2022年度日本機械学会賞（論文）受賞

無段変速機用チェーンの幾何モデルを用いた動力損失に関する研究

中澤 輝彦，服部 治博，樽谷 一郎，安原 伸二，井上 剛志

日本機械学会論文集, 2019, 85巻, 874号, p .19-00106.
DOI: 10.1299/transjsme.19-00106

はじめに

機械要素の研究において、性能向上を目指してさまざまな仮説をたてて試作品を作成し、性能検証する過程は、いつも“わくわく”する。一方、思いもよらない悪い結果が出た時の落胆は計り知れない。研究開発では日常的でごく当たり前の風景であるかもしれない。本稿では、自動車用無段変速機（以下、CVT）のチェーンに関する研究過程で、この日常的な“落胆”を感じつつ、やり切れない思いを持ちながらも、取り組み続けることで得られた“気付き”から、“わくわく”に繋がった内容をまとめてみた。

きっかけ

研究対象として選定したチェーンタイプのCVT（図1）は部品同士に生じる摩擦が少なく、動力損失は比較的小さいが、振動低減や強度向上の課題がある。当時は振動や強度の性能向上を目指し、さまざまな諸元を変更しながら、CVT試験装置を用いて特性把握をおこなっていた。その一例として、チェーンを構成するピンの、プーリとの接触位置にも着目した。しかし、その接触位置が異なる供試体では、CVT試験装置で計測する動力損失に差が生じ、場合によっては、動力損失が多くなってしまうことが分かってきた。

図1　チェーンタイプのCVT⁽¹⁾

どうして損失が変わるのか？（仮説）

動力損失が多くなってしまっては本末転倒である。遠回りになるかもしれないが、この諸元の変更を検討するためには、まずは、動力損失に差が生じる理由を突き止める必要があった。途方に暮れながらも、一緒に実験をおこなっていた服部氏と「どこで動力損失が発生し、どうして差が生じるのか？」という議論になった。その結果、「プーリから出ていくときに、チェーンを構成するピンの、プーリとの接触位置の違いで、双方の擦れ具合が変わるために動力損失に差が生じるのでは？」という見解に至った。確かに、チェーンがプーリに巻き付いている状態から直線の状態に移行するときには、ピンはプーリに挟まれながら姿勢を変えざるを得ない（図1）。そこで動力損失が生じているはずである。

仮説をモデル化してみる

チェーンがプーリに巻き付いている状態から直線の状態に移行する際に、チェーンを構成するピンはプーリに挟まれながら“姿勢を変える”＝“すべる”ことになる。この距離をすべり距離slip（α）（図1）と定義した。また、チェーンは入力プーリと出力プーリに巻き付いており、チェーンの形状にもよるが、大まかには両プーリの出口および入口において、このすべりが生じている。チェーンの1ユニットが1周する間のすべり距離の合計を、ユニットすべり距離slip_all と定義した。これらのすべり距離はチェーンの、さまざまな諸元によって変化する。よって、これらの値を用いてすべり距離を数式化し、設計段階ですべり距離を検討できるようにモデル化した。例えば、ピンのプーリとの接触点位置を決めるパラメータtと変速比 γ を変化させたときの、ユニットすべり距離slip_allを図2に示す。t を0mm近傍に設定すれば、あらゆる変速比において、ユニットすべり距離slip_allを最小にでき、これらのすべりによる動力損失を少なくできることが予想される。

図2　ピンのプーリとの接触点位置tと変速比γにおけるユニットすべり距離slip_allの変化 ⁽¹⁾

仮説とモデルの実験検証

前述した仮説とモデルを検証するため、今までの実験結果や新たに諸元を変更したものなど、ユニットすべり距離slip_allの異なる16種類のチェーンを用いて検証をおこなった。また、油圧の条件を変更することで、合計30ケースを計測し比較した。動力損失の実測値は1ケースにつき3回計測をおこない、その平均値を用いた。実験値と比較する計算値には、モデルで計算されるユニットすべり距離slip_all、実験値から得られるチェーンの単位時間あたりの周回数とプーリの挟圧力、さらにピンとプーリとの摩擦係数を0.10と仮定して用い、動力損失を算出した。図3（a）に変速比γ=0.5のときの実験値と計算値との相関を示す。横軸は前述で定義したチェーンの動力損失の計算値ε_{loss_cal}、縦軸はCVT試験装置で計測した動力損失の実測値ε_{loss_exp}を示す。赤破線はデータを線形近似した結果を示しており、傾きは概ね1となっていることから相関が高いことが分かった。なお、線形近似の切片については、今回モデル化した以外の、チェーンを含むCVT試験装置のすべりや変形による動力損失の影響があらわれていると考えられる。その他の変速比についても検証をおこなっており、各変速比ともに実測値と計算値の相関が高く、モデルを実験的に検証し、妥当性を確認できた。

また、図3（ｂ）には、前述したパラメータtを変化させた事例として、変速比γにおけるt=0.26mmとt=2.14mmのチェーン（それ以外の諸元は同一）の実測値を青丸、赤三角の記号で示した。このように、パラメータtがチェーンの動力損失に影響することを解析と実験の双方により確認し、パラメータtを0近傍に設定すれば、動力損失を最小にできることを明らかにした。

(a) 損失実測値と計算値（変速比γ=0.5）(b) 損失実測値比較（tの影響）

図3　仮説とモデルの実験検証

おわりに

論文にまとめてしまうと、何やらはじめから動力損失と部品形状の関係に着目していたかのようになってしまうのだが、実際はそうではなく、前記のように紆余曲折を経ながら、成果としてまとめることができた。これもひとえに、実験や解析、およびそれらの結果に対しての議論に終始精力的に携わっていただいた共著者の方々をはじめ、さまざまな形でご指導、ご協力いただいた方々のおかげである。この場で深く謝意を表する。

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参考文献

(1) 中澤輝彦, 服部治博, 樽谷一郎, 安原伸二, 井上剛志, 無段変速機用チェーンの動力損失を最小にするためのピン形状最適化，動力伝達系の最新技術 2019(自動車技術会シンポジウム)，pp.50-54.

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＜正員＞

中澤 輝彦

◎（株）豊田中央研究所 エマージングエナジー研究部門　電動化・モデルベースデザイン研究領域

◎専門：機械工学、機構学、駆動要素の研究など