قدرت موتور و گشتاور خودرو چیست؟

به گزارش سایت خبری ساعد نیوز،همیشه در تبلیغ های خودروها قدرت موتور و گشتاور را به شکل یک عدد به شما نشان می دهند. عقل سلیم به ما می گوید هر چه عدد بزرگتر، موتور بهتر. اما واقعیت ماجرا چیست؟ اسب بخار بیشتر برای خودرو مزیت است یا گشتاور بالاتر؟ با ما همراه باشید تا این سوال احتمالا پرتکرار را پاسخ دهیم.

توان (که در موضوع خودروها به آن قدرت هم اطلاق می شود) در فیزیک، نرخ انجام کار است. در این تعریف به شکل قراردادی یک اسب بخار، توان لازم برای حرکت دادن ۵۵۰ پوند وزن به طول یک فوت و در مدت زمان یک ثانیه است.

قدرت موتور در واقع از همین جنس است و با دستگاهی به نام دینامومتر قابل اندازه گیری است. دینامومتر در واقع یک نیروی مضاعف و در خلاف جهت موتور به آن وارد می کند ( معمولا به شکل ترمزهایی که جلوی حرکت چرخ ها را می گیرد) و قدرت وارد شده از طرف موتور در برابر این نیرو سنجیده می شود. خروجی این دستگاه اندازه گیری در واقع گشتا ور موتور است. در یک خودرو گشتاو ر در سرعت های مختلف و در دور موتور های مختلف سنجیده می شود. این دو عدد (گشتاور و دور موتور) در یک فرمول(عدد گشتا ور به مرتبه عدد دورموتور، تقسیم بر ۵.۲۵۲ ) وارد می شوند و خروجی آنها برابر با قدرت موتور خواهد بود.

ما تلاش داریم در این مقاله تعریف نسبتاً جامعی از مفهوم قدرت و گشتاور را در اختیار شما عزیزان بگذاریم.

• گشتاور

فهمیدن نیرو در خط مستقیم آسان است. خودرویی را که بنزین تمام کرده است هل داده اید؟ برای حرکت کردن خودرو باید به آن نیرو وارد کنید. نیرو با واحد یا یکای نیوتون اندازه گیری می شود. برای فهمیدن نیوتون شما کافی است روی ترازو بروید. جرم خود را به کیلوگرم بخوانید (مثلاً ۸۰ کیلوگرم) و آن را در شتاب جاذبه زمین (۹.۸ متر بر مجذور ثانیه) ضرب کنید تا نیروی وزن شما به دست آید. جواب برابر با ۷۸۴.۸ نیوتون خواهد بود. (توضیح مترجم: در فیزیک متوسطه اول و دوم با مفهوم نیرو و وزن آشنا شده اید. وزن همان نیرویی است که به زمین وارد می شود و مقدار آن از حاصل ضرب جرم در شتاب جاذبه به دست می آید. شایان ذکر است واحد جرم کیلوگرم و واحد وزن نیوتون است. پس وزن از جنس نیرو می باشد.)

گشتاور اساساً اثر چرخشی نیرو می باشد. برای مثال یک آچار را در نظر بگیرید که یک متر طول دارد. اگر نیروی ۷۸۴.۸ نیوتونی به انتهای آن وارد شود (نیروی وزن همان فرد ۸۰ کیلویی)، پیچ گشتاور ۷۸۴.۸ نیوتون متری را تجربه خواهد کرد. (توضیح مترجم: گشتاور نیرو به دو عامل نیرو و فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش بستگی دارد. از آنجایی که واحد نیرو نیوتون و واحد فاصله همان متر است بنابراین واحد گشتاور برابر نیوتون متر خواهد بود. گشتاور با مقدار نیرو و فاصله نقطه اثر نیرو تا محور چرخش نسبت مستقیم دارد یعنی با افزایش مقدار آن دو فاکتور گشتاور بیشتر و با کاهش آن ها گشتاور کاهش می یابد.)

وقتی بحث پیشرانه های درون سوز باشد گشتاور خروجی در شفت خروجی (یا میل لنگ) پیشرانه اندازه گیری خواهد شد. این گشتاور نتیجه ی فشار داخل سیلندر در بالای پیستون است. این حرکت خطی توسط شاتون به چرخش تبدیل می شود. در یک داینو پیشرانه، ترمز به شفت خروجی متصل شده تا از آن برای ثابت نگه داشتن پیشرانه و سرعت استفاده شود. سپس گشتاور تولیدی با سلول لود ارتباطی به ترمز اندازه گیری می شود. منحنی گشتاور حداکثر پیشرانه می تواند با ترمزگیری پیشرانه در بازه های فزاینده پیشرانه از دور درجا گرفته تا حداکثر سرعت آن در حالت تخت گاز پیشرانه رسم شود.

• قدرت

زمانی که گشتاور را توضیح دادیم زمان را وارد مساله نکردیم. ما هرگز نپرسیدیم چقدر تولید می کشد تا درب بطری باز شود یا پیچ و مهره در چه زمانی باز/بسته شود. ارتباط بین گشتاور و قدرت در زمان است؛ بنابراین وقتی کرنومتر وارد میدان شود قدرت فاکتور مهمی خواهد بود (در واقع نسبت قدرت به وزن که یکی از فاکتورهای کلیدی شتاب گیری است). در بحث پیشرانه های درون سوز، زمان به سرعت پیشرانه یا سرعت چرخشی شفت خروجی اشاره دارد؛ بنابراین اگر گشتاور و سرعت پیشرانه در نقطه لود خاصی را بدانیم به راحتی می توانیم قدرت را به دست آوریم. قدرت به صورت مستقیم اندازه گیری نمی شود. این امر به ما کمک می کند تا به قدرت بجای نیرو به شکل انرژی نگاه کنیم. دلیل این است که یکای انرژی ژول و یکای قدرت هم ژول بر ثانیه است.

• محاسبات ساده

یک پیشرانه گشتاور ۴۲۶ نیوتون متری در دور ۸۴۰۰ در هر دقیقه تولید می کند. قدرت آن چقدر است؟

معادله به این صورت است: P = 2NπT/60

که در آن P همان قدرت (وات)، π عدد پی، N سرعت پیشرانه (دور بر دقیقه) و T گشتاور (نیوتون بر متر) می باشد. با جای دادن اعداد در معادله عدد ۳۷۴۷۳۰ وات یا همان ۳۷۵ کیلووات به دست می آید که برابر با حداکثر قدرت پیشرانه ۴ لیتری پورشه ۹۱۱ اسپیدستر است.

• چرخ دنده در برابر گشتاور و قدرت

گیربکس گاهی اوقات چند برابر کننده گشتاور خوانده می شود که خب دلایل خوبی هم برای این امر وجود دارد. اگر شما دوچرخه سوار باشید این موضوع را می دانید. با سنگین کردن دنده در سراشیبی، گشتاور درتوپی چرخ عقب چند برابر می شود. این موضوع با ابعاد دنده ها نیز هماهنگی دارد. اگر دوچرخه سوار قادر به تولید ۳۰۰ نیوتون متر در شفت پدال باشد و چرخ دنده ها نیز به گونه ای باشند که دنده جلو نصف ابعاد دنده عقب را داشته باشد، توپی چرخ عقب گشتاور ۶۰۰ نیوتون متری را تجربه خواهد کرد.

در گیربکس خودرو، نسبت دنده یک به راحتی می تواند سه به یک با نسبت دنده آخر بازهم سه به یک باشد. اگر حداکثر گشتاور پیشرانه ۲۰۰ نیوتون متر باشد، اکسل محرک گشتاور ۱۸۰۰ نیوتون متری را تجربه خواهد کرد (۲۰۰ N.m x 3 x 3 = 1 800 N.m). اگر نسبت دنده دوم دو به یک باشد گشتاور در زمان انتخاب این دنده به ۱۲۰۰ نیوتون متر کاهش خواهد یافت.

البته قدرت در زمان تعویض دنده ها چند برابر نشده و ثابت می ماند (صرف نظر از اتلاف معمول). فهم این موضوع راحت است زیرا زمانی که گشتاور از طریق دنده ها چند برابر می شود سرعت چرخشی به خاطر همان نسبت کاهش می یابد. بازهم دوچرخه سوار (با حداکثر قدرت تثبیت شده) درک خواهد کرد که پایین ترین دنده در دوچرخه سرعت این وسیله را به طور قابل توجهی کم می کند. این موضوع همچنین توضیح می دهد که چرا پیشرانه ۳۰ کیلوواتی (تنها ۱۵۰ نیوتون متر گشتاور تولید می کند) در تراکتور می تواند ریشه های درختان را از جا بکند. گشتاور می تواند از طریق دنده های بسیار سنگین چند برابر شود که نتیجه آن ایجاد نیروی کشنده ی زیاد خواهد بود؛ اما سرعت در چنین پیشرانه هایی بسیار کم خواهد بود زیرا قدرت ۳۰ کیلوواتی آن ثابت می ماند.

• گشتاور بنزینی در برابر دیزلی

همان گونه که گفته شد گشتاور تولیدی توسط پیشرانه درون سوز نتیجه فشارهای درون سیلندر است. پیشرانه های بنزینی ضربات محدودی دارند به این معنی که اگر فشارهای داخل سیلندر خیلی زیاد شود پیشرانه رویداد مضر احتراق خودکار را تجربه خواهد کرد که در آن سوخت بدون شروع جرقه و به صورت خود به خودی مشتعل می شود. از طرف دیگر، فشارهای درون سیلندر پیشرانه های دیزلی تنها توسط استحکام قطعات محدود می شود زیرا احتراق با استفاده از اشتعال فشرده سازی رخ می دهد. پیشرانه های بنزینی توربو فاصله با پیشرانه های توربودیزل را کم کرده اند اما یک پیشرانه دیزلی با حجم مشابه گشتاور بیشتری خواهد داشت.

دلیل اینکه چرا پیشرانه های بنزینی با حجم مشابه می توانند قدرت بیشتری تولید کنند به خاطر سرعت های بیشتری است که می توانند به آن دست یابند. سرعت پیشرانه های دیزلی به حدود ۵ هزار دور در دقیقه محدود شده که دلیل آن زمان موردنیاز برای تزریق سوخت و فرایند اشتعال فشرده سازی است. البته پیشرانه های بنزینی به راحتی می توانند از دور ۵ هزار در دقیقه بالا بروند. در ادامه مقایسه منحنی های قدرت و گشتاور دو پیشرانه تئوری با حجم مشابه را می بینید. یکی از پیشرانه ها از نوع دیزلی بوده و گشتاور ۴۰۰ نیوتون متری دارد اما حداکثر دور آن به ۵ هزار محدود شده است. پیشرانه دیگری از نوع بنزینی است و تنها ۳۰۰ نیوتون متر گشتاور تولید می کند اما تا حداکثر ۸ هزار دور می گیرد. واضح است که پیشرانه بنزینی قدرت بیشتری دارد (۲۵۱ کیلووات در برابر ۲۰۹ کیلووات) و می تواند پرشتاب تر ظاهر شود.

در پیشرانه دیزلی با شتاب گیری اولیه بالاتر راننده باید در دور ۵ هزار دنده دو را انتخاب کند درحالی که در پیشرانه بنزینی دنده یک می تواند تا دور ۸ هزار سرعت گرفته و دست برتر را داشته باشد.

• گشتاور پیشرانه الکتریکی

خودروهای الکتریکی این روزها کاملاً سر زبان ها هستند. این از نظر میزان گشتاور در دسترس خبر خوبی است. گشتاور در دسترس این خودروها قبلاً و در حالتی که پیشرانه سرعتی ندارد توسط نیروهای مغناطیسی تولید شده است؛ بنابراین در مقابل خودروهای درون سوز که نیازمند سرعت گرفتن برای تولید گشتاور هستند، حداکثر گشتاور خودروهای الکتریکی تقریباً از لحظه حرکت در دسترس است. منحنی گشتاور این خودروها نیز نشان دهنده ی چنین چیزی بوده و گشتاور تنها در سرعت های بالا افت می کند. بهترین جنبه پیشرانه های الکتریکی این است که تأخیری در ارائه گشتاور وجود ندارد. این امر می تواند خشنودی ماشین بازها را در پی داشته باشد.