MotoGPマシンに採用されているシームレストランスミッションとは?

こんにちは!MOTO-ACE-BLOGERの@Andyです。

現在のトップチームのMotoGPマシンは、全てのメーカーでシームレストランスミッションを搭載しています。 きっとレース好き、MotoGPファンなら一度は耳にした事のある単語だと思います。

でも実際どんな構造なの? どんな仕組みで動くの? 何がメリットで全トップチームで採用してるの?  と言う部分はブラックボックス化されて中々表に出てくる事がほとんどありません。

そんな中、F1系のシームレスミッションは中身が公開されています。  その情報を基に現代のMotoGPマシンのシームレストランスミッションについて解説します。

 

1. トランスミッッションが必要な理由

なぜバイクにはトランスミッションが必要なのか? それは「エンジン回転数を車体速度に最適な条件に合わせる為」です。

自転車を想像すると分かりやすいと思います。  信号待ちの状態から、青に変わり母ちゃんが自転車のペダルを漕ぎ始めます。 (ギヤは3段付)

発進(始め)はマガママボディの母ちゃんは重たいですから、一番軽く漕げるギヤを選びますよね。

次に歩くスピード以上の速度が出たら真ん中のギヤへシフトします。 するとペダルを回転させる速度が少し遅くなって楽になりますよね。

そしてもっとスピードが乗ってきたら、一番高いギヤへシフトします。 するとペダルを回転させる速度は更にゆっくりになって、シャーーっと商店街を颯爽(さっそう)と走ることができます。

次にまた信号が赤で停止しました。 ギヤを変えずに発進しようとすると、ペダルがとても重たいですよね。 なのでペダルを軽く漕ぐ為に、回転スピードを速めると楽に発進できます。

 

バイクに例えると、”オバちゃん”に相当するのがエンジン。  3段ギヤがトランスミッションになります。

良くある勘違いとして、「ギヤを変えてエンジントルクを変える」と言う方がいらっしゃいますが、それは間違いです。 ギヤを変えても”オバちゃん”が本来持っている力(パワー)は変わりませんよね?  もしパワーをあげるなら、オバちゃん→ウサインボルトにライダーチェンジすれば変わりますw

バイクのエンジンも同じです。 トランスミッションが何速に入っていようが、エンジンの発生トルクはは回転数によって決まっています。(Th開度は一定とする)   その回転数の中で最も効率の良い回転数をずっとキープし続ける為にトランスミッションがあると言って過言ではありません。

 

2. シームレストランスミッションのメリットは2つ!!

MotoGPマシンのほぼ全てが採用するからには、やはり明確なメリットがあります。 先ずは、シームレスって何が良いのさ!? を知ると更に面白くなると思います(╹◡╹)

シームレスのメリット1. 変速ロスタイムが無い!!

今までシフト操作の為に必要だった空走時間をゼロにできる事がシームレスミッションを採用する大きなメリットです。

クラッチ操作でシフトチェンジする場合

一般的なバイクがギヤを変速する時、クラッチを握って駆動力を断つ事が必要です。 駆動力を絶った状態でシフトペダルを操作→完了後クラッチを繋ぐ。 こんな動作を行なっています。

 

クイックシフターでシフトチェンジする場合

最近のSSリッターバイクにはクイックシフター(QS)と呼ばれる機能が装備されてきました。 シフトアップ操作をする→センサーが感知→ECUに出力信号を送る→ ECUが信号を受取り点火カットの命令を出力→ プラグへの点火が一定期間止まる→ 駆動力を絶った状態になる→ シフト操作完了→ 一定期間過ぎ点火が再び始まる。

クラッチを使わずに電気信号だけのやり取りで駆動力の無い状態を作り出せるので短い時間でシフトチェンジが完了します。

 

シームレストランスミッションの場合

シフトアップ操作する→ シフト操作完了する。 これだけなんです!!

 

まとめるとこのようになります。

シフトUP
完了プロセス
シームレスクイックシフター一般的なバイク
シフトペダルを操作シフトペダルを操作クラッチを切る

シフト完了点火カットが入る
*駆動力0になる
シフトペダルを操作

シフト完了クラッチを繋ぐ
空走時間0秒(無し)約0.05秒の空走時間約0.7〜1.0秒の空走時間

鈴鹿サーキットで例えると、Andyが鈴鹿サーキットを走った場合1周で13回のシフトUP操作をします。
8耐の場合、1スティントで26周走りますから13×26=338回のシフトUP操作を行います。空走(加速できない)時間が0.05秒×338回=16.9秒

つまり1時間走る中で、バイクを加速させる時間の内、16.9秒間は加速に使う事ができません。

シームレスミッション機構を搭載した場合、この16.9秒間を加速させる時間として使う事ができます。

 

シームレスのメリット2. 省スペース化が可能

実はあまり知られていないメリットなのですが、シームレスミッションはとてもコンパクトにできているんです。MotoGPマシンに多く採用されているV4エンジンのメリットとデメリットでも書いたように、V4エンジンはエンジン容積が大きくなりがちです。

しかしシームレストランスミッションを採用する事でミッションケースを小さくする事ができ省スペース化する事が可能になるのです。

レーサーマシンはホイールベースは変えずに、スイングアーム長を伸ばし、アンチスクワットレシオの変化率を小さくする事がトラクション性能に対し良いとされていますから、ミッションケースのコンパクト化は車体性能向上にも大きく寄与します。

スタンダードミッション
バイク用トランスミッション
シームレストランスミッション
transmission-10

 

一般的なトランスミッションは、シフトフォークがシフトギヤを左右にスライドする構造になっています。ギヤの”ダボ”と呼ばれる部分が噛み合う事で動力伝達を行います。 ギヤの動力伝達経路を切り替える為には必須の構造なのでギヤボックスの幅はエンジンの発生トルクによって自ずと強度が決まり、最高速で径(歯数)が決まります。

なので1000CCのSS車で○○馬力! 最高速は300km! が決まり、車重が決まれば自ずとミッションケース容量も似たような数値になってきます。

もちろん高強度材料をギヤに使用すれば幅を小さくしてコンパクト化する事ができます。 しかし販売価格は10万円以上UPしてしまうので、機種コンセプトと価格と照らし合わせながら最適なところをエンジニアが日々探っています。

バイク用トランスミッション↑上記写真は一般的なトランスミッション。 自ずとギヤの幅が決まり、ミッションケースをコンパクト化しづらい。

 

3. シームレストランスミッションの構造と仕組み

シームレストランスミッションの構造の概略は、実はとても簡単なんです。  工具を使う方なら「ラチェットレンチ」を知っていますよね!?

そう、シームレストランスミッションはラチェットレンチの構造その物と言っても過言ではありません。

 

構造1. 基本はラチェットレンチと同じ(ような)構造

ラチェットレンチギヤの仕組み

基本的な動作原理はこの図の通り、何も難しくありません。 ラチェットレンチはワンウェイクラッチになっていますよね!?  締め付ける方向にはしっかりとロックがかかり、緩める方向にはギヤが空転して「カチカチ」と音がします。

ラチェットレンチのヘッドにある切替レバーを操作すると、ロックされる回転方向が逆になり、緩める方向にロックし、締付ける方向にはギヤが空転してやはり「カチカチ」と音がします。

通常、工具のラチェットレンチは外周のギヤを使ってワンウェイ構造を成り立たせています。 シームレストランスミッションの場合は、内周面を使います。こんなイメージ↓

シームレストランスミッションの概略

工具のラチェットレンチに装備されている”ツメ”を、ギヤの内周に設けたタイプです。 シャフトとギヤはそれぞれ回転方向によってロックし一体となって回転する方向と、ツメが効かず空転する方向とあるのがご理解頂けるでしょうか。

難しいようで実はそんなに難しくない仕組みって事をとりあえず理解してもらえればOKです!

構造2. シームレストランスミッションは常に2重噛み合い!!

エンジンの構造を知っている方なら、ミッションが2重噛み合いを起こさない構造になっている事を知っていると思います。 万が一、ギヤが二重噛み合いを起こしたらトランスミッション全部が粉々に砕けてホイールロックと言う恐ろしい結末が待っています。

なので一般的なバイクは2重噛み合いを起こしません。  ところがシームレスは違います。 ギヤをシフトする時は常に2重噛み合いするんです。  どう言う事!?

 


 

例えば2nd→3rdギヤへシフトアップしたとします。 すると2nd&3rdギヤの二つが2重噛み合い状態になります。しかし、3rdギヤへ入れた方がシャフトの回転数は高くなります。(ギヤが高い方がスピードが出る=回転数が速い)

つまり、3rdギヤへ入れた瞬間、2ndギヤは空転してしまう事になります。

 


 

同じように3rd→4thギヤへシフトアップしたとします。 やはり3rd&4thギヤの二つが二重噛み合い状態になります。しかし4thギヤへ入れた方が回転数が高くなりますよね。

結果、3rdギヤはツメが空転してしまい、動力伝達を行う事はできません。

 


 

そう、シフトアップした瞬間に低いギヤのツメが空転し動力伝達できない事から、事実上変速に必要な空走距離が不要になるのです。 この事こそ、シームレス化する最大のメリットと言えます。

 

構造3. シームレストランスミッションのギヤ内部のツメ構造

transmission-11

上記写真はHonda第3期F1マシンにて開発されたシームレストランスミッションです。  MotoGPマシンでも基本的な考え方は同じです。

シャフトにはギヤの段数分だけツメがあります。 シフトアップするには、駆動ギヤのツメを出すと自動的に駆動力がかかり、今まで使用していたギヤはツメが空回りする事で動力伝達が絶たれます。

駆動用のツメは各ギヤに2個づつ装備されています。 シフトアップ信号が送られる→ツメが立つと行った具合に作動します。

MotoGPマシンシームレストランスミッション

簡単な作動原理
  • ボール・・・ツメを起こしたり寝かしたりさせる。
  • シフトドラム・・・ボールの位置をコントロール
  • ストラット(ツメ)・・・起きた場合、シャフト外周→ツメ→ギヤ内周へと動力を伝達する。

F1マシンの場合は、シフトアップ信号をもらって、実際に作動させるのは電気や油圧を使います。  MotoGPマシンの場合は電気および油圧を用いたシフト操作はレギュレーションで禁止されています。この部分が少しF1とは異なりますが、基本的に同じです。

MotoGPマシンシームレストランスミッション

 

現在では、F1はもちろんMotoGPマシンの全てがシームレスミッションを採用しています。 またその内部構造は各メーカートップシークレットなので最新機構がどうなっているのか!?

は中々情報として降りてきません。  今回ブログで紹介している写真などは2009年HodaがF1から撤退する直前の技術でレース界ではもう”昔の技術”の部類です。

また最新情報をGETしたら紹介したいと思います。

 

4. シームレスミッションは市販化されるのか?

今から5年以内は無いと予想します。

その理由はズバリコスト!  コストアップ分をバイクの販売価格に転嫁する事ができれば今でも市販可能です。 しかし仮にCBR1000RRにシームレストランスミッションをオプションで装備した場合、価格は安く見積もって+1000万円です。

シームレス欲しさに+1000万円出しても良いよ!!(╹◡╹)  ってユーザーの声が高まればHondaも出す事でしょうw やはり現実としてコストをどうクリアするか?  が大きな課題です。

 

シームレスはなぜ製造コストが高いのか?

それはズバリ精密さと強度を両立させる事にあります。

強大なエンジン発生トルクを小さなツメで受けなければなりません。 しかもツメが収まっているシャフトはボール、スプリング、ツメ、シフト機構など実に様々な臓物を搭載し複雑怪奇な形状をしています。

形状が複雑になるほと、応力集中箇所が増えるので、高強度材料でなければなりません。 高強度材料になればなるほど、硬くて狙った加工が難しくなります。

マシニング加工、旋盤加工、型彫放電加工などお高い工作機械と製法を駆使してやっと1本のシャフトを完成させます。

なので量産製法で作る事ができず全て一品料理で作り上げる必要があり、コスト高へ繋がってしまいます。

先日DUCATIが量産車向けシームレスの特許取得!?  との噂も流れていたので、DUCATIあたりはもう少しコストを抑えて市販化してくるかも知れませんね(╹◡╹)

 

5. MotoGPマシンシームレストランスミッションまとめ

MotoGPマシンに置けるシームレストランスミッションを採用するメリットは2つ!

  1. シフトアップに伴う空走時間を”ゼロ”にできロスが無くなる。
  2. エンジンを省スペース化できレイアウト自由度が上がる。

各チーム、このメリットを最大限に活かすマシンを日々開発している事は間違いありません。  ニューマチックバルブ(空気バルブスプリング)は更に技術的に市販車への展開は難しいですから、シームレストランスミッションは早く市販化して欲しいですよね〜。

コンパクトでは無くなるけど、ドッグリングを用いた使用なら省スペース化は不可能でもシームレスにする事は比較的安く(と言ってもSTDより高いけど)できるんじゃ無いかな〜。。

でもあと30年の間には絶対どこかのメーカーがリリースしてくると確信してます。( Hondaだと良いけど・・( ^∀^))

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--コメント--
  1. テイラースイフチン より:

    いえいえいえ、知識なんかないですよ笑
    疑問が浮かぶとどうしてもそのままにしておけない性格なんで
    シコシコあっちこっち覗いたりしてるだけです。

    シームレスミッション関連をいろいろ見てて
    ふっとシームレスって、シフトショックどれくらいあるのかなと思って
    そのへんとこ書いてあるのが無かったんで…

    ていねいなご説明でよーくわかりました。
    レーサーの方の貴重な経験を聞けて十分!!納得しました
    ありがとうございます。

  2. サトル より:

    構造と必要性は理解しました。ちなみにレース、市販を含めてエンジンブレーキはやはり効かないのでしょうか?

    • Andy より:

      サトルさん コメントありがとうございます☆

      レース用バイクのエンジンブレーキはかなり強力で、その理由はパワーを絞り出す為に圧縮比が高い事が一番の理由です。

      エンジンブレーキが強力で、ブレーキの減速Gも強力なのでRrタイヤが簡単にホッピングしてしまうんです。
      そのままだと減速&コーナーエントリーで車体の挙動が乱れるので、安定させる目的でバックトルクリミッターを設けたり
      電子制御でエンジンブレーキを弱めたりします。

      電子制御スロットルになった事で、エンジンブレーキを疑似的に緩和する事が可能になったのでかなりセッティングは楽になりましたが、本来マシンが持っているエンブレ力は超強力ですww

      参考になれば嬉しいです☆

      Andy

  3. SMR より:

    こんにちは。シームレスの機構初めて知りました。この場合ギアが切り替わる時の回転差はどうなるのでしょうか。

    • Andy より:

      SMRさん コメントありがとうございます!!

      回転差は、通常のミッションと全く同じでシフトアップした時のレシオ分だけエンジン回転数は下がります。

      イメージとしてはスターターワンウェイクラッチを想像してもらうと分かり易いかもしれませ。

      セルモーターを回転させて、クランクシャフトを回転させ、エンジンを始動させます。
      エンジン始動後は、エンジンの回転数の方が高い為、ワンウェイクラッチが効きセルを押しても
      空転するだけになります。

      シームレスも同じで、高いギヤのツメを出した瞬間から噛み合い、→噛み合った瞬間から回転数に差が
      生まれ、低いギヤは空転してしまい噛み合う事ができません。

      こんなイメージです。

    • テイラースイフチン より:

      昔、(遊星歯車)ATのスケルトン図見てて、密閉されたドラムの中にクラッチとかがあって
      これってどうやって動作させるの?と不思議だったんですけど、どう考えても軸(シャフト)から
      やるしかないよなと思っていたんですけど…。やはり軸の中に油道があって油圧制御でやってた
      と知った時は、トルコンATって技術的には凄いものなんだなと感心したことがあるんですが…
      やっぱり、MTも横からじゃなくて内側(軸)からやるようになったか、という感じですね。
      かなりコンパクトになりますもんね。 噛み合い型のツーウェイっていう感じなのかな・・・?
      でもやっぱりというか、相当複雑そうですねえ(笑) F1となったら大変だろうなと
       で、聞きたいというか確認したいのが、SMRさんと同じなんですが、回転差の問題なんですね。
      シームレスミッションって高回転のまま次段に入れるわけだから、当然瞬時に回転落とさなきゃ
      いけないですよね。エンジンの出力制御しても、機械的な慣性力を落とすには、やはりどこかで
      すべらせるか、ドカンと瞬間的な衝撃で吸収するかどちらかしかないと思うんですけど
      やっぱりかなりのシフトショックはあるんですよね?

      • Andy より:

        テイラースイフチンさん、コメントありがとうございます!

        かなりの知識をお持ちの方とお見受けいたしました。

        おっしゃる通りで、シフトした瞬間に強制的に回転数が下げられる宿命にあるのがシームレストランスミッションです。

        クランクやコンロッド、ピストンや動弁系などミッションより上流の部品全ての重量が慣性力となってミッションへ襲いかかってきます。
        強大なトルクを生み出すエンジンであるが故に耐久性とは常に隣り合わせな状況です。

        当初の目的は「加速シフト時の駆動力ロス時間を無くす事」が目的でした。  
        なので何も小細工無しにシームレスを入れましたが・・・ ショックが大きすぎてとても乗れたモンじゃありませんでした。

        実際、私もシームレスに乗りましたがショックが大きすぎてとても乗れません‼笑  
        結果としてショックを和らげる制御を新たに追加しています。

        勿論レースですから、制御無しが最も駆動力を効率よく伝達できる事は明白です。
        が、実際にレースではライダーが集中できずタイム低下率が高まる結果となってしまいました。

        ロスとショックの最大公約数を常に探るのが現場のレースエンジニアの使命でもあります。

        なので、滑らせる手法は敢えて選択せず、制御で吸収する手法を選択しています。
        逆にGLなどはツインクラッチの利点を生かして吸収、減衰の2つの手法を用いています。

  4. チャプタン より:

    シームレスミッションはコンパクト化にも貢献してるとは知りませんでした。機構が複雑すぎて逆に大きく、重くなってしまうのかと思ってました。とても勉強になります!

    • Andy より:

      チャプタンさん コメントありがとうございます!!

      HondaF1タイプの他にも、“ドッグリング”を用いた構造もあるのですが、そちらの場合はSTD仕様と
      変わらないような大きさになります。(でも製造コストが安い)

      量産タイプにはこのドッグリング仕様でリリースしてくれないかな〜と思っています( ^∀^)

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