ทำไมจำนวนเกียร์ถึงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ?

จำนวนเกียร์เพิ่มขึ้นเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานในช่วงรอบที่แคบซึ่งผลิตกำลังและแรงบิดได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด: อัตราทดที่สั้นลงเมื่อเข้าใกล้เกียร์หนึ่งช่วยเพิ่มแรงบิดตอนออกตัว ส่วนอัตราทดที่ยาวขึ้นเมื่อขึ้นเกียร์สูงช่วยลดรอบเครื่องยนต์และการใช้เชื้อเพลิงที่ความเร็วทางด่วน ในช่วงทศวรรษ 1990 รถยนต์ทั่วไปมีเกียร์หน้า 3-5 สภาพ แต่ในปีรุ่นผลิตสองปีล่าสุดตัวเลขนี้เพิ่มขึ้นเป็นอย่างน้อย 6 สภาพ และในบางรุ่นถึง 10 สภาพ

ทำไมจำนวนเกียร์จึงเพิ่มขึ้น? ช่วงรอบที่เครื่องยนต์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ลองนึกถึงแผนที่การทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซล เครื่องยนต์จะมีช่วงรอบ (RPM) ที่ค่อนข้างแคบ ซึ่งตอนที่ผลิตกำลังและแรงบิดสูงสุดจะใช้เชื้อเพลิงน้อยที่สุด หน้าที่ของเกียร์ก็คือสิ่งนี้พอดี: การรักษาความเร็วหมุนที่ส่งไปยังล้อให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุดของเครื่องยนต์ ยิ่งจำนวนเกียร์มากขึ้น เครื่องยนต์ก็ยิ่งทำงานในช่วงที่เหมาะสมที่สุดนี้บ่อยขึ้น เกียร์แต่ละสภาพให้อัตราทดที่ปรับแต่งอย่างละเอียดยิ่งขึ้นเพื่อรักษารอบเครื่องยนต์

ในขณะที่ยานพาหนะที่มีเกียร์น้อย เครื่องยนต์ต้องยอมรับเกียร์ที่ใกล้เคียงกับความเร็วปัจจุบันที่สุดเท่านั้น ผลลัพธ์คือการทำงานที่รอบสูงกว่าที่จำเป็น รอบสูงหมายถึงเชื้อเพลิงมากขึ้นต่อหน่วยเวลา และยังทำให้เครื่องยนต์ล้ามากขึ้นด้วย หากสร้างห่วงโซ่ตรรกะอย่างคร่าว ๆ: รอบมากขึ้น หมายถึงเครื่องยนต์ทำงานหนักขึ้น เชื้อเพลิงมากขึ้น ความเครียดและการสึกหรอมากขึ้น การกลับห่วงโซ่นี้ให้ตรงข้าม คือแรงผลักดันพื้นฐานของการแข่งขันด้านจำนวนเกียร์

บทบาทของเกียร์ต่ำกับเกียร์สูงแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง เกียร์หนึ่งที่มีอัตราทดสั้นช่วยเพิ่มแรงบิดที่ล้อ ทำให้ออกตัวและปีนทางชันได้ ส่วนเกียร์ overdrive ที่มีอัตราทดยาวช่วยลดรอบเครื่องยนต์ที่ความเร็วทางด่วน จึงทั้งลดการใช้เชื้อเพลิงและลดเสียงรบกวนที่ได้ยินในห้องโดยสาร ปัญหาคือ: ยิ่งคุณอัดอัตราทดระหว่างสองขั้วนี้ได้มากเท่าไร รอบเครื่องยนต์ก็ยิ่งลดลงน้อยลงและทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น

การกระจายของอัตราทด: ตรรกะทางวิศวกรรมของเกียร์ 10 สภาพ

เมื่อจำนวนเกียร์เพิ่มขึ้น ไม่ได้มีเพียงขั้นระหว่างกลางที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น ช่วงอัตราทดทั้งหมด หรือที่เรียกว่า ratio spread ก็สามารถกว้างขึ้นได้ ในเกียร์ 10 สภาพสมัยใหม่ เกียร์หนึ่งมีอัตราทดสั้นมากสำหรับการออกตัวที่รุนแรง ขณะที่เกียร์สูงสุดยาวกว่าเดิมมากสำหรับการวิ่งที่รอบต่ำ ส่วนขั้นที่อยู่ระหว่างกลางยังคงเล็กอยู่ อัตราส่วนตัวเลขสูงตอนออกตัว เกียร์สูงอัตราทดยาวตอนวิ่ง: การเรียกทั้งประสิทธิภาพและความประหยัดจากเกียร์ชุดเดียวกันไม่ใช่ข้อขัดแย้งอีกต่อไป แต่เป็นเป้าหมายการออกแบบ

ขั้นที่สั้นลงมีประโยชน์อีกประการ: ความสะดุดในการเปลี่ยนเกียร์ลดลง เมื่อรอบเครื่องยนต์ตกฮวบมากเกินไประหว่างการเปลี่ยนเกียร์ จะรู้สึกได้ถึงการเปลี่ยนถ่าย และการเร่งความเร็วจะถูกตัดขาด ยิ่งช่วงเกียร์แคบลงเท่าไร การเปลี่ยนถ่ายนี้ยิ่งนุ่มนวลและรวดเร็วขึ้น เกียร์อัตโนมัติสมัยใหม่แบบ 8-10 สปีดสามารถข้ามไปได้ครั้งละสี่ถึงห้าเกียร์ด้วยการสลับคลัตช์ที่รวดเร็วและซอฟต์แวร์ควบคุมอัจฉริยะ ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควบคุมของเกียร์ 10 สปีดที่ Ford และ GM ร่วมกันพัฒนา มีโค้ดมากกว่า 1 ล้านบรรทัด ซึ่งมากกว่าเกียร์ 6 สปีดรุ่นก่อนหน้าถึงสองเท่า และสามารถปรับลดรอบได้ทันทีตามการเหยียบคันเร่ง

ตัวเลขบอกอะไรเปลี่ยนแปลง?

ตัวอย่างที่จับต้องได้ทำให้เห็นผลของจำนวนเกียร์ในรูปแบบที่วัดได้ Ford F-150 รุ่นปี 2017 ที่ใช้เกียร์ 10 สปีด ให้เศรษฐกิจเชื้อเพลิงมากกว่ารุ่นเกียร์ 6 สปีดของปีก่อนหน้าในเมืองและมอเตอร์เวย์อย่างละ 1 mpg และ 2 mpg ในรุ่นขับเคลื่อน 4x4 เวลา 0-60 mph เร็วขึ้น 0.2 วินาที ในรุ่นปีเดียวกัน เวอร์ชันแทรกเตอร์มีกำลัง 375 hp แรงบิด 470 lb-ft และความสามารถลากจูง 12,200 ปอนด์ ภาพที่คล้ายกันนี้ก็มีอยู่ในกลุ่มรถซีดานเช่นกัน การเปลี่ยนจากเกียร์ 8 สปีดเป็น 9 สปีดใน Chevrolet Malibu ปี 2017 เพิ่มประสิทธิภาพเชื้อเพลิงขึ้นประมาณ 3%

ข้อมูลที่ ZF เผยแพร่ในปี 2012 แสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนเกียร์กับการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอาจดราม่าได้แค่ไหน: เกียร์อัตโนมัติ 8 สปีดให้การปรับปรุง 21-24% เมื่อเทียบกับเกียร์อัตโนมัติ 3 สปีด เมื่อเทียบกับเกียร์ 6 สปีด ประหยัดได้ประมาณ 11% และเมื่อเทียบกับเกียร์ 5 สปีด ประหยัดได้ 14% ส่วน ZF 9 สปีดตั้งเป้าการปรับปรุงสูงถึง 16% เมื่อเทียบกับเกียร์ 6 สปีด ค่าที่ระบุในเอกสารเทคนิคของ ZF 8HP ก็ชี้ไปในทิศทางเดียวกัน: สิ้นเปลืองน้อยกว่าเกียร์ 6 สปีดรุ่น 6HP ถึง 12% และน้อยกว่าเกียร์ 5 สปีดถึง 14% มองในมุมของวิศวกร ตัวเลขเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เป็นคณิตศาสตร์โดยตรงของขั้นตอนอัตราทดเกียร์

ราคาที่ต้องจ่ายของหลายเกียร์: ความซับซ้อน น้ำหนัก และต้นทุน

เกียร์ที่เพิ่มขึ้นแต่ละตัวหมายถึงชุดคลัตช์เพิ่มเติม ชุดวาล์วบอดีที่ซับซ้อนขึ้น และการควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ที่มากขึ้น ชิ้นส่วนเคลื่อนที่ที่มากขึ้น ย่อมนำมาซึ่งศักยภาพของปัญหาทางกลไกที่มากขึ้นตามไปด้วย และชุดเกียร์ที่มีราคาแพงขึ้น GM ลงทุน 323 ล้านดอลลาร์ในโรงงานผลิตเกียร์หลายสปีดที่เมืองโรมูลัส รัฐมิชิแกน ตัวเลขนี้คือมาตรวัดว่าการผลิตเกียร์อัตโนมัติหลายสปีดต้องการการลงทุนอุตสาหกรรมที่จริงจังเพียงใด

น้ำหนักก็อยู่ในจุดศูนย์กลางของการถกเถียงนี้เช่นกัน มุมมองเชิงวิพากษ์มีดังนี้: น้ำหนักเป็นศัตรูของสมรรถนะ ผู้ผลิตควรแสวงหาวิธีลดน้ำหนักยานพาหนะแทนการเพิ่มจำนวนเกียร์ คำวิจารณ์นี้ก็ไม่ได้ไร้เหตุผล เพราะผลประโยชน์แต่ละอย่างล้วนต้องแลกมาด้วยความซับซ้อนทางกลไก ในทางกลับกัน ผลตอบแทนที่ลดลงก็เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้: แม้ยังจะเห็นประโยชน์ได้เกินกว่า 8 และ 9 สปีด แต่เมื่อก้าวไปสู่เกียร์ 11-12 สปีด ผลตอบแทนที่ลดลงจะเริ่มส่งผลให้เกิดปัญหาด้านโครงสร้าง ทีมวิศวกรรมของ Ford และ GM มองว่าเกียร์ 10 สปีดเป็นจุดที่เหมาะสมที่สุดของเส้นโค้งประโยชน์นี้

และยังมีประเด็นเรื่องความต่อเนื่องอีกด้วย เกียร์ 10 สปีดไม่ใช่ทางแก้ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับทุกยานพาหนะ; มีความเชื่อว่าเกียร์ 6 สปีดจะยังคงถูกใช้งานต่อไปอีกนานในตลาดระดับภูมิภาค ฝั่งของ GM คำนวณว่าเกียร์ 9 สปีดสำหรับรุ่นขับเคลื่อนล้อหน้าจะสามารถรองรับตลาดเกียร์ทดสูงระดับพรีเมียมได้พร้อมกัน และเน้นย้ำว่าเกียร์ทั้งสองแบบถูกออกแบบมาให้เป็นหน่วยที่มีความสะอาดตลอดอายุการใช้งานและไม่ต้องบำรุงรักษา

8 สปีด หรือ 10 สปีด? ทางเลือกอื่นของการกระจายอัตราทด

เกียร์ 10 สปีดไม่ใช่มุมมองเดียวในการแข่งขันนี้ สำนักของ ZF สนับสนุนเกียร์ 8 สปีดที่มีช่วงอัตราทดกว้างกว่าแทนการใช้ช่วงเกียร์ที่แคบ โดย 8HP ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหน่วยที่เร็วและละเอียดพอที่จะรองรับทั้งรถสปอร์ตและรถซีดานหรู การเปรียบเทียบเชิงปฏิบัติยืนยันสิ่งนี้: ในการเปรียบเทียบเกียร์ 8 สปีดกับเกียร์ 10 สปีดที่ทำบนรุ่นปี 2020 Chevrolet Silverado Z71 ไม่พบข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของเกียร์ 10 สปีดเมื่อเทียบกับเกียร์ 8 สปีด; ช่วงอัตราทดที่กว้างของ ZF ทำหน้าที่ของมันได้ดีแล้ว

บทเรียนจากเรื่องนี้คือ สิ่งที่สำคัญไม่ใช่จำนวนเกียร์ในตัวมันเอง แต่คือช่วงอัตราทดและความละเอียดของช่วงเกียร์ เกียร์ 10 สปีดโดดเด่นในฐานะตัวเลือกที่แข็งแกร่งโดยเฉพาะในสถานการณ์ลากจูงและขนส่งน้ำหนักหนัก; สำหรับยานพาหนะเบาและการใช้งานประจำวัน เกียร์ 6-8 สปีดที่ปรับแต่งมาอย่างดีมักเพียงพอแล้ว "ยิ่งเกียร์เยอะยิ่งดี" เป็นสูตรที่ใช้ได้ผลน้อยมากในโลกของวิศวกรรม

CVT และ DCT: ทางเลือกอื่นของจำนวนเกียร์

เกียร์อัตโนมัติหลายสปีดไม่ใช่ทางเดียว CVT สามารถเสนออัตราทดได้ไม่จำกัดด้วยระบบสายพานและรอก ทำให้เครื่องยนต์ทำงานอยู่ในจุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดโดยไม่ต้องเปลี่ยนเกียร์เลย; ในกรณีส่วนใหญ่ให้เศรษฐศาสตร์เชื้อเพลิงที่ดีกว่าเกียร์อัตโนมัติทั่วไป แลกกับสิ่งนั้น ลักษณะการขับขี่ที่มาจากโครงสร้างสายพาน-รอกไม่เป็นที่ถูกใจของทุกคน และคำถามเรื่องความทนทานในการใช้งานแรงบิดสูงก็เกิดขึ้น เกียร์คลัตช์คู่ (DCT) เสนอทางเลือกที่ใช้ได้ไม่เฉพาะสำหรับรถที่เน้นสมรรถนะเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรุ่นที่ต้องการสร้างสมดุลระหว่างความเร็วกับประสิทธิภาพด้วย

จุดเปลี่ยนที่น่าสนใจคือความได้เปรียบในอดีตของเกียร์อัตโนมัติเมื่อเทียบกับเกียร์ธรรมดา: ตั้งแต่ปีรุ่น 2016 เป็นต้นมา เกียร์อัตโนมัติได้แซงหรืออย่างน้อยก็เท่าเทียมกับเกียร์ธรรมดาในด้านประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ในขณะที่สมมติฐาน "เกียร์ธรรมดากินน้ำมันน้อยกว่า" ยังคงใช้ได้ในเกือบทุกชั้นเมื่อสิบปีก่อน ช่วงอัตราทดที่ละเอียดของเกียร์อัตโนมัติหลายสปีดได้พลิกสมการนี้ให้ตรงกันข้าม เป้าหมายที่แท้จริงของสงครามจำนวนเกียร์ไม่ใช่สมรรถนะ แต่เป็นประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง; เป็นที่ชัดเจนว่ามาตรฐานเศรษฐศาสตร์เชื้อเพลิงเฉลี่ยขององค์กร (CAFE) ในสหรัฐอเมริกาเป็นแรงขับเคลื่อนของแนวโน้มนี้ ส่วนการเพิ่มขึ้นของสมรรถนะมาพร้อมกันในฐานะผลพลอยได้จากเกียร์หนึ่งที่สั้นและการเข้าเกียร์ที่รวดเร็ว

ทำไมรถยนต์ไฟฟ้าจึงไม่นับเกียร์?

มอเตอร์ไฟฟ้ามีคุณสมบัติที่ทำให้ข้อโต้แย้งทั้งหมดนี้ไร้ความหมาย: มันผลิตแรงบิดได้แทบต่อเนื่องตั้งแต่ศูนย์จนถึงรอบสูงสุด ไม่จำเป็นต้องมองหาช่วงรอบการทำงานที่มีประสิทธิภาพซึ่งแคบ; มอเตอร์ให้ลักษณะเกือบเหมือนกันในทุกช่วงรอบ ด้วยเหตุนี้ยานยนต์ไฟฟ้าจึงใช้เกียร์ความเร็วเดียวก็เพียงพอ จำนวนเกียร์ที่มากขึ้นคือทางแก้ของช่วงการทำงานที่แคบของเครื่องยนต์สันดาปภายใน; เมื่อช่วงการทำงานที่แคบหายไป ความจำเป็นในการเพิ่มอัตราทดก็หายไปด้วย การเปรียบเทียบกับคานงัดก็ให้แสงสว่าง: ในจักรยานที่มีแป้นpedal พลังของมนุษย์ผลิตในช่วงแรงที่แคบมาก จึงต้องใช้เกียร์ 18 สปีดหรือมากกว่า; ในรถบรรทุกก็อาจมีเกียร์ 18 สปีดเนื่องจากต้องรับน้ำหนักบรรทุกหนัก จำนวนเกียร์ช่วยปิดช่องว่างระหว่างลักษณะของเครื่องยนต์กับภารกิจของยานพาหนะ

กี่เกียร์ถึงจะเพียงพอ? อัตราส่วนที่ถูกต้องของผลตอบแทนที่ลดลง

แล้วจำนวนที่เหมาะสมคือเท่าไร? ไม่มีคำตอบที่ชัดเจนและวัดได้ แต่ขอบเขตนั้นชัดเจน ในยานพาหนะที่ทรงพลังน้อยและน้ำหนักเบา เกียร์ 5 สปีดยังคงเพียงพอทั้งในแง่ต้นทุนการผลิตและศักยภาพด้านประสิทธิภาพของยานพาหนะ สำหรับรถบรรทุกหนัก เกียร์ 18 สปีดสมเหตุสมผล เพราะความต้องการอัตราทดระหว่างสภาพบรรทุกและไม่มีบรรทุกต่างกันมากมาย ในรถยนต์นั่ง เกียร์ 6-8 สปีดรองรับสถานการณ์ส่วนใหญ่ได้; ส่วนเกียร์ 10 สปีดมีความหมายในยานพาหนะเครื่องยนต์ใหญ่ที่มุ่งหมายการลากจูงเต็มประสิทธิภาพ การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว และการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่ำในการเดินทางไกลพร้อมกัน ฝ่ายผู้ผลิต Ford และ GM มองว่าเกียร์ 10 สปีดเป็นจุดที่ลงตัว ขณะที่ฝ่ายตรงข้ามเห็นว่าภาระด้านน้ำหนักและความซับซ้อนของเกียร์หลายสปีดนั้นไม่จำเป็น ทั้งสองฝ่ายถูกบางส่วน: คำตอบที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับภารกิจของยานพาหนะ และผลกำไรด้านเศรษฐกิจเชื้อเพลิงจะต้องชดเชยต้นทุนของเกียร์เพิ่มเติมแต่ละเกียร์ มิฉะนั้น จำนวนเกียร์จะกลายเป็นคุณสมบัติที่ดูดีในเอกสารแต่ต้องแลกมาด้วยราคาบนท้องถนน

แหล่งอ้างอิง

• 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