「同じエンジンなのに、ギアが違うと加速が変わるのはなぜ？」
「ローギアにすると加速が良くなる？」
「ハイギアにすれば最高速は伸びる？」
車の性能を考えるうえで重要になるのが「ギア比」です。
エンジンが発生した力は、そのままタイヤへ伝わっているわけではありません。
エンジンとタイヤの間にはトランスミッションがあり、ギアを使って回転数とトルクを変換しています。
そのため、まったく同じエンジンでもギア比が変われば、
加速の力強さ。
エンジン回転数。
各ギアで出せる速度。
高速巡航時の回転数。
燃費や静粛性。
といった車の性格が変わります。
今回は、ギア比とは何なのか、ローギアとハイギアでは何が違うのか、加速と最高速にどのような影響を与えるのかをわかりやすく解説します。
ギア比とは？
ギア比とは、入力側と出力側のギアの回転数の関係を表す数字です。
自動車では一般的に、
エンジン側が何回転したときに、トランスミッションの出力側が何回転するか
を示すものとして考えると分かりやすくなります。
例えば変速比が、
3.500
だったとします。
単純化すると、入力側が3.5回転する間に出力側が1回転するような関係です。
一方、
1.000
なら、入力側と出力側がほぼ同じ回転数になります。
変速比の数字が大きいほど、一般的には「ローギア側」。
数字が小さいほど「ハイギア側」と考えられます。
ここは言葉だけを見ると少し混乱しやすいポイントです。
「ローギア」はギア比の数字が小さいという意味ではありません。
一般的には、1速などの低い段数ほど変速比の数値は大きくなります。
なぜ1速は加速が強いのか？
車を発進させるときには通常1速を使います。
その理由は、1速ではエンジンのトルクを大きく増幅してタイヤへ伝えられるからです。
例えばエンジンが、
200N・m
のトルクを発生しているとします。
1速のギア比が、
3.5
だったとすると、トランスミッション通過後のトルクは単純計算で、
200 × 3.5 ＝ 700N・m
相当になります。
実際の車ではさらにファイナルギアが存在します。
仮に最終減速比が4.0なら、
200 × 3.5 × 4.0 ＝ 2,800N・m
となります。
実際には駆動系の損失があるため、この数字がそのままタイヤへ届くわけではありません。
しかし、
ギア比によってエンジンのトルクを大きく増幅できる
という基本原理は変わりません。
これが1速で力強く発進できる理由です。
では、なぜ1速のまま高速まで走れないのか？
トルクを大きく増幅できるなら、
「ずっと1速のまま走れば一番速いのでは？」
と思うかもしれません。
しかし、ギアにはトルクを増幅する代わりに、タイヤ側の回転数が低くなるという関係があります。
1速では、
エンジンはたくさん回る。
タイヤは比較的ゆっくり回る。
という関係になります。
そのため車速が上がると、すぐにエンジン回転数が上限へ近づきます。
そこで2速、3速、4速とギアを上げていきます。
ギアを上げるほどトルクの増幅率は小さくなりますが、同じエンジン回転数でもタイヤをより速く回せるようになります。
つまりトランスミッションは、
低速では回転数を犠牲にしてトルクを増やす。
高速ではトルクの増幅を小さくして車速を伸ばす。
という役割を持っています。
ローギアとは？
ローギアとは一般的に、変速比の数値が大きい側のギアです。
例えば、
1速 3.500
2速 2.100
3速 1.500
4速 1.100
5速 0.850
というトランスミッションがあったとします。
この場合、1速が最もロー側です。
ローギアには、
タイヤへ大きなトルクを伝えやすい。
加速力を得やすい。
坂道を上りやすい。
といった特徴があります。
その一方で、
同じ車速ならエンジン回転数が高くなりやすい。
一つのギアで出せる速度範囲が狭い。
という特徴もあります。
ハイギアとは？
反対にハイギアは、変速比の数値が小さい側です。
先ほどの例なら、
5速 0.850
などがハイ側になります。
ハイギアでは、
同じ車速でもエンジン回転数を低くできる。
一つのギアでより高い速度まで使える。
高速巡航時の静粛性や燃費に有利になる場合がある。
という特徴があります。
その反面、そのギアのままではタイヤへ伝わるトルクの増幅が小さくなるため、低速から強く加速したい場合には不利になります。
そのためAT車でも、アクセルを大きく踏むと自動的に低いギアへ変速します。
いわゆるキックダウンです。
ギア比が加速を変える仕組み
加速を考えるときに重要なのは、
エンジンが何N・m出しているか
だけではありません。
実際には、
エンジントルク × 変速比 × 最終減速比
によってタイヤ側へ伝わるトルクが大きく変わります。
例えば、同じ200N・mのエンジンで比較してみます。
1速が3.5なら、
200 × 3.5 ＝ 700
です。
一方、4速が1.0なら、
200 × 1.0 ＝ 200
です。
最終減速比を同じとすれば、1速の方がトランスミッションによるトルク増幅が大きくなります。
だから同じアクセル開度でも、
1速では強く加速する。
高いギアでは穏やかに加速する。
という違いが生まれます。
HondaもCIVIC TYPE Rの開発資料で、鋭い加速を得るため1〜3速をロー側へ設定した例を公開しています。
ファイナルギアとは？
ギア比を理解するときに忘れてはいけないのが「最終減速比」です。
英語ではFinal Drive Ratioなどと呼ばれます。
エンジンの力は、
エンジン。
トランスミッション。
ファイナルギア。
ドライブシャフト。
タイヤ。
という流れで伝わります。
そのため実際の総合的な減速比を考えるには、
トランスミッションの変速比 × 最終減速比
を見る必要があります。
例えば、
1速 3.5
最終減速比 4.0
なら、
3.5 × 4.0 ＝ 14.0
です。
一方、
1速 3.5
最終減速比 3.0
なら、
10.5
になります。
トランスミッションの1速がまったく同じでも、ファイナルギアが違えばタイヤへ伝わるトルクや、同じエンジン回転数での車速が変わります。
ファイナルをロー側にするとどうなる？
最終減速比の数値を大きくすると、一般的にはロー側になります。
例えば、
3.5から4.1
へ変更した場合です。
同じエンジントルク、同じトランスミッションなら、タイヤへ伝わるトルクをより大きくできます。
そのため、
発進加速が力強くなる。
各ギアでの加速が良くなる。
と感じる可能性があります。
その代わり、
同じ速度でのエンジン回転数が高くなる。
各ギアで到達できる速度が低くなる。
高速巡航時の回転数が上がる。
といった変化も生じます。
つまり、何か一つだけが良くなるわけではなく、必ずトレードオフがあります。
ハイギアにすると最高速は必ず伸びる？
ここは非常に誤解されやすいポイントです。
理論上、ハイギア化すると同じエンジン回転数でより高い車速を出せるようになります。
しかし、
ハイギアにすれば必ず実際の最高速度が上がる
わけではありません。
最高速度付近では大きな空気抵抗があります。
車速が上がるほど、それに打ち勝つための出力が必要になります。
ギア比を高くしすぎると、タイヤへ伝わる駆動力が小さくなり、
エンジンが最高回転数まで回り切れない。
空気抵抗に負けて速度がそれ以上伸びない。
ということがあります。
つまり、
ギア上の理論最高速度
と、
実際に車が到達できる最高速度
は同じとは限りません。
最高速は、
最高出力。
空気抵抗。
タイヤ。
ギア比。
エンジン回転数。
などのバランスで決まります。
「ローギア＝速い」「ハイギア＝遅い」でもない
ローギアは加速に有利ですが、すぐにエンジン回転数の上限へ到達します。
そこで変速が必要になります。
一方、適切なハイギアなら一つのギアを長く使うことができます。
つまり実際の加速では、
各ギアの加速力
だけでなく、
どこでシフトアップするか。
シフト後にエンジン回転数がどこへ落ちるか。
変速にどれだけ時間がかかるか。
という要素も重要です。
単純に1速だけをロー化すれば、車全体の加速タイムが必ず短縮されるわけではありません。
クロスレシオとは？
スポーツカーなどでよく聞く言葉に、
「クロスレシオ」
があります。
これは隣り合うギアの比率を比較的近づけた設定です。
例えば1速から2速へシフトアップしたときに、エンジン回転数が大きく落ちすぎないようにします。
エンジンには、
大きなトルクを出しやすい回転域。
大きな出力を出しやすい回転域。
があります。
シフトアップしてもその有効な回転域から外れにくくすることで、加速をつなぎやすくするのがクロスレシオの目的の一つです。
マツダもRX-8の6速ATについて、ギア比の設定範囲を拡大すると同時に各ギアの間隔を短くし、力強くスムーズな加速と高速走行時の静粛性・燃費を両立させる考え方を示しています。
ワイドレシオとは？
クロスレシオとは反対方向の考え方として、
「ワイドレシオ」
があります。
低いギアでは十分な駆動力を確保しながら、高いギアではエンジン回転数を低くするため、変速比の範囲を広く取ります。
例えば、
1速はかなりロー。
最上段はかなりハイ。
という構成です。
これによって、
発進時の力強さ。
高速巡航時の低回転化。
を両立しやすくなります。
最近の8速AT、9速AT、10速ATなど多段化されたトランスミッションでは、このような考え方を活用しやすくなっています。
なぜギアの段数が増えているのか？
昔は3速ATや4速ATも一般的でした。
現在では6速、8速、10速など多段化されたトランスミッションも見られます。
段数を増やすことで、
発進用のローギア。
加速用の中間ギア。
高速巡航用のハイギア。
をより細かく設定できます。
また、ギア間の回転数低下を小さくしながら、全体の変速比幅を広げることも可能になります。
つまり、
低速では力強く。
加速中はエンジンの有効な回転域を使い。
高速では低い回転数で巡航する。
という異なる要求を両立させやすくなります。
ギア比とエンジン回転数の関係
同じ速度で走っていても、使用するギアによってエンジン回転数は変わります。
例えば時速60kmで、
3速なら3,000rpm。
5速なら1,800rpm。
というような違いが生まれます。
実際の数字は車種によって異なりますが、基本的には高いギアほど同じ車速でのエンジン回転数を低くできます。
そのため高速道路では、高いギアを使って低いエンジン回転数で巡航します。
これは、
騒音を抑える。
燃料消費を抑える。
エンジン負荷を適切な範囲にする。
といった目的につながります。
マツダも、ハイ側のギア設定によって常用域のエンジン回転数を下げ、燃費や静粛性を向上させる考え方を技術資料で説明しています。
ただし「低回転ほど燃費が良い」とは限らない
ここも注意が必要です。
エンジン回転数を低くすれば、いつでも燃費が良くなるわけではありません。
高すぎるギアで低回転のまま強く加速しようとすると、エンジンへ大きな負荷がかかる場合があります。
燃費は、
回転数。
アクセル開度。
負荷。
燃焼効率。
車速。
などの組み合わせで変化します。
マツダも、ギア設定は駆動力だけでなく、エンジンのどの運転領域を使うかを左右する重要な要素だと説明しています。
したがって、
「とにかく一番高いギアに入れる」
ことが正しいわけではありません。
低速トルクが太いエンジンとギア比の関係
前の記事で解説した「低速トルク」も、ギア比と深く関係します。
低い回転数から十分なトルクが出るエンジンなら、比較的ハイ側のギアでも加速しやすくなります。
逆に、高回転まで回さないと大きなトルクや出力が出ないエンジンなら、加速時には低いギアを選び、回転数を上げる必要があります。
つまり車の加速感は、
エンジンのトルクカーブ
と、
ギア比
を組み合わせて考える必要があります。
同じ最大トルクでも、ギア比が違えばタイヤへ届く駆動力は変わります。
同じエンジンでもギア比で走りは変わる
仮に、同じエンジンを搭載した2台の車があるとします。
A車は加速重視のロー寄りのギア比。
B車は高速巡航重視のハイ寄りのギア比。
だった場合、エンジンの最高出力と最大トルクが同じでも走りの印象は変わります。
A車は、
アクセルを踏んだときに力強い。
回転数が上がりやすい。
変速回数が増える可能性がある。
という性格になります。
B車は、
加速は穏やか。
一つのギアで速度を伸ばしやすい。
高速巡航時の回転数を低くしやすい。
という性格になります。
これが、
カタログ上の馬力が同じでも実際に乗ると違って感じる
理由の一つです。
タイヤ径もギア比に関係する
実際に路面へ力を伝える最後の部分がタイヤです。
タイヤの外径が変われば、
同じエンジン回転数。
同じトランスミッション。
同じファイナルギア。
でも、1回転で進む距離が変わります。
タイヤ外径が大きくなれば、一回転で進む距離は長くなります。
そのため理論上はハイギア化に近い方向へ変化します。
反対に外径が小さくなれば、ローギア化に近い方向になります。
ただしタイヤサイズの変更は、
速度計。
車検・保安基準。
タイヤの荷重能力。
車体との干渉。
電子制御。
などにも関係するため、単純な加速性能だけで変更するものではありません。
CVTにはギア比がない？
CVTは「無段変速機」と呼ばれます。
一般的な多段ATやMTのように、
1速。
2速。
3速。
という固定されたギア比を切り替える方式とは異なり、変速比を連続的に変化させます。
HondaもCVTについて、2つのプーリーと金属ベルトの伝達径を変化させることで、車速やアクセル操作に応じて変速比を連続的に変える仕組みを説明しています。
つまりCVTにも、
ロー側の変速比。
ハイ側の変速比。
はあります。
ただし、その間を段階ではなく連続的に移動できるのが特徴です。
CVTが加速時にエンジン回転数を高くする理由
CVT車でアクセルを深く踏むと、
車速が上がる前にエンジン回転数が上がる
と感じることがあります。
これは故障とは限りません。
加速に必要な出力を得やすいエンジン回転数へ合わせながら、CVT側の変速比を連続的に変化させているためです。
固定ギアなら、
1速で加速。
2速へ変速して回転数低下。
再び回転数上昇。
という動きになります。
CVTでは、このギア間の段差をなくしてエンジンの適切な回転域を使いやすくできます。
ATではなぜ勝手にギアが変わる？
現代のATは、
車速。
アクセル開度。
エンジン回転数。
負荷。
運転モード。
などを見ながら変速します。
例えば高速巡航中にアクセルを深く踏むと、ATは高いギアから低いギアへ変速することがあります。
これは、
ハイギアのままではタイヤへの駆動力が不足する。
そこでロー側へ変速してトルクを増幅する。
という制御です。
逆に一定速度で巡航すると、高いギアを使ってエンジン回転数を下げます。
つまりATは、状況に応じて必要なギア比を自動的に選んでいます。
ギア比だけで車の速さは決まらない
ギア比は加速性能を左右する非常に重要な要素です。
しかし、
ローギアにすれば速くなる。
という単純な話ではありません。
実際の加速には、
エンジンの最高出力。
トルクカーブ。
車両重量。
ギア比。
ファイナルギア。
タイヤ径。
タイヤのグリップ。
駆動方式。
駆動損失。
空気抵抗。
変速時間。
など多くの要素が関係します。
ギア比は、
エンジンが持っている力を、どのようにタイヤへ使うか
を決める重要な要素と考えると分かりやすいでしょう。
パワーウェイトレシオだけでも分からない理由
前の記事で解説したパワーウェイトレシオも同じです。
例えば、
1,000kg・100PS。
1,500kg・150PS。
なら、どちらも10kg/PSです。
しかしギア比が違えば、各速度でタイヤへ伝わる駆動力も変わります。
そのため、
同じパワーウェイトレシオなら同じ加速
とは限りません。
パワーウェイトレシオは、
出力と重量のバランス。
ギア比は、
その出力をタイヤへどう変換するか。
を見る指標です。
この2つを組み合わせることで、車の加速性能をより深く理解できます。
カタログでギア比を見るときのポイント
車の諸元表に変速比が掲載されている場合は、次のように見ると分かりやすくなります。
まず1速の変速比を見ます。
数字が大きければ、発進時に大きなトルク増幅を得やすい設定です。
次に各段の間隔を見ます。
1速から2速、2速から3速へどの程度比率が変化するかを見ることで、クロス寄りかワイド寄りかをある程度判断できます。
さらに最上段を見ます。
0.8や0.7など1.0を下回るギアは、オーバードライブと呼ばれることがあります。
そして最後に最終減速比を確認します。
トランスミッションだけでなく、
変速比 × 最終減速比
で見ることが重要です。
ギア比を見ると車の設計思想が分かる
ギア比は単なる数字ではありません。
メーカーが、
発進加速を重視したのか。
中間加速を重視したのか。
高速巡航を重視したのか。
燃費を重視したのか。
スポーツ走行を重視したのか。
といった設計思想の一部が表れます。
HondaがCIVIC TYPE Rで、加速のために低い段をロー側へ、高速側の伸びを考えて高い段をハイ側へ設定した例は、ギア比によって車の性格を作り分けている分かりやすい例です。
ネクストサイエンスが考える「力の伝わり方」
車の走りを考えるとき、
エンジンが何馬力あるか。
最大トルクが何N・mあるか。
という数値だけでは十分ではありません。
エンジンで生まれた力は、
トランスミッション。
ファイナルギア。
駆動系。
タイヤ。
を通して初めて路面へ伝わります。
つまり重要なのは、
どれだけ力を作ったか
だけではなく、
その力をどのように伝えているか
です。
ギア比は、その力の伝わり方を大きく左右します。
さらに実際の走行フィーリングには、
アクセルレスポンス。
摩擦・駆動損失。
タイヤ。
車重。
なども関係します。
一つの最大値だけではなく、車全体のエネルギーの流れを見ることが、走りを理解するうえで重要です。
まとめ ギア比は「力」と「速度」を使い分ける仕組み
ギア比とは、エンジンの回転とタイヤ側の回転の関係を変えるための重要な要素です。
一般的には、
変速比の数字が大きいローギアでは、トルクを大きく増幅できるため加速に有利。
変速比の数字が小さいハイギアでは、同じエンジン回転数でより高い車速を得やすい。
という関係があります。
しかし、
ローギアなら必ず速い。
ハイギアなら必ず最高速が伸びる。
という単純なものではありません。
実際の車では、
エンジン出力。
トルクカーブ。
最終減速比。
車重。
タイヤ。
空気抵抗。
駆動損失。
などとのバランスが重要です。
ギア比とは、
エンジンが持っている力を、走行状況に応じて「力」と「速度」に変換する仕組み
と考えると分かりやすいでしょう。
次に車のカタログを見るときには、馬力や最大トルクだけでなく、
1速の変速比。
各段の間隔。
最上段の変速比。
最終減速比。
にも注目してみてください。
同じエンジンでも走りの性格が違う理由が、より具体的に見えてきます。