技術動向

ボンデッドピストンシールの技術動向
Technical Trends of Bonded Piston Seals
長谷川仁志 S. HASEGAWA

大前浩二

K. OHMAE

Automobiles are required to reduce of CO2 emission. As one of solutions, automatic transmission efficiency is improved
by applying multi and continues speed transmission. Here introduce development trends of Bonded Piston Seal that has
been applied in new automatic transmission.
Key Words: piston, balancer, automatic transmission

現在は，北米でもＣＶＴ採用車種が拡大し，1．はじめに2010年には，日本，北米ともにＡＴとＣＶＴの比
近年，環境問題が大きくクローズアップされて率がほぼ同じになると予想される．

きており，地球温暖化などの原因であるCO2を発生する自動車にも省燃費が求められている．
省燃費の達成手法のひとつとして，オートマチックトランスミッションの高効率化が有効であり，小型化，および変速の多段化（以下ＡＴと称す），無段化（以下ＣＶＴと称す）が進められている．
これらのＡＴ，ＣＶＴに使用されるボンデッドピストンシール（以下ＢＰＳと称す）の動向について，以下に紹介する．

2．ＡＴとＣＶＴの装着率図1１），２）より，現在，自動車のトランスミッシ

図2 ＡＴとＣＶＴの動向＊
World trends of AT/CVTョン
（変速機）
は，北米，日本において，ＡＴ，ＣＶＴの装着率が80％以上と非常に高く，欧州においても増加傾向である．
また，変速段数も当初の２速から現在は６速へと多段化傾向にある．

表1２）にＡＴ，ＣＶＴの構成部品と機能を示す．

ＡＴ，ＣＶＴ装着車，％

10080

図3３）にＣＶＴとＢＰＳの基本構造を示す．

北米

ＢＰＳは，油圧が負荷されると，多板クラッチ
日本を係合し，動力を伝達する．油圧が無負荷になる

60とＢＰＳは，リターンスプリングによって，初期40位置まで戻され，動力が伝わらない開放状態にな欧州

2003．ＡＴ，ＣＶＴの構成部品と機能および，ＢＰＳの構造る．
'45 '55'65 '75'85 '91'93 '95 '97'05 '10以上のようにＢＰＳは，主に動力伝達を制御する部品であるが，ＡＴとＣＶＴでは，少し役割が

図1 ＡＴ，ＣＶＴの装着率
Tendency of AT, CVT equipped automobiles
図2４）より，2002年ではＣＶＴの採用車種は，北米，欧州は，あまり普及しておらず，日本にお異なる．
ＡＴでのＢＰＳの役割は，各クラッチがＢＰＳ
により多重係合の組み合わせとなって，速度やトルク，前進や後退の切替制御が可能となる．

いても１割程度である．
*「日経メカニカル」2003年８月号Ｐ76から転載

20Koyo Engineering Journal No.168 (2005)

−ボンデッドピストンシールの技術動向−

全世界にＡＴ，ＣＶＴが普及するにつれて，極表1 構成部品と機能
Components of AT/CVT and their functions
構成部品
ＡＴ

寒地での低温度対応が必要である．
燃費向上に対しては，伝達効率向上のためにＡ機能
No.

ＣＶＴ

機能内容

ベルト，プーリンパクト化に反する．

プラネタリ，ク 速機構
ラッチを組合わせた変速機構

せた前後進切替機構
トルクコンバータ トルクコンバータ

軽量コンパクト化技術として，クラッチツーク④ 後進機能ラッチ制御によるワンウェイクラッチの削減，ア
ルミピストンの板金化による軸長短縮などがあ⑤ ニュートラル制御③ トルク増幅機能

電子制御

ートラル制御の作動をコントロール

ＢＰＳの使用される箇所および機能①④⑤②③る．
また，制御による燃費向上も進み，ニュートラ② 発進機能変速，後進，ニュ

電子制御

従来の技術では，多段化が進むにつれ，部品点数が増加し，ＡＴ自体も大きくなるため，軽量コを組合わせた変 ① 変速機能
ラッチを組合わ プラネタリ，クＴの多段化，無段化が進んでいる．

ピストン（ＢＰＳ）

ル制御
（Ｎ制御）
やアイドリングストップを採用しているメーカも増えている．
ニュートラル制御は，車両停止中（Ｄレンジ）のエンジン負荷を低減させ，燃料消費を少なくする制御であり，次の発進をスムーズに行う必要がある．
以上の課題をクリアするために，ピストンの板金化および，遠心油圧キャンセル機構としてバラ多板クラッチンサを組み合わせたタイプが主流となっている．
ＢＰＳ

ドラム

従来のピストンと現在，主流のＢＰＳ比較を
表2に示す．

バランサ（ＢＰＳ）

表2 ピストンの動向
Evolution of clutch pistons
従来品

ＢＰＳ

アルミダイキャスト

高張力鋼板＋Ｏリング＋リップ

チェックボール

バランサ

応答性×

◎

省スペース化

△◎

コスト

◎△

油圧
リターンスプリング

図3 ＣＶＴの構造図とＢＰＳの基本構造
Structure of CVT and basic structure of BPS
ＣＶＴでは，速度やトルクの制御は，ベルトとプーリで行うため，ＢＰＳは，前進や後退の切替制御のみとなる．
またハイブリッドＣＶＴでは，エンジンとモータの動力切替用として使用される．

ピストン
遠心油圧キャンセル機構

4．駆動系の課題
現在，駆動系の課題は極寒地を含めた全世界への対応と燃費向上，軽量コンパクト化である
（図4）
．
全世界対応

極寒地への対応

燃費向上

伝達効率の向上
制御−40℃への対応
ＡＴの多段化

省スペースへの対応

ＣＶＴ化

高圧への対応

Ｎ制御
アイドリングストップ

軽量コンパクト化

軸長短縮

レスポンスの向上

省スペースへの対応

従来のピストンは，低コストであるが，駆動系の課題である−40℃への対応，省スペース化，応答性向上への対応が困難である．
−40℃への対応については，従来のピストンは，アクリルゴム材（以下ＡＣＭと称す）を使用しているため，低温への対応が難しい．また省スペース化については，従来のピストンの材質がアルミであるため，強度確保が必要である．そのためには

図4 駆動系の課題
Challenges for drivelines

板厚を大きくしないといけなくなり，省スペース

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)

21−ボンデッドピストンシールの技術動向−化が困難である．

4.1.1

応答性については，キャンセル機構がないため，遠心油圧の影響を受けやすく，困難である．
この遠心油圧は，遠心力によって発生する圧力であり，ピストンの開放を阻害する働きがある．
従来のピストンは，円すい形状の穴とチェックボールを付け，油圧が無負荷時の時は，チェックボールが遠心力によって移動したすきまから油を低温〜高温までの作動性確認試験

ＢＰＳには，軽く早く作動することが要求される．当社では，実機相当の治具を製作し，実機に近い応答性を確認している．
今回，HNBRとＡＣＭの起動抵抗について確認した．
図7に試験方法，表3に試験条件，図8に試験結果を示す．

排出して，ピストンの開放を阻害する問題が発生
変位センサしないようにしている．
しかし，チェックボールの動きは，回転速度に依存するため，安定しない．また一度油を排出しているため，次の係合時に油を溜める時間を必要とし，応答遅れが発生する．
ＢＰＳのバランサによる遠心油圧キャンセル機

圧力

構は，ピストン室と反対側に油を溜める空間を形
圧力計

成し，ピストン室と同じ遠心油圧を発生させ，キャンセルさせる．これにより，回転速度依存性がなくなり，油も排出する必要もなくなるため，応答性が向上する．
遠心油圧キャンセル機構の例を図5に示す．
ピストンにかかる
遠心油圧クラッチ
ピストン

バランサ

キャンセル油圧室に発生する遠心油圧係合油圧

ピストン油圧室キャンセル油圧室

図7 試験用治具（実機相当）
Test fixture (Simulating actual module)

図5 遠心油圧キャンセル機構例
Mechanism for canceling centrifugal pressure

4.1

表3 試験条件
Test conditions
項目

極寒地−40℃への対応

ＢＰＳのゴム材は，耐圧，耐摩耗，耐寒性に優れた水素添加ニトリルゴム（以下HNBRと称す）を使用しており，ＡＣＭとの特性比較を図 6 に示す．

条件
200

圧力，kPa

エアー圧

温度，℃−40〜＋120

給油穴

実機仕様

ストローク量Max

リターンスプリング有無無し

耐摩耗性
1.0
高0.50.0
引き裂き強度

耐寒性

耐熱性

HNBR
ＡＣＭ

低−40

図6 ゴム材特性
Characteristics of elastomers

22ＡＣＭ
HNBR

耐へたり性
起動抵抗，Nコスト−20020406080100120

温度，℃

図8 温度と起動抵抗
Temperature vs. starting resistanceKoyo Engineering Journal No.168 (2005)

−ボンデッドピストンシールの技術動向−

図8より，HNBR，ＡＣＭともに温度が低くな増肉あり増肉なし

大るにつれて，起動抵抗の増加が認められる．これは，低温になるほど，ゴムが硬化し，ピストン始

σYは，ＡＣＭと比較して，温度依存性が小さく，安定しており，−40℃での起動抵抗も小さい．これ

応力振幅

動時の抵抗が増加したためと考えられる．HNBR
σW
応力50％ダウンは，ゴム材の耐寒性の差である．
以上より，HNBRは，−40℃付近でも十分対応
疲労限度内可能であることが確認できた．

σY

4.2

ＡＴ多段化による省スペースへの対応

大小平均応力ＡＴの多段化は，従来の構造では，部品点数が

図11 疲労強度検討
Chart for fatigue stress増加し，ＡＴ自体が大型化する傾向にある．
特にＦＦ車は，前輪の間でエンジンと直結しているので，スペースが限られるため軸長が厳しく制約される．
近年，クラッチの２重構造により，ＢＰＳの幅は小さく，大径化となり，このため強度低下が懸念され，形状が成立しない場合もある．

σB

金属環の部分増肉により，疲労強度（耐久性）が向上し，重量についても10％低減させた．
また，増肉をコントロールすることより，切削加工工程の廃止も実現した．

4.3

ＣＶＴ化による高圧力への対応

ＣＶＴの油圧は５〜６MPaと非常に高く，ＡＴに比べて３倍である．
エンジン

シールの形状は，相手ケースと金属環とのすきまを小さくし，圧力を金属環で受ける形状である
ため，リップの変形も小さく，シールの耐圧性も向上する．
金属環については，先に述べた部分増肉形状にタイヤ

タイヤ変速機の軸長より高圧に対応させた．

図9 変速機の配置
Layout of transmission＜耐圧形状＞＜従来形状＞

当社では，金属環の部分増肉技術により，応力集中部のみ板厚を増やし，強度を考慮したコンパクト化へ対応している．
金属環の増肉による効果を，図10，11に示
す．
【増肉前】

すきま小

【増肉後】

すきま大

引張増肉部
圧縮

応力集中部

応力集中部

図12 ＦＥＭ解析（リップ）
FEM analysis for seal lip (rubber)

図10 ＦＥＭ解析（金属環）FEM analysis of core metal

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)23

−ボンデッドピストンシールの技術動向−

4.4

ニュートラル制御に対するレスポンスの向上

ニュートラル制御の重要なポイントは，クラッチを半係合にする制御であり，そのためには，遠心油圧キャンセル機構が重要な役割を果たす．特に，ハイブリッドＣＶＴでは，エンジンとモータの動力を切替える役割があり，ＢＰＳ採用により切替ショックをなくし，スムーズに切り替えが可能になった．

5．おわりに
これまで，オートマチックトランスミッション（ＡＴ，ＣＶＴ）の需要は米国と日本が大部分を占めていたが，近年，欧州，中国でも増加傾向にあり，世界規模で拡大するものと予想される．
また，省燃費化による車両のコンパクト化，変速の多段化，無段化がさらに進み，ＢＰＳに要求される仕様はますます厳しくなると予想され，さらなる軽量コンパクト化技術の確立が必要である．

参考文献
１）坂本研一：オートマチックトランスミッシ
ョン入門，（株）
グランプリ出版，（2004）16．
２）守本桂郎：無段変速機ＣＶＴ入門，（株）
グ
ランプリ出版，（2004）
８，16，93．
３）トヨタ自動車（株），ヴィッツ新型車解説書，（2002）
２．
４）日経メカニカル，no.587（2003），76．

筆者

長谷川仁志*S. HASEGAWA
*

24

大前浩二*
K. OHMAE

光洋シーリングテクノ株式会社

技術部

Koyo Engineering Journal No.168 (2005)