概要
オートマチック トランスミッションの主要コンポーネントであるトルク コンバーターは、近年、再び注目を集め、開発が進んでいます。このホワイト ペーパーでは、現代の自動車トランスミッションにおけるトルク コンバーターの進化、利点、および潜在的な用途について説明します。歴史的背景、初期のトルク コンバーターが直面した課題、および技術の進歩によってこれらの問題がどのように解決されたかについて詳しく説明します。このホワイト ペーパーでは、効率、パフォーマンス、燃費に焦点を当て、トルク コンバーターの復活によって自動車トランスミッションの状況がどのように変化しているかについて説明します。
導入
1 世紀以上前に発明されたトルク コンバーターは、デュアル クラッチや無段変速機 (CVT) などのさまざまなトランスミッション技術の影に隠れていました。しかし、設計、材料、制御システムの進歩により、トルク コンバーターは現代の自動車トランスミッションの不可欠な部分として魅力的な復活を遂げています。
トルクコンバーターは、オートマチック車でエンジンからトランスミッションに回転力を伝達する流体カップリングです。ギアやクラッチではなく、流体の力を使用して動力を伝達するため、流体カップリングと呼ばれます。トルクコンバーターはエンジンとトランスミッションの間に取り付けられ、マニュアルトランスミッションのクラッチと同じ機能を果たします。車両が移動しているとき、トルクコンバーターはエンジンを負荷から分離することを可能にします。つまり、車両が停止しているときでもエンジンは動き続けることができます。トルクコンバーターは複雑な装置ですが、オートマチックトランスミッションに不可欠な部分です。トランスミッションがスムーズかつ効率的にギアをシフトできるようにし、エンジンを損傷から保護するのにも役立ちます。
トルクコンバータの動作
トルク コンバータは、内燃エンジンとギアボックスの間にあります。オートマチック トランスミッションの筐体内には、トルク コンバータ、遊星ギアボックス、電気油圧制御モジュールという 3 つの主要コンポーネントがあります。内燃エンジンのクランクシャフトは、トルク コンバータに機械的に連結されています。このコンバータ内では、エンジンの動力が流体力学的にギアボックスに伝達されます。トルク コンバータがロック解除されたままの場合、入力 (エンジン) と出力 (ギアボックス) の間には直接的な機械的連結は存在しません。
図1: トルクコンバータの構造
出典: x-engineer.org
トルク コンバータは、本質的に、効率がかなり低い傾向があります。これは、常に滑りが発生し、作動流体 (オイル) と機械部品 (インペラ、タービン、ステータ) の間に大きな摩擦が生じるためです。効率は、速度比が 0 に近づくと最低の 10% 未満に低下しますが、速度比が 0.85 付近になると最高 85% から 90% の範囲に達します。
トルク コンバータの効率を高めるために、インペラとタービン間の滑りが比較的最小限に抑えられたときにコンバータを効果的にロックするという戦略が採用されています。これは、ロックアップ クラッチを使用して実現され、インペラとタービン間の機械的な連結を容易にします。その結果、この配置により、オイルとコンポーネント間の摩擦がなくなり、エンジンのパワーが機械的にギアボックスに伝達されます。
ロックアップ状態は、通常、ギアが 2 速以上になったとき、または車両の速度が時速 20 キロメートルを超えたときに発生します。ギアシフトのプロセス中、ロックアップ クラッチは意図的にスリップ モードに設定され、ドライブラインの振動を吸収します。
図2: トルクコンバーター - ロックアップクラッチ
出典: x-engineer.org
トルク コンバータは、大部分のエピサイクロイド型自動変速機 (AT) の主要なカップリング メカニズムとして機能し、特定の無段変速機 (CVT) にも使用されています。その主な特性には、エンジン速度が低いときにエンジンをドライブラインから自動的に切り離すこと、トルクを増幅すること、振動を軽減すること (動力伝達の流体力学的性質による) などがあります。
Data Bridge Market Researchは、トルクコンバーター市場は2022～2029年の予測期間に5.20%のCAGRを示し、2022～2029年の予測期間の終わりには推定値112億4000万ドルに達する可能性が高いと分析しています。
この研究の詳細については、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-torque-converter-market
オートマチックギアボックスの歴史
最初のオートマチック トランスミッション (AT) の開発の立役者は、アルフレッド ホーナー マンローでした。カナダのサスカチュワン州レジーナ出身のマンローは、1921 年に最初のオートマチック トランスミッションの概念を考案し、「オートマチック セーフティ トランスミッション」(AST) と名付けました。この画期的な発明は、1923 年に正式に特許を取得しました。カナダの蒸気技師としての経歴を持つマンローは、油圧流体ではなく空気圧を利用するという革新的なアプローチを AST の設計に取り入れました。ただし、この斬新なアプローチには、発電の面で大きな欠点がありました。この制限にもかかわらず、AST は 4 つの異なる前進ギア比を示しました。ただし、後進ギアとパーキング メカニズムの両方が欠けていたことは重要です。この先駆的な発明は、ゼネラル モーターズが AST を市場に投入し、1937 年から 1938 年にかけて、オールズモビル、キャデラック、ビュイックの 3 つの車両モデルのオプション アップグレードとして取り上げたことで、認知されるようになりました。
ゼネラルモーターズは、プロトタイプと設計図を入手することで、自動車の歴史において大きな一歩を踏み出すという重要な決断を下しました。これが、最初の油圧トランスミッションの導入の先駆けとなり、その名も「ハイドラマティック」となりました。ゼネラルモーターズは、1940 年に生産を開始し、オールズモビルのラインナップにオプション機能としてハイドラマティックを提供しました。これは、大量生産される最初のオートマチックトランスミッションとして、自動車業界に新たな先例を作った記念碑的な出来事でした。
このイノベーションの変革的影響は、自動車分野をはるかに超えて広がりました。第二次世界大戦の真っただ中にあった 1942 年、自動車工場の重点は自動車の製造から軍用戦車や車両の生産へと移りました。驚くべきことに、これらの軍用機械にはハイドラマティック トランスミッションが搭載されており、さまざまな状況におけるこの技術的進歩の適応性と重要性を強調しています。
戦争の余波、戦後の時代には、ハイドラマティック トランスミッションを搭載した車両の需要が大幅に増加しました。この時代は、このトランスミッション技術の人気が高まった時代でした。この時点で、ゼネラル モーターズの車両販売の 4 分の 3 にハイドラマティック オプションが搭載され、その大成功と自動車業界への大きな影響がさらに強まりました。
図3: ハイドラマティックトランスミッションを搭載したM-5スチュアート戦車
出典: オートサービスエキスパート
1948 年、ビュイックのダイナフローは、トルク コンバーターを備えた初の油圧トランスミッションとして、前進 2 段と後進 2 段のギアを誇りました。コンバーターのトルク増幅により、2 速セットアップは驚くほど強力になりました。パッカードは 1949 年に 2 速ウルトラマティックを発表し、続いてゼネラル モーターズの最高傑作であるパワー グライドが 1950 年に発表されました。パワー グライドは今でも圧倒的な人気を誇っており、レースに最適なように改良され、今でもトップ フューエル カーや 1/4 マイル レーシング カーで使用されています。
図4: ゼネラルモーターズ パワーグライド AT
ボルグワーナーは、ロックアップ トルク コンバーターを搭載した初の 3 速オートマチック トランスミッションを発売し、大きな進歩を遂げました。この画期的な進歩は 1950 年代半ばに起こりました。この期間中、ベントレー、リンカーン、フォード、スチュードベーカーなどの有名メーカーを含む多数の大手自動車メーカーが、ゼネラルモーターズの 3 速オートマチック油圧トランスミッションを標準の選択肢として採用しました。
現在、自動車のトランスミッションは、11 段ものギア トレインを包含するまでに進化しています。これらの高度なトランスミッションには、電子制御ソレノイド、可変速度センサー、コンピューター制御システムなど、一連の高度なテクノロジが統合されています。無段変速トランスミッション (CVT) は、自動トランスミッションの特性をエミュレートする油圧チェーン駆動構成を特徴とする、注目すべき例です。さらに、現代のトランスミッションには、前輪駆動、全輪駆動、トランスアクスル、トランスファー ケース、4x4 トランスミッションなど、さまざまなドライブトレイン構成が含まれており、自動車工学の複雑な多様性をさらに反映しています。
図5: CVTトランスミッション
Data Bridge Market Researchは、無段変速機市場は2021年に198億米ドルと評価され、2029年までに315億6000万米ドルに達し、2022年から2029年の予測期間中に6.00％のCAGRを記録すると分析しています。市場価値、成長率、市場セグメント、地理的範囲、市場プレーヤー、市場シナリオなどの市場洞察に加えて、Data Bridge Market Researchチームがまとめた市場レポートには、詳細な専門家分析、輸入/輸出分析、価格分析、生産消費分析、ペストル分析が含まれています。
この研究の詳細については、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-continuously-variable-transmission-market
その他のタイプのトランスミッション
自動マニュアルトランスミッション (AMT) は、アクチュエータとオンボード コンピュータを使用してエンジン速度に基づいて適切なギア シフトを識別する自動トランスミッション システムです。AMT の場合、セレクター スティックを使用して希望のドライブ モードを指定します。起動すると、AMT がクラッチの接続とギアの変更を自律的に管理するため、ドライバーはリラックスした運転姿勢をとるだけで済みます。AMT の操作は、通常、シームレスな体験を提供しますが、シフトアップとシフトダウンの両方の操作中にギアが自動的に切り替わるときに、わずかな衝撃を感じることがあります。
図6: 自動マニュアルトランスミッション – AMT
無段変速機 (CVT) は、オートマチック トランスミッションのより現代的な反復です。このトランスミッション バリアントでは、ギア比は車両の速度に応じて継続的に調整されます。この適応性は、ベルトで相互接続された 2 つの円錐プーリによって実現されます。ベルトは、速度、車両重量、傾斜、下り坂などの要因によって決まる必要なギア比に基づいて、収縮または拡張して直径を変更します。CVT の特徴は、その優れた効率性にあります。車両がさまざまな速度で移動しても、エンジンの毎分回転数 (RPM) を一定に保つように努めます。さまざまな状況にシームレスに適応するこの能力は、CVT が最適な効率性を持つという評判に貢献しています。
ダイレクト シフト ギアボックス (DSG) またはデュアル クラッチ トランスミッション (DCT) は、2 つのクラッチを使用してシームレスな自動ギア変更を実現する高度なトランスミッション システムです。ギアは奇数 (1、3、5) と偶数 (2、4、6) の 2 つのグループに分かれており、それぞれが個別のクラッチで制御されます。この構成では、ギアが事前に噛み合った状態のままで、必要なギア回転数に達するとすぐに展開できるため、AMT やマニュアルなどのトランスミッションとは一線を画し、パワー損失が効果的に軽減されます。
DSG/DCT トランスミッションは、洗練された効率的なパフォーマンスが特徴です。このテクノロジーは主に高級車に採用されており、スムーズな操作と最適な効率の調和を実現します。
トルクコンバータの利点
トルクコンバータの欠点
トルク コンバーターにはいくつかの利点がありますが、いくつかの欠点もあります。
最新のトルクコンバータ
従来、Powerglide、Turbo 350/400、C4 などのトランスミッションは、従来の非ロックアップ構成を採用してきました。これらのシステムでは、コンバーターは、タービン、ポンプ、ステーターなどの重要なコンポーネントで構成される流体カップリング機構として設計されています。ロックアップ スタイルのトランスミッションは、当初は全体的な効率を高めることを目的としていました。このコンテキストでは、トルク コンバーターに組み込まれたクラッチが流体圧力によって作動し、このプロセスはソレノイドによって厳密に制御されます。
ロックアップ機能を備えた旧式のトランスミッションでは、その作動は通常 4 速に限定されていました。このメカニズムでは、クラッチの接続を使用してコンバーターを入力シャフトにロックし、スリップの可能性を効果的に排除します。この介入により、燃費の向上やトランスミッションの温度低下などの具体的なメリットがもたらされました。
しかし、現代の進歩により、状況は一変しました。現代のトランスミッション モデルは、これらの従来の方法論から大きく逸脱しています。ロックアップ機能の実装は、2 速から接続が開始されるほど進化しています。以前の反復とは異なり、これらの最新のユニット内のクラッチは段階的にアクティブ化され、コンバーターの効率的な連結を促進します。車両が 3 速または 4 速に達すると、ロックアップ メカニズムが完全に接続されます。この複雑な進行により、操作のこれらの後期段階では、コンバーターの油圧側面は事実上時代遅れになります。
トルク コンバータ内のマルチ ディスク クラッチは、マニュアル トランスミッション クラッチと比較して耐久性に疑問が投げかけられています。ウェット クラッチは一般的に耐久性が高く、適切な調整が寿命の延長に不可欠です。専門家による調整により、車両の使用状況に合わせてクラッチの寿命を延ばすことができます。ただし、早期摩耗やコンバータの歪みを防ぐため、過度の圧力は避けてください。ビレット フロント カバーはロックアップ領域を強化し、パワー アプリケーション中のたわみを防止します。
コンバーターのクラッチを複数にするか単一にするかの選択は、エンジンのトルク レベルによって決まります。ロックアップ クラッチの容量は、摩擦係数、ロックアップ面の寸法、ピストン力、円錐角などの要因によって決まります。クラッチ面の数は、トルク容量に直接影響します。Circle-D は、1 枚、3 枚、5 枚のディスク クラッチ オプションを提供しており、ユーザーは運転ニーズに基づいて適切な構成を選択できます。この適応性により、個々の運転ニーズに合わせた最適なコンバーター パフォーマンスが保証されます。
トルク コンバーターの中核に位置するステーターは、効率と失速速度の両方に影響を与える極めて重要な役割を果たします。ステーターの設計は、これらの特性に直接影響を及ぼします。ステーターの主な機能は、トランスミッション オイルをタービンからポンプに再ルーティングし、トルクを増大させることです。技術の進歩と高度な製造手法により、ステーターの設計は時間の経過とともに大きく変化しました。
ステーター技術の進化は明らかで、オリジナル機器 (OE) ステーターから、5 軸 CNC 機械を使用して製造された現在の完全機械加工ビレット ステーターへの移行が進んでいます。この変革により、パフォーマンスが大幅に向上しました。245 mm、258 mm、265 mm などのプラットフォームでさまざまな OE オプションを活用することで、的を絞った調整を行い、優れたパフォーマンスを実現できます。この専門知識により、長年にわたってセットアップを改良してきました。さらに、エンジニアリング プロセスに数値流体力学 (CFD) を組み込むことで、ステーター設計の最新の進歩を形作る上で重要な役割を果たしてきました。
2018 年、高性能トルク コンバータの製造で定評のある Circle-D Specialties は、数値流体力学 (CFD) ソフトウェアを統合することで変革的な一歩を踏み出しました。この導入は大きな転換点となり、同社は革新的なコンポーネントを設計し、アプローチを一新することができました。
CFD ソフトウェアの導入により、新しいトランスミッションの製品開発が容易になっただけでなく、Circle-D は古いユニットを再評価して改善の道を探ることができました。この技術により、車両での物理的なテストに頼らずにステーターとコンバーターを設計できるようになり、その可能性を証明しています。
CFD ソフトウェアは業界では目新しいものではありませんが、ゼネラルモーターズやフォードなどの大手自動車メーカーでは従来から採用されてきました。注目すべきは、Circle-D などのアフターマーケット企業による採用が増えていることです。同社はこれを仮想チューニングに活用しています。このアプローチにより、開発プロセスが合理化され、研究開発コストが削減され、製品の発売が加速します。
Circle-D は、このソフトウェアを使用することで、2 速から 10 速までのさまざまなトランスミッションにおける圧力分布、コンバーター結合時の流体力学、トルク増幅に関する洞察を得ることができます。
この記事の執筆時点では主に 10 速トルク コンバーターに使用されていますが、Circle-D はコンバーターのラインナップ全体を見直し、ソフトウェア主導の改良を通じてトルク増幅を最適化することを計画しています。ソフトウェアの可能性は、トルク増幅をより適切に制御し、ターゲットを絞った力の適用とリアルタイムの数値解析を容易にする能力にあります。
従来の試行錯誤の方法からシミュレーション主導の洞察への移行は、業界における大きな進歩であり、ゲームチェンジャーとなる可能性があります。CFD ソフトウェアの導入により、Circle-D はトルク コンバータ技術の進歩において競争上の優位性を獲得することになります。
図7: CFDソフトウェア
出典: パワーオートメディア
高性能車のトルクコンバーター
高性能オートマチックトランスミッションにおけるトルクコンバータの重要な役割と加速と運転の楽しさへの影響を探る
トルク コンバーターは、オートマチック トランスミッションの分野で重要な役割を果たしており、高性能車両に適用するとその重要性が高まります。優れた加速、応答性、爽快な運転体験を求めて、高性能車両は、高度なトルク コンバーターを使用してエンジンのパワーをトランスミッションに効果的に導き、最終的に車輪の動きに変換します。
高性能トランスミッションにおけるトルクコンバーターの複雑な役割を理解することは、これらの車両が魅力的な運転感覚を実現するのを助ける技術的基礎を理解する上で不可欠です。
トルク コンバーターの機能の中核は、エンジンからトランスミッションへのシームレスな動力伝達を可能にする能力です。エンジンがトルクを生成すると、トルク コンバーター内で流体の流れが促進されます。この流体の動きは、回転力をトランスミッションに伝達する導管として機能し、車両の動きを衝撃や急激な変化なしにします。途切れない動力供給が最も重要である高性能自動車の場合、トルク コンバーターは、特に急加速やギア シフト時にスムーズな運転体験を実現する上で極めて重要な役割を果たします。
トルク コンバーターの際立った利点は、オートマチック トランスミッションで従来の手動クラッチが不要になることです。最高のパフォーマンスを得るために瞬時のギア チェンジが不可欠な高性能車では、トルク コンバーター付きのオートマチック トランスミッションにより、ドライバーが直接介入することなく、迅速かつ正確なシフトが可能になります。この特性により利便性が向上するだけでなく、特に高速走行や過酷な運転条件を伴うシナリオで、ドライバーが運転体験に集中できるようになります。
トルク コンバータには、車両が停止しているときのエンジンの最大トルク出力速度を決定するストール比が組み込まれています。高性能アプリケーションの場合、ストール比の調整は発進特性を最適化する上で極めて重要になります。この比率を微調整すると、車両が動き出すときにエンジンが正確に最大トルクに達するようになり、加速が速くなり、発進性能が向上します。
現代の高性能トルク コンバーターには、ロックアップ クラッチが組み込まれていることがよくあります。これらのクラッチは高速で作動し、エンジンのクランクシャフトとトランスミッションの入力シャフトの間に機械的連結を確立して、流体カップリング効果を効果的に緩和します。ロックアップ クラッチが作動すると、トルク コンバーターはエンジンとトランスミッション間の直接的な機械的接続と同様に動作し、電力損失を抑えて全体的な効率を高めます。これは、特に高速走行が続くときに有利であり、燃料を節約し、車輪への電力供給を最適化します。
高性能車両が一般的に直面する厳しい運転条件では、トルク コンバーターはトランスミッション システム内の温度調整に重要な役割を果たします。トルク コンバーター内のトランスミッション フルードの循環は、エンジンの冷却とトランスミッション自体の熱の放散に役立ちます。この効率的な冷却メカニズムは、特にトラック セッションや困難な地形での激しい運転などの激しい運転状況で、過熱を回避し、一貫したパフォーマンスを維持する上で極めて重要な役割を果たします。トルク コンバーターは、理想的な動作温度を維持することで、トランスミッションの耐久性と信頼性を高め、寿命を延ばし、長期間にわたって最高のパフォーマンスを維持します。
トルク コンバーターは、マニュアル トランスミッションとは対照的に、ギア比の適応性を高めます。この適応性により、高性能車両は幅広い運転条件で優れた性能を発揮できます。停止状態からの急加速でも、高速でのスムーズな巡航でも、トルク コンバーターにより、トランスミッションは希望する運転結果に合わせてギア選択を最適化できます。
一部の高性能車両では、ローンチ コントロール システム内のトルク コンバーターの潜在能力を活用しています。ローンチ コントロールは、エンジン出力とホイール スリップを調整することで、静止位置からの加速を最適化します。発進時のトルク伝達を管理することで、トルク コンバーターは効率的なトラクション獲得を保証し、優れた加速メトリックを促進し、発進の一貫性を高めます。
トルク コンバーターは、従来型のオートマチック トランスミッションと関連付けられていますが、デュアル クラッチ トランスミッション (DCT) でも役割を果たします。特定の DCT 構成では、トルク コンバーターが組み込まれ、低速での運転性と快適性が向上します。このハイブリッド アプローチは、トルク コンバーターの滑らかさと使いやすさ、および DCT の素早いギア チェンジと効率性を融合します。その結果、DCT を搭載した高性能車両は、両方の長所を活用できます。
トルクコンバーターを搭載した現代の車
新型M3は英国で販売されており、ZF 8HPトルクコンバーターオートマチックを搭載しています。これは現在3世代目であり、2009年の導入以来着実に開発されてきました。内部の機械的な違いをすべて取り除くと、このトランスミッション（またはあらゆるトルクコンバーターベースのトランスミッション）とDCTまたはマニュアルとの主な違いは、トルクがクラッチではなく流体カップリング、つまりトルクコンバーターによってエンジンからギアセットに伝達されることです。
同様に、メルセデスAMG C63 S、ポルシェ911カレラS、ジャガーFタイプRにもトルクコンバータトランスミッションが採用されており、トルクコンバータの多くの欠点や問題が解決され、採用が増加することを示しています。
結論
結論として、高性能自動車の分野でトルク コンバーターが復活したことは、自動車業界における注目すべきパラダイム シフトを示しています。このホワイト ペーパーでは、一見時代遅れのように見えるこの技術が復活したさまざまな理由を詳しく調べ、現代の高性能自動車の分野でこの技術がもたらす微妙な利点を明らかにしました。トルク コンバーターは、パワー伝達、滑らかさ、効率性の間で比類のないバランスを実現できるため、エンジニアや愛好家の注目を集めています。
性能に対する要求が進化し続ける中、トルク コンバーターはハイブリッドおよび電動パワートレインとシームレスに統合することで適応性を証明し、常に変化する自動車業界におけるその重要性をさらに強固なものにしています。その復活は伝統への賛辞であるだけでなく、業界を前進させる革新の精神の証でもあります。
トルク コンバーターの復活は、イノベーションには必ずしも実績のある技術の放棄が必要ではないという事実を強調しています。むしろ、現代の課題に対応するために既存のソリューションを再考し、改良するという賢明さを強調しています。最先端のエンジニアリングとトルク変換の時代を超えた原理の融合により、爽快で効率的、かつ洗練された高性能車両の新しい時代への道が開かれました。
自動車メーカーが革新的なトランスミッション設計の実験を続ける中、トルク コンバーターの復活は、過去が将来への貴重な洞察を提供できることを思い出させてくれます。高性能セグメントでのトルク コンバーターの復活は、歴史と進歩がどのように絡み合い、伝統と革新の両方を取り入れた運転体験を形作るかを示す勝利の物語です。結局のところ、トルク コンバーターの復活は、古い技術が現代の創意工夫で活性化されると、自動車の卓越性を追求する上で重要なニッチを切り開くことができるという説得力のあるケース スタディとなっています。
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