دو مفهوم پرکاربرد در صنعت طراحی و تولید خودرو، اسب بخار و گشتاور است که هر یک کاربرد خود را دارند و گاهی اوقات به اشتباه به‌جای هم بکار می روند. ولی در واقع دو مفهوم جداگانه هستند ولی به هم ارتباط دارند. در ادامه این مطلب از مجله اینترنتی خودروآموز، به بررسی این دو مفهوم می پردازیم.
مفهوم اسب بخار
اسب بخار ( Horsepower ) در خودرو واحدی برای اندازه‌گیری توان موتور است. توان به معنای میزان کار انجام‌شده در واحد زمان می‌باشد و نشان می‌دهد که موتور تا چه حد قادر است انرژی سوخت را به نیروی مکانیکی مفید تبدیل کند.
به بیان ساده‌تر، اسب بخار شاخصی است که توانایی موتور در تولید قدرت برای حرکت دادن خودرو، غلبه بر اصطکاک، سربالایی‌ها و افزایش سرعت را مشخص می‌نماید.
هر یک اسب بخار معادل انجام کاری به میزان ۷۴۶ وات در یک ثانیه است. بنابراین، هرچه مقدار اسب بخار موتور بیشتر باشد، توان خروجی آن بالاتر بوده و قابلیت شتاب‌گیری و کشش خودرو نیز افزایش خواهد یافت.
شیوه محاسبه
توان موتور به صورت رسمی با فرمول ریاضی محاسبه می‌شود و سپس به واحد اسب بخار یا کیلووات بیان می‌گردد. برای موتورهای خودرو معمولاً از رابطه بین گشتاور ( Torque ) و دور موتور ( RPM ) استفاده می‌شود:
- گشتاور ( Torque ): نیروی چرخشی موتور بر حسب پوند-فوت ( lb-ft ).
- تعداد دورهای موتور در دقیقه. ( RPM ( Revolutions Per Minute ) )
- عدد ثابت ۵۲۵۲ حاصل تبدیل واحدهاست.
به عنوان مثال:
اگر موتوری در ۴۰۰۰ دور در دقیقه گشتاوری برابر با ۱۵۰ پوند-فوت تولید کند:
در سیستم متریک ( نیوتن‌متر و کیلووات ) نیز فرمول مشابه است، با این تفاوت که ضریب ثابت تغییر می‌کند. در نهایت، خودروسازان معمولاً توان موتور را هم بر حسب اسب بخار ( hp یا PS ) و هم بر حسب کیلووات ( kW ) درج می‌کنند.
مفهوم گشتاور
گشتاور (Torque) در مهندسی خودرو به معنای نیروی چرخشی است که موتور به میل‌لنگ وارد می‌کند تا چرخ‌ها به حرکت درآیند. به زبان ساده، گشتاور همان زور موتور است؛ یعنی توانایی موتور در غلبه بر مقاومت‌ها (مانند وزن خودرو، اصطکاک جاده و شیب سربالایی) و به حرکت درآوردن آن.
از نظر فیزیکی، گشتاور حاصل ضرب نیرو در بازوی اهرم است:
T=F×r
T = گشتاور (بر حسب نیوتن‌متر یا پوند-فوت)
F = نیرو (نیوتن یا پوند)
r = فاصله از محور دوران (متر یا فوت)
در خودرو، وقتی می‌گوییم موتوری گشتاور ۲۰۰ نیوتن‌متر دارد، یعنی موتور می‌تواند نیرویی معادل ۲۰۰ نیوتن را در فاصله یک متر از محور میل‌لنگ تولید کند.
اهمیت گشتاور در رانندگی
- هرچه گشتاور بیشتر باشد، خودرو راحت‌تر از حالت سکون حرکت می‌کند.
- خودرو در سربالایی‌ها یا هنگام بارکشی بهتر عمل می‌کند.
- شتاب اولیه خودرو بیشتر می‌شود.
به همین دلیل، موتورهای دیزلی معمولاً گشتاور بالایی دارند و برای حمل بار یا حرکت در مسیرهای سخت بسیار مناسب‌اند.
فرق اسب بخار و گشتاور
بسیاری از افراد اسب بخار و گشتاور را یکی می‌دانند، در حالی که دو مفهوم جدا هستند ولی با هم ارتباط دارند.
اسب بخار
معیار توان موتور در انجام کار در واحد زمان است. نشون می‌دهد موتور در چه حد می‌تواند انرژی را تبدیل به حرکت و سرعت کند. به زبان ساده: اسب بخار = سرعت انجام کار.
هرچه اسب بخار بالاتر باشد، خودرو در سرعت‌های بالا عملکرد بهتری دارد. این معیار بیشتر در شتاب‌گیری طولانی و حداکثر سرعت اهمیت دارد.
گشتاور
معیار نیروی چرخشی موتور روی میل‌لنگ است. نشان می‌دهد موتور چقدر قدرت اولیه برای به حرکت درآوردن خودرو یا کشیدن بار دارد. به زبان ساده: گشتاور = زور موتور.
هرچه گشتاور بالاتر باشد، خودرو در شروع حرکت، سربالایی یا بارکشی قوی‌تر عمل می کند. این معیار بیشتر در حرکت اولیه، شتاب لحظه‌ای و قدرت کشش اهمیت دارد.
ارتباط این دو معیار
گشتاور مثل زور بازو و اسب بخار مثل توانایی انجام کار در یک بازه زمانی می‌باشد. یعنی اسب بخار همان گشتاور بوده که با دور موتور ترکیب شده است. مثال:
- خودرو دیزلی ( مانند وانت نیسان ): گشتاور بالا، اسب بخار کمتر. در نتیجه قوی در باربری و سربالایی.
- خودرو اسپرت ( مانند پورشه ): اسب بخار بالا، گشتاور متوسط. بنابرایم عالی در سرعت و شتاب طولانی.
ارتباط گشتاور با تغییر دنده ها
رابطه بین گشتاور موتور و تغییر دنده‌ها اساس رانندگی و عملکرد خودرو را مشخص می‌کند.
دنده‌های پایین ( ۱ و ۲ )
ضریب دنده بزرگ‌تر است: گشتاور خروجی در چرخ‌ها چند برابر می‌شود.
نتیجه: قدرت زیادی برای حرکت از سکون، سربالایی یا بار سنگین ایجاد می‌شود. به همین دلیل حتی با موتور ضعیف هم ماشین در دنده ۱ می‌تواند حرکت کند.
دنده‌های میانی ( ۳ و ۴ )
تعادل بین گشتاور و سرعت ایجاد می‌کنند. برای رانندگی شهری یا جاده‌ای مناسب هستند.
دنده‌های بالا ( ۵ یا ۶ )
ضریب دنده کوچک‌تر و گشتاور منتقل‌شده به چرخ‌ها کمتر است.
نتیجه: شتاب اولیه کم می‌شود، ولی موتور در دور پایین کار می‌کند و مصرف سوخت کاهش می‌یابد. بیشتر برای سرعت‌های ثابت در جاده‌های صاف کاربرد دارند.
جمع‌بندی ساده
- دنده پایین = گشتاور زیاد روی چرخ‌ها: قدرت کشش بالا، سرعت کم
- دنده بالا = گشتاور کمتر روی چرخ‌ها: سرعت بالا، مصرف سوخت کمتر
به همین دلیل وقتی در سربالایی رانندگی می کنید، یا بار سنگین دارید، باید دنده را پایین بیاورید تا گشتاور بیشتری به چرخ‌ها منتقل شود.
ضریب دنده چیست؟
ضریب دنده ( Gear Ratio ) یکی از مفاهیم کلیدی در جعبه‌دنده خودرو است که بیان می‌کند چند بار باید میل‌لنگ موتور بچرخد تا یک بار چرخ خودرو بچرخد. به زبان ساده‌تر، ضریب دنده نسبت سرعت دوران دنده ورودی ( از موتور ) به سرعت دوران دنده خروجی ( به چرخ‌ها ) است. فرمول:
تعداد دندانه‌های دنده محرک
ضریب دنده = ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
تعداد دندانه‌های دنده متحرک
یا در خودرو:
دور موتور (RPM)
ضریب دنده = ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
دور چرخ
اثر ضریب دنده
۱. ضریب دنده بزرگ ( دنده‌های پایین )
موتور باید چند دور بچرخد تا چرخ یک دور کامل بچرخد. در این حالت گشتاور بیشتری به چرخ‌ها منتقل می‌شود همراه با قدرت کشش بالاتر و سرعت کمتر (مثلاً دنده ۱ یا ۲ برای حرکت اولیه یا سربالایی ).
۲. ضریب دنده کوچک ( دنده‌های بالا )
چرخ‌ها سریع‌تر از موتور می‌چرخند. بنابراین سرعت بالاتر، ولی گشتاور کمتر به چرخ‌ها منتقل می‌شود ( مثلاً دنده ۵ یا ۶ برای رانندگی در بزرگراه ).
بنابراین ضریب دنده تعیین می‌کند که خودرو در هر دنده چه میزان قدرت ( گشتاور ) و چه میزان سرعت داشته باشد. به همین دلیل راننده برای شرایط مختلف جاده ( سربالایی، سرعت ثابت، شتاب‌گیری ) باید دنده مناسب را انتخاب کند.
نتیجه گیری
اسب بخار و گشتاور دو شاخص اصلی در توصیف توانایی‌های موتور خودرو هستند که در عین ارتباط نزدیک، مفاهیم متفاوتی دارند. گشتاور بیانگر نیروی چرخشی موتور و توانایی آن در غلبه بر مقاومت‌ها و حرکت دادن خودرو، به‌ویژه در شروع حرکت و سربالایی است؛ در حالی‌که اسب بخار میزان توان موتور در انجام کار در واحد زمان و تعیین‌کننده شتاب‌گیری و سرعت نهایی خودروست.
به‌طور کلی، گشتاور بیشتر به معنای قدرت کشش و شتاب اولیه بهتر و اسب بخار بالاتر به معنای سرعت و توان بیشتر در مسیرهای طولانی است و انتخاب مناسب میان این دو بسته به نوع خودرو و نیاز راننده اهمیت دارد.
پنج سوال رایج از مبحث مفهوم اسب بخار و گشتاور
۱. اسب بخار چیست؟
پاسخ: اسب بخار واحدی برای اندازه‌گیری توان موتور است و نشان می‌دهد موتور در یک ثانیه چه میزان کار می‌تواند انجام دهد. هر چه اسب بخار بیشتر باشد، خودرو توانایی رسیدن به سرعت بالاتر و شتاب‌گیری سریع‌تری دارد.
۲. گشتاور چیست؟
پاسخ: گشتاور نیروی چرخشی تولید شده توسط موتور است که باعث حرکت چرخ‌ها می‌شود. گشتاور بالاتر یعنی خودرو راحت‌تر از حالت سکون حرکت می‌کند و توان بیشتری برای کشیدن بار یا حرکت در سربالایی دارد.
۳. تفاوت اصلی اسب بخار و گشتاور در چیست؟
پاسخ: گشتاور بیشتر مربوط به قدرت کشش و توان لحظه‌ای در شروع حرکت یا بارکشی است، در حالی که اسب بخار توان کلی موتور را در سرعت و کارکرد طولانی‌مدت نشان می‌دهد.
۴. چرا خودروهای سنگین مثل کامیون به گشتاور بالا نیاز دارند؟
پاسخ: زیرا برای حرکت دادن وزن زیاد و بارهای سنگین، نیروی چرخشی (گشتاور) اهمیت بیشتری از سرعت نهایی دارد. به همین دلیل کامیون‌ها معمولاً گشتاور بالایی دارند ولی اسب بخار آن‌ها نسبت به خودروهای اسپرت کمتر است.
۵. در انتخاب خودرو برای رانندگی شهری و جاده‌ای باید بیشتر به کدام توجه کرد؟
پاسخ: برای رانندگی شهری و شتاب اولیه، گشتاور اهمیت بیشتری دارد، چون در ترافیک و شروع حرکت کاربردی‌تر است. اما برای رانندگی در جاده و سرعت‌های بالا، اسب بخار بیشتر مزیت محسوب می‌شود.
