トヨタFR用10速ATの共線図を読み解く

オートマチックトランスミッション（AT）は機械技術者を魅了する複雑な機構の一つです。遊星歯車（プラネタリギア）が動いている様子を、カットモデルの写真から想像するのはほとんど不可能です。これを読み解くのはとてもエキサイティングなパズルです。今回はその最高峰とも言える10速ATを解読していきます。題材にするのはトヨタのDirect Shift-10AT、型式で言えばAGA0（製造元アイシンの型式でAWR10L65）です。これは北米向けハイブリッド大型ピックアップトラック用のiFORCE MAXにも使われています。

私は退職までの10年あまり、ハイブリッド車の技術開発を通して、自動車のパワートレイン技術に関わっていました。大学では機構学を学んだ機械技術者です。トランスミッションは専門外ではありますが、技術的な興味は尽きません。ここでもまた感じたのは、一般人に分かる形で、遊星歯車式ATの仕組みを解説した書物がないことでした。

自動車整備の現場では、この複雑な油圧クラッチの塊をどう分解し組み立てるかということの方が有用な関心事でしょうけれど、機構学の視点からは、どうしてこういう仕掛けになっているんだろう、という疑問がわきます。一言で遊星歯車式ATといっても、その機構に一般論はありません。変速段が１つ増えるごとに遊星歯車を一つずつ追加していた初期の頃とは違って、少ない数の遊星歯車を巧みに組み合わせて多くの段数を作り出すようになってきました。

単純な歯数比でギア比が決まるマニュアルトランスミッションとは違って、遊星歯車式ATのギヤ比がどのようにして決まるかを理解するのは簡単ではありません。たとえ3Dで回る遊星歯車のアニメーションを作っても、それは無理です。クラッチの切り替えによって機構全体がガラリと姿を変えるからです。しかし、共線図の理解があれば、図形的に動きを理解することが可能になります。共線図は遊星歯車の速度の関係図ですが、基本的なことは、こちらの記事で解説していますので、その部分だけでも予備知識としてお読みいただければと思います。

ATを読み解くには３つの情報が必要です。まずスケルトン図とクラッチ表、そして歯車の歯数（それがなければ断面図）です。

整備書や新型車解説書があれば載っていますが、一般向けには公開されていません。今回のお題では、スケルトン図とクラッチ表がトヨタテクニカルレビューvol.64（p.61から、「FR乗用車用10速自動変速機の開発」山田和彦ほか、2018年5月）に公表されています。断面図はカットモデルの写真を利用します。

まずスケルトン図を見てみましょう。スケルトン図は遊星歯車機構の中心軸から上半分の断面図を模式的に描いたもので、遊星歯車の各要素（サンギア、キャリア、リングギア）やクラッチ、ブレーキがどのように接続されているか、つまりトポロジーを表しています。

大きく分けて３つの遊星歯車があるのが分かります。ミドルとリヤの２つは普通のシンプルな遊星歯車ですが、フロントはちょっと複雑です。スケルトン図を実体化すると下の図のようになっています。

１つのリングギアと１つのキャリアを前後２つのサンギアが共有しています。リア側のサンギアはピニオン２つ（ダブルピニオン）を介してリングギアと噛み合っています。フロント側サンギアはピニオン１個の普通の遊星歯車なのが分かります。この組合せが「ラビニヨ型遊星歯車機構」と呼ばれるものです。

ダブルピニオン遊星歯車の動き

では、ダブルピニオン遊星歯車の動きについて考えてみましょう。概念的には下図のようになります。

サンギアとリングギアを繋ぐピニオンが２つになっています。本当は、このピニオンのセットが３つ、サンギアを取り囲んでいるのですが、ここでは省略して考えます。歯数は適当に、サンギア28、リングギア68としてみました。これをキャリア固定で動かしてみましょう。

ピニオンが２つあるので、サンギアとリングギアの回転方向が同じになります。このようにひとつながりに噛み合う歯車は、歯車の周速がどこでも同じになるので（これは２つのピニオンの歯数が違っていても成り立ちます）、サンギアとリングギアの回転角は歯数の逆比で68：28になります。これを共線図に表すと、このようになります。

これを普通の遊星歯車と比べてみましょう。

違うのはサンギアの回転方向だけです。つまり、サンギアが基準（キャリア）の反対側に移動したのです。

遊星歯車の組合せ

次に、組み合わされたラビニヨ型プラネタリの共線図を考えてみます。リングギアとキャリアは共通で、サンギアだけが別々になっています。普通の遊星歯車とダブルピニオン遊星歯車の共線図を合体させてみましょう。

遊星歯車の共線図は２点を指定すると１つに決まるので、お互いの３要素のうち２つを共有すると、動きは拘束されて一体化します。

このように４点を持った共線図ができます。もちろんキャリアの固定を外せば全体が上下に動けます。平面内の直線は２点を与えると１つに決まるので、これも自由度２の機構です。

ここまでは「適当」に決めた歯数で作図していたので、実際のトランスミッションの歯車とは比率が異なっています。

歯車の採寸

そこでトランスミッション断面図の出番です。歯数は公表されていなくても、サンギアとリングギアの半径を読み取れば、共線図の比率が得られます。

このギア部分を拡大して採寸します。リングギアの位置を見極めるにはちょっとしたコツがあります。トランスミッションに使われている歯車は、静かに回転できるよう歯筋を斜めにした「はすば歯車」が使われていますが、この軸方向に断面を切ると、特徴的な波形のパターンが現れます。これを手がかりに採寸していきます。

噛み合った一対のはすば歯車は、前から見たときに歯筋が逆向きに見えます。実際には向かい合った所で同じ向きを向いているので、鏡に映ったように見えるのです。

では、ここからトランスミッション全体の共線図を作ってみましょう。

フロントプラネタリの前後サンギアは半径が異なっています。ダブルピニオン側のサンギアが小さいのは、共通ピニオンと直接噛み合ってはいけないので、隙間が必要だからです。

それぞれの共線図を描いていきます。採寸した半径を横倒しにします。リングギア（R）は共通です。

それぞれをグループ化して比例的に倍率調整し、フロントサンギア（Sf）とリアサンギア（Sr）の横幅を一致させます。

これで比率の正しい共線図になりました。

ミドルプラネタリとリヤプラネタリはどちらも普通の遊星歯車です。リングギアが異なっているので、比率は異なるものになります。

トランスミッションの共線図

ここからは再びスケルトン図を見ながら、共線図を接続していきます。トルクコンバータとロックアップクラッチは除外して、そこから後の変速機の部分だけを考えます。

共線図の要素を水平に接続する「軸」は、共線図が水平（つまり等速）になったとき、覆い隠されて見えなくなるのを防ぐため、飛び越して接続するように描いていますが、肝心なのはその端点にある丸です。

スケルトン図から、この変速機には４つの軸があることが分かります。

第１の軸（黄）はトルクコンバータからの入力軸で、フロントプラネタリのキャリアと、リヤプラネタリのキャリアに接続されます。

第２の軸（緑）は、ミドルプラネタリとリヤプラネタリのサンギアを結んでいて、クラッチC1がフロントプラネタリのリングギア、C2がフロントプラネタリのリアサンギアに繋がります。

第３の軸（青）は、ミドルプラネタリのリングギアからクラッチC3を結び、これがフロントプラネタリのリングギアに繋がります。

これら３つの軸（黄、緑、青）は三重の軸を構成していることが、スケルトン図から読み取れます。

第４の軸（紫）は出力軸で、ミドルプラネタリのキャリアに接続され、クラッチC4を介してリヤプラネタリのリングギアに繋がります。

ブレーキB1はフロントプラネタリのフロントサンギアを静止系に繋ぎ、ブレーキB2はミドルプラネタリのリングギアを静止系に繋ぎます。

断面写真から、これらの軸がどこに隠れているかを探すと、下の図のようになっています。断面では線に見えますが、実際にはすべて中空円筒形の部品です。（切断面が黄色で塗られているので、第一の軸はオレンジ色に表示してあります。）

ひとつ気付くのは、コアの部分にボールベアリングが無いことです（出力端だけはボールベアリングが入っています）。クラッチやブレーキは油圧シリンダーで動くのですが、軸にはいくつもの穴が開いていて、回転するクラッチに油圧を供給する複雑な通路が形作られています。これらの回転軸はその油圧で浮上する「静圧軸受」によって支えられています。

それでは、クラッチとブレーキによって各段のギヤ比が生成される仕組みを読み解いていきましょう。

各変速段の動作

ここからは、クラッチ表をみながら各段の共線図を作っていきます。

各段のクラッチ・ブレーキの変化を見てみると、前後の段で必ず２つは共通で、１つだけを掴み変えるという順序になっています。変速時に油圧の複雑な連携制御を必要としない、優れた設計になっています。

またここから、停車中のニュートラルは、C2とB2だけを掴んだ状態だということが推察できます。

エンジンから（正確にはトルクコンバータから）の入力回転速度が一定として共線図を描いていきます。共線図の縦軸は各要素の回転速度を表します。上にあるほど高速で回転し、ゼロ（横軸）より下にあれば逆転します。

２点にしか接続がない遊星歯車は、１自由度に拘束されていますが無負荷の空転です。これをグレーで表しています。

後退

C2とC3を掴むことでフロントとミドルのプラネタリが一体化します。B2が接地することでフロントプラネタリのRは静止し、Srは逆転します。出力軸であるミドルのCはフロントのRとSrの間を分割したものになります。リヤプラネタリは動作に関与せず空転します。

ニュートラル

後退と１速の中間状態として、C2とB2だけを掴んでいます。ここからC3で後退に、C1で１速にシフトできます。

１速

C1とC2を共に掴つかむことでフロントプラネタリは全体が入力と等速、つまり水平に固定されます。これがミドルのSに伝わり、B2が接地しているので、出力はこれを分割したものになります。リヤプラネタリは空転です。

２速

B1とC1を掴むことで、ミドルのSには入力が増速されて伝わります。B2が接地しているので出力はこれを分割したものになります。

３速

C1の代わりにC2を掴むことで、ミドルのSへの増速がさらに強まります。B2が接地しているので出力はこれを分割したものになります。

４速

C4を掴むことで、ミドルとリヤの両プラネタリが２点で結合されて一体化します。これをミドルプラネタリ上に現れた仮想の入力点として表すことができます。B2が接地しているので、出力はこの仮想点とゼロの間を分割したものになります。フロントプラネタリは空転しているので、B1は出力には影響しませんが、自由にさせておくと隣の段に変速するとき暴れてしまうので、過剰な自由度を無くすために接地されています。

５速

ここでB2を解放してC2を掴むと、リヤプラネタリは入力軸とC2の間で拘束され、その延長であるリヤのRがC4を介して出力されます。

６速

ここでC2をC1に掴み変えると、リヤプラネタリのCを中心にして傾斜が寝るので、そのぶん出力速度が上がります。

７速

これは直結段なので、唯一どちらのブレーキも解放されています。C1とC3を共に掴むことで、ミドルプラネタリが水平に固定されます。C4によってミドルとリヤのプラネタリは一体化していたので、入力と等速になります。するとフロントプラネタリも入力と等速になります。

８速

この段が最も複雑な動きをします。ミドルとリヤはC4で一体化していますが、６速とはC1とC3が入れ替わっているので、入力軸（黄）を中心に上下反転します。すると６速では空転だったミドルプラネタリが動力伝達に加わります。

９速

ここでC4を放してミドルとリヤの結合を解き、C1とC3を掴むことでミドルを水平にします。出力はフロントのRと同じになります。リヤプラネタリは空転になります。

１０速

C1を放してC2を掴むことで、ミドルプラネタリは逆に傾き、フロントのRとSrの間を分割したものが出力されます。これは後退ギアを上下逆さにした形になっています。基準がB2からB1に変わっています。

アニメーション

それでは、一連の変速段をアニメーションで見てみましょう。踊る共線図をご覧ください。

精度の検証

断面図の採寸から作った共線図が、実際どれほどの精度を持つのかを、クラッチ表に書かれているギヤ比から検証してみます。作図に現れた、入力速度が一定での出力速度は、ギヤ比の逆数なので、これをExcelでグラフ化し、作図結果と並べてみましょう。

アナログな作図で求めた割には、なかなか良い感じです。精度は5%といったところではないでしょうか。

まとめ

遊星歯車は自由度２の機構です。それを３組持っているので、自由度は６あるところ、フロントCとリアCが結合されていること、ミドルSとリアSが結合されていることによって自由度は４に減ります。基準点としてブレーキを１つ使い、クラッチとブレーキをさらに２つ使うと全体の自由度は３つ減って１になり、ギヤ比が確定します。機構学的に自由度という観点からきれいに説明がつくメカニズムになっています。

遊星歯車はリングギアの中にピニオンとサンギアを収めるため、好き勝手な歯数を選ぶことができません。限られた選択肢の中から遊星歯車を組み合わせて、変速機として望ましいギヤ比の組合せを見出すのは、ある意味で天からの贈り物なのです。天賦の才能ギフトを持った天才にしかできない技です。ラビニヨとかルペルティエといった、フランス人の名前が付いた定石があるのも、このロマンをかき立てます。機構そのものの他にも、油圧シリンダを配置し、損失を減らし、強度的にも無理のない構成とするために、開発者・設計者の皆さんの並々ならぬ努力が注ぎ込まれています。

遊星歯車はトヨタ・ハイブリッド・システム（THS）の核心である動力分割機構にも使われていて、しばしば「複雑怪奇」と形容されますが、複雑な遊星歯車機構とは、この10速ATのようなもののことを言うのです。これに比べたらTHSの機構は「極めてシンプル」ですが、電気系と組み合わせることによって変幻自在な動作を可能にしています。詳しくはこちらの記事で解説していますので、あわせてご覧いただけると嬉しいです。