لماذا يزداد عدد نسب التروس باستمرار؟

كلما زاد عدد السرعات الممتد على نطاق واسع، زاد عزم الدوران وخفض استهلاك الوقود من خلال إبقاء المحرك في نطاق دوراته الأكثر كفاءة.
كلما زاد عدد السرعات الممتد على نطاق واسع، زاد عزم الدوران وخفض استهلاك الوقود من خلال إبقاء المحرك في نطاق دوراته الأكثر كفاءة.

شارك هذه الصفحة

يزداد عدد التروس للحفاظ على تشغيل المحرك ضمن النطاق الضيق لسرعات الدوران التي ينتج عندها قوته وعزمه بأقصى كفاءة: النسب الأقصر نحو الترس الأول تضاعف العزم عند الانطلاق، بينما النسب الأطول نحو التروس العليا تخفض سرعة دوران المحرك واستهلاك الوقود عند سرعات الطرق السريعة. في التسعينيات، كانت السيارات النموذجية تحتوي على 3-5 سرعات أمامية، بينما في سنتي الموديل الأخيرين وصل هذا العدد إلى 6 على الأقل، وإلى 10 في بعض الطرازات.

أبرز النقاط

  • ناقل ZF الأوتوماتيكي ذو 8 تروس يقدم اقتصاد وقود أفضل بنسبة 21-24% مقارنة بالناقل الأوتوماتيكي ذي 3 تروس.
  • في Ford F-150 لموديل 2017، أدى الانتقال من 6 تروس إلى 10 تروس إلى تقليص زمن التسارع من 0 إلى 60 ميلاً في الساعة بمقدار 0.2 ثانية.
  • اعتباراً من عام الموديل 2016، تجاوزت الناقلات الأوتوماتيكية الناقلات اليدوية في كفاءة استهلاك الوقود.
  • يعترف مهندسو Ford و GM بأن 10 تروس أمامية هي الحد الأقصى المفيد.

لماذا يزداد عدد التروس؟ نطاق دوران المحرك الفعال

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

تخيل خريطة تشغيل محرك الاحتراق الداخلي. سواء كان محركاً بنزينياً أو ديزلاً، يمتلك المحرك نطاقاً نسبياً ضيقاً من سرعات الدوران (RPM) يولّد فيه أقصى قوة وعزم مع استهلاك أقل وقود. مهمة ناقل الحركة هي بالضبط هذا: إبقاء سرعة الدوران المرسلة إلى العجلة ضمن هذه المنطقة المثالية للمحرك. مع ازدياد عدد التروس، يعمل المحرك ضمن هذا النطاق الأمثل بتكرار أكبر؛ فكل ترس يقدم نسبة أكثر ضبطاً بدقة للحفاظ على سرعة دوران المحرك.

أما في المركبة ذات التروس القليلة، فيضطر المحرك إلى الاقتصار على الترس الأقرب إلى السرعة الحالية. والنتيجة هي العمل بسرعات دوران أعلى من المطلوب. سرعة الدوران العالية تعني وقوداً أكبر في وحدة الزمن، كما أنها ترهق المحرك أكثر. إذا وضعنا سلسلة منطقية بسيطة: مزيد من الدوران يعني تشغيلاً أكبر للمحرك، ومزيداً من الوقود، ومزيداً من الإجهاد والتآكل. انقلاب هذا التسلسل هو القوة الدافعة الأساسية لسباق ناقلات الحركة.

أدوار التروس المنخفضة تختلف تماماً عن أدوار التروس العليا. الترس الأول ذو النسبة القصيرة يضاعف العزم عند العجلة، ما يجعل الانطلاق وتسلق المنحدرات ممكنين. وتروس الـ overdrive ذات النسب الطويلة تخفض سرعة دوران المحرك عند سرعات الطرق السريعة، فتقلل الاستهلاك وتخفض الضوضاء المسموعة داخل المقصورة. المشكلة هي: كلما ضغطت نسباً وسيطة أكثر بين هذين الطرفين، انخفضت سرعة دوران المحرك بدرجة أقل وبقي أكثر كفاءة.

انتشار النسب: المنطق الهندسي لناقل الحركة ذي 10 تروس أمامية

عندما يزداد عدد التروس، لا تتكاثر الخطوات الوسيطة فحسب؛ بل إن إجمالي نطاق النسب، أي ratio spread، يمكن أن يتسع أيضاً. في ناقلات 10 تروس الحديثة، يمتلك الترس الأول نسبة أقصر بكثير من قبل لانطلاقة عنيفة، بينما الترس الأعلى أطول بكثير من سابقه للقيادة الاقتصادية منخفضة الدوران. وتظل الخطوات الفاصلة بينها صغيرة. نسبة رقمية عالية عند الانطلاق، وترس علوي طويل أثناء القيادة: طلب الأداء والكفاءة معاً من الناقل ذاته لم يعد تناقضاً، بل أصبح هدفاً تصميمياً.

وللتخطوات الأقصر فائدة ثانية: تقل الاضطرابات في عمليات تغيير التروس. عندما ينخفض عدد لفات المحرك كثيرًا بين transfer between two gears تُحسَّن عملية النقل، وينقطع التسارع. كلما ضاقت فجوة نسب النقل، أصبح هذا الانتقال أنعم وأسرع؛ حيث تستطيع ناقلات الحركة الأوتوماتيكية الحديثة ذات 8-10 سرعات القفز أربع أو خمس سرعات في وقت واحد بفضل تبديل القابض السريع وبرامج التحكم الذكية. على سبيل المثال، تحتوي أجهزة الكمبيوتر المتحكمة في ناقل الحركة ذي 10 سرعات الذي طوّرته Ford وGM بالتعاون على أكثر من مليون سطر من الأكواد، أي أكثر من ضعف ما في ناقل الـ6 سرعات السابق، ويمكنها إجراء تخفيضات فورية بناءً على حركة دواسة الوقود.

ما الذي تغيّر بالأرقام؟

الأمثلة الملموسة تجعل تأثير عدد السرعات قابلاً للقياس. حققت طراز Ford F-150 لعام 2017 بناقل الحركة ذي 10 سرعات اقتصاد وقود أفضل بمقدار ميل لكل غالون واحد في المدينة وعلى الطريق السريع، وبمقدار ميلين لكل غالون في النسخة 4x4، مقارنة بنسخة العام السابق ذات ناقل الـ6 سرعات؛ وانخفض زمن التسارع من 0-60 mph بمقدار 0.2 ثانية. وفي نسخ الشاحنات من الطراز نفسه لعام 2017، وصلت القدرة إلى 375 hp وعزم الدوران إلى 470 lb-ft مع قدرة سحب تبلغ 12.200 pound. وهناك صورة مماثلة في جانب السيدانات أيضًا: فانتقال Chevrolet Malibu لعام 2017 من 8 سرعات إلى 9 سرعات زاد كفاءة الوقود بنحو %3.

وتُظهر البيانات التي شاركتها ZF عام 2012 مدى الدراماتيكية التي يمكن أن تبلغها العلاقة بين عدد السرعات والاستهلاك: فناقل الـ8 سرعات الأوتوماتيكي يَعِد بتحسين بنسبة %21-24 مقارنة بالناقل الأوتوماتيكي ذي 3 سرعات؛ في حين أن التوفير يبلغ نحو %11 مقارنة بـ6 سرعات، و%14 مقارنة بـ5 سرعات. وفي المقابل، تستهدف ناقلة ZF ذات الـ9 سرعات تحسنًا يصل إلى %16 مقارنة بذاك الـ6 سرعات. والقيم الواردة في الأوراق الفنية لناقل ZF 8HP تسير في الاتجاه نفسه: استهلاك أقل بنسبة %12 مقارنة بناقل الـ6 سرعات 6HP، وبنسبة %14 مقارنة بذاك الـ5 سرعات. من منظور مهندس، هذه الأرقام ليست مصادفة، بل هي رياضيات مباشرة لخطوات النسب.

ناقل الحركة المقارنة تحسين اقتصاد الوقود
ZF ذات 8 سرعات مقابل 3 سرعات %21-24
ZF ذات 8 سرعات مقابل 5 سرعات %14
ZF ذات 8 سرعات مقابل 6 سرعات %11
ZF ذات 9 سرعات مقابل 6 سرعات حتى %16
GM ذات 9 سرعات مقابل الـ8 سرعات السابقة (Malibu) %3

ثمن تعدد السرعات: التعقيد والوزن والتكلفة

كل سرعة إضافية تعني عناصر قابض إضافية، ومكونات جسم صمامات أكثر تعقيدًا، وسيطرة حاسوبية أكبر. والزيادة في الأجزاء المتحركة تعني حتميًا إمكانية أكبر للمشاكل الميكانيكية ووحدة ناقل حركة أغلى ثمنًا. واستثمرت GM مبلغ 323 مليون دولار في مصنع ناقلات الحركة متعددة السرعات في رومولوس بولاية ميشيغان؛ وهذا الرقم مقياس لمدى الاستثمار الصناعي الجسيم الذي تتطلبه ناقلات الحركة الأوتوماتيكية متعددة السرعات.

والوزن أيضًا في صلب النقاش. وهنا وجهة نظر نقدية: الوزن عدو الأداء؛ يجب على المصنّعين بدلاً من إضافة مزيد من التروس أن يبحثوا عن طرق لتخفيف وزن السيارات. هذه الانتقادات ليست بلا مبرر، لأن كل مكسب يُشترى ثمنه بتعقيد ميكانيكي. ومن ناحية أخرى، فإن تناقص العائد أمر لا مفر منه: فبينما لا يزال من الممكن رؤية فائدة في ناقلات الـ8 والـ9 سرعات، فإن تجاوزها إلى 11-12 سرعة يُدخل تناقص العائد الذي يؤدي إلى مشاكل في البنية. ترى فرق هندسة Ford وGM أن نسبة 10 سرعات هي النقطة المثلى في منحنى هذه الفائدة.

وهناك أيضاً مسألة الاستمرارية. ناقل الحركة ذو الـ 10 سرعات ليس الحل الأمثل لكل مركبة؛ يُعتقد أن الناقلات ذات الـ 6 سرعات ستستمر في التواجد لفترة طويلة بحسب الأسواق الإقليمية. من جهته، تحسب GM أنها تستطيع بتقديم ناقل الحركة ذي الـ 9 سرعات المخصص للطرازات ذات الدفع الأمامي تلبية سوق النسب العالية الفاخرة معاً، وتؤكد أن كلا الناقلين صُمما كوحدات محكمة مدى الحياة لا تحتاج إلى صيانة.

‏8 سرعات أم 10 سرعات؟ الحل البديل لانتشار النسب

ناقل الحركة ذو الـ 10 سرعات ليس المنظور الوحيد في المنافسة. تدفع مدرسة ZF إلى اعتماد ناقل حركة ذي 8 سرعات يتمتع بانتشار نسب أوسع بدلاً من الخطوات الضيقة، ويحظى ناقل 8HP بقبول واسع بوصفه وحدة سريعة ومتطورة بما يكفي لخدمة السيارات الرياضية والسيدانات الفاخرة معاً. تؤكد المقارنة العملية ذلك: في المقارنة التي أُجريت على طراز 2020 Chevrolet Silverado Z71 بين النسخ ذات ناقل 8 سرعات وناقل 10 سرعات، لم يُوجد لذا الـ 10 سرعات ميزة واضحة على الـ 8 سرعات؛ فانتشار النسب الواسع لدى ZF كان يؤدي عمله.

والدرس المستخلص من ذلك هو أن الأهم ليس في عدد السرعات بحد ذاته بل في انتشار النسب وضيق الخطوات. تبرز نسبة الـ 10 سرعات كخيار قوي خصوصاً في سيناريوهات السحب وحمل الأحمال الثقيلة؛ أما للمركبات الخفيفة والاستخدام اليومي، فإن نسب الـ 6 إلى 8 سرعات مضبوطة جيداً تكفي غالباً. معادلة "كلما زادت السرعات كان أفضل" نادراً ما تصح في عالم الهندسة.

‏CVT وDCT: بدائل عدد السرعات

الناقلات الأوتوماتيكية متعددة السرعات ليست الطريق الوحيد. فناقل CVT، بنظام الحزام والبكرتين، يقدم عدداً لا نهائياً من النسب مما يحافظ على المحرك في نقطة كفاءته المثلى دون الحاجة إلى تغيير السرعات نهائياً؛ ويوفر في معظم الحالات اقتصاداً وقودياً أفضل من الأوتوماتيك العادي. وفي المقابل، فإن شخصية القيادة التي يمنحها هيكل الحزام والبكرتين لا تعجب الجميع، وتطرح مسألة المتانة في التطبيقات ذات العزم العالي. أما الناقلات ذات القابض المزدوج (DCT) فتقدم طريقاً صالحاً ليس فقط للمركبات موجهة الأداء، بل أيضاً للطرازات التي تسعى إلى الموازنة بين السرعة والكفاءة.

ونقطة تحول مثيرة للاهتمام هي التفوق التاريخي للناقلات الأوتوماتيكية على الناقلات اليدوية: فبدءاً من سنة الطراز 2016، تفوقت الناقلات الأوتوماتيكية على اليدوية في كفاءة الوقود أو ساوتها على الأقل. حيث كان افتراض "اليدوية تحرق وقوداً أقل" سارياً في كل الفئات تقريباً حتى قبل عشر سنوات، لكن النسب الضيقة للأوتوماتيكية متعددة السرعات قلبت هذه المعادلة. لم يكن الهدف الحقيقي من سباق السرعات هو الأداء بل كفاءة الوقود؛ ومن الواضح أن معايير الاقتصاد الوقودي المتوسط للشركات في الولايات المتحدة (CAFE) كانت القوة الدافعة وراء هذا الاتجاه. أما تحسّن الأداء فقد جاء كمنتج ثانوي للسرعة الأولى القصيرة والانتقالات السريعة.

لماذا لا تعتني السيارات الكهربائية بعدد السرعات؟

تتمتع المحركات الكهربائية بخاصية تجعل هذه المناقشة برمتها بلا معنى: فهي تنتج عزماً شبه مستمر من الصفر وصولاً إلى أقصى عدد دورات. لا حاجة للبحث عن نطاق دوران محدد ضيق يُسمى "نطاق الكفاءة"؛ فالمحرك يُظهر نفس التميّز تقريباً في جميع الأوقات. ولهذا السبب تكتفي السيارات الكهربائية بناقل حركة أحادي السرعة. زيادة عدد التروس كانت حلاً لمجال الكفاءة الضيق لمحرك الاحتراق الداخلي؛ فعندما زال المجال الضيق، زالت الحاجة إلى مضاعفة النسب. ومقارنة الرافعة توضيحية أيضاً: في الدراجات الهوائية ذات الدواسات تُنتج قوة الإنسان ضمن نطاق قوة ضيق جداً، ولذلك يلزم 18 ترساً أو أكثر؛ وفي الشاحنات قد يوجد 18 ترساً أمامياً بسبب الأحمال الثقيلة. عدد التروس يسدّ الفجوة بين طبيعة المحرك ومهمة السيارة.

كم ترساً يكفي؟ نسبة تناقص العوائد الصحيحة

فما هو العدد الأمثل إذن؟ لا توجد إجابة واضحة وقابلة للقياس، لكن الحدود معروفة. في السيارات الخفيفة ضعيفة القوة قد يظل ناقل بخمس تروس أمامية كافياً، من حيث تكلفة الإنتاج ومن حيث إمكانات أداء السيارة. أما للشاحنات الثقيلة فمنطقي أن يكون 18 ترساً أمامياً، لأن الفارق في احتياج النسب بين الحالتين المحمّلة والفارغة هائل. وفي سيارات الركوب تغطي 6-8 تروس أمامية معظم السيناريوهات؛ أما 10 تروس فتكسب معناها في السيارات ذات المحركات الكبيرة التي تستهدف سحب الأحمال الكاملة والتسارع السريع واستهلاك منخفض في السفر المستقر في آن واحد. وعلى جانب المصنّعين ترى Ford وGM أن 10 تروس هي النقطة المثلى، بينما يرى الرأي المعارض أن عبء الوزن والتعقيد الذي يجلبه كثرة التروس أمر غير ضروري. كلا الطرفين محق جزئياً: فالإجابة الصحيحة تعتمد على مهمة السيارة، ويجب أن يُعوّض كل ترس إضافي تكلفته بالوفورات في اقتصاد الوقود. وإلا تحوّل عدد التروس إلى ميزة تبدو جميلة على الورق لكنها تكلّف كثيراً على الطريق.

المصادر