多段ATの仕組み｜トルクコンバーター・遊星歯車・油圧制御を解説

ATは勝手にギアを変えてくれます。便利すぎて、中で何が起きているのか忘れがちですよね。今回は、トルクコンバーターと遊星歯車を使う、多段ATの中を見ていきましょう。

ATは、発進・変速・制御を分けると分かる

ATは、発進や変速の操作を自動で行う変速機です。ここで説明する多段ATでは、エンジンとの間に、オイルの流れで力を渡すトルクコンバーターがあります。止まった状態からの発進を助ける装置です。

その先には、複数の歯車を組み合わせた仕組みがあります。どの部分を動かし、どこを止めるかを、中のクラッチやブレーキで切り替えます。これで、エンジンからタイヤ側へ伝わる回転の割合を変えています。

まずは、発進・変速・制御という三つの仕事に分けてみましょう。自動で変速する車が、全部この中身とは限りません。

多段ATを支える三つの部分

ATをひと塊の箱として見ると、中が全部同じ仕事をしていそうですよね。でも、止まった車の発進を助ける部分と、走りに合わせてギア段を変える部分は別です。さらに、それらへ動くよう指示し、オイルの圧力を調整する部分もあります。まずは、この三つに分けてみましょう。

トルコンだけで1速から8速ができるわけではありません。また歯車で段を作れても、止まったタイヤと回るエンジンを、なめらかにつなぐ装置が必要です。

オイルで滑らかに発進し、ロックアップで損失を抑える

エンジン側のポンプインペラが油を動かし、タービンランナーが受けて回ります。その回転が変速機へ入ります。油を介すので、二つは同じ速さでなくても力を渡せます。

そのため、エンジンを回したままDで停車できます。ブレーキを緩めてゆっくり進むクリープにも関わります。ただし、どれくらい、いつ進むかは車の制御で違います。

戻るオイルの向きをステーターが整える

タービンから戻る油の向きを整えるのがステーターです。発進などで回転差が大きい間は、流れを受け止めて向きを変え、出口側のトルクを増やせます。

エネルギーが増えているわけではありません。出口をゆっくり回す条件で、入口より強く回す力を得ています。回転差が減れば、その働きも弱まります。油の流れはトルクコンバーターの構造で詳しく説明しています。

条件が整えばロックアップで機械的につなぐ

油で伝えるときは、回転差による損失と熱が出ます。そこで条件がそろえば、ロックアップクラッチで直接つなぎます。

完全につなげば、ポンプとタービンの回転差で失う分を抑えられます。ただ、歯車のこすれやオイルポンプの負担までゼロにはなりません。振動を和らげるため、少し滑らせる制御もあります。

高速道路だけで働くものでもありません。例えばマツダのSKYACTIV-DRIVEの技術資料は、低速まで使う範囲を広げています。何km/h、何速、どんな油温で使うかは、車と制御によって違います。

遊星歯車は、つなぐ部品と止める部品で働きが変わる

基本の遊星歯車には、真ん中のサンギア、外のリングギア、間の小さな歯車、それを支えるキャリアがあります。小歯車は自分で回りながら、中心の周りも回れるので、遊星と呼びます。

中心、外側、キャリアのどこへ力を入れ、どこから取り、どこを止めるかで、回る速さが変わります。例えば外を止め、中心を回してキャリアから取り出せば、同じ向きに減速します。

実車では、この仕組みを複数使います。歯車を掛け替えるより、クラッチでつなぐところと、ブレーキで止めるところを変えて段を作ります。歯数と回転数は遊星歯車と変速比の原理で解説しています。

クラッチペダルがなくても、中にはクラッチがある

ATも、中にはクラッチがいくつもあります。回る部品同士をつなぐのがクラッチ、部品をケースへ固定するのが内部ブレーキです。タイヤを止めるブレーキとは、別のものです。

湿式多板クラッチは、油の中で何枚もの摩擦板を押し付けます。固定用ブレーキにも多板式があり、すべてが帯状のバンドを使うわけではありません。

ギア段と歯車の組数は、別です。ZFの8HPの製品解説には、4組のギアセット、3個の多板クラッチ、2個のブレーキを使う例があります。8速だから8組必要、というわけではありません。

オイルの圧力と電子制御で、変速の感触を整える

コンピューターは、車速、アクセル、エンジン、入口と出口の回転数、油温などを見て、ギアとロックアップを決めます。電気で動くソレノイドバルブなどの弁が、油の送り先と圧力を変えます。その油がピストンを押し、クラッチや内部ブレーキの板を押し付けたり緩めたりします。

変速では、それまでの板を緩め、次の段の板をつなぎます。早く強くつなぎすぎれば衝撃が出やすく、遅ければエンジン回転が一時的に上がりやすい。力と時間の合わせ方が、あの変速の感触を作るんです。

エンジン側も、変速中のトルクを調整することがあります。なめらかさは歯車だけで決まりません。同じ系列の変速機でも、エンジンと車の制御で乗り味が変わります。

キックダウンや手動モードでは何が起きるの？

アクセルを大きく踏み、低い段へ切り替えるのがキックダウンです。タイヤ側の力を増やし、加速しやすいエンジン回転へ移します。一度に複数段を下げることもあります。

パドルや手動モードでは、自分で変更を指示できます。ただし車が必ず受け付けるわけではありません。速く走っているのに低すぎる段へ入れるなど、部品を傷める操作は制限することがあります。動きは説明書で確認します。

段を増やすと、発進の力と高速での低回転を両立しやすい

発進では強く、速度に乗ったら低いエンジン回転で走りたい。多段化は、その広い範囲を作りつつ、隣の段との差を小さくできます。使いたい回転数へ合わせやすく、変速前後の回転差も調整できます。

ただ段数を増やせば、燃費も加速もよくなるとは限りません。一番下から上までの比率、隣の段との間隔、車の重さ、損失、制御も関係します。何速かだけで、別の車は比べられません。

トルコンATは、なめらかな発進と、段を変える感触を両立しやすい方式です。一方、油で伝え、油圧（オイルの圧力）を作る負担と、複数の板を精密に動かす難しさがあります。ロックアップや油圧の改良で、そのむだを減らしています。

ATFの指定と、変速の変化を確認する

ATFはAutomatic Transmission Fluidの略です。歯車を守るだけでなく、油圧で部品を動かし、トルコンで力を渡し、摩擦板を冷やします。一人何役も受け持つ油なんですね。

合わない油や油量は、板の摩擦や油圧の調整を変えてしまいます。色だけで判断せず、指定品と点検、交換の条件を確認します。全ATへ同じ交換距離や寿命を当てはめることはできません。

急に変速の衝撃が強くなる、警告が出る、回転だけ上がって加速しないなどは、無理に走らず点検を頼みます。油やトルコンだけに決めつけず、起きた車速や温度も伝えましょう。

油は、滑らせる部分と、滑らせたくない部分を受け持つ

ロックアップしていないトルコンは、回転差を使って油で伝えます。一方、変速用クラッチがつながった後は、滑らずに必要な力を受け止める必要があります。

同じ油でも、場所によって滑りの扱いが違います。だからATFには、部品を守り、冷やすほか、クラッチに合う摩擦の性質も必要です。粘りが似ていれば何でもいい、とはならないんです。

よくある疑問

8速ATは遊星歯車が8組？

段と組数は別です。複数の歯車にクラッチとブレーキを組み合わせ、つなぎ方を変えて各段を作ります。

CVTもトルクコンバーター付きなら多段AT？

発進装置が同じでも、変速部分は違います。プーリーで比率を変えるCVTと、歯車で段を作る多段ATは別です。

ATF交換で変速不良は全部直る？

油だけでなく、摩擦板、油圧、制御、電源も原因になります。交換すべきか、どう整備するかは、診断と車の指定で決めます。

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DCT

クラッチとトルクコンバーターの違い｜動力を伝える仕組み／変速比とは？計算方法と回転数・トルクの関係／CVTの仕組み｜ベルト・チェーン式の構造と変速の原理

参考資料

• ZF「8-Speed Automatic Transmission」
• マツダ技報2011「新世代技術 SKYACTIV パワートレイン」
• マツダ技報2015 小型SKYACTIV-DRIVE
• KHK「Internal Gears」
• ZF Aftermarket「How to Change the Transmission Oil on a Passenger Car」
• マツダ CX-5取扱説明書「シフトアップのしかた」
• Schaeffler/LuK Symposium 2006「Torque converters – Comfort and fuel economy in tight corners」