Mengapa Jumlah Persneling Terus Bertambah?

Jumlah gigi terus bertambah agar mesin dapat tetap berada pada rentang putaran sempit tempat ia menghasilkan tenaga dan torsi paling efisien: Rasio yang semakin pendek menuju gigi pertama memperbesar torsi saat berangkat, sementara rasio yang semakin panjang menuju gigi atas menurunkan putaran mesin dan konsumsi bahan bakar pada kecepatan jalan tol. Pada 1990-an, mobil tipikal memiliki 3-5 gigi maju, sementara pada dua tahun model terakhir angka ini mencapai minimal 6, bahkan 10 pada beberapa model.

Mengapa Jumlah Gigi Terus Bertambah? Rentang Putaran Efisien Mesin

Bayangkan peta kerja sebuah mesin pembakaran dalam. Baik bensin maupun diesel, mesin memiliki rentang putaran (RPM) yang relatif sempit tempat ia menghasilkan tenaga dan torsi tertinggi sekaligus mengonsumsi bahan bakar paling sedikit. Tugas transmisi persis itulah: Menjaga kecepatan putaran yang menuju ke roda tetap berada di zona ideal mesin ini. Semakin banyak jumlah gigi, semakin sering mesin bekerja pada rentang optimal ini; setiap gigi menawarkan rasio yang disetel lebih halus untuk mempertahankan putaran mesin.

Sebaliknya, pada kendaraan dengan sedikit gigi, mesin terpaksa puas dengan gigi yang paling dekat dengan kecepatan yang tersedia. Hasilnya adalah bekerja pada putaran yang lebih tinggi dari yang dibutuhkan. Putaran tinggi berarti lebih banyak bahan bakar per satuan waktu dan juga lebih melelahkan mesin. Jika kita menyusun rantai logika sederhana: Lebih banyak putaran berarti kerja mesin lebih besar, bahan bakar lebih banyak, tekanan dan keausan lebih besar. Membalik rantai inilah dorongan utama dalam perlombaan jumlah gigi.

Peran gigi rendah dan gigi atas sepenuhnya berbeda satu sama lain. Gigi pertama dengan rasio pendek memperbesar torsi di roda, memungkinkan berangkat dan mendaki tanjakan. Sementara gigi overdrive dengan rasio panjang menurunkan putaran mesin pada kecepatan jalan tol, sekaligus mengurangi konsumsi dan meredam kebisingan yang terdengar di kabin. Persoalannya: Semakin banyak rasio perantara yang Anda padatkan di antara kedua ujung ini, semakin sedikit putaran mesin turun dan semakin efisien mesin tetap.

Sebaran Rasio: Logika Rekayasa Transmisi 10-Percepatan

Ketika jumlah gigi bertambah, tidak hanya langkah perantara yang bertambah; rentang rasio keseluruhan, yaitu ratio spread, juga dapat melebar. Pada transmisi 10-percepatan modern, gigi pertama memiliki rasio yang jauh lebih pendek untuk akselerasi agresif, sementara gigi tertinggi jauh lebih panjang dibandingkan sebelumnya untuk berkendara dengan putaran rendah. Langkah-langkah di antaranya tetap kecil. Rasio numerik tinggi saat berangkat, gigi atas panjang saat berkendara: Menginginkan performa sekaligus efisiensi dari transmisi yang sama bukan lagi kontradiksi, melainkan target desain.

Langkah yang semakin pendek memiliki manfaat kedua: Gangguan saat perpindahan gigi berkurang. Ketika putaran mesin turun terlalu jauh di antara dua gigi, peralihan terasa dan akselerasi terputus. Semakin sempit jarak antar gigi, peralihan ini semakin halus sekaligus semakin cepat; transmisi otomatis modern 8-10 percepatan mampu melompat empat-lima gigi sekaligus berkat pergantian kopling yang cepat dan perangkat lunak kontrol yang cerdas. Sebagai contoh, komputer kontrol transmisi 10 percepatan yang dikembangkan bersama oleh Ford dan GM berisi lebih dari satu juta baris kode, lebih dari dua kali lipat transmisi 6 percepatan sebelumnya, dan mampu melakukan penurunan gigi mendadak sesuai gerakan pedal gas.

Apa yang berubah dengan angka-angka ini?

Contoh konkret membuat pengaruh jumlah gigi menjadi terukur. Model 2017 Ford F-150 memperoleh ekonomi bahan bakar satu mpg lebih baik di kota dan di jalan tol, serta dua mpg pada versi 4x4, dengan transmisi 10 percepatan dibandingkan versi transmisi 6 percepatan tahun sebelumnya; waktu 0-60 mph memendek 0,2 detik. Pada tahun model yang sama, versi penarik mencapai kapasitas tarik 12.200 pound dengan tenaga 375 hp dan torsi 470 lb-ft. Pola serupa juga terlihat pada sisi sedan: Peralihan dari 8 percepatan ke 9 percepatan pada Chevrolet Malibu 2017 meningkatkan efisiensi bahan bakar sekitar 3%.

Data yang dibagikan ZF pada 2012 menunjukkan betapa dramatisnya hubungan antara jumlah gigi dan konsumsi bahan bakar: Transmisi otomatis 8 percepatan menjanjikan perbaikan 21-24% dibandingkan transmisi otomatis 3 percepatan; dibandingkan 6 percepatan penghematannya sekitar 11%, dan dibandingkan 5 percepatan sebesar 14%. ZF 9 percepatan menargetkan perbaikan hingga 16% dibandingkan 6 percepatan. Nilai-nilai pada lembaran teknis ZF 8HP juga menunjukkan arah yang sama: konsumsi 12% lebih rendah dibandingkan 6 percepatan 6HP, dan 14% lebih rendah dibandingkan 5 percepatan. Dilihat dari mata seorang insinyur, angka-angka ini bukan kebetulan, melainkan matematisasi langsung dari langkah rasio transmisi.

Harga Banyak Giginya: Kompleksitas, Berat, dan Biaya

Setiap gigi tambahan berarti elemen kopling ekstra, komponen bodi katup yang lebih rumit, dan kontrol komputer yang lebih banyak. Lebih banyak bagian bergerak membawa potensi masalah mekanis yang lebih besar serta unit transmisi yang lebih mahal secara tak terhindarkan. GM menginvestasikan 323 juta dolar ke fasilitas transmisi percepatan tinggi di Romulus, Michigan; angka ini adalah ukuran betapa seriusnya investasi industri yang dibutuhkan oleh transmisi otomatis banyak gigi.

Berat juga berada di pusat perdebatan. Perspektif kritisnya adalah: Berat adalah musuh performans; para produsen seharusnya mencari cara meringankan kendaraan alih-alih menambah gigi. Kritik ini tidak berlebihan, karena setiap keuntungan dibayar dengan kompleksitas mekanis. Di sisi lain, imbal hasil yang menurun juga tak terhindarkan: meskipun manfaat masih dapat dilihat melampaui 8 dan 9 percepatan, ketika mencapai 11-12 percepatan, imbal hasil yang menurun dan menimbulkan masalah arsitektural mulai berlaku. Tim teknik Ford dan GM menganggap transmisi 10 percepatan sebagai titik manis dari kurva manfaat ini.

Ada juga masalah kontinuitas. Transmisi 10 percepatan bukanlah solusi optimal untuk setiap kendaraan; untuk pasar regional, transmisi 6 percepatan diperkirakan akan tetap bertahan lama. Di pihaknya, GM menghitung bahwa transmisi 9 percepatannya untuk model penggerak roda depan dapat mencakup pasar premium dengan gigi tinggi sekaligus, dan menekankan bahwa kedua transmisi dirancang sebagai unit kedap seumur pakai yang tidak memerlukan perawatan.

8 Percepatan atau 10 Percepatan? Solusi Alternatif untuk Persebaran Rasio

Transmisi 10 percepatan bukanlah satu-satunya sudut pandang. Aliran ZF mempertahankan transmisi 8 percepatan dengan persebaran rasio yang lebih luas alih-alih langkah yang rapat, dan 8HP diterima secara luas sebagai unit yang cukup cepat dan halus untuk melayani mobil sport maupun sedan mewah. Perbandingan praktis mengonfirmasi hal ini: Dalam perbandingan versi transmisi 8 percepatan dan 10 percepatan yang dilakukan pada Chevrolet Silverado Z71 tahun 2020, tidak ditemukan keunggulan yang jelas dari 10 percepatan dibandingkan 8 percepatan; persebaran rasio luas dari ZF sedang menjalankan tugasnya.

Pelajaran yang dapat diambil dari sini adalah bahwa yang penting bukanlah jumlah gigi itu sendiri, melainkan persebaran rasio dan kerapatan langkahnya. Transmisi 10 percepatan menonjol sebagai pilihan yang kuat, terutama pada skenario penarikan dan pengangkutan beban berat; sedangkan untuk kendaraan ringan dan penggunaan sehari-hari, transmisi 6-8 percepatan yang disetel dengan baik sering kali sudah cukup. Formula "semakin banyak gigi semakin baik" jarang terbukti benar di dunia rekayasa.

CVT dan DCT: Alternatif untuk Jumlah Gigi

Otomatis multi-gigi bukanlah satu-satunya jalan. CVT, dengan sistem sabuk dan puli, dapat menawarkan jumlah rasio yang tak terbatas sehingga menjaga mesin tetap berada di titik manis efisiensi tanpa perlu mengganti gigi sama sekali; dalam banyak kasus memberikan ekonomi bahan bakar yang lebih baik daripada otomatis standar. Sebagai gantinya, karakter berkendara yang diberikan konstruksi sabuk-puli tidak disukai semua orang dan pada aplikasi torsi tinggi muncul pertanyaan tentang daya tahan. Transmisi kopling ganda (DCT) menawarkan jalan yang valid bukan hanya untuk kendaraan berorientasi performa, tetapi juga untuk model yang ingin menyeimbangkan kecepatan dengan efisiensi.

Momen balik yang menarik adalah keunggulan historis transmisi otomatis atas transmisi manual: Mulai dari tahun model 2016, transmisi otomatis melampaui atau setidaknya menyamai transmisi manual dalam efisiensi bahan bakar. Padahal hingga sepuluh tahun sebelumnya, asumsi "manual lebih hemat bahan bakar" berlaku di hampir semua kelas, namun rasio rapat dari otomatis multi-gigi membalikkan persamaan tersebut. Tujuan utama dari perlombaan jumlah gigi bukanlah performans melainkan efisiensi bahan bakar; jelas bahwa standar Corporate Average Fuel Economy (CAFE) di AS merupakan kekuatan pendorong utama tren ini. Peningkatan performansi datang sebagai efek samping dari gigi pertama yang pendek dan perpindahan gigi yang cepat.

Mengapa kendaraan listrik tidak menghitung gigi?

Motor listrik memiliki satu karakteristik yang membatalkan seluruh perdebatan ini: Mereka menghasilkan torsi hampir kontinu dari nol hingga putaran maksimum. Tidak perlu mencari wilayah pita tenaga yang sempit sebagai rentang efisien; motornya hampir menunjukkan karakter yang sama di seluruh rentang. Karena itu kendaraan listrik cukup mengandalkan transmisi satu kecepatan. Bertambahnya jumlah gigi merupakan solusi atas wilayah efisien sempit pada mesin pembakaran dalam; ketika wilayah efisien sempit itu hilang, kebutuhan untuk menggandakan rasio juga hilang. Perbandingan tuas juga bersifat mencerahkan: Pada sepeda berpedal, tenaga manusia dihasilkan dalam rentang gaya yang sangat sempit sehingga memerlukan 18 gigi bahkan lebih; pada truk pun bisa ditemukan 18 gigi maju karena beban berat. Jumlah gigi menjembatani kesenjangan antara karakter mesin dan tugas kendaraan.

Berapa Gigi yang Cukup? Rasio yang Benar dari Hasil yang Menurun

Lalu berapa angka idealnya? Tidak ada jawaban yang pasti dan terukur, tetapi batasnya jelas. Pada kendaraan ringan berdaya rendah, gigi maju 5 mungkin masih cukup, baik dari sisi biaya produksi maupun potensi performansi kendaraan. Untuk truk berat, gigi maju 18 masuk akal karena kebutuhan rasio antara kondisi bermuatan dan kosong sangat jauh berbeda. Pada mobil penumpang, 6-8 gigi maju mencakup sebagian besar skenario; 10 gigi maju baru bermakna pada kendaraan bermesin besar yang menargetkan penarikan beban penuh, akselerasi cepat, dan konsumsi cruising rendah sekaligus. Di sisi produsen, Ford dan GM memandang 10 gigi maju sebagai titik manis, sementara pihak yang berseberangan menganggap beban bobot dan kerumitan dari banyak gigi tidak perlu. Kedua pihak sebagian benar: Jawaban yang tepat bergantung pada tugas kendaraan, dan keuntungan dalam efisiensi bahan bakar harus menutup biaya setiap gigi tambahan. Jika tidak, jumlah gigi berubah menjadi fitur yang tampak bagus di atas kertas tetapi membuat Anda membayar harganya di jalan.

Sumber

• 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