ギア数はなぜ増え続けているのか?

extents of numbers extending to On high gear, the engine is kept in its most efficient RPM range, both multiplying torque and reducing fuel consumption.
extents of numbers extending to On high gear, the engine is kept in its most efficient RPM range, both multiplying torque and reducing fuel consumption.

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エンジンがパワーとトルクを最も効率的に発生する狭い回転域にエンジンを維持するために、ギア数は増えています: 1速に向かって短くなるギア比は発進時にトルクを増大させ、上位ギアに向かって長くなるギア比は高速走行時のエンジン回転数と燃費を低減させます. 1990年代の典型的な乗用車は3〜5速の前進ギアを備えていましたが、直近の2モデルイヤーではこの数は最低6速に、一部のモデルでは10速に達しました.

注目ポイント

  • ZFの8速オートマチックは、3速オートマチックと比べて21〜24%優れた燃費を提供しています.
  • 2017年式のFord F-150では、6速から10速への移行により、0-60 mph加速タイムが0.2秒短縮されました.
  • 2016年モデルイヤー以降、オートマチックトランスミッションは燃費効率でマニュアルトランスミッションを上回りました.
  • FordとGMのエンジニアリングは、10速が実用的な上限であることを認めています.

なぜギア数は増えているのか? エンジンの効率的な回転域

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.

内燃機関の動作マップを考えてみてください. ガソリンでもディーゼルでも、エンジンは最も高いパワーとトルクを発生させながら最も少ない燃料を消費する、比較的狭い回転数(RPM)域を持っています. トランスミッションの仕事はまさにこれです: ホイールに伝わる回転速度を、エンジンのこの理想的な領域内に維持すること. ギア数が増えるほど、エンジンはこの最適な範囲でより頻繁に動作します. 各ギアは、エンジン回転数を維持するためにより細かく調整されたギア比を提供します.

一方、ギア数が少ない車では、エンジンは現在の速度に最も近いギアで妥協せざるを得ません. その結果、必要とされる回転数よりも高い回転数で動作することになります. 高い回転数は単位時間あたりの燃料消費の増大を意味し、エンジンをより多く消耗させます. 簡単な論理の連鎖を組み立てると: より多くの回転数、より多くのエンジンの作動、より多くの燃料、より多くのストレスと摩耗を意味します. この連鎖を逆転させることが、ギア競争の根本的な推進力です.

ローギアとオーバードライブの役割はまったく異なります. ショートギア比の1速は、ホイール側のトルクを増大させることで発進と登坂を可能にします. ロングギア比のオーバードライブギアは、高速走行時にエンジン回転数を下げることで、消費を減らすと同時に車内に聞こえる騒音も低減します. 問題は次のとおりです: この両極端の間に中間ギア比を多く挟み込むほど、エンジン回転数の低下が少なくなり、効率がより高く保たれます.

ギア比の広がり: 10速トランスミッションのエンジニアリングロジック

ギア数が増えると、中間のステップが増えるだけではありません: ギア比の全範囲、つまりレシオスプレッドも広がることがあります. 現代の10速トランスミッションでは、1速は攻撃的な発進のために大幅に短いギア比を持ち、最上位ギアは低回転クルージングのために従来よりはるかに長くなっています. その間のステップは小さく保たれています. 発進時には高い数値ギア比、クルージング時には長い上位ギア: 同じトランスミッションにパフォーマンスと効率の両方を求めることは、もはや矛盾ではなく、設計目標です.

短くなるステップにはもう一つの利点があります: ギアチェンジ時の乱れが減少しています. ギア間でエンジン回転数が下がりすぎると変速が感じられ、加速が途切れます. ステップが細かくなるほど、この変速は滑らかになるだけでなく速くもなります. 現代の8-10速オートマチックは、高速なクラッチ切り替えとインテリジェントな制御ソフトウェアにより、一度に4-5段も飛び越えることができます. 例えば、FordとGMが共同開発した10速トランスミッションの制御コンピュータは、従来の6速の2倍以上となる100万行を超えるコードを含み、アクセルペダルの動きに応じて即座にダウンシフトを行うことができます.

数字で何が変わったのか?

具体的な例は、ギア数の影響を測定可能なものにしています. 2017年モデルのFord F-150は、前年の6速トランスミッション版と比較して、10速トランスミッションにより市街地および高速道路でそれぞれ1 mpg、4x4版では2 mpg多い燃費を達成しました. 0-60 mphのタイムは0.2秒短縮されました. 同じモデル年の牽引仕様では、375 hpの出力と470 lb-ftのトルクで、12,200ポンドの牽引能力に達しました. セダンの分野でも同様の傾向があります. 2017年のChevrolet Malibuでは、8速から9速への移行により、燃費効率が約3%向上しました.

ZFが2012年に公開したデータは、ギア数と消費量の関係がどれほど劇的になりうるかを示しています. 8速オートマチックは、3速オートマチックと比較して21-24%の改善を約束します. 6速と比較すると約11%、5速と比較すると14%の節約です. ZFの9速は、6速と比較して最大16%の改善を目標としています. ZF 8HPの技術資料の数値も同じ方向を示しています. 6速の6HPと比較して12%、5速と比較して14%少ない消費量です. エンジニアの目で見れば、これらの数値は偶然ではなく、比率ステップの直接的な数学です.

トランスミッション 比較 燃費改善
ZF 8速 3速との比較 21-24%
ZF 8速 5速との比較 14%
ZF 8速 6速との比較 11%
ZF 9速 6速との比較 最大16%
GM 9速 従来の8速との比較 (Malibu) 3%

多段ギアの代償: 複雑さ、重量、そしてコスト

ギアが1つ追加されるごとに、追加のクラッチ要素、より複雑なバルブボディ部品、そしてより多くのコンピュータ制御が必要になります. 可動部品が増えるほど、機械的な問題の可能性が必然的に大きくなり、トランスミッションユニットも高価になります. GMはミシガン州ロムラスの高性能トランスミッション工場に3億2300万ドルを投資しました. この金額は、多段オートマチックがいかに深刻な産業投資を必要とするかの指標です.

重量も議論の中心にあります. 批判的な視点はこうです: 重量は性能の敵であり、 メーカーはギアを追加するのではなく、車両を軽量化する方法を探すべきです. この批判は不当ではありません.なぜなら、あらゆる利得は機械的な複雑さと引き換えに購入されているからです. 一方で、収穫逓減も避けられません. 8速や9速を超えてもまだ効果が見込めるうちに、11-12速に進むとアーキテクチャの問題を引き起こす収穫逓減が働き始めます. FordとGMのエンジニアリングチームは、10速トランスミッションをこのベネフィットカーブのスイートスポットと見ています.

さらに継続性の問題もあります. 10速はすべての車にとって最適な解決策ではなく、 地域市場によっては6速トランスミッションも長く第一線に留まると考えられています. GMは自社において、前輪駆動モデル向けの9速トランスミッションでプレミアムな高段比市場も合わせてカバーできると計算しており、両トランスミッションとも寿命にわたって漏れがなくメンテナンスフリーのユニットとして設計されたことを強調しています.

8速か10速か? ギア比レンジの代替ソリューション

10速ギアだけが競争の唯一の視点ではありません. ZFの流派は、細かいステップよりも広いギア比レンジを持つ8速トランスミッションを擁護しており、8HPはスポーツカーにもラグジュアリーセダンにも対応できるほど高速で洗練されたユニットとして広く認められています. 実用的な比較がこれを裏付けています: 2020年式のChevrolet Silverado Z71で行われた8速と10速トランスミッション搭載バージョンの比較では、10速が8速に対して明確な優位性は見られませんでした. ZFの広いギア比レンジがその役割を果たしていたのです.

ここから得られる教訓は、ギア数そのものよりも、ギア比レンジとステップの細かさが重要だということです. 10速は、特に牽引や重い積載のシナリオにおいて強力な選択肢として際立っています. 一方、軽量車や日常使用には、よく調整された6〜8速でたいてい十分です. 「ギアが多ければ多いほど良い」という公式は、エンジニアリングの世界ではめったに正しく機能しません.

CVTとDCT: ギア数の代替案

多段ATが唯一の道ではありません. CVTはベルトとプーリーのシステムで無限のギア比を提供し、シフトチェンジなしでエンジンを効率のスイートスポットに保つことができ、 多くの場合、通常のATよりも優れた燃費を実現します. その見返りとして、ベルト・プーリー構造がもたらす走りキャラクターは万人に好まれるわけではなく、高トルク用途では耐久性の疑問が浮上します. デュアルクラッチトランスミッション(DCT)は、パフォーマンス重視の車両だけでなく、速度と効率のバランスを取りたいモデルにも有効な道を提供しています.

興味深い転換点は、ATがMTに対して持ってきた歴史的な優位性です. 2016年モデルイヤー以降、ATは燃費効率でMTを上回るか、少なくとも同等になりました. 10年前までは「MTのほうが燃費が良い」という仮定がほぼすべてのクラスで当てはまっていましたが、多段ATの緻密なギア比がこの方程式を逆転させました. ギア競争の本当の目標は性能ではなく燃費効率でした. 米国の企業平均燃費(CAFE)基準がこのトレンドの推進力であったことは明らかです. 性能向上は、短い1速と素早いシフトチェンジの副産物としてもたらされています.

電気自動車はなぜギアを数えないのか?

電気モーターには、この議論全体を無効にする特性があります. ゼロ回転から最大回転数まで、ほぼ連続的にトルクを発生させるのです. 効率の良い回転数帯という狭い領域を探す必要はなく、 モーターはほぼすべての領域でほぼ同じ特性を示します. そのため電気自動車は1速のトランスミッションで十分です. 段数が増えたこと自体が、内燃機関の狭い効率域に対する一つの解決策でした. 狭い効率域が解消されれば、段数を増やす必要性もなくなります. レバー(てこ)の比喩も参考になります. 自転車では人間の力が非常に狭い力の範囲でしか発揮されないため、18段以上のギアが必要になります. トラックでも重い積載量のために18段のトランスミッションが搭載されることがあります. ギア段数とは、エンジンの特性と車両の役割との間のギャップを埋めるものなのです.

何段あれば十分か? 逓減する収穫の正しい割合

では理想的な段数とは? 明確で測定可能な答えはありませんが、限界ははっきりしています. 馬力が小さく軽量な車なら5速でも、製造コストと車のポテンシャルの両面からまだ十分と言えます. 大型トラックには18速が理にかなっています.積載時と空車時の必要ギア比の差が桁違いだからです. 乗用車なら6速から8速でほとんどのシナリオに対応できます. 10速が意味を持つのは、満載けん引、迅速な加速、低い巡航燃費を同時に狙う大排気量車です. メーカー側ではFordとGMが10速をスイートスポットと見なす一方、反対派は多段化による重量と複雑さの負担を不要と考えています. どちらの側も部分的には正しいです. 正しい答えは車両の役目次第であり、ギアを1段増えるごとのコストを、燃費の向上が補ってこそなりません. さもなければ段数は、帳簿の上では美しく見えても、道路上で代償を払わせるスペックになってしまいます.

出典