クロスレシオトランスミッション

クロスレシオトランスミッションとは、ギア比の差が平均よりも小さい自動車用トランスミッションのことです。エンジンをパワーバンド内に維持するために、スポーツカーで最もよく使用されます。

概要

クロスレシオトランスミッションとは、同じ車種の別のトランスミッションと比較して説明されるトランスミッションです。この相対性は、単一のメーカーと車種に提供されるトランスミッションにのみ適用されます。つまり、ギア間のステップが通常のトランスミッションかクロスレシオトランスミッションかを決定する特定の閾値や業界標準は存在しません。あるメーカーがクロスレシオトランスミッションと呼んでいるものが、必ずしも他のメーカーの通常のマニュアルトランスミッションよりもギア比が近いとは限りません。

多くの場合、メーカーは、標準装備のトランスミッションの 1 つ以上の代替品を提供するときに「クローズ レシオ」という用語を使用します。たとえば、ポルシェが1967 年から 1971 年にかけて911用に以下にリストする 3 つのトランスミッションを提供したように、標準よりもクローズ レシオを提供するオプションのスポーティなトランスミッションです。

数学的には、トランスミッションの「近さ」は、ギア間の累積平均間隔、つまり幾何平均によって特徴付けることができます。これは、各ギア比の積の( n −1)乗根として定義され、ギア比の全範囲と（前進）速度の数に簡略化されます。

spacing¯≡(∏i=1n−1Ri+1Ri)1n−1=RnR1n−1=RhiRlon−1{\displaystyle {\overline {\mathrm {spacing} }}\equiv \left(\prod _{i=1}^{n-1}{\frac {R_{i+1}}{R_{i}}}\right)^{\frac {1}{n-1}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{n}}{R_{1}}}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{hi}}{R_{lo}}}}}

どこ

  • Rn=Rhi{\displaystyle R_{n}=R_{hi}}最高ギアのギア比です
  • R1=Rlo{\displaystyle R_{1}=R_{lo}}最低ギアのギア比です
  • n{\displaystyle n}（前進）ギア速度の合計数

一般的に、ほとんどのトランスミッションは最高ギアと最低ギアの間の総変速範囲がほぼ同じであるため、トランスミッションのギア数が多いほど、ギア間の距離は近くなります。これは上記の式からも明らかです。ギア比が増加すると、平均間隔は増加します。無段変速機（CVT）は、最高ギア比と最低ギア比の間にほぼ無限のギア比を持ちます。つまり、CVTはギア比間のステップが極めて小さいということです。しかし、CVTは特定の（固定の）ギア比を持たないため、プログラムされていない限り、クロスレシオトランスミッションとは見なされません。 n{\displaystyle n}

エンジンパワーバンドの考慮

乗用車に搭載されている内燃機関は、比較的広い範囲の回転数で作動することができます。ガソリンエンジンの場合、アイドリングからレッドラインまではおよそ700～6500回転/分以上ですが、燃費、トルク、出力を考慮した最適なエンジン回転数範囲であるパワーバンドは通常これより狭くなります。 [ 1 ]自動車のトランスミッションは、広範囲の法定速度で車両を走行させながら、エンジン回転数をパワーバンド内に維持するために使用されます。

加速中、車速が上昇し、エンジン回転数が最大出力を発揮できる回転数を超えると、ドライバーまたはトランスミッションはより高いギア（数値的に低いギア比）にシフトします。これによりエンジン回転数が低下し、最適なパワーバンドに維持され、加速を継続できます。次に高いギア比が前のギア比よりも大幅に低い場合、シフトアップによってエンジン回転数が過度に低下し、エンジン回転数が「パワーバンド」から外れる可能性があります。最大加速を得るには、自動車のエンジン回転数をこのパワーバンド内に維持する必要があります。ワイドギア比トランスミッションでは、エンジンはより広い範囲のエンジン回転数で動作する必要がありますが、シフト操作が少なくなり、より広い範囲の出力（車両）速度が可能になります。

高性能エンジンは、通常、さらに狭い作動速度域で最大出力を発揮するように調整されています。クロスレシオ型トランスミッションは、エンジンをこの比較的狭い作動速度域に維持できるように設計されており、一般的にスポーツカーに搭載されています。スポーツカーでは、ドライバーはエンジンをパワーバンド内に維持するために頻繁にシフトチェンジを行う必要があるからです。

例（ポルシェ911）

ポルシェ911の5速マニュアルトランスミッションの3つの比率（1967-1971）[ 2 ]
ギヤ 比率
標準（901/75） ヒルクライム（901/76） ニュルブルクリンク（901/79）
価値ステップ 価値ステップ 価値ステップ
1位 2.643 該当なし2.833 該当なし2.643 該当なし
2位 1.778 67% 2.000 71% 1.600 61%
3位 1.318 74% 1.550 78% 1.318 82%
4番目 1.000 76% 1.318 85% 1.080 82%
5番目 0.821 82% 1.217 92% 0.926 86%
平均歩数 74.7% 81% 76.9%
全体的な変化 0.31 0.43 0.35

この表は、1967年から1971年にかけてポルシェ911に搭載された3種類のトランスミッションのギア比を比較したものです。1つ目は標準の901/75トランスミッション、2つ目は「ヒルクライム用」と表記された901/76トランスミッション、3つ目は「ニュルブルクリンク用」と表記された901/79トランスミッションです。ギア比間のステップも示しています。例えば、901/76トランスミッションの3速から4速へのギア比は85%です。これは、同等の車速において、4速のエンジン回転数が3速の85%であることを意味します。

ここで説明する標準的なポルシェトランスミッション (901/75) の場合、各連続ギアの比率は平均して前のギアの比率の 75% になります。

(0.8212.643)14=0.747{\displaystyle \left({\frac {0.821}{2.643}}\right)^{\frac {1}{4}}=0.747}

同様の計算によると、ヒルクライムトランスミッションのギア比は平均して前のギアの81%であり、ニュルブルクリンクトランスミッションのギア比は前のギアの77%です。つまり、ヒルクライムトランスミッションのギア比は、標準のトランスミッションやニュルブルクリンクトランスミッションよりも前のギア比に「近い」ため、クロスレシオトランスミッションとなります。

ニュルブルクリンク トランスミッションの 1 速から 2 速へのステップは、3 つのトランスミッションの中で単一の変化としては最大ですが、2 速から 5 速への連続的なステップ変化は比較的小さいことに注意してください。このトランスミッションは、停止状態からの加速ではなく、持続的な高速操作を目的としています。

パワーバンド

1969年式ポルシェ911S

1967年型ポルシェ911Sには、2.0L水平対向6気筒エンジンが搭載され、毎分6,600回転で160馬力（120kW）、毎分5,200回転で179N⋅m（132lbf⋅ft）のトルクを発生しました。[ 3 ]上記の標準トランスミッションギア比を使用すると、ドライバーが毎分6,600回転で2速から3速にシフトすると、エンジン回転数は毎分4,890回転（6,600 × 1.32 / 1.78）に低下します。この場合、3速にシフトアップすると、エンジン回転数は最大トルクが発生する回転数をわずかに下回ります。上記のヒルクライムの例のようなクロスレシオギアボックスを使用すると、3速にシフトするとエンジン速度が 5120/分 (6600 × 1.55 / 2.00) に低下し、これはエンジンの最大トルク出力とほぼ一致します。

同様に、上記のニュルブルクリンク仕様のギアセットも標準ギアセットよりも数値的にわずかに近く、スポーツ用途に適しています。ただし、ニュルブルクリンク仕様はヒルクライム仕様のギアボックスよりも5速ギア比が「高く」（数値的に低く）なっているため、この高速レーシングサーキットに必要な高い最高速度を実現しています。

数値的に低い 5 速ギアを備えた標準ギアセットでは、高速道路でのエンジン回転数がさらに低くなるため、エンジン騒音と燃料消費量が削減されますが、超高速での加速性能は低下します。

歴史的進化

マンシーとボルグワーナーの4速マニュアルトランスミッションの比率
ギヤ マンシー[ 4 ]ボルグワーナースーパーT-10 [ 5 ] [ 6 ]
M20 （1963～1965年） M20 （1966～1974年） M21とM22 （1974～1977年） （1977～1979年） （1979–81） （1980～1982年）
比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ
1位 2.56該当なし2.52該当なし2.20該当なし2.43該当なし2.64該当なし2.88該当なし3.42該当なし
2位 1.9175% 1.8875% 1.6475% 1.6166% 1.7566% 1.9166% 2.2867%
3位 1.4877% 1.4678% 1.2878% 1.2376% 1.3477% 1.3370% 1.4664%
4番目 1.0068% 1.0068% 1.0078% 1.0081% 1.0075% 1.0075% 1.0068%
平均歩数 73.1% 73.5% 76.9% 74.4% 72.4% 70.3% 66.4%
全体 0.39 0.4 0.45 0.41 0.38 0.35 0.29

1960年代、マニュアルトランスミッションを搭載した車は、通常、前進4速と最上段のギア比が1:1でした。ワイドレシオとクローズレシオの指定は、最低ギア比に影響を与えました。[ 7 ]例えば、ゼネラルモーターズの高性能車に搭載されていた4速マンシートランスミッションには、1速ギア比が2.52または2.56:1のM20「ワイドレシオ」トランスミッションと、1速ギア比が2.20:1のM21およびM22「クローズレシオ」トランスミッションが含まれていました。[ 4 ]

当時は燃費効率が最重要視されておらず、「クロスレシオ」トランスミッションは、比較的高い最低ギア比を補うために、一般的に3.5:1以上の低いファイナルドライブ比と組み合わせられており、その結果、燃料消費量が増加していました。1970年代の石油危機後、燃費向上のためファイナルドライブ比は3:1以下に低下しました。これに対応するため、自動車メーカーはギアボックスにさらに多くの前進速度を追加し始め、通常はオーバードライブの5速とさらに低い1速を組み合わせました。その結果、非常にワイドレシオのトランスミッションと見なされるようになりました。[ 7 ]「クロスレシオ」トランスミッションのギア比は2.64:1と低く、「ワイドレシオ」トランスミッションのギア比は3:1以上になりました。つまり、1970年代に製造された「クロスレシオ」トランスミッションは、1960年代の「ワイドレシオ」トランスミッションよりも広いギア比範囲を持つことが多かったのです。[ 7 ]

ギア比の追加

ホンダの3つのマニュアルトランスミッションの比率
ギヤ シビック（1978年）[ 8 ]NSX（1991年）[ 9 ]シビックタイプR（2019年）[ 10 ]
比率ステップ 比率ステップ 比率ステップ
1位 3.181該当なし3.071該当なし3.625該当なし
2位 1.82357% 1.72756% 2.11558%
3位 1.18165% 1.23071% 1.52972%
4番目 0.84672% 0.96779% 1.12574%
5番目 該当なし0.77180% 0.91181%
6番目 該当なし0.73581%
平均歩数 64.3% 70.8% 72.7%
全体 0.27 0.25 0.2

クロスレシオトランスミッションを実現する方法の一つは、最低ギア比と最高ギア比を変えずに、トランスミッションにギアを追加することです。この方法では、市販車に搭載されている6速トランスミッションの一部は「クロスレシオ」とラベル付けされています。ここでも、決定的な問題は1速とこの場合は6速との間のギア間隔です。例えば、ホンダ車に搭載されている3つのマニュアルトランスミッションを考えてみましょう。それぞれのギア比の変化は0.2から0.3ですが、ギア数は異なります。6速トランスミッションは4速トランスミッションよりもギア比が近いです。 RhiRlo{\displaystyle {\frac {R_{hi}}{R_{lo}}}}

6速トランスミッションが正当に「​​クロスレシオ」と呼べるかどうかは、同等の5速モデルと比較してトップギアのギア比が変わらないかどうか、つまり、低速ギアから高速ギアへのギア比の変化がギア間でより小さなステップ（つまり、より近いギア比）で起こるかどうかによって決まります。一方、一部の6速トランスミッションは、5速トランスミッションと実質的に同じギア比を持ち、さらに高い（数値的に低い）6速ギアを追加することで、高速道路でのエンジン回転数をさらに低く抑えています。この場合、5速と6速のギア比に応じて、トランスミッションは「ダブル」オーバードライブトランスミッションとみなされます。[ 11 ]

拡張すると、オートマチックトランスミッションはクロスレシオとも呼ばれます。6速、7速、そして8速オートマチックトランスミッションの登場により、ギア比はますます近づき、クロスレシオトランスミッションを構成する数学的概念に合致するようになりました。

無段変速機（CVT）

1970年代以前は、メーカーのマニュアルトランスミッションは一般的に3速または4速でした。燃費向上の要求に応えるため、メーカーは5速マニュアルトランスミッション、そして1990年代には6速マニュアルトランスミッションの提供を開始しました。同様に、ごく最近まで3速オートマチックトランスミッションが主流でしたが、現在では6速、7速、8速オートマチックトランスミッションも提供されています。

ギアの数を増やすことで変速比の間隔を狭めることで、車両のエンジン回転数を狭い範囲に抑えることができます。5速トランスミッションでは、パワーレンジを比較的広くする必要があり、エンジン効率を犠牲にする必要があります。8速トランスミッションでは、パワーレンジを比較的狭く抑えることができるため、エンジニアは特定のエンジン回転数でエンジン効率を最適化でき、トランスミッションはエンジンをその回転数で動作させ続けるように動作します。

(エンジンの負荷が最大になると、エンジン効率が大幅に向上します。そのため、オートマチックトランスミッションも、可能な限りエンジンの回転速度を下げるために、可能な場合はシフトアップして負荷と効率を高めます。)

最近導入された無段変速機（CVT）は、この戦略を論理的な結論へと押し進めようとしています。これにより、ほぼ無限の数のギア比が可能になり、これは無限にクロスレシオ化されたトランスミッションを意味します。しかし、ギアや特定のギア比が存在しないことから、このようなトランスミッションをクロスレシオ化することは現実的には考えられません。

参考文献

  1. ^ 「パワー vs. トルク」 x -engineer . 2024年4月10日閲覧。
  2. ^ 「901 5速トランスアクスルの仕様」 .ポルシェ・ギアボックス・スペシャリスト. 2024年4月9日閲覧。
  3. ^ 「Tested: 1967 Porsche 911 S」 . Car and Driver . 1970年1月. 2024年4月10日閲覧。
  4. ^ a b Smart, Jim (2018年8月7日). 「Muncie M20、M21、M22 4速トランスミッションガイド」 . Motor Trend . 2024年4月9日閲覧。
  5. ^ O'Clair, Jim (2018年9月23日). 「Borg-Warner T-10 Four-speed」 . Hemmings . 2024年4月10日閲覧。
  6. ^ 「Super T-10 Plus 4-Speed」（PDF） . リッチモンドギア. 2024年4月10日閲覧。
  7. ^ a b c Cangialosi, Paul (2001). 「Wide and Close Ratios Defined」 . 5speeds.com . 2024年4月9日閲覧。
  8. ^ 「ホンダ シビック」(PDF)ホンダUK Ltd. 1978年. 2024年4月10日閲覧。
  9. ^ 「1991 Acura NSX 仕様」（プレスリリース）American Honda Motor Co., Inc. 1990年6月3日. 2024年4月10日閲覧。
  10. ^ 「2019年式ホンダ シビック タイプR 仕様と特徴」（プレスリリース）。アメリカン・ホンダ・モーター・カンパニー、2018年11月1日。 2024年4月10日閲覧。
  11. ^ギアボックスにおける「オーバードライブ」とは、技術的には出力軸が入力軸よりも速く回転すること、つまり「オーバードライブ」されることと定義されます。したがって、真のオーバードライブギア比は1:1未満でなければなりません。5速と6速の両方のギア比が1.00:1未満の場合、両方ともオーバードライブです。上記のBMWトランスミッションシリーズには「5速オーバードライブ」トランスミッションが搭載されています。オプションのクロスレシオトランスミッションにはオーバードライブ5速ギアが搭載されていません。ドライブトレイン全体における「オーバードライブ」はより複雑で、単純なギアボックスの定義を含め、複数の定義が用いられています。「オーバードライブ（機械工学）」を参照してください。
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