چرا تعداد دنده‌ها مدام در حال افزایش است؟

تعداد دندهها برای آن افزایش مییابد که موتور را در محدوده دور دقیقی که قدرت و گشتاور را با بیشترین بازدهی تولید میکند نگه دارد: نسبتهای کوتاهشونده به سمت دنده یک، گشتاور را در حرکت اولیه افزایش میدهد، در حالی که نسبتهای بلندشونده به سمت دندههای بالاتر، دور موتور و مصرف سوخت را در سرعت بزرگراه کاهش میدهند. در دهه 1990 خودروهای معمولی 3 تا 5 دنده جلو داشتند، اما در دو سال مدل اخیر این عدد به حداقل 6 و در برخی مدلها به 10 رسیده است.

چرا تعداد دندهها افزایش مییابد؟ محدوده دور بازدهی موتور

نقشه عملکرد یک موتور احتراق داخلی را در نظر بگیرید. موتور، بنزینی یا دیزل، محدوده دور (RPM) نسبتاً محدودی دارد که در آن بیشترین قدرت و گشتاور را تولید میکند و کمترین سوخت را مصرف مینماید. وظیفه گیربکس دقیقاً همین است: نگه داشتن سرعت چرخش رسیده به چرخ در همین ناحیه ایدهآل موتور. با افزایش تعداد دندهها، موتور بیشتر در این محدوده بهینه کار میکند؛ هر دنده نسبتی ظریفتر تنظیمشده برای حفظ دور موتور ارائه میدهد.

در خودرویی با تعداد دنده کم، اما موتور مجبور است به نزدیکترین دنده به سرعت موجود بسنده کند. نتیجه، کارکردن در دورهای بالاتر از آنچه نیاز است، خواهد بود. دور بالا به معنای مصرف سوخت بیشتر در واحد زمان است و موتور را نیز بیشتر خسته میکند. اگر زنجیره منطقی سادهای بسازیم: دور بیشتر یعنی کارکرد بیشتر موتور، سوخت بیشتر، استرس و سایش بیشتر. واژگون کردن این زنجیره، نیروی محرکه اصلی رقابت دندههاست.

نقش دندههای کوتاه با دندههای بالایی کاملاً متفاوت است. دنده یک با نسبت کوتاه، با افزایش گشتاور در چرخ، حرکت اولیه و بالا رفتن از سربالایی را ممکن میسازد. دندههای اورداریو با نسبت بلند نیز در سرعتهای بزرگراه دور موتور را کاهش میدهند و هم مصرف را کم میکنند و هم صدای شنیدهشده در کابین را پایین میآورند. مسئله این است: هرچه نسبتهای میانی بیشتری بین این دو سر فشرده کنید، دور موتور کمتر افت میکند و بازدهی بیشتر حفظ میشود.

گستره نسبتها: منطق مهندسی گیربکس 10 دنده

با افزایش تعداد دندهها تنها مراحل میانی زیاد نمیشوند؛ محدوده کل نسبتها، یعنی ratio spread نیز میتواند گسترش یابد. در گیربکسهای مدرن 10 دنده، دنده یک برای حرکت اولیه قدرتمند نسبتی بسیار کوتاهتر دارد، در حالی که بالاترین دنده برای پیمایش با دور پایین، بسیار بلندتر از گذشته است. مراحل میانی نیز کوچک باقی میمانند. نسبت عددی بالا در حرکت اولیه، دنده بالایی بلند در پیمایش: خواستن هم عملکرد و هم بازدهی از یک گیربکس دیگر یک تناقض نیست، بلکه هدف طراحی است.

فایده دوم مراحل کوتاهشونده این است: اختلال در تعویض دندهها کاهش مییابد. وقتی دور موتور بین یک دنده بیش از حد افت کند، تعویض دنده حس می‌شود و شتاب‌گیری قطع می‌شود. هرچه پله‌های دنده تنگ‌تر شوند، این گذار هم نرم‌تر و هم سریع‌تر می‌شود؛ گیربکس‌های اتوماتیک امروزی 8 تا 10 سرعته با تعویض‌های سریع کلاچ و نرم‌افزار کنترلی هوشمند می‌توانند چهار-پنج دنده را یک‌جا طی کنند. برای مثال، رایانه کنترلی گیربکس 10 سرعته که به‌طور مشترک توسط Ford و GM توسعه یافته، بیش از دو برابر گیربکس 6 سرعته قبلی، بیش از یک میلیون خط کد دارد و می‌تواند بسته به حرکت پدال گاز، افت‌های ناگهانی ایجاد کند.

با اعداد چه چیزی تغییر کرد؟

نمونه‌های ملموس، اثر تعداد دنده‌ها را قابل اندازه‌گیری می‌کنند. مدل 2017 Ford F-150 با گیربکس 10 سرعته در مقایسه با نسخه 6 سرعته سال قبلش، در شهر و بزرگراه هر کدام یک و در نسخه 4x4 دو مایل بر گالن مصرف سوخت بهتری به دست آورد؛ زمان 0-60 mph هم 0.2 ثانیه کوتاه‌تر شد. در نسخه‌های یدک‌کش همان مدل سال، توان 375 اسب بخار و گشتاور 470 پوند-فوت همراه با ظرفیت کشش 12.200 پوند به دست آمد. در سمت سدان‌ها هم تصویر مشابهی وجود دارد: در مدل 2017 Chevrolet Malibu، گذار از 8 سرعته به 9 سرعته، بازده سوخت را حدود %3 افزایش داد.

داده‌هایی که ZF در سال 2012 منتشر کرد، نشان می‌دهد رابطه بین تعداد دنده و مصرف چقدر می‌تواند چشمگیر باشد: اتوماتیک 8 سرعته در مقایسه با اتوماتیک 3 سرعته بهبود %21-24 را وعده می‌دهد؛ نسبت به 6 سرعته صرفه‌جویی حدود 11% و نسبت به 5 سرعته 14% است. ZF 9 سرعته نیز بهبود تا 16% را نسبت به 6 سرعته هدف گرفته است. مقادیر موجود در برگه‌های فنی ZF 8HP نیز در همین جهت هستند: در مقایسه با 6 سرعته 6HP، 12% و در مقایسه با 5 سرعته، 14% مصرف کمتر. از نگاه یک مهندس، این اعداد تصادفی نیستند، بلکه ریاضیات مستقیم پله‌های نسبت دنده‌ها هستند.

بهای چنددنده بودن: پیچیدگی، وزن و هزینه

هر دنده اضافی به معنای اجزای کلاچ اضافی، اجزای پیچیده‌تر بدنه سوپاپ و کنترل رایانه‌ای بیشتر است. قطعات متحرک بیشتر، به‌ناچار پتانسیل بزرگ‌تری از مشکلات مکانیکی و یک واحد گیربکس گران‌تر به همراه می‌آورد. GM مبلغ 323 میلیون دلار در کارخانه گیربکس‌های پرسرعت خود در رومولوس، میشیگان سرمایه‌گذاری کرد؛ این رقم، معیاری است برای اینکه گیربکس‌های چندسرعته چقدر سرمایه‌گذاری صنعتی جدی نیاز دارند.

وزن هم در مرکز این بحث قرار دارد. یک دیدگاه انتقادی این است: وزن، دشمن عملکرد است؛ به‌جای افزودن دنده‌های بیشتر، تولیدکنندگان باید راه‌های سبک‌سازی خودروها را بیابند. این انتقاد بی‌پایه نیست، زیرا هر دستاورد با پیچیدگی مکانیکی خریداری می‌شود. از سوی دیگر، بازدهی نزولی نیز اجتناب‌ناپذیر است: اگرچه فراتر از 8 و 9 سرعته هنوز می‌توان فایده‌ای دید، اما با رسیدن به 11-12 سرعته، بازدهی نزولی که به مشکلات ساختاری می‌انجامد فعال می‌شود. تیم های مهندسی فورد و جنرال موتورز، گیربکس ۱۰ سرعته را نقطه بهینه این منحنی منفعت می دانند.

مسئله ای به نام تداوم هم وجود دارد. گیربکس ۱۰ سرعته برای هر خودرو راه حل بهینه نیست؛ تصور می شود گیربکس های ۶ سرعته نیز بسته به بازارهای منطقه ای مدت طولانی دوام خواهند آورد. جنرال موتورز در سمت خود محاسبه می کند که با گیربکس ۹ سرعته اش که برای مدل های دیفرانسیل جلو است، می تواند بازار پریمیوم دنده های بالا را نیز پوشش دهد و بر این نکته تأکید می کند که هر دو گیربکس به عنوان واحدهای آب بندی شده مادام العمر و بدون نیاز به سرویس طراحی شده اند.

گیربکس ۸ سرعته یا ۱۰ سرعته؟ راه حل جایگزین برای پراکندگی نسبت ها

گیربکس ۱۰ سرعته تنها دیدگاه جنجالی نیست. مکتب ZF از گیربکس ۸ سرعته با پراکندگی نسبت های گسترده تر به جای گام های کوتاه دفاع می کند و 8HP به عنوان واحدی به قدر کافی سریع و پالایش شده که هم به خودروهای اسپرت و هم سدان های لوکس خدمت کند، پذیرش گسترده ای یافته است. یک مقایسه عملی این موضوع را تأیید می کند: در مقایسه نسخه های 8 سرعته و 10 سرعته انجام شده روی Chevrolet Silverado Z71 مدل 2020، هیچ برتری مشخصی برای 10 سرعته در برابر 8 سرعته یافت نشد؛ پراکندگی نسبت گسترده ZF کار خودش را می کرد.

درس گرفته شده از این موضوع آن است که نه خود تعداد دنده ها، بلکه پراکندگی نسبت ها و کوتاهی گام ها اهمیت دارد. گیربکس ۱۰ سرعته به ویژه در سناریوهای کشش و حمل بار سنگین به عنوان گزینه ای قدرتمند برجسته می شود؛ در حالی که برای خودروهای سبک و استفاده روزمره، گیربکس ۶ تا ۸ سرعته خوش تنظیم اغلب کافی است. فرمول "هرچه دنده بیشتر، بهتر" در دنیای مهندسی به ندرت درست جواب می دهد.

CVT و DCT: جایگزین های تعداد دنده

اتوماتیک های چند دنده تنها راه نیستند. گیربکس CVT با سیستم تسمه و پولی، تعداد نامحدودی نسبت ارائه می دهد و می تواند موتور را بدون تعویض دنده کاملاً در نقطه بهینه بازده نگه دارد؛ در بسیاری از موارد مصرف سوخت بهتری از اتوماتیک معمولی فراهم می کند. در مقابل، رفتار رانندگی ناشی از ساختار تسمه-پولی برای همه خوشایند نیست و در کاربردهای گشتاور بالا، بحث دوام مطرح می شود. گیربکس های دو کلاچه (DCT) نه فقط برای خودروهای عملکردگرا، بلکه برای مدل هایی که می خواهند سرعت و بازده را متعادل کنند نیز راهی معتبر ارائه می دهند.

نقطه عطف جالب توجه، برتری تاریخی گیربکس های اتوماتیک در برابر گیربکس های دستی است: از سال مدل 2016 به بعد، گیربکس های اتوماتیک در بازدهی سوخت از گیربکس های دستی پیشی گرفتند یا دست کم با آن ها برابر شدند. تا یک دهه پیش، فرض "دستی سوخت کمتری می سوزاند" تقریباً در همه کلاس ها معتبر بود، اما نسبت های فشرده اتوماتیک های چند دنده این معادله را وارونه کردند. هدف اصلی این مسابقه دنده ها نه عملکرد، بلکه بازده سوختی بود؛ روش استانداردهای میانگین مصرف سوخت سازمانی آمریکا (CAFE) به عنوان نیروی محرک این روند مشخص است. افزایش عملکرد اما به عنوان محصول جانبی دنده اول کوتاه و تعویض های سریع به دست می آید.

چرا خودروهای برقی اصلاً دنده نمی خواهند؟

موتورهای الکتریکی ویژگی ای دارند که این بحث را به طور کامل بی اعتبار می کند: از صفر تا دور بی باری حداکثر، تقریباً گشتاور پیوسته تولید می کنند. نیازی نیست دنبال یک بازه باریک به نام "دورههای پربازده" بگردیم؛ موتور تقریبا در هر شرایطی رفتاری یکسان نشان میدهد. به همین دلیل خودروهای برقی به یک گیربکس تکسرعته بسنده میکنند. افزایش تعداد دندهها راهحلی برای بازه پر بازدهی باریک موتور احتراق داخلی بود؛ با حذف این بازه باریک، نیاز به چندبرابر کردن نسبت انتقال هم از بین میرود. مقایسه با اهرم هم گویاست: در دوچرخههای پدالی، چون نیروی انسان در بازه بسیار باریکی از نیرو تولید میشود، به 18 دنده یا حتی بیشتر نیاز است؛ در کامیونها هم به دلیل بارهای سنگین میتوان 18 دنده جلو پیدا کرد. تعداد دندهها شکاف میان رفتار موتور و ماموریت خودرو را پر میکند.

چند دنده کافی است؟ نسبت درست بازدهی نزولی

اما عدد ایدهآل چیست؟ پاسخ روشن و قابل اندازهگیری وجود ندارد، اما مرزها مشخص هستند. در خودروهای کمقدرت و سبک، 5 دنده جلو هم از نظر هزینه تولید و هم از نظر پتانسیل عملکردی خودرو هنوز میتواند کافی باشد. برای کامیونهای سنگین 18 دنده منطقی است، زیرا نیاز نسبت بین حالت بار و بدون بار به اندازه یک پرتگاه متفاوت است. در خودروهای سواری، 6 تا 8 دنده جلو بیشتر سناریوها را پوشش میدهد؛ اما 10 دنده در خودروهایی با موتور بزرگ معنا پیدا میکند که همزمان به کشش بار کامل، شتابگیری سریع و مصرف پایین در سفر هدف دارند. در سمت سازندگان، فورد و جنرال موتورز 10 دنده را نقطه بهینه میدانند، در حالی که دیدگاه مخالف بار وزنی و پیچیدگی چند دنده زیاد را غیرضروری میداند. هر دو طرف تا حدی حق دارند: پاسخ درست به ماموریت خودرو بستگی دارد و هر دنده اضافه باید با صرفهجویی در مصرف سوخت جبران شود. در غیر این صورت، تعداد دندهها به ویژگیای تبدیل میشود که در کاغذبازی زیبا به نظر میرسد اما در جاده هزینهساز است.

منابع

• High-Gear Transmissions: How Many Gears Are Enough? - Automotive Fleet
• A Shift to High MPG - Green Car Journal
• ZF 8HP transmission - Wikipedia
• FOTW #1127: Since Model Year 2016 - U.S. Department of Energy
• The Need for 10-Speeds - MOTOR Information Systems
• Chevy Silverado Z71 8-speed vs. 10-speed - TFLtruck
• CVT vs. Automatic Transmission - MotorTrend