資料

補機駆動用無段変速機の開発
安原伸二

魚田雅史

蓮田康彦

新井大和

Development of Continuously Variable Accessory Drive System
S. YASUHARA

M. UOTAY. HASUDA

H. ARAI

There has been an increasing demand of efficiency on accessory drive systems due to adoption of newaccessories and electric components in passenger cars. Many types of variable speed accessory drive systems
have been researched and developed, but none of them has been adopted in commercial cars１)２). CVAD
(continuously variable accessory drive system.) which can be applied for a compact v-ribbed belt drive
system has been developed３)４). The performance of CVAD has evaluated and the concept of centrifugal
CVAD that is lower cost than this CVAD has been discussed４). The results are as follows: (1) highperformance material of drive ring was obtained, (2) a high torque transmission efficiency of over 85% wasobtained, (3) the supercharger could be operated without any problem by CVAD.

1．はじめに
2．CVADの機構
2.1
2.2

CVADの構成と変速方法
変速パターン

3．CVADの仕様
4．試験機の構成

1．はじめに

5．評価結果5.1

ドライブリング試験結果

5.2
5.3

バリエ−タ試験結果
CVAD試験結果

6．CVADの簡略化の検討
7．おわりにムは種々提案されており，また変速した場合の燃費低減効果についての計算も行われている １）２）．

現在，自動車業界においては環境問題のたかま

この補機用変速機として，我々は動力伝達機構がりから，燃費向上，省エネ化が積極的に進められ簡易で，今後補機駆動方式の主流となるＶリブドている．この燃費向上の一手段として，アイドリベルト駆動方式に適用できる補機駆動用無段変速

ング回転数の低減がなされている．アイドリング機（CVAD：Continuously Variable Accessory

回転数を大きく低減させると，クランクシャフト．
Drive System，以下CVADと称す）を開発した４）５）

プーリを駆動源とする自動車用補機の出力が低下

この変速システムを用いれば，エンジンの高回転し，補機機能を満足できない．この対策としては，域での補機効率の低下を回避でき燃費向上が期待

エンジン回転数に対する補機回転数の比（プーリできる．

比）を大きくすることが考えられるが，この場合，本報では，補機単体にCVADを適用することをエンジン高回転時の補機効率の低下や，寿命の低想定して開発したCVADの構成，性能について述下などの問題が発生する．一方，パワーステアリ

べる．

ングの採用拡大，電装部品の増大によるオルタネータの容量アップ等，補機駆動に必要な動力が増大している．
これら問題を解決する方法としては，補機回転数をエンジン回転数から独立させることが考えられるが，そのためには，補機回転数とエンジン回2．CVADの機構
2.1

CVADの構成と変速方法開発したCVADの構成を図1に，バリエータの構造を図2に示す．

転数の比を自在に変えることのできる補機変速シ

CVADはバリエータ，油圧ユニットを駆動源とステムが必要となる．このような補機変速システしたテンショナ，およびコントローラから構成される．ここで，バリエータはドライブリング，シ

44

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

資料−補機駆動用無段変速機の開発−

ーブ，ダイヤフラムばね，およびシャフトで構成さ

ここで，ドライブリングからシーブへの動力伝れ，左右のシーブで挟まれたドライブリングの移動達は乾式ですべりを含むころがり接触により行わ（偏心）により，変速を行う変速プーリである．

れる．また，トルク負荷時にドライブリングがス

バリエータは補機入力軸に取り付けられ，バリエータの駆動はクランクシャフトプーリからＶリリップしないように，十分なばね力でドライブリングはクランプされている．

ブドベルトを介して行われる．ベルトから補機へ

変速は油圧ユニットと油圧シリンダによりテンの動力伝達は，ベルトから樹脂製のドライブリン

ショナプーリを移動させ，ベルトでドライブリングへ，ドライブリングからシーブへ，シーブからグを引っ張り，偏心させて行われる．また，ドラ

ダイヤフラムばねを通してシャフトへ，そしてシイブリングが同心に戻る力もばね力により与えらャフトから補機へと行われる．

れる．このため，ダイヤフラムばねはシーブからシャフトへの動力伝達とドライブリングのクランCVAD
コント
ローラ
油圧ユニット

油圧シリンダプとドライブリングを同心位置に戻す機能を併せ持っている．

スピードセンサＶリブドベルト

コニカルシーブ

Rc

クランクシャフト
バリエータ
同心位置

Ｖリブドベルト
テンショナ

ドライブリング

クランクシャフトプーリ
スピードセンサ

図1 CVADの構成
Construction of CVAD

RsRo接点92

偏心位置

ダイヤフラムばね５）

図3 ドライブリングの位置
Drive ring position of variator

図3はバリエータのドライブリングの位置が同心位置にある場合と偏心位置にある場合を示してドライブリング

φ140φ161

補機シャフトいる．ドライブリングが偏心位置にあるとき，バリエータの有効径Reは次の式で表わされる．

Re＝Ro×Rs／Rca

Ro：ドライブリングのベルトピッチ半径
シャフト
補機ハウジング

Rs：シーブ接触半径（バリエータ中心からドライブリングとシーブの接触点までの距離）

Rc：同心位置でのシーブ接触半径
コニカルシーブ

図2 バリエータの構造
Structure of variator

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

また，増速比Nは次式により表される．

N＝Rc／Rss45

資−補機駆動用無段変速機の開発−

式aからわかるように，バリエータ有効半径料

4．試験機の構成

Re は接触半径 Rs の減少とともに減少し，増速比Nは増大する．増速比を決定するテンショナプー

試験はドライブリング単体，バリエータおよびリ位置はスピードセンサで検出されたバリエータ

CVADに対して行った．バリエータおよびCVAD（補機）およびクランクシャフトプーリの回転数をの評価に使用したCVAD試験機の構成を図5に，もとに，コントローラで制御する．

そのレイアウトを図6に示す．
ここで，バリエ−タのトルク負荷は図中に示す

2.2

変速パターン

遠心式スーパーチャージャのみでなく油圧ポンプCVADの標準補機変速パターンを図4に示す．

でも与えた．

CVADはエンジン低回転域においては補機回転数を増速し補機出力を増大させ，変速領域においては，補機効率の良い目標回転数から一定の回転数範囲で補機回転数を制御する制御パターンとなモータ

る．

補機回転数

吸気

トルクメータ

減速
目標回転数
加速

排気

エンジン回転数

変速領域5）

スーパーチャージャ
入力軸

図4 変速パターンOperating pattern

バリエータ

図5 試験機の構成
Structure of tester

3．CVADの仕様開発したCVADの仕様を表1に示す．今回，遠CVAD
ドライバ

心式スーパーチャージャを変速対象の補機としパーソナルコンピュータ

た．
油圧ユニット表1 CVADの仕様
CVAD specifications
No

評価項目

油圧シリンダ仕様

1

最大増速比

1.6

2

最高回転数

7 500min−1

3

許容トルク40N･m

4

変速時間

目標0.5ｓ5

目標効率

出力トルク８N･m：70％以上（増速比1〜1.6）

出力トルク20N･m：85％以上

アイドラ
張力測定
バリエータ
Ｖリブドベルト

バリエータ単体での効率
6

ゆるみ側張力増加量

速度センサ

テンショナ

目標300N以下

入力プーリ（出力トルク８〜35N･m）
7

耐久性

2 000h以上

速度センサ

図6 CVAD試験機レイアウト
CVAD tester layout

46

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

資料−補機駆動用無段変速機の開発−測定された効率は負荷トルクが減少するに従っ

5．評価結果て低下しているが，負荷トルク８Ｎ・ｍで75％で各仕様に対する試験項目と結果を表2に示す．

5.1

あり，目標とした効率70％を超えた．また，負荷トルク20Ｎ・ｍ以上でも効率は86.5％以上あり，ドライブリング試験結果目標効率を満足した．

CVADでは樹脂製ドライブリングの信頼性の確保が最も大きなポイントである．今回，ドライブ

図8にゆるみ側ベルト張力増加量の測定結果を示す．

リング材料として開発した樹脂材は，安定した摩ベルト張力増加量は最大390Ｎであり，増加量擦係数を持ち，通常雰囲気下における耐摩耗性能としては仕様を超える値となった．この原因としは0.087μｍ／hと低く，耐薬品性試験および環境ては，ドライブリングとシーブ間のスリップ防止試験においても問題のないことが確認された．まのため，ダイヤフラムばねの変位荷重特性を大きた ，CVAD試験機を用いた耐久試験において，く設定していることがあげられる．このベルト張300h以上の耐久性をもつことが確認された．

力増加量を減少させるためには，ダイヤフラムば5.2

ねの変位に対する荷重の特性を変更し変位荷重特バリエータ試験結果性を最適化するか，あるいはトルクカム設置によ

効率はベルト損失，スピンドルの軸受損失を含んだ状態で測定した．図7に効率測定結果を示す．

るダイヤフラムばねの変位荷重特性を減少させることが必要である．

また，ここで測定した効率は変速比は一定の状態で負荷トルクを変化させた場合の効率であり，変速比が変動している状態の効率ではない．

5.3

CVAD試験結果

CVADで重要な仕様は変速時間と耐久性である．変速時間は入力回転数一定で変速比を１〜1.6に増・減速させて測定した．また，試験は手100

動変速と自動制御変速の場合について行った．その結果，目標仕様が0.5sに対し，自動変速の場合，効率， ％90

変速時間は最大1.5s，手動変速の場合は0.7sであった．これは，油圧ユニットの出力に対しベルト80

張力が高いため変速に時間を要したためと考えら
8N･m12N･m20N･m30N･m70

60

11.2

れる．
CVADの耐久性については，目標仕様は2 000hに対し，今回は200hで試験を行った．200h後の1.41.6

試験結果では効率，ベルト張力にほとんど変化な増速比

く，初期損傷がないことが確認できた．今後，CVADの耐久性を確認する．

図7 効率測定結果
Efficiency

以上の結果より，開発したCVADは大きな問題なくスーパーチャージャを駆動できることが確認できた．

ゆるみ側ベルト張力増加量， Ｎ

600

6．CVADの簡略化の検討
400

今回の試験結果より，CVADが補機単体用変速機として十分使用可能な機能を有していることが8N･m確認できた．しかし，CVADの自動車への採用を12N･m200

考えた場合，コストの問題が避けられない．

20N･m30N･m0

11.2

1.4
増速比

このため，外部制御の不要な自律制御式CVAD1.6を検討した４）．
それぞれ，図9，図10，表3に仕様を示す．

図8 ゆるみ側ベルト張力
Slack side belt tension

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

47

−補機駆動用無段変速機の開発−

資料

表2 CVADの試験結果
CVAD test results
No
1

評価項目
最大増速比

仕様
1.6

試験方法

試験条件

評価結果
−1

バリエータ性能試験

回転数：Max 7 500min

負荷：スーパーチャージャ

負荷トルク：Max 26N･m

増速比1.6増速比：1〜1.6
2

最高回転数

7 500min−1

バリエータ性能試験

回転数：Max 7 500min−1

負荷：スーパーチャージャ

負荷トルク：Max 26N･m

バリエータ性能試験

回転数：1 000min−1

負荷：油圧ポンプ

負荷トルク：40N･m

CVAD性能試験

手動，増速比１⇔1.6−17 500min

増速比：1〜1.6
3

許容トルク

40N･m

40N･m以上

増速比：1および1.2
4

変速時間

目標0.5s

負荷：スーパーチャージャ

1.6→1：1→1.6−10.70 (s)：0.66 (s)回転数：3 000min

負荷トルク：Max 5N･m
回転数：7 500min−10.60 (s)：0.47 (s)負荷トルク：Max 15N･m
回転数：7 500min−10.62 (s)：0.51 (s)負荷トルク：Max 26N･m
制御，増速比１⇔1.6

1.6→1：1→1.6

回転数：4 000min−11.50 (s)：1.18 (s)負荷トルク：Max 6N･m
5

目標効率

出力トルク8N･m

CVAD性能試験

回転数：：70％以上

負荷：油圧ポンプ

400，1 000min

負荷トルク 8N･m：75.0％

出力トルク20N･m

負荷トルク：8, 20, 30N･m

負荷トルク20N･m：85％以上

増速比：1.6：86.5％−1

増速比：1〜1.6

負荷トルク30N･m

バリエータ単体効率
6：89.8％ゆるみ側

目標300N以下

CVAD性能試験

回転数：

負荷トルク15N･m：390N

張力増加量

出力トルク：

負荷：スーパーチャージャ

5 000，7 500min−1

負荷トルク21N･m：364N

負荷トルク：15〜26N･m

負荷トルク26N･m：386N

8〜35N･m

増速比：1.6
7

耐久性

2 000h−1CVAD性能試験

回転数：Max 4 000min

負荷：スーパーチャージャ

負荷トルク：15〜26N･m200h問題なく稼動

増速比：1〜1.6
試験時間：200h
8ドライブリング

樹脂材

耐薬品性試験

E/G油，P/S油，強度低下なし

B/K油，LLC(TP)，材料

塩化カルシウム
ヒートショック試験−30〜120℃

クラック等なし

ヒートサイクル試験−30〜120℃

許容範囲内

クリープ変形試験−30〜120℃

許容範囲内

変速負荷耐久試験

回転数：Max 4 000min−1

摩耗率0.087μm/h

負荷：油圧ポンプ

負荷トルク：20〜28N･m

摩耗率

1.25μm/h

増速比：1.05〜1.43
試験時間：300h
泥水試験−1

回転数：Max 3 800min
ベルト張力：500N
増速比：1〜1.5
泥水・乾燥各12h
試験サイクル数：1248

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資料−補機駆動用無段変速機の開発−

表3 バリエータの仕様
Variator specifications

遠心力制御式バリエータ
コイルばね

No

評価項目

仕様

1

最大増速比

1.4

2

最高回転数

10 400min

3許容トルク30N･m

4

ドライブリング寸法

ベルトピッチ径100mm

5

目標効率

出力トルク８N･m：70％以上（増速比1〜1.6）−1出力トルク20N･m：85％以上
バリエータ単体での効率

6

ゆるみ側張力増加量

目標300N以下（出力トルク８〜35N･m）

7

Ｖリブドベルト

耐久性

2 000h遠心力制御式CVADはバリエータ内に設置された遠心ころの遠心力をドライブリングのクランプテンショナ力に利用して変速を行うものである．従来のCVADはテンショナにより変速比を制御しているが，遠心力制御式CVADはバリエータの回転数にクランクシャフトプーリ

よりドライブリングのクランプ力が変化し，テン
ショナばね力との釣り合いによりドライブリング

図9 遠心力制御式CVADの構成
Centrifugal CVAD systemの偏心位置，すなわち変速比が決定される．このため，変速比はバリエータ回転数により決定される．

92

この方式では，油圧ユニットおよびアクチュエータが不要となる．また，ゆるみ側ベルト張力はダイヤフラムばねテンショナにより決定されるため，ゆるみ側ベルドライブリング

ト増加量の低減が可能である．今後，試作・評価を行い製品化を進めていく．

7．おわりにシャフト

CVADは樹脂製のドライブリングを偏心させてφ149

変速し，動力伝達は乾式で若干のすべりを含むころがりにより行われる．この動力伝達方式は高い効率を有しており，また今回適用した樹脂材も十分な耐摩耗性能を有する．
今回の評価により以下の結果が得られた．
a開発したCVADによりスーパーチャージャを駆動できることが確認できた．
sドライブリング用に耐摩耗性の高い材料が開発
コニカルシーブ
遠心ころ

図10 遠心力制御式バリエータの構造
Centrifugal variator

できた．
d負荷トルクが20Ｎ・ｍを超える領域において，効率は85％以上である．
今後，遠心力制御式CVADの検討・評価を進め，車載用変速機として商品化を進める．

KOYO Engineering Journal No.157 (2000)

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−補機駆動用無段変速機の開発−

資料

参考文献
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65．
２）瓦 井 光 雄 ， 室 井 悦 雄 ， 菊 池 文 男 ， 益 田
孝：自動車技術会学術講演前刷集934（1993）
61.
３）T. Tamagawa, S. Yasuhara, Y. Hasuda：
International Conference on Continuously
Variable Power Transmissions, Sept.
（1996）
207.
４）魚 田 雅 史 ， 安 原 伸 二 ， 新 井 大 和 ， 玉 川 隆
雄：自動車技術会学術講演前刷集９（1999）
9932278.
５）安原伸二，玉川隆雄，蓮田康彦，マイケルジョーンズ：KOYO Engineering Journal
no. 151（1997）
3.

筆 者

安原伸二*
S. YASUHARA

魚田雅史*
M. UOTA

蓮田康彦*
Y. HASUDA

新井大和**
H. ARAI*

電子システム研究所

総合技術研究所

自動車ユニット技術開発部** 総合技術研究所 電子システム研究所
電子システム技術開発部

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