مقایسه قدرت و گشتاور در خودرو (قسمت دوم)

در بخش اول این مقاله به بررسی تفاوتهای اصولی بین مفاهیم قدرت و گشتاور پرداختیم. به خاطر بیاورید که علاوه بر مفاهیمی چون کار، توان و توان دورانی، تورک و تفاوت آن با کار را توصیف کردیم.

شتابگیری خودرو

با توجه به قانون دوم نیوتون شتاب یک جسم ارتباط مستقیمی با نیروی وارده به جسم و همچنین جرم جسم دارد:

newtons-second
برای اینکه شتابگیری حاصل شود، نیرو باید با سرعت برابر با سرعتی که خودرو در حال حرکت است وارد شود. نیرویی که در دوره‌ای مشخص از زمان اتفاق می‌افتد را توان می‌نامند. بنابراین شتاب نوعی نیرویی است که به اشیاء در حال حرکت وارد می‌شود و به‌وسیله توانی که در سرعت مشخص به جسم وارد شده مشخص می‌شود.

wheel-torque-accel

power-accel
نیروی حاصل از شتاب که تایر به جاده اعمال می‌کند از تورک بر سر چرخ‌ها نشات می‌گیرد. در پایین نیرو بر اساس تورک موتور که گذرنده از تمام سیستم انتقال است تقسیم بر شعاع چرخ محاسبه شده است:

accel-from-tq
اگر سرعت خودرو و توان موتور در لحظه‌ای مشخص باشند، نیرو حاصل از شتابگیری خودرو بدون داشتن نسبت دنده و قطر لاستیک و تورک موتور قابل محاسبه است. در پایین فرمول مربوطه آورده شده است:

accel-from-hp
محاسبه نیرو بر اساس تورک و توان هر دو پاسخ‌های برابری با هم دارند. به مثال زیر توجه فرمایید:

accel-from-both
یک مثال ساده:
برای شرح بیشتر تأثیر توان و تورک، سه موتور متفاوت را روی یک خودرو شبیه‌سازی می‌کنیم. سرعت خودرو برای هر کدام از سه آزمایش برابر است بنابراین تفاوت در بین نیروی حاصل از شتابگیری کاملاً مشهود است.

car-with-drivetrain
خودرو دارای تایرهای 24 اینچی است. تایرها دارای سرعت دورانی 500 دور بر دقیقه هستند، یعنی خود در حال حرکت با سرعت 35.7 مایل بر ساعت است. دنده‌ای که خودرو در آن قرار دارد دارای نسبت 2:1 است.

example-tire-detail
موتور آبی رنگ خودرو دارای سرعت دورانی 2000 دور بر دقیقه است و تورک 200 پوند-فوت و توان 76 اسب بخار تولید می‌کند. نسبت دنده‌ای که برای دنده آخر در نظر گرفته شده است 2:1 است که دور چرخ با شفت ورودی در این زمان قابل تطبیق شدن است. با در نظر گرفتن فرضیات فوق خودرو نیروی 800 پوندی به جاده وارد می‌کند.

enginecompare-blue
موتور سبز رنگ در دور 4000 دور بر دقیقه در حال کار کردن است و تورکی معادل 100 پوند-فوت و توانی معادل 76 اسب بخار تولید می‌کند. موتور سبز رنگ با دو برابر سرعت موتور آبی رنگ در حال دوران است ولی در عین حال دارای تورک یک دوم برابر است. نسبت دنده آخرین این خودرو 4:1 است. با فرضیات فوق خودرو نیروی 800 پوندی به جاده را وارد می‌کند که برابر با نیروی وارده به جاده توسط موتور آبی رنگ است.

enginecompare-green
موتور قرمز رنگ با دور 4000 دور بر دقیقه در حال دوران است که تورکی معادل با 200 پوند-فوت و توانی معادل با 152 اسب بخار تولید می‌کند. تورک این موتور مانند موتور آبی رنگ است و دور آن بیشتر از موتور سبز رنگ است. نسبت دنده انتخابی ما 4:1 است. با وجود چنین تنظیماتی خودرو نیرویی معادل با 1600 پوند به جاده وارد می‌کند که معادل با دو برابر موتورهای قبلی است.

enginecompare-red
از مقایسه بین سه مورد متفاوت فوق می‌توان نتیجه گرفت که پرقدرت‌ترین موتور، موتوری است که بیشترین نیرو رو به جاده وارد می‌کند. دو موتور دیگری که دارای قدرت یکسان است، نیرویی مشابه به جاده وارد می‌کنند. یعنی با وجود تورک‌ها و دورهای متفاوت نیرویی مشابه به جاده وارد می‌کنند. این موضوع نشان می‌دهد که توان موتور، صرف‌نظر از میزان تورک تولیدی یا دوری که موتور در حال کار کردن است، میزان نیروی شتاب دهنده (نیروی وارده به جاده) را تعیین می‌کند.

منحنی‌ها و محدوده‌های توان:
کارایی موتور خودرو معمولاً به‌وسیله ماکزیمم منحنی‌های توان قابل توصیف است. یک موتور خوب بیشترین میزان توان را تولید می‌کند و همچنین بیشترین میزان توان متوسط را هم دارد. نمودار توان بر حسب دور موتور را منحنی توان به طور معمول می‌نامند که حاوی اطلاعات مهمی از چگونگی عملکرد موتور در دورهای مختلف است.
برای یک موتور وجود توان متوسط پایین‌تر نسبت به موتور دیگر در عین حال بالاتر بودن بیشینه توان نسبت به موتور دیگر طبیعی است.

power curve example
منحنی‌های توان که در بالا نشان داده شده است یکی دارای 400 اسب بخار و دیگری دارای 375 اسب بخار است. در حالی که موتوری که 400 اسب بخار تولید می‌کند دارای بیشینه توان بیشتری است و موتوری که 375 اسب بخار تولید می‌کند دارای متوسط به مراتب بیشتری نسبت به موتور 400 اسب بخاری است. در اغلب موارد مخصوصاً در درگ های خیابانی موتور 375 اسب بخاری عملکرد بهتری به طور کلی از خود نشان می‌دهد.
محدوده توان خودرو به دو دسته باز و محدود تقسیم می‌شود که بر پایه و اساس یک سری از مشخصات و ویژگی‌های خاص هستند. این ویژگی‌ها در جدول زیر آورده شده است.

wider-narrower
مقایسه دو خودرو:

بیایید دو خودرو با دو موتور متفاوت را که دارای بیشینه توان برابر هستند را با هم مقایسه کنیم.
هر دو خودرو دارای وزن، سیستم انتقال قدرت و شعاع چرخ مشابه هستند در واقع تنها تفاوت این دو خودرو در موتور آن‌ها است. یکی از خودروها به موتور V8 با توان 500 اسب بخار مجهز شده است و دیگری یک موتور 4 سیلندر تورپوشارژ شده 500 اسب بخاری در اختیار دارد.
خودرویی که موتور V8 در اختیار دارد را موتور RedNeck و موتور چهار سیلندر را Ricer می‌نامیم. موتور V8 در دور 6000 دور بر دقیقه کار می‌کند و 400 پوند فوت تورک تولید می‌کند در حالی که موتور 4 سیلندر در دور 9000 دور بر دقیقه تنها مقداری کمتر از موتور قبلی تورک تولید می‌کند. برای ساده‌سازی ریاضیاتی موتور V8 دارای دو آرام 600 دور بر دقیقه و موتور 4 سیلندر دارای دور آرام 900 دور بر دقیقه است.
شکل زیر منحنی‌های توان دو موتور را نشان می‌دهد:

horsepower
هر دو موتور دارای بیشینه توان 500 اسب بخار هستند. موتور V8 توان 500 اسب بخار را در دور 5000 دور بر دقیقه و تورک 573 پوند فوتت را در دور 4250 دور بر دقیقه تولید می‌کند این در حالی است که موتور 4 سیلندر توان 500 اسب بخاری را در دور 8000 دور بر دقیقه و تورک 337 پوند فوت را در دور 7500 دور بر دقیقه توانایی تولید دارد.

ricer
به دلیل اینکه موتور V8 در دو آرام‌تری کار می‌کند، نیاز است تا تورک بیشتری نسبت به موتور 4 سیلندری تولید نماید تا به توان 500 اسب بخار برسد. به طور مشابه موتور 4 سیلندری لازم است تا دور سریع‌تری داشته باشد تا بتواند توان 500 اسب بخاری را تولید نماید. در نمودار پایینی مقایسه‌ای میان محدوده‌های توان دو موتور را نشان داده است:

powerband
به یاد داشته باشید که با توجه به اینکه دو موتور دارای مقدار مشابه بیشینه توان هستند، ولی موتور Redneck دارای 80 درصد محدوده توان گسترده‌تری است. این جزء مزایای قابل‌تحسین این موتور است. در میان دو خودرو آن خودرویی که دارای موتور V8 است سرعت بیشتری نسبت به موتور 4 سیلندری دارد چون موتور V8 دارای متوسط توان بیشتری در آن دور موتور خاص نسبت به دیگری است.

redneck
هر دو خودرو دارای وزن 3000 پوندی هستند که دارای 330 اسب بخار بیشینه توان به ازای هر تن وزن هستند. نسبت دنده آخر 3.55:1 برای موتور Redneck و 5.325:1 برای موتور Ricer است. موتور Ricer از نسبت دنده بالاتری بهره می‌برد چون باید با دور موتور بالاتری خود را سازگار نماید.

ricer
با وجود تمام داده‌های فوق، نمودار سرعت در برابر زمان برای هر دو کار در پایین رسم شده است. مهم است به خاطر داشته باشید که ضریب آئرودینامیکی، شرایط اولیه و دیگر افت توان‌ها صرف‌نظر شده است در این مقایسه.

redneck-rice-time
شتاب گیری در سرعت کم:
نتیجه بررسی بین دو موتور فوق نشان می‌دهد که موتور redneck دارای عملکرد بهتری در شتاب 0 تا 100 کیلومتر بر ساعت است. در سرعت‌های بالاتر از 100 کیلومتر بر ساعت Ricer بیشتر در محدوده توان خود در حال دوران است و هر دو موتور شتاب یکسانی دارند. در مسابقات درگ موتور Ricer در مسابقه قطعاً برنده نخواهد شد. بنابراین می‌توان گفت که خودرویی که برای سرعت‌های متفاوت‌تری هدف‌گذاری شده است باید محدوده توان گسترده‌تری را به خود بگیرد در حالی که خودروهایی که سرعت‌های خیلی متفاوتی را به خود تجربه نمی‌کنند نباید محدوده توان آن‌ها وسیع باشد.

نتیجه‌گیری:
برای اینکه خودروی شما شتابگیری خیلی سریعی داشته باشد، موتور باید توانایی داشته باشد تا نیروی بزرگ در آن سرعت خاص تولید کند. مقداری توان، که نیرویی که موتور می‌تواند (در آن سرعت خاص) تولید کند را مشخص کند. خواه می‌تواند سرعت پایین یا سرعت بالا باشد. مهم نیست که موتور در دورهای بالا توان یا تورک زیادی تولید می‌کند، چون چرخ‌دنده‌های زنجیره انتقال قدرت می‌تواند میزان تورک و دور را با میزان نسبت مناسب تنظیم کنند.

بیشینه توان ماشین را به فروش می‌رساند ولی مقداری متوسط توان بالا شما را برنده مسابقه می‌کند

همواره به یاد داشته باشید که میزان تورک و توان بیشینه می‌تواند یک ایده کاملاً کلی از عملکرد یک موتور را به شما بدهد ولی بهترین راه برای مقایسه خودروها مسابقه دادن آن‌هاست.!

درباره نویسنده

تصویر پروفایل علی طهوری

علی طهوری، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی خودرو، گرایش طراحی سیستم‌های دینامیکی خودرو دانشگاه علم و صنعت

20 دیدگاه

  1. تصویر پروفایل huayra
    huayra
    سوابق: (88 دیدگاه) ,

    ممنونم ب دبیر فیزیکم میگم توضیحش بده.ازش پرسیده بودم گشتاور چیه؟در رو باز و بسته کرد و گفت این گشتاوره.

    پاسخ
    1. احسان(احسان سابق)
      سوابق: (2211 دیدگاه) ,

      این یه وصله ناجور بود به نظام اموزشی!

      پاسخ
  2. bardia
    سوابق: (178 دیدگاه) ,

    کاملا” توضیح کاملی بود
    ولی باید بگم وقتی تورک موتور از یک حدی که میگذره دیگه ماشین چسبندگی لارم رو به جاده نخواهد داشت و برای همین امر هم عملا” نتیجه ی عکس میگیره

    برای همین امر شرکت های بزرگی مثل فراری و لامبورگینی ترجیح میدن تورک رو پایین تر نگه دارن ولی دور موتور رو بالا ببرن برای بالا بردن توان
    وقتی شرکتی مثل فراری میاد یه موتور تنفس طبیعی میزاره تا 9000 دور میچرخه تمام این نتایجی که شما گفتی فقط توی یک دنده صدق میکنه
    وقتی پای جعبه دنده دو کلاچه میاد وسط,اینقدر سریع دنده ها عوض میشه که ماشین رو روی حداکثر گشتاور نگه میداره و نمیزاره این قضایا پیش بیاد
    بخاطر همینه که توی دور هیچ 560 اسبی ای حریف 458 نمیشه

    پاسخ
  3. تصویر پروفایل M Power///
    M Power///
    سوابق: (416 دیدگاه) ,

    خیلی طولانی بود من که حوصله خوندن شون نداشتم، اگه میشه به صورت خلاصه این مطلب رو برام بفرستید.

    پاسخ
  4. حمیدرضا
    سوابق: (7 دیدگاه) ,

    پس همینه که موتور ماشین چینی 110 اسب بخاره، وزنش کمتر از گل من هست، شتاب 0 تا صد من کمتر از 11 هست اون بالای 14
    بدبخت رفیقم چقد تعریف کرد از ماشینش، یه کورس گذاشتیم عکسش رفت تو آینه عقب گل پسر من
    خخخخخ

    پاسخ
  5. تصویر پروفایل صادق
    صادق
    سوابق: (2130 دیدگاه) ,

    بسیار ممنون

    خیلی آموزنده و البته پیچیده بود

    جالب اینجاس منی که به شدت از فیزیک نفرت دارم و بدترین ضربه های تحصیلی خودم رو از فیزیک خوردم، وقتی بحث به خودرو کشیده میشه با رغبت تمام اونو میخونم و در حد مطلوبی هم یادش میگیرم

    در کل خسته نباشی آقا علی

    پاسخ
  6. علی آقا
    سوابق: (129 دیدگاه) ,

    همیشه به دنبال فمیدن تفاوت و تاثیر این دو نیرو روی خودرو بودم و هستم!!!

    پاسخ
  7. Mohammad.S.F
    سوابق: (202 دیدگاه) ,

    ممنون آقای طهوری
    مطالبتون خیلی خوبن

    پاسخ
  8. هیوا
    سوابق: (23 دیدگاه) ,

    سلام آقای مهندس طهوری محور عقب خودرویی تو پیچ انحراف داشته باشه اگه بره معاینه فنی رو دستگاه تست بشه تشخیص بدن دوتا کمک عقب خرابن میتونه علت همین باشه؟

    پاسخ
  9. Ehsan
    سوابق: (2 دیدگاه) ,

    سلام دوستان، سوالي بود در خصوص حداكثر گشتاور توليدي ،ديدم برا بعضي ماشينا رو ٥٠٠٠ دور در ديقه زده بعضي ٦٠٠٠ يا بالاتر به حداكثر ميرسه ،در كدوم حالت بهتر و ايده آل تر هست ؟

    پاسخ
  10. مهدی
    سوابق: (1 دیدگاه) ,

    ((بیشینه توان ماشین را به فروش می‌رساند))
    این تیکه اش فوق العاده بود.

    پاسخ

دیدگاه شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفاً از نوشتن به‌صورت پینگلیش، اجتناب نمایید. نظرات حاوی توهین، عبارات غیراخلاقی، سیاسی، مطالب غیر مرتبط، اسپم، ترول و تبلیغاتی پذیرفته نمی‌شوند. برای تغییر آواتار خود می‌توانید از سایت گراواتار استفاده نمایید.