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。スポーツカーでは、エンジンをパワーバンド内に維持するためにクロスレシオトランスミッションが最もよく使用されます。

クロスレシオトランスミッションとは、同じ車両モデル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、単一のメーカーとモデル向け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しきい値や業界標準はありません。あるメーカーがクロスレシオトランスミッションと説明しているものが、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比率が近いとは限りません。

多くの場合、メーカーは、標準装備として装備されている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に提供した、以下にリストする 3 つのトランスミッションのように、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などです。

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、またはギアの幾何平均から特徴付けられます。これは、各ギア比の積の ( n −1) 乗根として定義され、ギア比の全体的な範囲と (前進) 速度の数に簡略化されます。

${\displaystyle {\overline {\mathrm {spacing} }}\equiv \left(\prod _{i=1}^{n-1}{\frac {R_{i+1}}{R_{i}}}\right)^{\frac {1}{n-1}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{n}}{R_{1}}}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{hi}}{R_{lo}}}}}$

どこ

• ${\displaystyle R_{n}=R_{hi}}$最高ギアのギア比です
• ${\displaystyle R_{1}=R_{lo}}$最低ギアのギア比です
• ${\displaystyle n}$（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では、最高ギアと最低ギアの間の総範囲はほぼ同じであるため、トランスミッションのギアの数が多いほど、ギア間の距離は近くなります。これは、上記の式から明らかです。 が増加すると、平均間隔は増加します。無段変速トランスミッション(CVT) では、最高ギア比と最低ギア比の間にほぼ無限の「数」のギア比があります。つまり、CVT ではギア比間のステップが極めて小さいということです。ただし、CVT は、そのようにプログラムされていない限り、特定の (固定の) ギア比を持たないため、クローズ レシオ トランスミッションとは見なされません。 ${\displaystyle n}$

乗用車に搭載されている内燃機関は、比較的広い範囲の速度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 RPM以上ですが、燃料消費量、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は狭くなります。 ^[1]自動車のトランスミッションは、幅広い法定速度で車両を運転しながら、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。

加速中に、車両の速度が上昇してエンジン回転数が最大出力を発揮する速度を超えると、ドライバーまたはトランスミッションはより高いギア (数値的に低い比率) にシフトします。これによりエンジン回転数が下がり、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比率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。最大加速のためには、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 レシオ 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て済み、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、さらに狭い範囲の動作速度で最大出力が得られるように調整されています。クロスレシオタイプのトランスミッションは、エンジンをこの比較的狭い範囲の動作速度に留めるように設計されており、通常はスポーツカーに搭載されています。スポーツカーでは、ドライバーが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楽しめることが期待されます。

この表は、1967 年から 1971 年にかけてポルシェ 911車両に提供された 3 つのトランスミッションの比率を比較したものです。1 番目は標準の 901/75 トランスミッション、2 番目は「ヒルクライム用」と表示された 901/76 トランスミッション、3 番目は「ニュルブルクリンク比率」と表示された 901/79 トランスミッションです。連続する比率間のステップが含まれています。たとえば、901/76 トランスミッションの 3 速から 4 速へのステップは 85% です。つまり、同等の車両速度では、4 速のエンジン速度は 3 速のエンジン速度の 85% になります。

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、各後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。

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

同様の計算により、ヒルクライムトランスミッションの連続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連続ギア比は前のギアの 77% です。したがって、ヒルクライムトランスミッションのギアは、標準または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との数値比が「近い」ため、クローズレシオトランスミッションになります。

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は単一の変化としては最大ですが、2 速から 5 速への連続したステップの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。

1967年型ポルシェ911Sには、6600/分で160馬力（120kW）、5200/分で179N⋅m（132lbf⋅ft）のトルクを発揮する2.0L水平対向6気筒エンジンが搭載されていました。 ^[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6600/分で2速から3速にシフトすると、エンジン回転数は4890/分（6600 × 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速度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、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 ギアセットも標準ギアセットより数値的にわずかに近く、スポーツ用途により便利です。ただし、ニュルブルクリンク仕様は、ヒルクライム ギアボックスより 5 速ギア比が「高い」(数値的に低い) ため、この高速レース サーキットに必要な最高速度を高くすることができます。

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。

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速とトップギアの1:1の比率を備えていた。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及ぼした。^[7]たとえば、ゼネラルモーターズの高性能車両に搭載された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があり、M21とM22「クローズレシオ」トランスミッションの1速ギア比は2.20:1であった。^[4]

当時は、燃費効率は主要な関心事ではなく、比較的高い最低ギア比を補うために「クローズレシオ」トランスミッションは一般的に 3.5:1 以上の低いファイナルドライブ比と組み合わされ、その結果、燃料消費率が高くなりました。1970 年代の石油危機の後、燃費を改善するためにファイナルドライブ比は 3:1 以下になり、これに対応するために、自動車メーカーはギアボックスに前進速度を追加し始めました。通常、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、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ものになりました。^[7]「クローズレシオ」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は 3:1 以上でした。つまり、1970 年代に製造された「クローズレシオ」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範囲のレシオを持つことが多かったのです。^[7]

クロスレシオトランスミッションを作成する方法の 1 つは、最低ギア比と最高ギア比を変更せずに、トランスミッションにギアをさらに取り付けることです。この方法では、一般の車両で利用できる一部の 6 速トランスミッションは「クロスレシオ」とラベル付けされています。ここでも、定義的な問題は、1 速とこの場合は 6 速の間のギアの全体的な間隔です。例として、ホンダ車に取り付けられた 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。それぞれの比率 ( ) の全体的な変化は 0.2 から 0.3 ですが、ギアの数は異なります。6 速​​トランスミッションの比率は 4 速トランスミッションよりも近くなります。 ${\displaystyle {\frac {R_{ハイ}}{R_{ロー}}}$

6速トランスミッションが正当に「​​クローズレシオ」と呼ばれるかどうかは、同等の5速モデルと比較してトップギアが変わらないかどうかによって決まり、その結果、低速ギアから高速ギアへの比率の変化がギア間でより小さなステップ（つまり、より近い比率）で起こるようになる。あるいは、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基本的に同じ比率を持ち、さらに高い（数値的に低い）6速ギアを追加して、高速道路でのエンジン速度をさらに低くする。この場合、トランスミッションは、5速と6速のギア比に応じて、 「ダブル」オーバードライブトランスミッションと見なされる。 ^[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、8 速オートマチック トランスミッションの登場により、比率はますます接近し、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を満たしています。

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。燃費を最大限に高めるという要件を満たすため、メーカーは 5 速マニュアル トランスミッションを提供し始め、1990 年代には 6 速マニュアル トランスミッションも提供しました。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標準でしたが、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が提供されています。

ギアの数を増やして許容される比率の間隔を狭めると、車両のエンジン速度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、そのためには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速度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速度で動作させ続けるように試みます。

(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数を下げようと、可能な限りシフトアップし、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にまで押し進めようとしています。これにより、ほぼ無限のギア比が可能になり、これは無限にクロスレシオのトランスミッションを意味します。ただし、ギアや特定のギア比が存在しないことを考えると、このようなトランスミッションをクロスレシオと見なすことはできません。