無段変速機
21世紀初頭に自動車用として実用化されているCVTはベルト式CVT、チェーン式CVT、トロイダルCVTおよび電力・機械併用式無段階変速機の4種類に大別できる。ベルト式CVTは比較的低トルクのエンジンで軽量車に、チェーン式CVTとトロイダルCVTは高トルクのエンジンまたはハイブリッドの重量車に用いられたが、その後トロイダルCVTは普及する事なく絶滅し、電力・機械併用式無段階変速機は開発元のトヨタが広く実装し他社も幾つか採用している。
変速機そのもので逆回転できないため、後進を行うときは遊星歯車等を組み合わせて逆転する。そのため前進と同等の速度で後進できるが、危険防止のためリミッターで制限される。電力・機械併用式無段階変速機では、電動モーターを逆回転させることにより後進する。
CVTは自動車用自動変速機(あるいは手動有段変速機)として実装されるのが普通で、一部の土木工事農業車両用静油圧式無段変速機を除いて、手動無段変速操作される事はない。
変速比の連続可変により変速ショックがなく、スムーズに加減速できる。
エンジンを効率の良い回転数と負荷領域で運転できる。変速段数の少ないATと比べ、エンジンを低回転・高負荷運転が可能であり、減速時のブリッピングも不要となるため燃費が向上する。
減速中の燃料カット・オルタネータの充電制御範囲が拡大できるので燃費が向上する。簡易なマイルドハイブリッドシステムとして応用されている。
部品点数が少なく小型化に有利である。
変速プロフィールを自由に設定できるので,運転状況によって燃費を優先したり,あえて有段変速を模擬することでスポーティーな演出も可能となる。
バリエーター機構の伝達効率が高く、金属ベルト式で最大95%、トロイダル式で最大97%が報告されている。
同程度の車種に使われるステップATと比べてコストが高い。プーリーの鍛造、熱処理、加工、表面処理にコストを要する。ただし、量産化によりコスト差は少なくなりつつある。
変速システム全体の伝達効率が低く、軽自動車では時速40km/h時に76%、100km/h時に81%の報告がある。2021年、チェーン式のフリクションを低減し最高効率が90%に到達。しかし依然として、クラッチ締結状態のステップATや、MTなどの歯車式変速機よりも効率が低い。
変速動作中の効率が低く,変速比を連続可変する過程では伝達効率が60%程度まで落ちる。これはエンジン回転数を保持して加減速するような過渡状況に相当する。
多段式のステップATと比較して変速比幅が狭く、最大で変速比幅8.2である。これは9速ステップATの9.81と比較して狭い。そこで後進用の遊星歯車に副変速機能を付加して変速比幅を8.7に拡大した機種もある。
プーリーを押しつけるために必要な高い油圧を賄うオイルポンプが損失となる。特に高回転(高速走行)時に大きい。
金属ベルトから特有の機械騒音が発生するため、遮音対策に加えてベルトの「コマ」のサイズに微妙な変化をつけ、一定周波での連続音を発しにくくする対策が採られている。
トルク許容量が低いため、変速機の負荷が大きい貨物車には採用例が少ない。
金属ベルト式はプーリ径が大きく、直列エンジン縦置き車に使用される縦長形状のケースに収めにくい。このためトロイダル式やチェーン式が使用されている。
有段変速機(MTやステップATといった他のトランスミッション)と感覚が大きく異なる。
アクセルペダルを踏み込んでから加速が始まるまでの遅れが大きい。エンジン回転数が先行して上がり、車速の上昇が遅れるこの現象はモーターボート・エフェクトやCVTラグと呼ばれる。
CVTはエンジン回転数を変化させることなく加減速することが可能であるが、運転者が車速の変化を感覚的に認識できないことに違和感を感じ、Rubber band feelingと称される。対策として有段変速を模擬するモードを備えた車種がある。
スロットルの僅かな開度変化でプーリー径が変化することがあり、不快な前後衝動(不連続の加減速感 = スナッチ)が起こる。
エクストロニックCVT(XTRONIC CVT)とは、日産自動車の中容量スチールベルト式CVTの商標である。プーリー比を変える油圧を車速や負荷に応じ微細に電子制御するもので、単純な油圧制御に比べCVTの欠点であるドライバビリティー(運転性)の悪さを払拭した。
このCVTにはトルクコンバーター式クラッチが組み込まれており坂道発進や車庫入れなどの微速走行が容易になっている。日産はこのシステムでトルクコンバータ式クラッチのCVTの普及に業界での先鞭をつけ、少排気量のモデルから比較的大排気量のモデルにもCVTを採用する実績を挙げている。「ABSの作動」を伴い「3速以上のギヤ比」で停止した場合3速に固定されるが、発進して時速20nbspkm位まで加速すると解除される。
エクストロニックCVTの商標に変わる前までは、ハイパーCVTの商標で呼ばれていた。なお日産には後述するエクストロイドCVTもあり、名称が似ているため混同されやすい。
なお、デイズシリーズでは三菱自動車工業の「INVECS-III CVT」を「副変速機付エクストロニックCVT」と呼ぶ(eKシリーズとの共同開発だが製造自体は三菱のため)。
副変速機付CVTとは、日産とジヤトコが共同開発したCVTである。この副変速機付CVTはセカンダリープーリー(出力側ドリブンプーリ)の後に遊星歯車式の副変速機を設置している。この遊星歯車は2速のステップAT(有段変速機)とも言えるもので、前進2段の変速機能と後退切替機能を共有している。したがって、全速度域で見ると無段変速ではなくなったが、燃費の改善を優先して採用された。
発進時にはCVTのプーリー比が最大、かつ、副変速機が前進Loで作動し、速度が上がってプーリー比が小さくなると、前進Hiに自動変速すると同時に再度プーリー比を大きくする。これにより従来のCVTに比べて変速比幅が拡大され、発進加速と高速走行時の燃費の向上が図られている。しかし、この切り替え時に副変速機とCVTでまったく逆の動作(増速と減速)が行われるため、その時の速度、スロットル開度、負荷によっては双方の切り替えタイミングにずれが生じ、不自然な加速感となることがある。
また、前進Hi状態から前進Lo領域まで減速した場合や、中速域での高負荷走行時には自動的に前進Loへシフトダウンを行うため、CVTでありながらキックダウンが発生する。
小型CVTユニットはプーリー径の制約から、変速比幅が6.0までと狭いため、その改善を目的に開発された。副変速機付CVTは7速ATをしのぐ変速比幅7.3を実現している。このときのバリエータの変速比幅は4であるため、理論上は変速比幅を11程度まで拡大することも可能であるが、そこまで広い可変性はかえって過大となる。このため副変速機装備で生じた構造面のマージンは、変速ユニット自体の小型化へ振り向けている。
変速比幅拡大目的で単純に歯車を追加すると、伝達段数が増え、伝達効率を悪化させる。そこで、Jatco CVT7は元々装備されていた後退用遊星歯車機構に2段変速機を統合し、伝達段数を変えずに合理的な機能追加を実現した。クラッチの数だけを増やし、遊星歯車の数は増えていない(遊星歯車機構の位置は入力側から出力側へ変更されている)。CVTとステップATの複合化によってコストが増えるが、副変速機追加によりCVTの変速比を4.1と通常より小さくしているため、トータルコストは従来通りとメーカーは主張している。
小容量なので軽自動車から1.5 Lクラスまでをカバーする。まず(スズキ・パレット/パレットSW)用として採用され、2017年2月現在は下記の車種に採用されている(絶版車除く)。
日産(副変速機付エクストロニックCVT)
スズキ(副変速機構付CVT)
マツダ(副変速機構付CVT すべてスズキ車のOEM製品)
三菱(INVECS-III CVT)
トヨタ自動車とアイシンAW(現:アイシン)が共同開発した無段変速機。『ダイレクトシフトCVT(Direct Shift-CVT)』を名乗る。
ベルト駆動は構造上ロー側(1速相当)使用時のパワーロスが大きいが、新たにその領域のみで働くハスバ歯車式のギア駆動の機構を追加することで、加速時のもたつき感を大幅に改善。なおギヤとベルトの切り替えにはAT技術で培った高応答の変速制御技術を採用して変速ショックを大幅に軽減している。
また発進時や低速高負荷時の大きな入力をギヤが受け持つことによりベルトの狭角化を可能とし、加えてプーリーも小径化して小型軽量化に成功。慣性重量の削減効果などで変速速度を20%向上させ、CVT本体側でも従来のネガティブな感触を軽減させている。これらにより2リッタークラスではトップクラスの水準となる変速比幅7.5を実現した。
2018年発売のレクサス・UXへの投入が初出であり、それ以後は同社のダイナミックフォースエンジンを搭載した一部の車種に投入されている。
ダイハツ工業が単独開発した動力分割機構を備えるCVTで、『D-CVT』と称される。上述のDirect Shift-CVTとは名称が似ている上、トヨタとダイハツが完全親(子)会社の関係ということもあり混同されるが、実際にはDirect Shift-CVTが低速域、D-CVTは高速域の工夫である点で全く異なる。
発進から中速域までは通常の金属ベルト式CVTだが、高速域に入るとクラッチに接続して動力分割機構にパワーが伝わる「スプリットモード」へと移行。クラッチ接続直後の動力は金属ベルト6、動力分割機構4の比率で、最も変速比が小さい状態(エンジン回転 : 低、速度 : 高)では金属ベルト1、動力分割機構9となる。これにより、高速になるほど馬力損失が大きくなるという、従来のベルト式での問題を大幅に改善した。
この新機構の採用により、D-CVTの変速比幅は従来品の5.3から7.3へと拡大。最初の採用となった4代目タントの巡航燃費は従来モデルに対し、60 km/h時で12 %、100 km/h時では19 %の改善を実現した。
日産がジヤトコ、NSK、出光興産と共に開発したハーフトロイダル式CVT。NSKがローラーと軸受けの開発に成功し、出光興産が高圧下でのせん断力と潤滑・冷却力を兼ね備えた「新機構潤滑油」を開発、ジヤトコがトランスミッションとして組み上げた。日産はこのトロイダルCVTをエクストロイドCVTと名付け、高出力エンジン向けとして1999年(平成11年)に206kw(280PS)/387N・m(39.5kgm)のVQ30DETを搭載したY34型セドリック、グロリアに採用し販売、世界初のトロイダルCVT搭載市販車となった。2002年(平成14年)には8段変速マニュアルモードを加えてV35型スカイラインに搭載し、「スカイライン350GT-8」として販売している。しかしエクストロイドCVT搭載車は同じ車種の通常型AT搭載車より価格が約50万円高い上に故障も多く、修理費も100万円を超える高額となることから、2005年(平成17年)に全ての生産が終了した。生産終了後、日産はエクストロイドCVTの技術をメルセデス・ベンツに提供しているNovember 2019。なお発進・クリープ用としてロックアップ付トルクコンバータを介している点などは一般的なベルト式CVTと変わらない。
クラッチを内蔵した無段変速機であり、発進時に自動で動力の伝達が行われる。富士重工業のECVTは電磁粉体クラッチをドライブ側に、スズキのSCVTやホンダの初期ホンダマルチマチックは湿式クラッチをドリブン側に配置した。ホンダはミッションオイルに専用の「ホンダマルチマチックフルード(HMMF)」を使用するとしており、アフターマーケットで販売される汎用のCVTフルードは使用できない場合がある。
特にホンダのホンダマルチマチックはミッションオイルやクラッチの劣化によりジャダー現象が多発したことを受けて、フィット・モビリオ(スパイク)・フィットアリア・エアウェイブの5車種に限り2010年3月に2年間または6万Kmのミッション保証期間延長(発進時のジャダーがみられる場合ミッションオイルまたはクラッチ一式の無償交換)をするという対応を行った。その後ホンダマルチマチックは湿式多板クラッチを使用する方式を改め入力側にトルクコンバータを配置する一般的な構成に変更されている。
スバルにおいても、荷物の積載で高負荷がかかるサンバーは搭載から5年ほどでマイナーチェンジ時に3速ATへと置き換えられた他、ヴィヴィオからプレオに入れ替わる際にECVTからトルクコンバータ付きの「i-CVT」に置き換わり、以降軽自動車の自社製造を終了するまでi-CVTが用いられた。
自動車用としてはSUBARUが「リニアトロニック(Lineartronic)」と呼ぶ、シェフラー・グループのルーク (企業)製チェーンを使ったCVTを5代目レガシィ、エクシーガの一部グレード、4代目インプレッサ、4代目フォレスター、レヴォーグ、WRX S4などに搭載していった。過去にアウディ・A4のFF車に採用されていたチェーン式CVT「マルチトロニック(multitronic)」も同じくLuk製チェーンを使用している。なお、いずれも許容最大トルクは400nbspN·mとなっている。
日産の中型・大型車に搭載されるジヤトコ・CVT-8(JF017E)(変速比幅7.0、トルク容量380nbspN·m)とジヤトコ・CVT-X(JF022E)(変速比幅8.2、トルク容量330nbspN·m)も金属チェーン式である。
このほか、過去に大手自動変速機メーカーのボルグ・ワーナーがサイレント・チェーン式CVTを開発した。しかしスズキ・カルタス・コンバーチブルにSCVTという名称で搭載されたのみで、こちらは一般化せずに終わっている(クラッチ機構には、湿式多板クラッチを採用している)。
スポーツ志向の自動車には電子制御プログラムにより擬似的に変速比を数段に固定することでマニュアルトランスミッションのように手動変速を可能とした例もあり、エンジンブレーキなどに活用できる。一部の車種では、急な下り坂などでアクセルを戻しても速度が上昇する際、ある速度(日本では法定速度となる時速60nbspkmなど)を境に減速比を調節し、自動的にエンジンブレーキを強めて速度を維持する制御が為される。
1990年代初期、F1マシンにCVTを搭載することが一部のチームで検討され、ウィリアムズ・FW15Cなど実際に試験走行も行われた。使われたのは市販車用として開発中だった機構であるが、耐久性に関してはF1用としても予選、本戦併せて数時間ならば大丈夫であると予想されていた。実際にはCVTの耐久性よりも、常にエンジンをピークパワー付近の回転域で使用するために、そちらの耐久性の方が心配されたという。結局はF1レギュレーションで規制されたため、実戦には投入されなかった。
TOYOTA GAZOO Racingは全日本ラリー選手権にCVTのヴィッツでワークス参戦やプライベーターへの供給をし、競技を通したスポーツCVTの研究を行っている。また同選手権は2019年にJN6(旧JN1)クラスをAT・CVT車のためのクラスと定めたため、多くのCVT車が参戦するようになった。
初期のベルト式CVT車両には、発進・停止時の動力断続に遠心式や電磁式の自動クラッチが使われていた。これによりトルクコンバータ式におけるクリープ現象のデメリットを排除できるという特徴が生じた。しかし流体継手やトルクコンバータを使用しない代償としてクリープ現象のメリットも失われ、これらの自動クラッチにはマニュアルトランスミッション車の運転技術である「半クラッチ」に相当する機能・機構を必要とした。
クリープ現象を伴わないタイプのクラッチを持つCVT車は、ことに発進時、繊細なアクセル操作を行なわなければ、ぎくしゃくして円滑さに欠ける車両挙動を示した。富士重工業ではより滑らかな作動を求め、オランダのVan Doorne's Transmissie社との共同開発で密閉容器内の鉄粉の流動性を磁力でコントロールする電子制御式電磁クラッチを使うECVTを開発したが、それでもこの問題の解決には至らなかった。富士重工の初期のECVT車では、特に商用モデルでの過負荷状態で電磁クラッチを破損させる事態が頻出し、クレーム扱いの保証修理を多発させてもいる。本田技研工業は変速機の出力側に湿式多板クラッチを配置し、これを電子制御することで疑似クリープ現象を得るというシステムを開発したが、同社の独自技術で広く普及するまでには至らなかった。
自動クラッチ式は普及せず、1990年代後半以降は発進・停止時の動力断続をロックアップ付のトルクコンバータに委ねる手法が主流になった。トルクコンバータを採用することでクリープ現象を得ることができ、おなじくトルクコンバータを採用する他のオートマチックトランスミッション車に運転感覚が近づいた。クリープ現象を得ることに着目すれば流体継手でも事足りるが、トルクコンバーターにはスリップ時のトルク増幅作用があり、スターティングデバイスとしてのメリットが大きい。トルク増幅作用を前提とすることで、発進に必要な駆動力を発生するためのトランスミッションの最大変速比を小さくすることができる。ギアレシオをハイレシオ化することで、巡航時のエンジン回転数を低くすることができ、低燃費化に有効である。ただし小型自動二輪車では、遠心式自動クラッチが今日でも常用されている。
ベルト式CVTではプーリー回転数が高い高速走行時に、遠心力によりベルトとプーリーの密着力が低下する。これを防ぐために大きな油圧が必要となり、高速域で伝達効率が低下する問題がある。例として日産マイクラ(マーチ)K13型の場合、欧州複合モード燃費において、MT: 65.7MPG, CVT: 56.5MPGとなり、MTのほうが14%公称燃費が良い。日本のJC08モードと比較し、欧州複合モードは一定負荷の連続運転や高速度の比重が多く、燃費に影響しやすい。この問題の対策としては、2006年に入力側で減速するCVT、2009年には副変速機によって変速比幅7.3を実現する(日産とジヤトコ、次世代の無段変速機を共同開発)などの改良があり、2018年には発進時に直結ギヤを用いる方式(トヨタDirect Shift-CVT)、2019年には高速域においてCVTと直結ギヤを併用する方式で高速域の伝達効率を8%向上する(ダイハツD-CVT)など、多様な改良が行われている。技術的共通点としては、発進加速あるいは高速走行時の効率を両方改善するにはCVT単独では限界があり、直結ギヤの補助(Direct Shift-CVT)、あるいは動力分割機構(D-CVT)によってCVTの変速比幅やトルク容量を無理のない範囲に抑える点にあるといえる。一方で、補助的な機構を使用しないCVT本体の高効率化も続いており、金属ベルト式で最高80%台の伝達効率であったものが、2021年現在ではチェーン式で90%まで改善されている。