توان يا گشتاور: كدام يك اهميت بيشتري دارد؟ اين پرسش آغاز مباحثه اي ناتمام براي سازندگان موتور و توليد كنندگاني است كه در اين زمينه فعاليت مي كنند. برخي اعتقاد دارند كه اين گشتاور خودرو است كه آن را به حركت در مي آورد اسب بخار بيشتر جنبه تبليغاتي دارد تا خودروي بيشتري بفروشند. برخي هم مي گويند اگر يك خودروي سريع مي خواهيد بهتر است به فكر اسب بخار (منظور همان توان است كه به صورت تجاري واحد اسب بخار را براي آن استفاده مي كنند.) باشيد.

و در اين ميان تناقضات بسياري به گوش مي رسد. اما كدام يك درست مي گويند؟ اگر بخواهيم در اين باره شفاف تر صحبت كنيم بايد بگويم همه چيز از مفهموم نيرو و كار شروع مي شود.

توضيح شكل بالا: حتي در يك موتور مسابقه اي با توان بسيار بالا گشتاور اهميت بالايي دارد در اين موتور 8.6 ليتري موتور در دور 7200 دور در دقيقه 2630 نيوتن متر توليد مي كند. و در دور 7700 دور بر دقيقه 2735 اسب بخار توليد مي كند. حتي در اين موتور كه موتوري دور بالاست در محدوده وسيعي از دور موتور توان و گشتاور در اوج قرار دارند.

آشنايي با مفهوم كار

نيرو همان چيزي است كه هنگام هل دادن يكي نسبت به ديگري احساس مي شود و بسته به مقاومتي كه در برابر آن ظاهر مي شود ممكن است منجر به حركت شود يا نشود. اگر بخواهيد خودرويي را به تنهايي هل بدهيد به احتمال زياد حركتي نخواهد داشت چون جرم آن بسيار بيشتر از شماست و نيروي مقاوم بسيار بيشتري در برابر نيروي شما اعمال مي شود كه نمي توانيد بر آن غلبه كنيد. به اين ترتيب خودرو حركتي هم نخواهد داشت.

اما اگر نيرو اعمال شود و جابجايي داشته باشيد در حقيقت كار انجام داده ايد. به عبارت ديگر به اندازه جابجايي جسمي از نقطه A تا نقطه B كار انجام داده ايد. به عنوان مثال اگر موتور يك خودرو را كه 250 كيلو وزن دارد به كمك جرثقيل 1.5 متر جابجا كنيد كاري كه انجام داده ايد برابر 1.5×250 است.

كار = جابجايي x نيروي اعمال شده

آشنايي با مفهوم گشتاور

بنابر تعريف مقدار كار از محاسبه بردار نيرويي كه در خط مستقيم اعمال مي شود حاصل مي شود. اما موتور ها (مانند پيچ و مهره اي كه براي شل و سفت كردن آن بايد آنها را بچرخانيد.) حول يك محور مي چرخند.

گشتاور موتور چيست؟

اين نيروي چرخان كه حول يك محور اعمال مي شود را گشتاور يا تورك مي گويند، كه با واحد هايي كه از حاصل ضرب نيرو در فاصله از محور چرخش اندازه گيري مي شوند. فرض كنيد آچاري در اختيار داريد كه يك فوت (در حدود 30 سانت) طول دارد و با نيروي 10 پوند ( در حدود 44 نيوتن) در انتهاي آچار نيرويي وارد مي كنيد تا پيچي را باز كنيد در اين صورت گشتاوي كه اعمال مي كنيد 10 پوند بر فوت معادل 13.5 نيوتن متر است. حال اگر طول آچار شما 2 فوت باشد گشتاور حاصله 20 فوت بر پوند خواهد بود. وقتي مي گويند گشتاور موتوري 200 پوند بر فوت (معادل 270 نيوتن متر) است بدين معناست كه براي متوقف كردن آن به 200 پوند (معادل 890 نيوتن) نيرو كه بر اهرمي يك فوتي (30 سانتي) وارد شود نياز داريد.

توضيح شكل بالا: بهترين راه براي اينكه گشتاور موتور را افزايش دهيد اين است كه حجم موتور افزايش يابد. توان يا اسب بخار بايد از افزايش گشتاور پيروي كند. و به نظر مي رسد كه سرسيلندر و سوپاپ ها عامل محدود كننده اي باشند.  دو موتوري كه در نمودار بالا مشاهده مي كنيد از نظر سرسيلندر و سوپاپ ها يكسان هستند حجم موتور افزايش پيدا كرده است. و در مقايسه با برادر كوچكتر خود 90 نيوتن متر گشتاور بيشتري توليد مي كند اما توان موتور فقط 13 اسب افزايش پيدا كرده است كه بر اين حقيقت اشاره مي كند كه به سوپاپ ها و سرسيلندر بزرگتري نياز است.

مفهوم توان

توان در حقيقت به ما مي گويد كه كار با چه سرعتي انجام مي شود. كار در نتيجه نيرو انجام مي شود و در مورد موتور اين نيرو از جنس گشتاور است كه قبلا در مورد آن توضيح داديم. هر چه نيروي بيشتري در اختيار داشته باشيم در واحد زمان كار بيشتري مي توانيم انجام دهيم.

فرض كنيد كه خواهر شما در حال سفت كردن پيچي با آچار است. براي بستن این پیچ به 100 پوند بر فوت گشتاور نياز داريد او مي تواند اين پيچ را بعد از 10 ثانيه سفت كند و شما كه از او قوي تر هستيد مي توانيد همين كار را در مدت زمان 5 ثانيه انجام دهيد. در اين صورت شما دو برابر از او قوي تر هستيد كه توانسته ايد اين كار را در نصف زمان او انجام دهيد.

در سيستم واحد هاي آمريكايي اسب بخار به عنوان واحد توان مورد استفاده قرار مي گيرد. يك اسب بخار معادل 33 هزار فوت-پوند (واحد كار است با فوت بر پوند كه واحد گشتاور است اشتباه گرفته نشود.) كار است كه در مدت زمان يك دقيقه انجام مي شود. اين روش اندازه گيري بود كه مهندس نامي قرن 18 ميلادي جيمز وات به كار مي برد.

حال مي دانيم كه براي انجام كار به نيرو نياز است و با تقسيم جابجايي انجام گرفته بر كار مي توان به نيروي مورد نياز دست يافت. در موتور ها به كمك يك دينامومتر گشتاور اندازه گيري مي شود. و زمان كار موتور با دور بر دقيقه اندازه گيري مي شود.

چون نمي توان ابعاد موتور را در حالت عادي تفيير داد بهترين راه براي اينكه توان موتور افزايش يابد اين است كه دور موتور آن بيشتر شود تا اسب بخار بيشتري در اختيار شما قرار دهد. فرض كنيد موتوري 400 فوت برپوند (گشتاور ) در 3000 دور در دقيقه توليد كند. در اين صورت اين موتور 228 اسب بخار توليد مي كند. اما اگر موتور مورد نظر 400 فوت بر پوند گشتاور در 6000 دور در دقيقه توليد كند در اين صورت توان آن 457 اسب بخار مي شود. و درست است كه اگر گشتاور دو برابر شود تا 800 پوند بر فوت در دور 3000 دور بر دقيقه همان 457 اسب بخار را توليد مي كند. اما افزايش دو برابر براي توان يك موتور در دنياي واقعي معمولاً غير ممكن است.

واقع بينانه نيست اگر از يك موتور معمولي انتظار داشته باشيد كه در دور موتور 6000 دور بر دقيقه هم گشتاور بالا و هم توان بالايي داشته باشد. به عنوان يك قانون كلي نه چندان دقيق بايد بگويم در موتور هاي معمولي اوج گشتاور موتور در 75 درصد دوري كه اوج قدرت موتور قرار دارد بدست مي آيد، و براي موتور هاي مسابقه اي اين عدد 80 تا 85 درصد دور اوج قدرت براي اوج گشتاور است. اگر بخواهيم به زبان ساده تر بگوييم اوج گشتاور در 1000 تا 2000 دور بر دقيقه زير دور اوج قدرت موتور بدست مي آيد به عنوان مثال اگر در موتوری اوج قدرت در دور 5600 دور بر دقيقه بدست آيد اوج گشتاور موتور در دور 4600 دور بر دقيقه بدست مي آيد.

موتوري كه در دور 4600 دور بر دقيقه 700 پوند بر فوت گشتاور توليد مي كند 613 اسب بخار در اختيار شما قرار مي دهد. از نظر تئوري اين روند بايد ادامه پيدا كند تا به زودي به توان 800 اسب بخار برسيم اما در عمل اين اتفاق تا دور موتور 6000 دور بر دقيقه رخ نمي دهد.

ممكن است برخي نخواهند موتور خودروي آنها در چنين دور موتور بالايي به حداكثر قدرت خود برسد. براي چنين افرادي يك فورد سوپر گس روداستر انتخاب مناسبي مي تواند باشد اين خودرو موتوري دارد كه آنرا در 9.9 ثانيه به سرعت 152 مايل در ساعت (معادل 244 كيلومتر در ساعت) مي رساند. اين موتور در دور  6800 توان 760 اسب بخار توليد مي كند. و اوج گشتاور آن در 5200 دور بر دقيقه بدست مي آيد. اين خودرو هنوز با دور موتور 6600 دور بر دقيقه به خط پايان مي رسد (براي يك چهارم مايل) موتور اين خودرو مي تواند با موتور هاي دور بالا در كلاس خودش مقايسه شود، در عين حال استهلاك كمتري دارد و نياز به تعميرات كمتري هم خواهد داشت. برخي مي گويند اين موتور، موتور گشتاور است اما اگر به خاطر داشته باشيد براي رسيدن به خط پايان جابجايي داشته ايم و توان مصرف شده است. و اين موتور گشتاور بالايي را در دور موتور پايين تر در اختيار شما قرار داده است كه بدان معناست كه قدرت بالايي را زود تر در اختيار شما قرار داده است.

براي هر قانوني استثناهايي هم وجود دارد: موتور 469 اينچ مكعب رت كه حجم موتور كمتري دارد در مقايسه با نمونه مشابه خودش كه حجم موتور بيشتري دارد در 800 دور پايين تر 80 پوند-فوت گشتاور بيشتري در اختيار شما قرار مي دهد و در دور موتور 7900 دور بر دقيقه 20 اسب بخار بيشتر توليد مي كند! در اين مورد بايد بگويم گشتاور بالا در رنج وسيعي از دور موتور سبب شده است چنين قابليت هايي را داشته باشيم. اين موتور قطر سيلندر بيشتري دارد و به همين دليل تنفس بهتري از موتور مشابه دارد و مي تواند در محدوده وسيعتري از دور موتور گشتاور بالا توليد كند.

سايز مهم است!

اكنون مي دانيم كه حجم موتور رابطه مستقيمي با گشتاور موتور دارد. بيل ميچل سازنده موتور مي گويد: « در محدوده اي از دور موتور گشتاور تابعي از حجم هوا خور سيلندر، حجم موتور و بازده حجمي آن دارد.»  هر موتوري يك محدوديت گشتاور دارد چون اين كه موتور شما چگونه با هواي اتمسفر اطرافش پر شود به عوامل بيروني (مانند فشار هوا) هم بستگي دارد. هيچگاه با يك موتور 4 ليتري نمي توانيد به گشتاور 700 نيوتن متر دست يابيد اما با يك موتور 7.5 ليتري مي توانيد به راحتي چنين گشتاوري را در محدوده وسيعي از دور موتور در اختيار داشته باشيد. بنابراين موثرترين راه براي اينكه گشتاور موتور را افزايش دهيد اين است كه حجم آنرا افزايش دهيد. و براي حجم موتور هم هيچ جايگزيني وجود ندارد مگر اينكه از سوپر شارژر استفاده كنيد.

اما اگر حجم موتور را ثابت نگه داريم و كورس پيستون را افزايش دهيم چه مي شود؟ بايد بگويم اين موضوع بحث هاي داغي بين متخصصان است و حقيقت اين است كه در يك موتور معمولي تغيير قطر سيلندر و كورس جابجايي پيستون (يكي را كم كنيد و ديگري را اضافه به گونه اي كه حجم جابجايي يا حجم موتور ثابت نگه داشته شود.) در نقطه اوج گشتاور تغيير چنداني نخواهيد ديد. اما معمولا در صورتي كه كورس پيستون را كاهش دهيد و قطر سيلندر را افزايش دهيد مي توانيد در دورهاي بالاتري به بالاترين گشتاور موتور دست پيدا كنيد و همچنين اوج توان موتور در دورهاي نهايي بدست خواهد آمد ولي احتمالا در دورهاي پايين تر توان كمي در اختيار شما قرار گيرد.

ديويد رهر سازنده موتور توصيه مي كند اگر قرار است موتور دائما زير دور موتور 5000 دور بر دقيقه كار كند، بهتر است كورس جابجايي پيستون را بزرگتر انتخاب كنيم. به اين ترتيب در نقطه مرگ بالا پيستون با سرعت بيشتري به سمت پايين حركت مي كند و مكش بهتري خواهيم داشت كه نتيجه آن تنفس بهتر و كارايي بيشتر موتور است.

ولي در دورهاي بالاي 6500 دور بر دقيقه قطر بيشتر سيلندر به تنفس بهتر آن كمك مي كند. قطر بيشتر پيستون به هواي ورودي كمك مي كند كه اولا مسير بهتري براي ورد هوا داشته باشيم و دوم اين كه بخاطر فضاي بزرگتر مي توان سوپاپ هاي بزرگتري طراحي كرد. و البته با فرض اينكه سرسيلندر و مسير مكش هوا براي جريان دبي بيشتري از هوا طراحي مناسبي داشته باشند.

جايگزيني بادامك ها با بادامك هاي بزرگتر خيلي گشتاور موتور را افزايش نمي دهد و تنها كاري كه مي كند اين است كه گشتاور بالاي موتور را به دورهاي بالاتر منتقل مي كند.

در موتور هاي با دور بسيار بالا (بالاي 8000 دور بر دقيقه ) كه براي خودروهاي مسابقه مورد استفاده قرار مي گيرد بالاترين قدرت در دورهاي بالا اتفاق مي افتد اما گشتاور در اين دورها كاهش مي يابد. در دور هاي بسيار بالا به علت زمان كمي كه براي تنفس در اختيار موتور است احتراق به خوبي انجام نمي گيرد. همچنين تلفات مربوط به اصطكاك در اين دور ها بيشتر مي شود و در نتيجه راندمان موتور به شدت كاهش مي يابد. به همين دليل است كه در موتور هاي دور بالا هر چه كه بتوانيد براي كاهش اصطكاك بايد انجام دهيم. كورس پيستون پايين به دوام موتور از جهاتي كمك مي كند چون وقتي از شاتون هاي كوچكتري استفاده مي كنيد نيروي تراستي كه بر ديواره هاي سيلندر وارد مي شود كمتر است، سرعت حركت پيستون كاهش مي يابد و همچنين نسبت به زماني كه كورس پيستون بزرگتري داريم اصطكاك كمتر مي شود و نياز به بيرينگ ها، شاتون و ميل لنگ كوچکتري هست كه در نتيجه اصطكاك آنها هم كاهش مي يابد در نتیجه بيرينگ ها كوچكتري مي تواند مورد استفاده قرار گيرد که خود به کاهش اصطکاک موتور کمک می کند.

موتور هاي دور بالاي افسانه اي

اسب بخار همان چيزي است كه در موتور هاي مسابقه حرف آخر را براي گذشتن از خط پايان مي زند. و خودرو هاي مسابقه اي در كلاس جهاني همه بر بيشترين توان موتور خود تكيه مي كنند. مگر اينكه موتور هاي غول پيكر خودروهاي همه جا رو و آفرود مسابقه اي باشند كه قرار است از كوه ها بالا بروند. يك مثال خوب در زمينه موتور هاي دور بالا، موتور هاي كوچك خودروهاي مسابقه اي فرمول يك است، كه دور موتور آن تا 18000 دور بر دقيقه مي رسد و مي تواند توان بسيار بالايي توليد كند و به كمك گيربكس هاي 6 دنده مي توانيد از محدوده كمي از دور موتور كه حداكثر توان را ارائه مي دهد استفاده كنند به عبارت ديگر راننده بايد هميشه با تعويض دنده به كمك گير بكسي كه ضرايب دنده نزديكي به هم دارند دور موتور را بالا نگه دارد. براي ساخت چنين موتوري كه در برابر رقبا حرفي براي گفتن داشته باشد بايد در طراحي و ساخت تك تك قطعات موتور خودرو از آخرين فناوري ها استفاده كرد و هر قطعه بايد به خوبي كار خود را انجام دهد از هر پيچ و مهره موتور گرفته تا قطعات مهم مانند بادامك ها كه بايد به اندازه كافي سوپاپ ها را باز نگه دارند و همچنين مسير هواي سر سيلندر كه در اين زمان بسيار كوتاه بايد كمترين مقاومت را در مسير هواي ورودي سيلندر ايجاد كند تا موتور تنفس مناسبي داشته باشد. همچنين سوپاپ ها بايد بتوانند در اين دور بسیار بالا پايداري خود را حفظ كنند، تا به بالاترين قدرت ممكن دست يافت و همه اينها به معناي هزينه هاي سرسام آور در ساخت چنين موتور هايي است.

واضح است كه وقتي موتور به گونه اي طراحي مي شود كه در دور هاي بالا بيشترين قدرت را داشته باشد بيشترين گشتاور موتور هم به دور هاي انتهايي نزديكتر خواهد بود و در نتيجه در دورهاي پايين با كمبود گشتاور مواجه خواهد شد. ولي مشكلي پيش نمي آيد به كمك گيربكسي كه تعداد زيادي دنده در اختيار راننده قرار مي دهد مي توان دور موتور را بالا نگه داشت تا از همه توان و قدرت موتور به بهترين شكل ممكن استفاده كرد.

صفحه بعد >>