変速機とは
変速機とは、車や自転車などの乗り物や機械装置で使用される、回転数やトルク (回転力) を調節する装置です。
似た装置として減速機がありますが、減速機が減速比が固定されているのに対して、変速機は変速比を変えることができます。変速比が可変になることで様々な使用条件に適応させることが可能です。
歯数の違うギヤの組み合わせを変えて、エンジンなどの動力側から入力される回転数とトルクを必要とされるものに変換して出力します。
変速機の使用用途
変速機は、様々な乗り物や機械に用いられています。
1. 乗り物
自動車、二輪車、鉄道など移動するための乗り物であれば、停止からの発進時や、登り坂の走行時などの大きな動力が必要な時には、減速比を大きくして、エンジンなどの入力側のトルク以上のトルクでタイヤを駆動できます。また、大きなトルクよりも高速走行が要求される場合は減速比を小さくして、入力回転数よりも出力回転数を上げて対応します。
2. 機械
工作機械では、切削加工を行う場合、周速を一定の範囲内に収めることが要求されます。そのため、被削材や工具の直径に応じて回転数を変化させる際に、変速機が使用されます。
変速機の原理
変速機はトルクや回転数を制御するために、ギアやプーリーなどの機構を使用します。これらの機構によって、入力軸からの回転力を出力軸に伝える際に変速比を変えることができます。
1. ギアを利用した変速機
ギアは円盤状の歯車であり、異なるサイズの歯車を組み合わせることで変速効果を得られます。ギアの歯車の大きさは、半径や歯の数で表されます。
例えば、入力軸に接続された歯車 (ピニオン) が、出力軸に接続された歯車 (リングギア) と噛み合っている場合を考えます。入力軸のピニオンの回転はリングギアに伝えられ、出力軸からの回転力を得ることが可能です。このとき、ピニオンの歯の数がリングギアの歯の数よりも少ない場合、出力軸の回転数は入力軸の回転速度よりも遅くなり、トルクは上がります。
逆に、ピニオンの歯の数がリングギアの歯の数よりも多い場合は、出力軸の回転数は入力軸の回転速度よりも速くなり、トルクは下がります。このように、ギアの組み合わせによって回転数、トルクを変化させることができます。
2. プーリーを利用した変速機
ゴム製のベルトが2つのプーリーをつながった構造で、入力と出力のプーリーの直径の比率を変えることで、変速効果を実現します。プーリーは円盤状の車輪であり、ベルトがプーリーに巻きつけられています。入力軸に接続された小さなプーリーの直径と、出力軸に接続された大きなプーリーの直径の比率を変えることで、出力軸の回転速度やトルクを調整可能です。
自転車やバイクは、ギアを直接嚙合わせるのではなく、チェーンを介して入力軸と出力軸のギア比を変えて変速しています。このように、ギアやプーリーなどの機構を使用して変速機は動作します。
変速機の種類
変速機は大きく分けて、有段変速機と無段変速機に分けられます。有段変速機は、歯車などの組合わせを変えることで変速するため、減速比は飛び飛びの値となります。
無段変速機は減速比が無段階に変更可能で、最適なトルクと回転数の組み合わせを実現します。これにより、なめらかな加速と燃費の向上が可能です。
なお、自動車用途の変速機は大きく分けて、有段変速機であるマニュアルトランスミッション (MT) 、オートマチックトランスミッション (AT) と、無段変速機 (CVT) の3種類があります。
1. マニュアルトランスミッション (MT)
運転手が手動でギアを切り替えることで、車の速度やトルクを制御するタイプの変速機です。ギアを変更する際にはエンジンからの入力を一時的に遮断する必要があるため、クラッチと呼ばれる装置で入力を遮断して適切なギアを選択してから、クラッチを戻してエンジンからの入力を再開させます。運転者は意のままにギアを選択できるため、車のパフォーマンスを自由にコントロール可能です。
2. オートマチックトランスミッション (AT)
運転者がギアを手動で切り替える必要がない変速機です。車の速度や負荷に応じて、電子制御によって自動的に最適なギアが選択されます。マニュアルトランスミッションでのクラッチの役割を油圧を利用したトルクコンバーターと呼ばれる装置が行い、スムーズなギアチェンジが行われます。
3. 無段変速機 (CVT)
ベルト式CVT、トロイダルCVTなどがあります。ベルト式CVTはスクータータイプの2輪車や乗用車でよく用いられ、ベルトを駆動するためのプーリの接触径を連続的に変えることで変速します。
トロイダルCVTは特殊な形状をしたローラを組み合わせた変速機で、動力の伝達はローラの摩擦で行い、ローラ同士が接触する直径を変化させることで変速します。
参考文献
https://www.mikipulley.co.jp/JP/Products/SpeedChangersAndReducers/about.html
https://www.jsme.or.jp/jsme-medwiki/16:1011945