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:

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.

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:

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:

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

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.

خودرو دارای تایرهای ۲۴ اینچی است. تایرها دارای سرعت دورانی ۵۰۰ دور بر دقیقه هستند، یعنی خود در حال حرکت با سرعت ۳۵.۷ مایل بر ساعت است. دنده‌ای که خودرو در آن قرار دارد دارای نسبت ۲:۱ است.

موتور آبی رنگ خودرو دارای سرعت دورانی ۲۰۰۰ دور بر دقیقه است و تورک ۲۰۰ پوند-فوت و توان ۷۶ اسب بخار تولید می‌کند. نسبت دنده‌ای که برای دنده آخر در نظر گرفته شده است ۲:۱ است که دور چرخ با شفت ورودی در این زمان قابل تطبیق شدن است. با در نظر گرفتن فرضیات فوق خودرو نیروی ۸۰۰ پوندی به جاده وارد می‌کند.

موتور سبز رنگ در دور ۴۰۰۰ دور بر دقیقه در حال کار کردن است و تورکی معادل ۱۰۰ پوند-فوت و توانی معادل ۷۶ 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 ۴:۱ است. با فرضیات فوق خودرو نیروی ۸۰۰ پوندی به جاده را وارد می‌کند که برابر با نیروی وارده به جاده توسط موتور آبی رنگ است.

موتور قرمز رنگ با دور ۴۰۰۰ دور بر دقیقه در حال دوران است که تورکی معادل با ۲۰۰ پوند-فوت و توانی معادل با ۱۵۲ 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 ۴:۱ است. با وجود چنین تنظیماتی خودرو نیرویی معادل با ۱۶۰۰ پوند به جاده وارد می‌کند که معادل با دو برابر موتورهای قبلی است.

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.

منحنی‌های توان که در بالا نشان داده شده است یکی دارای ۴۰۰ اسب بخار و دیگری دارای ۳۷۵ اسب بخار است. در حالی که موتوری که ۴۰۰ اسب بخار تولید می‌کند دارای بیشینه توان بیشتری است و موتوری که ۳۷۵ اسب بخار تولید می‌کند دارای متوسط به مراتب بیشتری نسبت به موتور ۴۰۰ اسب بخاری است. در اغلب موارد مخصوصاً در درگ های خیابانی موتور ۳۷۵ 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.

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 ۵۰۰ اسب بخار مجهز شده است و دیگری یک موتور ۴ سیلندر تورپوشارژ شده ۵۰۰ 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 ۶۰۰۰ دور بر دقیقه کار می‌کند و ۴۰۰ پوند فوت تورک تولید می‌کند در حالی که موتور ۴ سیلندر در دور ۹۰۰۰ دور بر دقیقه تنها مقداری کمتر از موتور قبلی تورک تولید می‌کند. برای ساده‌سازی ریاضیاتی موتور V8 دارای دو آرام ۶۰۰ دور بر دقیقه و موتور ۴ سیلندر دارای دور آرام ۹۰۰ دور بر دقیقه است.
شکل زیر منحنی‌های توان دو موتور را نشان می‌دهد:

هر دو موتور دارای بیشینه توان ۵۰۰ اسب بخار هستند. موتور V8 توان ۵۰۰ اسب بخار را در دور ۵۰۰۰ دور بر دقیقه و تورک ۵۷۳ پوند فوتت را در دور ۴۲۵۰ دور بر دقیقه تولید می‌کند این در حالی است که موتور ۴ سیلندر توان ۵۰۰ اسب بخاری را در دور ۸۰۰۰ دور بر دقیقه و تورک ۳۳۷ پوند فوت را در دور ۷۵۰۰ دور بر دقیقه توانایی تولید دارد.

به دلیل اینکه موتور V8 در دو آرام‌تری کار می‌کند، نیاز است تا تورک بیشتری نسبت به موتور ۴ سیلندری تولید نماید تا به توان ۵۰۰ اسب بخار برسد. به طور مشابه موتور ۴ سیلندری لازم است تا دور سریع‌تری داشته باشد تا بتواند توان ۵۰۰ اسب بخاری را تولید نماید. در نمودار پایینی مقایسه‌ای میان محدوده‌های توان دو موتور را نشان داده است:

به یاد داشته باشید که با توجه به اینکه دو موتور دارای مقدار مشابه بیشینه توان هستند، ولی موتور Redneck دارای ۸۰ 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 ۴ سیلندری دارد چون موتور V8 دارای متوسط توان بیشتری در آن دور موتور خاص نسبت به دیگری است.

هر دو خودرو دارای وزن ۳۰۰۰ پوندی هستند که دارای ۳۳۰ اسب بخار بیشینه توان به ازای هر تن وزن هستند. نسبت دنده آخر ۳.۵۵:۱ برای موتور Redneck و ۵.۳۲۵:۱ برای موتور Ricer است. موتور Ricer از نسبت دنده بالاتری بهره می‌برد چون باید با دور موتور بالاتری خود را سازگار نماید.

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.

شتاب گیری در سرعت کم:
نتیجه بررسی بین دو موتور فوق نشان می‌دهد که موتور redneck دارای عملکرد بهتری در شتاب ۰ تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت است. در سرعت‌های بالاتر از ۱۰۰ 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.!