فرق بین اسب بخار و تورک

عدد اسب بخار و تورک دو تا از مهم‌ترین واژگان مورداستفاده در صنعت اتومبیل‌سازی است؛ که معمولاً اشتباه مورداستفاده قرار می‌گیرند. در این مقاله به تأثیر این دو مفهوم در نحوه شتاب گیری خودرو پرداخته می‌شود. طبق گفته کارول شلبی: اسب بخار باعث فروخته شدن خودرو؛ تورک باعث برنده شدن در مسابقه می‌شود. بیایید ببینیم که واقعاً این گفته صحیح است یا خیر.

فرضیات:

در این مقاله برخی از فرضیات زیر را در نظر می‌گیریم:

• اصطکاک در سطح جاده را در نظر نمی‌گیریم.
• از اثرات آئرودینامیکی تأثیرگذار بر روی خودرو پرهیز می‌کنیم.
• خودرو در جاده صاف قرار دارد.
• هیچ‌گونه تلفاتی در مجموعه انتقال قدرت وجود ندارد.
• سرعت خودرو همواره ثابت غیر صفر است.
• تعویض دنده به‌طور آنی صورت می‌گیرد.
• خودرو در حالت تخته‌گاز در تمامی شرایط قرار دارد.

طبیعی است که هیچ‌کدام از فرضیات فوق در شرایط واقعی اتفاق نمی‌افتد ولی توضیح بسیاری اتفاقات را ساده می‌کند. توان با واحد اسب بخار سنجیده می‌شود. توان و اسب بخار ممکن است به‌جای همدیگر در این مقاله مورد استفاده قرار بگیرد. تورک هم با واحد پوند-فوت اندازه‌گیری می‌شود.

تورک:

تورک درواقع نیرویی است که تمایل به چرخیدن را ایجاد می‌کند. نیرویی که به فاصله‌ای غیر صفر از مرکز جسم که می‌خواهد جسم را بچرخاند. در دنیای واقعیت هم مفهوم ساده‌ای دارد. هنگامی که آچار بر روی پیچ قرار دارد و نیرویی به انتهای آچار وارد می‌شود؛ پیچ شروع به چرخش خواهد کرد. اگر چنین نیرویی مستقیماً وارد به جسم شود مسلماً باعث چرخش پیچ نمی‌شود و احتمالاً باعث جابه‌جا شدن آن یا صدمه زدن به آن می‌شود. پس تورک از حاصل‌ضرب مقدار نیرو در فاصله طولی نیرو تا مرکز جسم به دست می‌آید.
در شکل پایین نشان می‌دهد که در خودرو چگونه تایر به جاده نیرو وارد می‌کند.

کار

کار جزء واژگانی است که در مورد خودرو کاربرد خاصی ندارد. کار به‌صورت انرژی انتقال داده‌شده از یک سیستم به سیستم دیگر تعریف می‌شود؛ درست مانند فردی که ارابه را به سمت جلو هل می‌دهد. به‌طور ریاضی حاصل‌ضرب نیرو در فاصله را کار گویند و واحد آن پوند-فوت یا نیوتن متر است. جهت نیرو با جهت جابه‌جایی حاصل از نیروی وارده یکی است. اگر حرکتی صورت نگیرد کاری هم انجام نشده است.

تفاوت کار با تورک:

به یاد داشته باشید که واحدهای تورک و کار باهم برابر است؛ ولی تفاوت‌های عمده‌ای باهم دارند. تورک نیرویی است که باعث چرخش چسم می‌شود بدین معنی که تمایل ندارد که جسم را در جهت نیروی وارده حرکت دهد. کار درواقع سنجشی از میزان انرژی انتقالی به سیستم است که ممکن است به‌وسیله نیروی حاصله از تورک ایجاد شود یا نشود.

بر روی شفت در حال دوران؛ کاری که می‌توان روی آن انجام داد نتیجه نیروی حاصل از تورک است. تورک نیرویی است که تمایل دارد تا یک جسم دوار را بچرخاند.

توان:

توان در حقیقت میزانی از کار است که در زمان مشخصی صورت می‌گیرد. درواقع توان را نرخ انجام کار یا نرخ انرژی در حال انتقال بین دستگاه‌ها گویند. فرمول زیر برای محاسبه توان مورداستفاده قرار می‌گیرد:

فرمول فوق را می‌توان بر اساس نیرو و سرعت نیز نوشت:

توان دورانی:

بر روی شفت دورانی؛ نیروی حاصل از تورک کار انجام می‌دهد. نرخ انجام کار وابسته به‌سرعت دورانی شفت است. بنابراین میزان توانی که باعث دوران شفت می‌شود از حاصل‌ضرب سرعت دورانی در تورک به دست می‌آید. فرمول توان برای شفت در حال دوران عبارت‌اند از:

واحد توان دورانی:

با توجه به اینکه واحد تورک پوند فوت، واحد سرعت دورانی دور بر دقیقه و توان اسب بخار است برای توان دورانی فرمول زیر قابل استخراج است:

فرمول توان در بالا معمولاً به‌طور غلط تفسیر می‌شود. همان‌طور در فرمول فوق مشاهده می‌کنید توان و تورک مانند همدیگر هستند یا به عبارت دیگر با یک ضریب ۵۲۵۲ با همدیگر در ارتباط هستند. این اشتباه از آنجا نشأت می‌گیرد که نمودار تورک و توان در سرعت دورانی ۵۲۵۲ دور بر دقیقه از همدیگر عبور می‌کنند. هنگامی‌که موتور در محدوده ۵۲۵۲ دور بر دقیقه کار می‌کند تورک و توان معنا و مفهوم مشابهی دارند. بسیاری از موتورهای دیزل و برخی از موتورهای بنزین سوز توانایی کار کردن در این دور را ندارند.

فرمول و نمودار فوق برای زمانی است که تورک بر اساس واحد تورک پوند فوت باشد برای زمانی که واحد تورک نیوتن متر باشد فرمول زیر برقرار است:

استفاده از واحد متریک باعث می‌شود که نقطه تلاقی نمودار به‌جای دور ۵۲۵۲ دور بر دقیقه بر روی دور ۹۵۴۹ دور بر دقیقه باشد.

چرخ‌دنده:

چرخ‌دنده‌ها برای تغییر تورک و سرعت دورانی یک سیستم دوران مورداستفاده قرار می‌گیرد البته برای تغییر جهت انتقال نیز اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در یک مجموعه چرخ‌دنده ایده آل میزان توان خروجی درست مانند میزان انرژی است که در ورودی دریافت نموده است. این بدین معنا است که اگر نسبت دنده گیربکس ۲:۱ باشد، شفت خروجی به میزان نصف دور کمتر از شفت ورودی در حال دوران است درحالی‌که میزان تورک در شفت خروجی دو برابر است. شکل زیر نشان‌دهنده تأثیر وجود چرخ‌دنده را نشان می‌دهد.

اشاره به این نکته می‌تواند جالب باشد که مفاهیم چرخ‌دنده با مفاهیم موجود در ترانسفورماتورهای الکتریکی تشابه زیادی دارند. چرخ‌دنده تورک و سرعت دورانی را تغییر می‌دهد درحالی‌که ترانس‌های الکتریکی ولتاژ و جریان را دستخوش تغییر قرار می‌دهند. در هر دو میزان توان خروجی به‌اندازه‌ای که در ورودی دریافت کرده‌اند. (البته با فرض اینکه اتلاف توانی وجود ندارد)

چرخ‌دنده‌های زنجیره توان

زنجیره توان خودرو از مجموعه‌های مختلف چرخ‌دنده تشکیل شده است تا بتواند کنترل کند که چه میزان از مجموع توان موتور به تورک تبدیل می‌شود و همچنین چه میزان به‌سرعت دورانی تبدیل می‌شود به‌طور مشخص.
تمام موتورهای احتراقی دوران سوز بنزینی تورک اندکی تولید می‌کنند و به‌تبع میزان دور کافی را به چرخ‌ها منتقل می‌کنند. باوجود تایرهای ۲۷ اینچی در دور ۶۰۰۰ دور بر دقیقه سرعتی معادل با ۴۵۰ مایل بر ساعت ایجاد خواهد شد. به‌اندازه‌ای بیشتر از صدها پوند نیرو نیاز خواهد بود تا جسمی به سنگینی یک خودروی سدان را به حرکت درآورد. این همان دلیلی است که تمامی خودروها باید از مجموعه تأمین‌کننده توان (زنجیره توان) بهره ببرند تا دور را تقسیم کنند و به تورک اضافه شود. (یعنی اینکه باید دور و تورک در شرایط مختلف میزان متفاوتی را به خود بگیرند تا رانندگی مطلوب حاصل شود)
اغلب خودروها به‌واسطه دو مجموعه چرخ‌دنده بین موتور و چرخ‌ها حرکت می‌کنند. مجموعه اول گیربکس (جعبه‌دنده) است که تورک را به‌اندازه‌ای مشخص افزایش می‌دهد. (با توجه به انتخاب دنده) معمولاً دنده اول نسبتی برای با ۳:۱ دارد درحالی‌که آخرین دنده نسبت ۰.۸:۱ دارد. بعد از مجموعه گیربکس به مجموعه‌ای از چرخ‌دنده می‌رسیم که معمولاً نسبتی بین ۲.۵:۱ و ۶:۱ بنا به نوع خودرو دارند. (که همان دیفرانسیل می‌نامند)

دلیل اینکه گیربکس خودروها با تعداد مختلفی از دنده روبرو است این است که دور موتور بتواند در شتاب گیری‌ها و سرعت‌های مختلف خودرو حفظ شود. (به عبارت دیگر با دور موتور مشخص سرعت‌های صفر تا ۲۰۰ مایل بر ساعت را هم تجربه کنیم)

در دنده اول بسیاری از شتاب گیری خودرو صورت می‌پذیرد چون مقدار تورک فراوانی به چرخ‌ها منتقل می‌شود. ولی در عوض سرعت کمی در اختیار داریم درحالی‌که ممکن است دور موتور به حد بحرانی قرمز رنگ هم برسد. در دنده دوم، شتاب گیری تا حدودی کاهش می‌یابد ولی در عوض سرعت ما کمی بالاتر می‌رود. این روند کاهش شتاب گیری و افزایش سرعت در دنده‌های بالاتر به همین نحوه طی می‌شود.