เกียร์อัตราทดแปรผัน

ชื่อที่ใช้เป็นหัวเรื่องยังไม่ครบถ้วนสมบูรณ์ครับ ถ้าจะให้ครบต้องเรียกว่า เกียร์อัตราทดแปรผันต่อเนื่อง หรือในชื่อภาษาอังกฤษว่า "CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION" พวกชอบแย้งยังสามารถแย้งได้นะครับว่าอะไรแปรผัน ? ถ้าจะให้ครบถ้วนน่าจะมีคำว่า RATIO หรืออัตราทดอยู่หน้าคำว่า "TRANSMISSION" ด้วย แต่ฝรั่งต้นคิดเขาละคำนี้ไว้ในฐานที่เข้าใจ ซึ่งก็สั้นและกระชับดี แต่ก็ยังออกเสียงถึง 12 พยางค์ เลยเรียกเฉพาะพยัญชนะหน้าของแต่ละคำ คือ CVT ก็เป็นอันรู้กันว่าเป็นเกียร์นี้ละ เกียร์แบบนี้วิศวกรของโรงงาน DAF ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ออกแบบมาใช้กับรถเก๋งขนาดเล็กเมื่อหลาย 10 ปีก่อน ผมไม่มีเวลาไปหาข้อมูลว่าปีไหนแน่ แต่ผู้ที่คิดค้นระบบถ่ายทอดกำลังแบบแปรผันอัตราทดต่อเนื่องนี้น่าจะใช้กับงานอื่นมาแล้วก่อน DAF จะใช้กับรถยนต์ หลักการทำงานนั้นง่ายมาก แต่ดูเผินๆ แล้วไม่น่าจะรับภาระหนักเชนเกียร์ของรถไหว นี่คือ สาเหตุที่นักประดิษฐ์ของแปลกใหม่ มักไม่ใช่วิศวกร เพราะวิศวกรทำงานอยู่กับ "ของจริง" เห็นจุดอ่อนและปัญหาต่างๆ ของอุปกรณ์มามาก พอเริ่มจะคิดประดิษฐ์อะไร ก็เห็นปัญหาที่จะตามมา และมักจะหมดกำลังใจไปก่อน ส่วนนักประดิษฐ์จะอยู่กับความคิด หรือแนวคิดแปลกใหม่แหวกแนว โดยไม่กลัวปัญหา เพราะยังไม่เคยรู้จักปัญหาเกิดขึ้นหรือ "เห็นแล้ว" ค่อยหาทางแก้ไขทีหลัง แต่บางรายก็มี 2 สิ่งนี้อยู่ในตัวเสร็จสรรพเป็นของแถม เช่น นักประดิษฐ์บางรายมีความถนัดเชิงช่างอยู่ด้วย หรือวิศวกรบางคนก็ชอบคิดประดิษฐ์สิ่งใหม่ๆ ด้วยเหมือนกัน อาจเป็นงานในอาชีพโดยตรง หรือเป็นงานอดิเรกก็ได้ เกียร์ CVT ส่งกำลังผ่านสายพานที่ทำจากเหล็กแผ่นเรียงซ้อนกัน รูปร่างเหมือนกับสายพานหน้าตัดรูปตัว วี (V-BELT) ที่เราใช้กันอยู่ในรถมาหลาย 10 ปีแล้วนั่นเอง กำลังจากเครื่องยนต์ถูกส่งโดยอาศัยแรงเสียดทานด้านข้างของสายพานเหล็กทั้ง 2 ข้าง โดยใช้จานทรงกรวยอัดประกับสายพานถ้าจานทรงกรวยปากอ้าห่างจากกัน สายพานก็จะจมลงไปลึก ถ้าจานชิดกัน ก็จะรีดสายพานออกมาอยู่ในขอบนอก เป็นวิธีปรับรัศมี หรือเส้นผ่านศูนย์กลางได้อย่างละเอียดต่อเนื่อง ทรงกรวยคู่ที่รับกำลังจากเครื่องยนต์ จะถูกควบคุมระยะหรือรัศมีของสายพาน ด้วยระบบไฮดรอลิคส์ผสมอีเลคทรอนิคส์ ตามความเร็วของรถและความลึกของคันเร่งที่เราเหยียบ ส่วนอีกฝั่งที่รับกำลังไปหมุนเพลาขับ ก็เป็นจานทรงกรวยแบบเดียวกัน ถูกอัดเข้าหากันตลอดเวลาด้วยแรงของสปริง วิธีนี้ทำให้สายพานตึงอยู่ตลอดเวลา ตอนออกรถ จานด้านขับจะแยกห่างจากกัน เพื่อให้ตัวขับมีรัศมีน้อย จานทรงกรวยคู่ที่ถูกขับ จะบีบรีดสายพานให้อยู่ที่ขอบนอกของจาน เปรียบได้กับการใช้ฟันเฟืองตัวขับขนาดเล็กและตัวถูกขับขนาดใหญ่ เครื่องยนต์จะหมุนมากในขณะที่ล้อหมุนน้อยอัตราทดในช่วงนี้จึงเปรียบได้กับเกียร์หนึ่ง เมื่อความเร็วของรถเพิ่มขึ้น เราต้องการอัตราทดที่ต่ำลงระบบควบคุมจะอัดจานทรงกรวยตัวขับให้ชิดกันกว่าเดิม สายพานจะถูกดันเพิ่มรัศมีออกห่างจากจุดศูนย์กลาง ซึ่งจะต้องใช้ความยาวของสายพานเพิ่มขึ้น สายพานจึงอัดจานทรงกรวยตัวตามหรือตัวถูกขับ ให้อ้าห่างกว่าเดิม พร้อมกับที่สายพาน "จม" ลึกลงกว่าเดิม และที่ความเร็วระดับหนึ่งซึ่งเหมาะแก่การใช้อัตราทดสูงสุด เพื่อประหยัดเชื้อเพลิง เช่น ที่ความเร็ว 70 กม./ชม. ระบบควบคุมจะบีบจานทรงกรวยด้านขับให้ชิดกันที่สุด เพื่อบีบรัดสายพานให้มาอยู่ที่ขอบนอก ในขณะที่กรวยด้านถูกขับ ก็ถูกสายพานรั้งให้อ้าห่างจากกันมากที่สุด ถ้าเทียบกับเกียร์ธรรมดา ก็คือ อัตราทดของเกียร์สุดท้าย เช่น เกียร์ 5 หรือ เกียร์ 6 นั่นเอง สายพานเหล็กที่ใช้กับเกียร์แบบนี้ ส่งกำลังด้วยวิธีที่ทุกคนนึกไม่ถึงครับ แทนที่จะส่งแรงดึงผ่านเส้นสายพานฝั่งที่เคลื่อนที่เข้าหาตัวขับ มันกลับทำงานโดยส่งแรงดันไปในด้านที่เคลื่อนที่ออกจากตัวขับจึงไม่ต้องมีข้อต่อแบบโซ่ของจักรยานหรือจักรยานยนต์ แต่ใช้เหล็กแผ่น ที่ผ่านการอบชุบเพิ่มความ แข็งของผิว เพื่อต้านการสึกหรอด้านข้าง ซึ่งก็คือสันของแต่ละแผ่นนั่นเอง แต่ถึงอย่างไรก็ยังต้องมีโครงสร้างที่รับแรงดึงได้ เพราะสายพานจะทำงานได้ ก็ต่อเมื่อถูกขึงให้ตึง จึงต้องใช้สารสังเคราะห์เป็นแถบยึดแผ่นเหล็กเหล่านี้ไว้ให้เรียงตัวกันเป็นแถว พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าเป็นแรงดัน ให้แผ่นเหล็กรับ ถ้าเป็นแรงดึงก็ใช้แถบสารสังเคราะห์นี้รับครับ เพื่อป้องกันความสึกหรอ ทั้งสายพานเหล็กและจานทรงกรวยจะถูกหล่อลื่นด้วยน้ำมันเกียร์ตลอดเวลาที่ทำงาน ถ้าเป็นเกียร์รุ่นที่ทันสมัย ออกรถได้นุ่มนวล ผู้ผลิตจะใช้ทอร์ค คอนเวอร์เตอร์ หรือ "คลัทช์น้ำมัน" แบบเดียวกับที่ใช้ในเกียร์อัตโนมัติแบบดั้งเดิม คั่นไว้ระหว่างเครื่องยนต์และเกียร์เมื่อรถมีความเร็วพอสมควร ระบบควบคุมจะส่งกำลังของเครื่องยนต์ไปยังจานทรงกรวยตัวขับโดยไม่ต่องผ่านทอร์ค คอนเวอร์เตอร์ให้สูญเสียพลังงาน เนื่องจากเราสามารถปรับระยะห่างของจานทรงกรวยได้ตามใจชอบ อัตราทดของเกียร์แบบนี้จึงไม่ขึ้นอยู่กับชุดของฟันเฟืองเหมือนกับเกียร์อัตโนมัติแบบอื่น หมายความว่า แทนที่จะมีจำนวน 5 หรือ 6 หรือ 7 เกียร์ CVT นี้จึงเป็นเกียร์อัตโนมัติที่มีจำนวนเกียร์นับไม่ถ้วน ซึ่งเป็นความใฝ่ฝันของวิศวกรรถยนต์มานานแล้ว ถ้ามีข้อมูลที่ดีจากการทดสอบ และมีการโพรแกรมให้ละเอียดเพียงพอ สัมพันธ์กับการถูกใช้งานในสภาวะต่างๆ เกียร์แบบนี้จะเป็นเกียร์ในอุดมคติ ไม่ว่าจะโดยเน้นสมรรถนะ หรือเน้นความประหยัดเชื้อเพลิง ลองนึกภาพรถเกียร์อัตโนมัติแบบดั้งเดิมที่เราต้องการขับให้มีอัตราเร่งสูงสุดตั้งแต่จอดอยู่นิ่งดูนะครับ สมมติให้รถนี้ใช้เครื่องยนต์ที่ให้กำลังสูงสุด 150 แรงม้า ที่ 5,800 รตน. เมื่อเราออกรถโดยเหยียบคันเร่งจนยันพื้น ระบบควบคุมจะเลือกเกียร์ 1 ให้ทำงานจนเครื่องยนต์หมุนประมาณ 5,800 รตน. (ไม่จำเป็นต้องตรงกับค่าที่ให้กำลังสูงสุดครับ) แล้วเปลี่ยนไปเกียร์ 2 ความเร็วของเครื่องยนต์อาจลดลงไปอยู่ที่ประมาณ 4,600 รตน. ช่วงนี้เราไม่ได้ใช้กำลังสูงสุดของเครื่องยนต์แล้ว เพราะจำเป็นต้องเปลี่ยนอัตราทด ทำให้เครื่องยนต์หมุนช้ากว่าความเร็วที่ให้กำลังสูงสุด แต่ถ้าเป็นเกียร์แบบ CVT ที่โพรแกรมมาอย่างดี ตอนออกรถระบบควบคุมจะเลือกอัตราทดสูงสุด คือ ตัวขับอ้ากว้างสุด อัตราทดอยู่ในระดับเดียวกับเกียร์ 1 ของห้องเกียร์แบบอื่นๆพอรถทำความเร็วจนเครื่องยนต์ในตัวอย่างหมุนเร็ว 5,800 รตน. ซึ่งให้กำลังสูงสุด ระบบควบคุมก็จะเริ่มเปลี่ยนอัตราทดแบบต่อเนื่องค่อยเป็นค่อยไป โดยปรับจานทรงกรวยตัวขับเข้าหากัน อัตราทดจะลดลงสัมพันธ์กับความเร็วของรถที่เพิ่มขึ้น โดยที่ความเร็วของเครื่องยนต์ยังคงที่อยู่ที่ 5,800 รตน. เพราะผู้ขับเหยียบคันเร่งไว้จนสุด วิธีนี้เราได้ใช้กำลังสูงสุดของเครื่องยนต์ตลอดเวลาครับ เป็นการเลือกอัตราทดได้เหมาะสมสุดยอดในอุดมคติตามทฤษฎี คราวนี้มาดูการทำงานของเกียร์ CVT เมื่อเราต้องการขับแบบประหยัดเชื้อเพลิงบ้าง เมื่อเราเหยียบคันเร่งไม่ลึกนักขณะออกรถและรักษาระยะที่เหยียบไว้ ช่วงแรกเครื่องยนต์จะส่งกำลังผ่านทอร์ค คอนเวอร์เตอร์ พอล้อรถหมุนเร็วพอสมควร และไม่ต้องการความช่วยเหลือจากทอร์ค คอนเวอร์เตอร์แล้วระบบต่อตรงส่งกำลังจากเครื่องยนต์ไปยังจานทรงกรวยตัวขับก็จะทำงาน จากนั้นระบบควบคุมจะลดระยะห่างของจานทรงกรวยคู่ที่เป็นตัวขับ เป็นการลดอัตราทดเพื่อเพิ่มความเร็วรถ โดยที่ความเร็วของเครื่องยนต์ค่อนข้างคงที่ ยกตัวอย่างเช่น ประมาณ 1,800 รตน. ความเร็วของรถจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเดียวกับที่อัตราทดของเกียร์ลดลงจนได้ความเร็วประมาณ 60-70 กม./ชม. ซึ่งเป็นความเร็วสูงสุดของการเหยียบคันเร่ง เท่านี้ของเราเยี่ยมไหมครับ ? มีของดีจริง แต่ลูกค้าไม่สามารถเข้าใจเหตุผลได้ ก็กลายเป็นปัญหาใหญ่ได้เหมือนกัน ลูกค้าที่ขับรถใช้เกียร์ CVT ที่มีโพรแกรมเลือกอัตราทดดีเยี่ยมในอุดมคติเหมือนในตัวอย่างทั้ง 2 นี้บอกว่าขับแล้วรู้สึกเหมือนขับรถที่เกียร์ หรือระบบขับเคลื่อน "มีปัญหา" ไม่ให้ความรู้สึกที่ดีเลยโดยเฉพาะตอนที่ขับด้วยความเร็วคงที่แล้วกดคันเร่งเพิ่ม เกียร์จะเลือกอัตราทดที่เหมาะ ทำให้ความเร็วเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นทันที แต่ความเร็วรถยังเท่าเดิม ให้ความรู้สึกเหมือนรถคลัทช์ลื่น ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะ เราเคยชินกันมาตั้งแต่หัดขับรถ บางคนก็หลายปี บางคนก็หลาย 10 ปีว่าเสียงเครื่องยนต์ และเข็มวัดความเร็วของเครื่องยนต์ มันจะเปลี่ยนไปพร้อมกับความเร็วของรถเสมอนั่นเอง ไม่มีทางที่จะทำให้ลูกค้าส่วนใหญ่เข้าใจหลักการทำงานและประโยชน์ของเกียร์แบบนี้ได้แน่ เดี๋ยวลูกค้าจะหลุดลอยไปอยู่ในมือคู่แข่ง ที่ไม่ใช้เกียร์แบบนี้และคอยโจมตีอยู่แล้ว ก็เลยต้องให้วิศวกรระบบขับเคลื่อน โพรแกรม CVT ให้มีจังหวะเทียมขึ้นมาให้รู้สึกคล้ายเกียร์อัตโนมัติแบบใช้ฟันเฟือง ซึ่งก็ทำง่ายมากครับ แค่ใช้คอมพิวเตอร์เลือกอัตราทดค่าต่างๆ ตายตัว ให้เหมาะกับความเร็วของรถ และความลึกของคันเร่งที่ถูกเยียบเช่น ตอนออกรถใช้อัตราทดสูงสุด จากนั้นแทนที่จะค่อยๆ เปลี่ยนอัตราทดต่อเนื่องระบบควบคุมก็จะบีบจานทรงกรวยมาที่ระยะหนึ่งอย่างรวดเร็ว เราก็จะได้ "เกียร์ 2 เทียม"แล้วพอทั้งความเร็วของรถและความเร็วของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นมาพอเหมาะระบบก็จะจัดอัตราทดของ "เกียร์ 3 เทียม" ให้อย่างรวดเร็ว ถึงตอนนี้คงหายงงนะครับ ว่ารถราคาไม่แพงบางรุ่น ทำไมถึงมีเกียร์อัตโนมัติที่มีหลายเกียร์นักเช่น 7 เกียร์ ก็คิดวิธีโพรแกรมง่ายๆ แบบนี้นี่เอง เอาสักติดเกียร์ก็ยังได้ครับ โมด (MODE) สปอร์ท ประหยัด ถนนแห้ง ถนนลื่น ให้เลือกมากเท่าใดก็ได้เหมือนกัน ส่วนเกียร์อัตโนมัติแบบใช้ฟันเฟือง และทอร์ค คอนเวอร์เตอร์ ที่มีจำนวนเกียร์จริง ตอนนี้ค่าสูงสุดอยู่ที่ 7 เกียร์เดินหน้าครับ เป็นของ เมร์เซเดส-เบนซ์ เริ่มใช้กับเครื่องยนต์ใหม่ขนาด 3,500 ซีซี เป็นรุ่นแรกน่าจะเป็นจำนวนสูงสุด และเพียงพอแล้ว คือ 6 เกียร์แรก สำหรับการใช้งานทุกสภาวะส่วนเกียร์ที่ 7 สำหรับการใช้ความเร็วเครื่องยนต์ต่ำสุด เพื่อประหยัดเชื้อเพลิง และลดเสียงเครื่องยนต์