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高効率でCO 2 削減に貢献するオイルポンプの開発「自動車自動変速機用ベーンポンプ」"Vane Pump for Automatic Transmission in Automobile"
Development of Highly Efficient Oil Pump that Contributes to CO 2 Reduction
キーワード

高効率・低温始動性・高回転・自動変速機・CVT・燃費改善
CO 2 削減

技術開発本部下口 保 Tamotsu Shimoguchi

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Components
高効率で CO 2 削減に貢献するオイルポンプの開発「自動車自動変速機用ベーンポンプ」

要 旨
現在日本では自動車の変速機にCVTが広く採用

1. NACHIベーンポンプ
開発の歴史されている。CVTは北米・中国でもその数が増えて

NACHIの油圧の歴史は、1943年ブローチ盤向けのきている。AT・CVT用のオイルポンプは、これまで平衡形ベーンポンプの内製にはじまる。当時NACHIは、内接ギヤポンプが主流であったが、CVTのように高い

多くの加工設備を海 外から調 達していたが、基 幹

油圧を使う場合、内接ギヤポンプでは容積効率が部品は内製化し、より良い商品製造に邁進していた劣ることからCVTにおいてはベーンポンプの採用が時代である。そのような背景の中、工作機製造所では増えてきている。

ポンプの内製化にとり組むことになったわけだが、これまでNACHIでは、自動車用の油圧機器としてすぐに内製化できたわけではなく、アメリカ製の平衡形AT・CVT用にソレノイドバルブを量産してきたが、今回ベーンポンプのスケッチ（模倣）から入ったとされている。

自動車用（AT・CVT・EV・HV）の油圧源としてベーン

当時はカムリングの摩耗、プレートの焼き付きで苦労がポンプを開発し市場に投入した（図1）。

多かったと聞くが、それでも内製化に成功し、外販する

本稿では、NACHIのベーンポンプの歴史を振り返りながら、自動車用に開発したベーンポンプについて紹介する。

までに成長していく。
油圧は暁の産業という時代を経て、NACHIのベーンポンプの主力は可変形ベーンポンプ（非平衡形）となり、また高圧タイプのギヤポンプ、ピストンポンプと油圧ポンプの商品ラインナップは増えていった（図2）。
それから70年後、一般産機器向けにポンプを開発してきたNACHIが、自動車用として平 衡 形ベーンポンプの開発をはじめることになる。

図1 CVTに搭載されたNACHIポンプ（トヨタ自動車提供）

Abstract
Presently, use of CVT is widely adopted to thetransmission of an automobile in Japan. The number of CVT
has been increasing in North America and China as well.
Regarding oil pumps for AT and CVT, an internal gearpump was the mainstream until recently. However,the volumetric eﬃciency is poor with the internal gear pumpwhen it is used for high oil pressure that CVT uses. Thus,a vane pump is increasingly being used in CVT.
NACHI has been mass-producing solenoid valves ofhydraulic equipment for automobile AT and CVT, but thistime it developed and introduced into the market a vanepump as a hydraulic source for CVT.（Refer to Illustration 1）
The article introduces a vane pump developed for an
automobile while reﬂecting on the history of NACHI’s vanepumps.

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NACHI TECHNICAL REPORT Vol.

36 B6

可変ベーンポンプ

高圧ギヤポンプ
図2

可変ピストンポンプ

NACHIラインナップ一般産機用ポンプ

2. 一般産機と自動車用の相違点

3. ベーンポンプの構造
ベーンポンプは、カムリング・ローター・ベーンを両側の一般産機向けベーンポンプと自動車用ベーンポンプのプレートで挟むことによって容積室を形成する（図3）。

使われ方の大きな違いは、使用回転数域と使用温度

ベーンはローターに加工された溝の中に挿入されており、範囲がある。回転数では、一 般 産機が約1,000 ～ローターの回転に伴って、遠心力で飛び出しカムリングの3,000rpmに対し自動車は500 ～ 7,000rpm。温度では、内面沿ってローターの溝内を出たり入ったりしている。

一般産機が30 ～ 60℃に対し自動車は−40 ～ 150℃と一 般 産機用では、回転数も1,000 ～ 3,000rpmで使用領域は大きく異なっている。圧力は、一般産機あり、作動油の温度も20 ～ 60℃程度と使用範囲が向けは7 ～ 14MPaに対しCVT用ポンプは6MPaと限定されているため、遠心力のみでも十分ベーンは産機で実績のある範囲内である。耐圧強度に関しては飛び出すことができる。自動車用では、7,000rpmでの従来の知見を活かしながら材料強度を決めることが高回転時にベーンがカムリングに沿って飛び出すことができたが、高速回転での吐出性能については事前にできなくなり（ベーンの飛び出し不良）、カムリングと予測はしていたもののやはり最初の試作はうまくいかず、ベーンの先端にすきまが発 生する不 具合を起こす

高速回転での吐出性能を確保することが最初の課題

懸念がある（ローターの溝内でベーンが高速で移動となった。

すると、すきまにある油膜の引きずり抵抗が大きくなり、ベーンの飛び出しの抵抗となる）。
また、低温時（0 ～−40℃）には油の粘性抵抗が大きくなり、これもローター溝内での油膜の引きずり抵抗が大きくなりベーンの飛び出し性を悪化させる。
このため、自動車用ベーンポンプではベーンの背圧室側（カムリングと接触する反対側の面）に吐出圧を導き、油圧力によって強制的にベーンを飛び出させるように工夫している。この手法は、ベーンの飛び出しには有効であるが、吸入工程でベーンは油圧力でカムリングに押し付けられるため、カムリングの摩耗対策が重要となる。カムリングの材質・摺動部の加工精度の管理が重要となってくるが、高圧のベーンポンプの知見があったおかげで、材料強度・加工精度に関しては大きな問題なく開発はすすんでいった。
カムリング
プレートH

プレートS

ローター
ベーン

図3

ベーンポンプ断面構造
NACHI TECHNICAL REPORT Vol.

36 B643

Components
高効率で CO 2 削減に貢献するオイルポンプの開発「自動車自動変速機用ベーンポンプ」

4. 課題1：回転数－流量特性
自動車用のポンプでは500 ～ 7,000rpmまで回転数の改善前上昇とともに吐出流量も増加するが、限られた空間内を大流量が通 過することとなり、作動 油を十分吸いきれず、回転数が増加しても流量が増加しなくなる点が発生する（自動車メーカーではキャビテーション限界と呼ぶ）。回転数に対し流量が増加しなくなると負圧が大きくなりキャビテーションが発生しやすくなる。

改善後

これは、プレート表面を侵食し異物の発生、ポンプ機能の低下につながる。このため、7,000rpmでも回転数に比例した流量を吐出できるかどうかが、ポンプ性能を比較する上で重要な特性となる（図4）。
（この問題を解 決するため、吐出流 量の一部を分流し、吸入ポートに戻すバルブを内蔵したポンプも
図5

市場に出ている。
）

カムリングの切り欠け対策

NACHIはこの問題を解決するため、次2点のアプローチで対策した。
①吸入油路の拡大。ストレーナ取り付け口から容積室までの油路を搭載空間の中で可能な限り広げる。
②容積室への開口部を広げる。これは、カムリングに切りかけを付与することと（図5）、ローターの外周に凹部を設け（図6）、容積室側面から容積室への開口面積を広げる。
この対策により、当初5,000rpmほどで発生していた流量の折れ点（回転数に追従して流量が増加しなくなる点）が7,000rpm以上と大きく改善できた（図7）。

回転数 − 流量特性

良い特性

806070001,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

回転数
（rpm）

図4（説明図）
回転数 ー 流量特性

改善後
改善前

60

悪い特性

20

流量が回転数に追従している

9080
40

ローター外周凹部対策

回転数 − 流量特性

8,000流量

流量

100

図650
40

流量が回転数に追従しなくなっている

3020
1000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

回転数
（rpm）

図744

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.

36 B6（実測波形）
回転数 － 流量特性

8,000

5. 課題2：低温始動性
次に直面した課題が、低温始動性である。自動車は落ち込んだベーンは低温時は遠心力だけでは粘性世界中で使用されることを前提に設計される。当然抵抗に打勝って飛び出すことができないためポンプ寒冷地での使用が想定されるが、−40℃でもエンジ作用が起きない（回転中心より下側のベーンは自重でン始動と共に油圧を発生させる必要がある（日本では、下がり、カムリングにあたるまで飛び出しているため、−40℃でエンジン始動後すぐ発進する人はいないとポンプ作用はする）。ところで、ベーンはローター内を思うが、海外ではエンジン始動後すぐ車を発進させる

出入りするため、吸入工程と吐出工程でベーン背圧室人がいるという話だ）。開発当初はとくに問題とならなにある油が行き来する構造となっている。背圧室をかったが、開発がすすみCVTユニット側のバルブボディの行き来する油の流れを利用し、停止時に飛び出している油圧回路の変更をした際に、低温始動性が悪化するとベーンの背圧室の油を吸入部と吐出部を仕切る位置いう問題が発生した。ベーンポンプは停止すると遠心にあるベーンに優先的に背圧が発生するように背圧溝力が無くなるため、回転中心より上側のベーンは自重で形状を工夫することで低温始動性を確保することがローター溝内に落ちてくる。そのため吸入側と吐出側できた（図8）。なお、低温始動性の対策内容の効果の部屋がつながってしまい、吐出ポート側の油が吸入確認においては、ユーザーより開発中のユニットをポート側に落ちてしまう（ポンプの吐出ポートの先のお借りして、実際の油圧回路で効果確認を行なった。

バルブボディ油圧回路の形状の影響を受ける）。溝に
低温始動性評価
2,0004.5
改善後
改善前
回転数

圧力（MPa）

1,800
1,600

3

1,400

2.5

1,200

2

1,000

1.5

800

回転立ち上がりと同時に圧力が発生

1回転立ち上がりから遅れて圧力が発生

0.5

600
400

0−0.5回転数（rpm）

43.5

200
−10

1234567891011120

時間（sec）

6. まとめ図8

低温始動性（実測波形）

今回のCVT用のベーンポンプの開発においては、上記以外にもいくつか問題が発生したが、ユーザーと共に対策案を協議し問題を解決していくことができた。
また、効率の良いポンプを提供することで燃費改善・CO 2 削減にも寄与することができ、ユーザーからも高い評価をいただくことができた。
今回の開発を通し得られた知見も多くあり、今後もより良い商品開発に活かしていきたい。

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.

36 B645