンが最も効率的な速度の近くにとどまることができ、『CarsGuide』はこれを主な利点として挙げていますが、一部のドライバーが気付く絶え間ない、非従来型のエンジン音によってオフセットされます。