نیروی محرکه خودرو

مبانی نظری نیروی محرکه خودرو
نیروی محرکه خودرو یکی از اساسی ترین مفاهیم در مهندسی مکانیک و مهندسی خودرو است. حرکت هر وسیله نقلیه نتیجه تبدیل نوعی انرژی به انرژی مکانیکی و انتقال آن به چرخ های محرک است. این فرآیند اگرچه در ظاهر ساده به نظر می رسد، اما حاصل عملکرد هماهنگ مجموعه ای از سامانه های مکانیکی، حرارتی، الکترونیکی و کنترلی است. موتور، سیستم انتقال قدرت، چرخ ها و سامانه های کنترل کشش همگی در ایجاد و انتقال نیروی محرکه نقش دارند.
در مهندسی مکانیک، بررسی سیستم محرکه تنها به شناخت اجزای آن محدود نمی شود، بلکه تحلیل نیروها، گشتاورها، بازده، اتلاف انرژی، ارتعاشات، انتقال حرارت و رفتار دینامیکی خودرو نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به همین دلیل، مبانی نظری نیروی محرکه پایه و اساس طراحی و بهینه سازی خودروهای امروزی به شمار می رود.
2-2 تعریف نیروی محرکه خودرو
نیروی محرکه (Driving Force یا Tractive Force) نیرویی است که باعث غلبه خودرو بر مقاومت های موجود و حرکت آن در مسیر می شود. این نیرو از گشتاور تولیدشده در موتور به دست آمده و پس از عبور از سیستم انتقال قدرت، به چرخ های محرک منتقل می شود.
به عبارت دیگر، زمانی که موتور گشتاور تولید می کند، این گشتاور از طریق گیربکس و دیفرانسیل افزایش یا کاهش یافته و به چرخ ها می رسد. چرخ ها نیز با ایجاد اصطکاک مناسب با سطح جاده، نیروی لازم برای حرکت خودرو را ایجاد می کنند.
اگر نیروی محرکه از مجموع نیروهای مقاوم بیشتر باشد، خودرو شتاب می گیرد. اگر برابر باشد، خودرو با سرعت ثابت حرکت می کند و اگر کمتر باشد، سرعت خودرو کاهش یافته یا متوقف می شود.
2-3 تاریخچه سیستم های محرکه خودرو
اولین خودروهای جهان با نیروی بخار حرکت می کردند. در اواخر قرن هجدهم، موتورهای بخار توانستند نخستین وسایل نقلیه خودران را به حرکت درآورند، اما وزن زیاد، بازده پایین و مصرف بالای سوخت باعث شد استفاده از آن ها محدود شود.
در سال ۱۸۷۶، نیکولاس اتو با معرفی موتور چهارزمانه، تحول بزرگی در صنعت خودرو ایجاد کرد. چند سال بعد، کارل بنز نخستین خودروی مجهز به موتور بنزینی را تولید کرد که آغاز عصر خودروهای مدرن بود.
در قرن بیستم، موتورهای دیزلی، گیربکس های چندسرعته، سیستم های انژکتوری و گیربکس های اتوماتیک توسعه یافتند و راندمان سیستم های محرکه به طور چشمگیری افزایش یافت.
در دهه های اخیر نیز خودروهای هیبریدی و برقی به دلیل کاهش مصرف سوخت و آلایندگی، جایگاه ویژه ای در صنعت خودروسازی پیدا کرده اند.
2-4 اصول فیزیکی حرکت خودرو
حرکت خودرو بر اساس قوانین حرکت نیوتن انجام می شود. هنگامی که موتور نیروی لازم را تولید می کند، این نیرو از طریق چرخ ها به زمین وارد می شود و زمین نیز طبق قانون سوم نیوتن، نیرویی مساوی و مخالف به خودرو وارد می کند که موجب حرکت آن می شود.
نیروهای اصلی موثر بر خودرو عبارت اند از:
- نیروی محرکه
- مقاومت غلتشی لاستیک ها
- مقاومت آیرودینامیکی هوا
- مقاومت ناشی از شیب جاده
- نیروی اینرسی هنگام شتاب گیری یا ترمزگیری
تعادل میان این نیروها وضعیت حرکتی خودرو را تعیین می کند.
2-5 توان، گشتاور و راندمان
گشتاور (Torque)
گشتاور، توانایی موتور در ایجاد نیروی چرخشی است و واحد آن نیوتن متر (N.m) است.
رابطه گشتاور:
T = F × r
که در آن:
- T = گشتاور (نیوتن متر)
- F = نیرو (نیوتن)
- r = فاصله نیرو تا مرکز دوران (متر)
هرچه گشتاور بیشتر باشد، خودرو توانایی بهتری در شتاب گیری، حرکت در سربالایی و حمل بار خواهد داشت.
توان (Power)
توان نشان دهنده سرعت انجام کار توسط موتور است.
رابطه توان:
P = T × ω
که در آن:
- P = توان (وات)
- T = گشتاور
- ω = سرعت زاویه ای (رادیان بر ثانیه)
در صنعت خودرو، توان معمولا بر حسب کیلووات (kW) یا اسب بخار (hp) بیان می شود.
رابطه تبدیل:
1 hp = 0.746 kW
راندمان
راندمان نسبت توان خروجی به توان ورودی است
هرچه راندمان بیشتر باشد، اتلاف انرژی کمتر و عملکرد خودرو بهتر خواهد بود.
2-6 نیروهای مقاوم در برابر حرکت خودرو
مهم ترین نیروهای مقاوم عبارت اند از:
۱- مقاومت غلتشی (Rolling Resistance):
این نیرو در اثر تغییر شکل لاستیک و اصطکاک آن با جاده ایجاد می شود.
۲- مقاومت آیرودینامیکی (Aerodynamic Drag):
با افزایش سرعت خودرو، مقاومت هوا به شدت افزایش می یابد و در سرعت های بالا، بخش عمده توان موتور صرف غلبه بر این نیرو می شود.
۳- مقاومت شیب:
در مسیرهای سربالایی، بخشی از توان موتور صرف غلبه بر نیروی وزن خودرو می شود.
۴- مقاومت اینرسی:
هنگام شتاب گیری، خودرو باید بر اینرسی جرم خود غلبه کند.
2-7 عوامل موثر بر نیروی محرکه