صنعت خودرو

صنعت خودرو

ساخت وطراحی خودرو
صنعت خودرو

صنعت خودرو

ساخت وطراحی خودرو

مقایسه قدرت و گشتاور در خودرو (قسمت دوم)

»» 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.!

»» فرق بین اسب بخار و تورک

»» 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.

HORSEPOWER SHELBY GT500CR 900

HORSEPOWER SHELBY GT500CR 900

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.

pound feet wrench

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.

torque force

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.

doing work

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.

torque and work
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.

torque unrolled

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:

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

power speed

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:

shaftpower draw

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:

horsepower imperial
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.

crossing curves
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:

horsepower metric
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 2:1 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.

gearbox example
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)

gear formulas

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 27 اینچی در دور 6000 دور بر دقیقه سرعتی معادل با 450 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 3:1 دارد درحالی‌که آخرین دنده نسبت 0.8:1 دارد. بعد از مجموعه گیربکس به مجموعه‌ای از چرخ‌دنده می‌رسیم که معمولاً نسبتی بین 2.5:1 و 6:1 بنا به نوع خودرو دارند. (که همان دیفرانسیل می‌نامند)

drivetrain
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 200 مایل بر ساعت را هم تجربه کنیم)

drivetrain formulas
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.

transmission accel