गियर संख्या लगातार क्यों बढ़ रही है?

गियरों की संख्या इसलिए बढ़ रही है ताकि इंजन अपनी शक्ति और टॉर्क को सबसे कुशलता से उत्पन्न करने वाली संकीर्ण आरपीएम सीमा में बना रहे: पहली गियर की ओर छोटे अनुपात शुरुआत में टॉर्क को बढ़ाते हैं, जबकि ऊपरी गियरों की ओर लंबे अनुपात हाईवे की गति पर इंजन की आरपीएम और ईंधन खपत को कम करते हैं। 1990 के दशक में आम कारों में 3-5 आगे के गियर होते थे, जबकि पिछले दो मॉडल वर्षों में यह संख्या कम से कम 6 और कुछ मॉडलों में 10 तक पहुँच गई।

गियरों की संख्या क्यों बढ़ रही है? इंजन की कुशल आरपीएम सीमा

किसी आंतरिक दहन इंजन के संचालन मैप के बारे में सोचिए। पेट्रोल हो या डीज़ल, इंजन की एक अपेक्षाकृत संकीर्ण आरपीएम सीमा होती है, जिसमें वह अधिकतम शक्ति और टॉर्क उत्पन्न करते समय सबसे कम ईंधन खर्च करता है। ट्रांसमिशन का काम बिल्कुल यही है: पहिये तक जाने वाली घूर्णन गति को इंजन के इस आदर्श क्षेत्र में बनाए रखना। जैसे-जैसे गियरों की संख्या बढ़ती है, इंजन इस इष्टतम सीमा में अधिक बार काम करता है; हर गियर इंजन की आरपीएम बनाए रखने के लिए अधिक सूक्ष्म रूप से समायोजित अनुपात प्रदान करता है।

दूसरी ओर, कम गियरों वाले वाहन में इंजन को मौजूदा गति के सबसे निकटतम गियर से ही संतोष करना पड़ता है। परिणाम यह होता है कि वह आवश्यकता से अधिक आरपीएम पर चलता है। अधिक आरपीएम का अर्थ है प्रति यूनिट समय अधिक ईंधन, और इंजन भी अधिक थकता है। यदि हम एक मोटा तर्क की श्रृंखला बनाएँ: अधिक आरपीएम का अर्थ है अधिक इंजन संचालन, अधिक ईंधन, अधिक तनाव और अधिक घिसाव। इस श्रृंखला को उलटना ही गियर प्रतिस्पर्धा का मूल प्रेरक बल है।

निचले गियरों और ऊपरी गियरों की भूमिकाएँ एक-दूसरे से पूरी तरह अलग हैं। छोटे अनुपात वाली पहली गियर, पहियों पर टॉर्क को बढ़ाकर शुरुआत और चढ़ाई चढ़ना संभव बनाती है। लंबे अनुपात वाले ओवरड्राइव गियर हाईवे की गति पर इंजन की आरपीएम को कम करके न केवल खपत घटाते हैं बल्कि केबिन में सुनाई देने वाला शोर भी कम करते हैं। समस्या यह है: इन दोनों छोरों के बीच जितने अधिक मध्यवर्ती अनुपात भरे जाते हैं, इंजन की आरपीएम उतनी ही कम गिरती है और वह उतना ही कुशल बना रहता है।

अनुपात विस्तार: 10-स्पीड ट्रांसमिशन का इंजीनियरिंग तर्क

जब गियरों की संख्या बढ़ती है, तो केवल मध्यवर्ती चरण ही नहीं बढ़ते; कुल अनुपात सीमा, यानी ratio spread भी विस्तृत हो सकती है। आधुनिक 10-स्पीड ट्रांसमिशन में पहली गियर आक्रामक शुरुआत के लिए बहुत छोटा अनुपात रखती है, जबकि सबसे ऊपरी गियर कम आरपीएम क्रूज़िंग के लिए पहले से कहीं अधिक लंबा है। बीच के चरण छोटे रहते हैं। शुरुआत में उच्च संख्यात्मक अनुपात, क्रूज़िंग में लंबी ऊपरी गियर: एक ही ट्रांसमिशन से प्रदर्शन और दक्षता दोनों चाहना अब कोई विरोधाभास नहीं, बल्कि डिज़ाइन का लक्ष्य है।

छोटे होते चरणों का एक और लाभ है: गियर बदलने में अशांति कम हो जाती है। किसी गियर के बीच इंजन के आरपीएम बहुत अधिक गिरने पर शिफ्टिंग महसूस होती है और त्वरण में रुकावट आती है। चरण जितने बारीक होते जाते हैं, यह शिफ्टिंग उतनी ही आसान और तेज़ होती जाती है; आधुनिक 8-10 स्पीड ऑटोमैटिक तेज़ क्लच बदलावों और स्मार्ट कंट्रोल सॉफ्टवेयर के साथ एक ही समय में चार-पांच गियर छोड़ सकते हैं। उदाहरण के लिए, Ford और GM द्वारा संयुक्त रूप से विकसित 10-स्पीड ट्रांसमिशन का कंट्रोल कंप्यूटर 1 मिलियन से अधिक कोड समेत, पिछले 6-स्पीड से दोगुने से भी अधिक कोड रखता है और गैस पेडल की गति के अनुसार त्वरित गियर डाउनशिफ्ट कर सकता है।

संख्याओं से क्या बदला?

ठोस उदाहरण गियरों की संख्या के प्रभाव को मापनीय बनाते हैं। 2017 मॉडल Ford F-150 ने पिछले वर्ष के 6-स्पीड ट्रांसमिशन वाले संस्करण की तुलना में 10-स्पीड ट्रांसमिशन के साथ शहर और हाईवे में एक-एक, और 4x4 संस्करण में दो mpg अधिक ईंधन दक्षता प्राप्त की; 0-60 mph का समय 0.2 सेकंड कम हो गया। उसी मॉडल वर्ष के टोइंग संस्करणों में 375 hp शक्ति और 470 lb-ft टॉर्क के साथ 12,200 पाउंड की टोइंग क्षमता तक पहुंचा गया। सेडान की तरफ भी समान तस्वीर है: 2017 Chevrolet Malibu में 8-स्पीड से 9-स्पीड की ओर जाने से ईंधन दक्षता लगभग %3 बढ़ी।

ZF द्वारा 2012 में साझा किए गए आंकड़े दिखाते हैं कि गियर संख्या और खपत के बीच संबंध कितना नाटकीय हो सकता है: 8-स्पीड ऑटोमैटिक 3-स्पीड ऑटोमैटिक की तुलना में %21-24 सुधार का वादा करता है; 6-स्पीड की तुलना में बचत लगभग %11 और 5-स्पीड की तुलना में %14 है। ZF 9-स्पीड 6-स्पीड की तुलना में %16 तक का सुधार लक्षित करता है। ZF 8HP के तकनीकी दस्तावेज़ों के मान भी उसी दिशा में हैं: 6-स्पीड 6HP की तुलना में %12 और 5-स्पीड की तुलना में %14 कम खपत। एक इंजीनियर की दृष्टि से देखने पर ये संख्याएं संयोग नहीं, बल्कि अनुपात चरणों की सीधी गणितीयता हैं।

बहु-गियर की कीमत: जटिलता, वजन और लागत

प्रत्येक अतिरिक्त गियर का अर्थ है अतिरिक्त क्लच तत्व, अधिक जटिल वाल्व बॉडी घटक और अधिक कंप्यूटर नियंत्रण। अधिक चलने वाले पुर्ज़े निरंतर बड़ी यांत्रिक समस्या की संभावना और अधिक महंगी ट्रांसमिशन यूनिट लाते हैं। GM ने मिशिगन के रोमुलस स्थित हाई-गियर ट्रांसमिशन संयंत्र में 323 मिलियन डॉलर का निवेश किया; यह आंकड़ा बताता है कि बहु-गियर ऑटोमैटिक को कितना गंभीर औद्योगिक निवेश चाहिए।

वजन भी बहस के केंद्र में है। एक आलोचनात्मक दृष्टिकोण यह है: वजन प्रदर्शन का शत्रु है; निर्माताओं को अधिक गियर जोड़ने के बजाय वाहनों को हल्का करने के तरीके खोजने चाहिए। यह आलोचना अनुचित नहीं है, क्योंकि प्रत्येक लाभ यांत्रिक जटिलता के साथ खरीदा जाता है। दूसरी ओर घटते प्रतिफल भी अपरिहार्य हैं: जहां 8 और 9 स्पीड से आगे भी लाभ देखा जा सकता है, वहीं 11-12 स्पीड पर जाने पर वास्तुशिल्प समस्याएं पैदा करने वाले घटते प्रतिफल सक्रिय हो जाते हैं। Ford और GM की इंजीनियरिंग टीमें 10-स्पीड गियरबॉक्स को इस लाभ वक्र का मीठा बिंदु मानती हैं।

और एक निरंतरता की समस्या भी है। 10-स्पीड हर वाहन के लिए इष्टतम समाधान नहीं है; क्षेत्रीय बाज़ारों के अनुसार 6-स्पीड ट्रांसमिशन को भी लंबे समय तक टिकाने की उम्मीद की जा रही है। GM अपनी ओर से गणना करता है कि उसका फ्रंट-व्हील ड्राइव मॉडलों के लिए 9-स्पीड ट्रांसमिशन प्रीमियम हाई-गियर बाज़ार को भी साथ में पूरा कर सकता है, और यह ज़ोर देता है कि दोनों ट्रांसमिशन आजीवन लीक-प्रूफ, रखरखाव-मुक्त यूनिट के रूप में डिज़ाइन किए गए हैं।

8-स्पीड या 10-स्पीड? गियर अनुपात विस्तार का वैकल्पिक समाधान

10-स्पीड गियर केवल एक ही दृष्टिकोण नहीं है। ZF स्कूल ऑफ थॉट संकीर्ण कदमों के बजाय अधिक व्यापक गियर अनुपात विस्तार वाले 8-स्पीड ट्रांसमिशन का समर्थन करता है, और 8HP एक ऐसी तेज़ और परिष्कृत यूनिट के रूप में व्यापक स्वीकृति पाती है कि वह स्पोर्ट्स कारों और लक्ज़री सेडान दोनों की सेवा कर सके। एक व्यावहारिक तुलना इसकी पुष्टि करती है: 2020 Chevrolet Silverado Z71 पर किए गए 8-स्पीड और 10-स्पीड ट्रांसमिशन वाले संस्करणों की तुलना में, 10-स्पीड का 8-स्पीड के मुकाबले कोई स्पष्ट लाभ नहीं मिला; ZF का व्यापक गियर अनुपात विस्तार अपना काम कर रहा था।

यहाँ से निकलने वाला सबक यह है कि गियरों की संख्या से अधिक महत्वपूर्ण गियर अनुपात विस्तार और कदमों की संकीर्णता है। 10-स्पीड विशेष रूप से टोइंग और भारी भार ढुलाई के परिदृश्यों में एक मज़बूत विकल्प के रूप में उभरता है; जबकि हल्के वाहनों और दैनिक उपयोग के लिए अच्छी तरह ट्यून किया गया 6-8 स्पीड अक्सर पर्याप्त होता है। "जितने अधिक गियर, उतना बेहतर" वाला सूत्र इंजीनियरिंग की दुनिया में शायद ही कभी सही साबित होता है।

CVT और DCT: गियर संख्या के विकल्प

मल्टी-स्पीड ऑटोमैटिक्स ही एकमात्र रास्ता नहीं है। CVT, बेल्ट और पुली प्रणाली से अनंत अनुपात प्रदान करके इंजन को गियर बदले बिना पूरी तरह दक्षता के मीठे बिंदु पर रख सकती है; ज़्यादातर मामलों में यह सामान्य ऑटोमैटिक से बेहतर ईंधन अर्थव्यवस्था प्रदान करती है। बदले में, बेल्ट-पुली संरचना से मिलने वाला ड्राइविंग कैरेक्टर सबको पसंद नहीं आता और उच्च टॉर्क अनुप्रयोगों में स्थायित्व का प्रश्न खड़ा हो जाता है। ड्यूल-क्लच ट्रांसमिशन (DCT) केवल प्रदर्शन-केंद्रित वाहनों के लिए ही नहीं, बल्कि उन मॉडलों के लिए भी एक वैध रास्ता प्रस्तुत करते हैं जो गति और दक्षता को संतुलित करना चाहते हैं।

एक दिलचस्प मोड़ ऑटोमैटिक्स की मैनुअल ट्रांसमिशन के मुकाबले ऐतिहासिक श्रेष्ठता है: 2016 मॉडल वर्ष से ऑटोमैटिक ट्रांसमिशन ने ईंधन दक्षता में मैनुअल ट्रांसमिशन को पीछे छोड़ दिया या कम से कम बराबरी कर ली। दस साल पहले तक "मैनुअल कम ईंधन जलाता है" की धारणा लगभग हर श्रेणी में मान्य थी, जबकि मल्टी-स्पीड ऑटोमैटिक्स के तंग गियर अनुपातों ने इस समीकरण को उलट दिया। गियर दौड़ का असली लक्ष्य प्रदर्शन नहीं बल्कि ईंधन दक्षता थी; यह स्पष्ट है कि अमेरिका के कॉर्पोरेट एवरेज फ्यूल इकॉनमी (CAFE) मानक इस प्रवृत्ति की प्रेरक शक्ति थे। प्रदर्शन में वृद्धि तो छोटी प्रथम गियर और तेज़ शिफ्ट का उप-उत्पाद के रूप में आती है।

इलेक्ट्रिक वाहन गियरों की गिनती क्यों नहीं करते?

इलेक्ट्रिक मोटर्स में एक ऐसी विशेषता है जो इस पूरी बहस को निरर्थक कर देती है: वे शून्य से अधिकतम आरपीएम तक लगभग निरंतर टॉर्क का उत्पादन करते हैं। कुशल आरपीएम रेंज नामक एक संकरी सीमा खोजने की कोई आवश्यकता नहीं है; मोटर हर जगह लगभग एक जैसा ही चरित्र प्रदर्शित करता है। इसीलिए इलेक्ट्रिक वाहन एकल-गति वाले गियरबॉक्स से ही काम चला लेते हैं। गियरों की संख्या बढ़ाना, आंतरिक दहन इंजन की संकरी कुशल रेंज का एक समाधान था; संकरी कुशल रेंज समाप्त होने पर अनुपात बढ़ाने की आवश्यकता भी समाप्त हो जाती है। उत्तोलक की तुलना भी ज्ञानवर्धक है: पैडल वाली साइकिलों में मानव शक्ति बहुत संकरी बल सीमा में उत्पन्न होती है, इसलिए 18 या उससे अधिक गियर चाहिए होते हैं; ट्रकों में भारी भार के कारण 18-गति गियरबॉक्स मिल सकते हैं। गियरों की संख्या, इंजन के चरित्र और वाहन के कार्य के बीच के अंतर को पाट देती है।

कितने गियर पर्याप्त हैं? घटती प्रतिफल का सही अनुपात

तो आदर्श संख्या क्या है? कोई स्पष्ट और मापनीय उत्तर नहीं है, लेकिन सीमाएं स्पष्ट हैं। कम शक्ति वाले और हल्के वाहनों में 5-गति गियरबॉक्स, उत्पादन लागत और वाहन की प्रदर्शन क्षमता दोनों के दृष्टिकोण से अभी भी पर्याप्त हो सकता है। भारी ट्रकों के लिए 18-गति तर्कसंगत है क्योंकि लदे और खाली हालत के बीच अनुपात की आवश्यकता में खाई जितना अंतर होता है। यात्री वाहनों में 6-8 गियर अधिकांश परिदृश्यों को पूरा कर देते हैं; 10 गियर तब अर्थ रखते हैं जब पूर्ण भार खींचना, तेज त्वरण और क्रूज़िंग पर कम खपत का लक्ष्य एक साथ रखने वाले बड़े इंजन वाले वाहनों की बात हो। निर्माताओं की ओर से Ford और GM 10-गति को मधुर बिंदु मानते हैं, जबकि विपरीत मत अधिक गियरों के वजन और जटिलता के बोझ को अनावश्यक मानता है। दोनों पक्ष आंशिक रूप से सही हैं: सही उत्तर वाहन के कार्य पर निर्भर करता है और हर अतिरिक्त गियर की लागत को ईंधन अर्थव्यवस्था में होने वाली बचत पूरी करनी चाहिए। अन्यथा गियरों की संख्या एक ऐसी विशेषता बन जाती है जो कागज़ पर अच्छी लगती है लेकिन सड़क पर महंगी पड़ती है।

स्रोत

• 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