オートマチックトランスミッション

オートマチックトランスミッション（英: automatic transmission、AT）あるいは自動変速機（じどうへんそくき）とは、自動車やオートバイの変速機の一種で、車速やエンジンの回転速度に応じて変速比を自動的に切り替える機能を備えた、トランスミッション（変速機）の総称である。

概要

狭義には変速機自体を指すが、発達の経緯が変速操作の自動化のみならず、マニュアルトランスミッション車（以下、MT）からクラッチペダルを取り去ることでもあったため、必然的にクラッチの自動化を伴っている。そのため、広義にATを称する場合は、各種の自動クラッチ機構を含めることが多い。
日本では「オートマチックトランスミッション」という呼び方が長く煩雑であることから、文章表記ではオートミッション、A/T、ATと略記されることが多い。口語ではオートマチックないしはオートマが通用している。古くはノークラ（ノークラッチペダル）、ノンクラ、トルコン、オートミなどと呼ばれた。

歴史

自動クラッチと自動変速機構を組み合わせて自動車の変速操作を完全自動化する発想として最も古い例は、1905年にアメリカのスタートバンド兄弟が考案した2段変速機である。これは単板クラッチ2組を遠心力を利用して制御することで自動変速されるように考えられていたが、量産化はされなかった。
1908年に発売されたフォード・モデルTは、大量生産技術の駆使で1927年までの19年間に1,500万台が生産される世界的なベストセラーになり、自動車の歴史に大きな足跡を残したが、特徴として遊星歯車と多板クラッチによる前進2段、後進1速の半自動変速機を標準装備していた。この構造は1910年代までの手動変速機車に比較して格段に操作が簡易であった。ただし、自動車が高速化・強力化するに伴い、固定変速比の2速変速機では特に高速域での巡航における実用性が得られなくなり、市場の趨勢は3〜4速の手動変速機にとって代わられた。
クラッチを自動化した4段程度の遊星歯車式半自動変速機は1920年代末期から出現したが（例：プリセレクタ・トランスミッション）、採用した事例はイギリス、フランスなどの一部メーカーの製品に留まっており、またその作動は完全自動化にまでは到達していなかった。

全自動変速機の実用化

1939年、ゼネラルモーターズ（GM）がオールズモビル1940年型のオプション装備として発売した「ハイドラマチック」は、4段式の遊星歯車変速機とフルードカップリングが組み合わされ、これが実用水準に達したATの始まりと考えられている。クラッチの役目を果たすフルードカップリングにはトルク増幅作用は組み込まれていなかったものの、減速比（変速段）は油圧によって自動的に切り替えが行われ、キックダウン機構をはじめとする、後年のATでも採用される基本機能を有していた。当時のオールズモビルの新車広告には、クラッチペダルに×印を大書したイラストが掲載され、そのイージードライブ性をアピールした。
以降、GMに続いてアメリカの主要な自動車メーカーは1940年代から1950年代にかけてATの開発を促進した（ビッグスリー以外のAT開発ができなかった中堅メーカーには、GMから社外販売も行われるようになったハイドラマチックのユニットを購入して装着することでAT化に追随を余儀なくされた事例も見られた。ハドソン、カイザーなど）。第二次世界大戦終戦後のアメリカではガソリン価格が安くなり、乗用車の排気量拡大・ハイオクタン仕様化によるパワー増大競争と並行してATが急速に普及、1945年は5%未満だった乗用車のAT普及率が1965年には90%超となった。

トルクコンバータ導入

フルードカップリングを発展させてトルク増幅作用を備えたトルクコンバータ（以下、トルコン）が市販車に採用されたのはGMの「ダイナフロー」で、1948年発表のビュイックに搭載された。変速機は2速の手動変速機で、通常は2速に固定され、駆動力の必要な場合に手動で1速に切り替えるというものであった。1949年から翌年にかけ、同じくGM系のシボレー向けに「パワーグライド」が、またパッカードの自社開発で「ウルトラマチック」が2速ATとして市販され、1953年にはクライスラーも「パワーフライト」を導入している。この当時のトルクコンバーターは、ロックアップ機構は組み込まれず、スリップに伴って生じる伝達ロスにより、スロットル操作に対するレスポンス（ツキ）や燃費が悪かった。
1950年代中期にトルクコンバータと組み合わされた3段以上のATが登場し、技術の進歩と共に変速段数が増やされたり、ロックアップ機構が加えられたりといった改良が加えられた。GMハイドラマチックも1950年代後期にはトルクコンバータと3段変速を持つ第二世代に移行し、3速ATは1980年代まで市場の大勢を占めるようになった。
ATの量産化や小型化はその後も進行、やがて低廉な大衆車や横置きエンジン前輪駆動の小型車にも搭載されるようになった。

ヨーロッパ

アメリカでは1960年代までにはATが一般的になったが、ヨーロッパ車や日本車における普及はそれより遅れた。ヨーロッパでは1950年代中期から、主として対米輸出用の乗用車にATの装備が始まった。当初はアメリカのビッグスリー（変速機の社外供給も一部で行うようになった）やボルグワーナーなどの変速機メーカーからATを購入して搭載するケースが多かったが、ロールス・ロイスは1953年以降、GMから製造ライセンスを取得した4速式ハイドラマチックを自製搭載するようになり、ダイムラー・ベンツ（現：ダイムラー）は1961年から自社製の流体継手式4速ATを開発して搭載を開始した。

種類

オートマチックトランスミッションは、クラッチ機構や変速機構の違いにより分類される。乗用車で最も普及しているのはクラッチ機構にトルクコンバータを用い、遊星歯車式多段変速機と組み合わせたものである。

クラッチ機構による分類

下記以外にも、電磁クラッチ式、乾式単板クラッチ式、乾式多板クラッチ式、流体継手（フルードカップリング）式、遠心クラッチ式などがある。またパラレルハイブリッド車の場合など、エンジンと変速機構の間にクラッチ機構を持たないものもある

トルクコンバータ式

流体継手を発展させたトルクコンバータを利用してエンジンの出力をトランスミッションに伝達する方式である。伝達に用いられる液体はATフルード（英: AT fluid）と呼ばれ、動力伝達の他に、変速機構を動作させる油圧回路の作動油としての機能や、変速機構に組み込まれているクラッチやブレーキの摩擦力を安定化する機能、潤滑機能なども併せ持つ。多くの場合、トランスミッションケース下部にATフルードを蓄えるオイルパンを持ち、内蔵するポンプでフルードを吸い上げて各部に送る。
ATフルードはATオイル（英: AT oil）と呼ばれる場合もあり、JASOでは自動変速機油と記述される。日本で「ATF」と表記した場合は出光興産の登録商標である。油量はディップスティック式のオイルレベルゲージで、オイルパン内の液面高さを計るものがほとんどである。取扱説明書にフルードの交換について記載されていない車種も多いが、一般的に交換作業は専用の機械でフルードを循環させながら行う。ATフルードのフィルターを備えた一部の車種ではオイルパンを外す分解整備が必要な場合もある。

湿式多板クラッチ式

エンジンからトランスミッションへの動力伝達に湿式多板クラッチを用いる方式である。ホンダは「ホンダマルチマチック」として油圧で動作する湿式多板クラッチを無段変速機と組み合わせ、1995年式シビックから順次搭載した。ダイムラー・ベンツは「AMGスピードシフトMCT」として湿式多板クラッチと遊星歯車式変速機構を組合せ、メルセデス・ベンツ・SLクラス（R230系）のSL63AMGをはじめとして多くのAMGモデルに採用されている。ダイレクト感と素早い変速、高い伝達効率を訴求力としており、運転者がギアを選択できる「M」モードではダブルクラッチ制御を行って、よりダイナミックな走行を可能としている。操作方法はシフトレバーによるものやステアリング上のスイッチによるもの、パドル式などがある。
後述のAMT（Automated Manual Transmission）の一部にも採用されている。
湿式多板クラッチ式デュアルクラッチトランスミッションでは、一般に内蔵の湿式多板クラッチを発進時にも流用する。

変速機構による分類

大きく分けて減速比を段階的に切り替える機構と無段階に切り替える無段変速機がある。段階的に変速する機構は長年の主流であったが、無段変速機が登場して普及が進んだことにより、これと区別するために自動車メーカーや部品メーカーでは段階的に変速するATを「ステップAT」と呼ぶ場合がある。段階的に変速するATはコンピュータ制御技術が普及して高度化する以前から制御が可能な機構であったが、エンジンの出力を効率的に利用するには変速段数を増やす必要があり、それに伴って歯車や制御機構が増えて体積と重量、製造コストが増加する。無段変速機では変速比幅を大きくすると当然大型化する。
遊星歯車と無段変速機の組み合わせもある。

遊星歯車式

遊星歯車機構で動力を伝達する方式で、トランスミッション内部にリングギアやピニオンキャリア、サンギアの回転を制御するブレーキ機構やクラッチ機構を備え、それらを油圧などで動作させて段階的に減速比を切り替える方式である。1組の遊星歯車により前進2速、後進1速の切り替えが可能で、遊星歯車と制御機構を増やすことで段数を増やすことができる。
クラッチ機構には湿式多板クラッチ、ブレーキ機構には湿式多板ブレーキやバンドブレーキが用いられ、いずれも油圧によって作動する。油圧回路は多数のバルブで切り替えられるが、1980年代まではガバナ機構により機械的にバルブの切り替えと変速制御を行っていた。1980年代後半にソレノイドにより電気的にバルブを駆動するものが登場し、アクセルペダルの踏み込量や車速などに基づいてコンピュータが制御し、変速タイミングをより効率的に制御できるようになった。
最初の実用ATであるGMハイドラマチックは前進4速/後進1速であった。その後の変速機技術の試行錯誤過程で、前進2速、3速、4速が市場で一時並立し、1960年代〜1970年代には前進3速ATが主流を占めたが、市場のニーズや技術の発展に伴って変速段数を増やしたものが搭載されるようになった。2010年代では小型、廉価な車種では3速や4速、大衆車では5速や6速が普及し、高級車では7速や8速が搭載される例がある。後進はほぼ全ての車種で1速であるが、2速のものもある。
後述の無段変速機に、後退のための逆回転や副変速機として用いられる事もある。

平行軸歯車式

多くのマニュアルトランスミッションで見られる、平行軸に保持された異なる減速比の歯車の組合せを複数持ち、これを油圧・電動機構などで動作させて自動的に切替え、ギア比を選択する自動変速機である。遊星歯車式に比べると減速比の組合せに自由度が高い。
トランスミッション内に湿式摩擦クラッチを使用し、トルクコンバーターを採用した上で、トルコン内のステータ反力を検出する独自の制御機構と組み合わせた物は、本田技研工業が1960年代後期にホンダマチックとして開発した方式で、メルセデス・ベンツ・Aクラス（初代）の5段ATでも採用されていた。
また一般的なマニュアルトランスミッションと同様の、常時噛合いシンクロメッシュ平行軸歯車式変速機をベースとして、これを電子制御油圧・電動アクチュエーターなどで自動変速する様にし、特に電子制御自動乾式（或いは湿式）摩擦クラッチを採用してトルコンが付かないいすゞ自動車NAVi5を始祖とする自動変速機は、俗にAMT（Automated Manual Transmission）と呼ばれる。マニュアルトランスミッションで変速時、アクセルワークでギア回転数を合わせる必要があるのと同様な操作を自動で行う必要があるため、一般にスロットル操作がドライブ・バイ・ワイヤ化される。

無段変速機（CVT）

プーリーや駒形のローラーや油圧・発電電動機構等を用いて無段階に減速比を変化させる方式の総称である。連続的かつ無段階に減速比を選べるため最も効率のよいエンジン回転速度を利用して走行することができる。一方で、摩擦式無段変速機は摩擦によって動力を伝達する方式であるため、油圧・発電電動式無段変速機も変換ロスがあるため、歯車による伝達より伝達損失が大きい。摩擦式無段変速機はオートバイのオートマチックトランスミッションでは主流の方式である。乗用車や小型貨物車に用いられる摩擦式無段変速機は、エンジンの動力を電磁摩擦クラッチで伝達される場合と、トルクコンバーターで伝達される場合がある。オートバイでは遠心摩擦クラッチと組み合わせる場合がほとんどである。油圧・発電電動式無段変速機は、土木建設・鉱山・農業・無限軌道車両走行変速に用いられる事が多い。トルクコンバータも無段変速機であるが損失が大きい。
後退のための逆回転や副変速機に、前述の遊星歯車が用いられたものもある。

デュアルクラッチトランスミッション（DCT）

ツインクラッチトランスミッションとも呼ばれる。摩擦クラッチと変速機構のセットを奇数段用と偶数段用の2系統持っており、次のギアを予め噛み合わせておいて、そのギヤの系統のクラッチを繋ぐ直前に他系統のクラッチを切ることで変速を行う。増速変速時、通常の1系統の物に対して駆動力の途切れる時間を短縮することができる。トルクコンバーターと組み合わせた稀な場合を除いて、度重なる発進でクラッチに無理がかかる事がある。シフトアップ時にも僅かに自動的に一時スロットルが絞られ、特にシフトダウン時自動スロットル操作などによるブリッピングが必要なため、一般にスロットル操作がドライブ・バイ・ワイヤ化される。

セミオートマチックトランスミッション

オートマチックトランスミッションのうち、変速比の選択はもっぱら運転者が行い、それ以外のクラッチ操作などを自動化したものをセミオートマチックトランスミッション（セミAT）と呼ぶ。これと区別するために、変速比の選択をふくめて全て自動化したものをフルオートマチックトランスミッション（フルAT）と呼ぶ場合がある。両者の差は自動制御可能な範囲の違いであり、クラッチ機構や変速機構の違いではない。小型バイクなどに使われる自動遠心クラッチ等を利用した手動変速機も、セミオートマチックトランスミッションも共に、日本の運転免許制度上では、クラッチ操作ペダル・クラッチ操作レバーがなければオートマチック限定免許で運転が許される。

基本操作

ATの操作レバーは、セレクトレバーまたはセレクターと呼ばれる。セレクトレバーには複数の操作位置（レンジ）があり、前進や後退を切り替えるほか、運転者の任意で駐車時に駆動系の回転をロックする機能や、変速段を制限する機能を持ったレンジに切り替えられる。
セレクトレバーの配置は車体中央の床に配置するフロアATと、ステアリングポストの横に取り付けられたコラムAT、インストルメントパネルに配置されたインパネATがある。大型車では、セレクトレバーに代わって押しボタンを採用するものもある。1950年代にはアメリカ製大型乗用車やそれをコピーした旧ソ連製大型乗用車で、プッシュボタン変速を採用した事例もあったが、当時のプッシュボタン式セレクターはトラブルが多発し、レバー式のほうが操作が確実で、乗用車では一般化しなかった。

安全装置

AT車の多くの車種ではエンジン始動状態では、ブレーキペダルを踏まない限り「P」レンジから他のレンジへの切替操作ができないシフトロック機構が装備されている。これは、同乗者や子供が不用意に触れた際の誤発進などの危険を防止するため、昭和の末期頃より安全装置として装備され始めた。
シフトロック機構は電気的・機械的に制御されており、万一の回路異常やバッテリー上がり、事故による損傷などでシフトロックが解除できない場合に備え手動解除機構が設けられている。
また、不用意に「P」レンジから他のレンジにセレクトレバーが動かされたり、前進走行中に不用意に「R」レンジにセレクトレバーが動かされたりしないように、ロック解除ボタンが設置されていたり、直線的に操作できない矩形の操作パターンを採用しているものが多い。
エンジン始動は「P」レンジか「N」レンジでのみ可能となるよう制御されており、それ以外のレンジではセレクトレバーがスターターの電気回路を遮断し、スターターに通電されない。
最初のATである1939年当初のGMハイドラマチックには、絶対効率と（鋳鉄製ブロックの大きく複雑な）変速機ユニットが重すぎること以外に、安全対策面の不十分さが残されていた。シフトパターンは「N-D-L-R」で、「P」レンジがなく、しかもどのシフト状態でもエンジン始動ができたため、「N」以外でエンジン始動すると車が動き出した。運転者は変速機が「N」レンジにあるか、ブレーキペダルをしっかり踏んだ状態でなければ安全にエンジン始動できず、またエンジン停止後はマニュアル車での慣例同様にシフトを「R」に切り替えておくことで、パーキングロックの代用とせねばならなかった。「L」レンジと「R」レンジが隣り合っていたため、誤操作にも注意が必要であった（確実な操作を行わないと、ギア切り替え時の破損につながる）。
この問題点の対策として、1950年代前期にはシフトパターンの「R-N-D-L」への是正、Pレンジの新設による「P-R-N-D-L」化が進められ、1950年代中期までにはこのシフトパターンがアメリカ市場のAT車で標準化されている。ヨーロッパや日本でもこれに倣ってレンジパターンが定型化した。もっとも車種によっては例外が存在する。

セレクトレバー以外の操作

ステップATの場合はオーバードライブスイッチ（O/Dスイッチ）、CVTの場合はスポーツモードスイッチ（SまたはSPORT）が備えられた車種も多く、スイッチを切っておくと一定のギアから上に変速しなくなる（多くの車種では直結段が上限となる）。普段はスイッチを入れておき、速度に応じてギアが最上段まで切り替わり、高速度でのエンジン回転数が抑えられ省燃費運転が可能となる。
一方、山道や市街地走行などで頻繁に変速するような場合は、スイッチを切るとスムーズに走行できる。また渋滞や混雑などでも無用なシフトアップを避け、適度なエンジンブレーキで惰性走行を抑える効果がある。但し、最高段以外でロックアップが行われない車種も存在する為、ラフなアクセル操作によって燃費の悪化を招く場合もある。
エンジンを切ってもオフの状態が維持されるものが多いが、一旦エンジンを切ると、次の始動時に自動的にオンに復帰するものもある。一部の車種では変速モードを選択するスイッチがついているものがあり、例えば「POWER」「AUTO」「SNOW」や、「ECONO」「AUTO」「SNOW」などのような走行状況に応じて切り替えられるものもある。このほかに、ホールドモードスイッチを採用する車種もあり、スイッチを入れるとDレンジでは2速と3速の間で自動変速となり、Sレンジでは2速、Lレンジでは1速にそれぞれギアが固定される。