گشتاور خودرو چیست و چه کاربردی دارد؟

گشتاور یا توان خودرو یکی از شاخصه‌های اصلی سنجش قوای فنی پیشرانه خودروها است؛ اما گشتاور به چه معناست و چه کاربردی دارد؟

در بحث بررسی راندمان پیشرانه یک خودرو توان یا گشتاور مهم‌ترین عوامل تعیین کننده قدرت و شتاب خودرو هستند. در این مطلب قصد داریم به‌صورت تخصصی به گشتاور خودرو که اهمیتی به مراتب بیشتر و تاثیر شایانی در راندمان خروجی دارد بپردازیم.

از آنجایی که کلمه گشتاور مقداری گنگ به‌نظر می‌رسد و از روی خود کلمه نمی‌توان مفهومی را تجسم کرد، در این مطلب سعی کردیم با بیانی ساده توضیح دهیم گشتاور خودرو چیست و چه کاربردی دارد.

مفهوم گشتاور در فیزیک

اگر به یک جسم نیرو وارد کنید باعث به حرکت درآمدن آن جسم در مسیر مستقیم و در نهایت شتاب گرفتن آن می‌شوید. حال اگر این نیرو را حول یک محور به جسم وارد کنید، نیروی زاویه‌ای به نام گشتاور تولید می‌شود که سبب دوران جسم حول محور اعمال نیرو می‌گردد. تفاوت نیرو و گشتاور در این است که گشتاور کمیتی برداری است که فقط برای یک سیستم در حال چرخش و دوران قابل محاسبه است.

گشتاور را با استفاده از دو مولفه ایجاد می‌کنند: 1. نیروی اعمال شده به جسم 2. طول محوری که به‌وسیله آن نیرو به جسم وارد می‌شود.

تعریف گشتاور در فیزیک: گشتاور حاضل ضرب نیروی اعمال شده (نیوتن) در طول محور اهرم (متر) است.

احتمالا تا به اینجای مطلب چیزی از گشتاور و کاربرد آن متوجه نشده‌اید؛ پس بیایید با یک مثال ساده توضیحات را پیش ببریم:

تصور کنید که خودروی شما پنچر شده و می‌خواهید لاستیک آن را تعویض کنید. بعد از قرار دادن جک سعی می‌کنید پیچ‌های رینگ را با استفاده از آچار چرخ باز کنید. اما در ابتدا پیچ‌ها سفت و محکم هستند و به‌راحتی باز نمی‌شوند. راه‌حل شما در این مواقع چیست؟ اعمال نیروی بیشتر برای غلبه بر نیروی ایستایی؟ بله، درست است که با این روش می‌توانید پیچ‌ها را باز کنید؛ اما یک راه‌حل ساده‌تر نیز وجود دارد و آن هم بلند کردن طول آچار است. یا در مواقعی که با استفاده از یک پیچ‌گوشتی می‌خواهید یک پیچ را باز کنید اگر توجه کرده باشید هر چقدر طول میله پیچ گوشتی شما بیشتر باشد به نیروی کمتری برای باز کردن پیچ نیاز است.

همان‌طور که پیش‌تر توضیح دادیم حاصل ضرب نیرویی که وارد می‌کنید به طول آچار یا پیچ‌گوشتی، گشتاور نام دارد. با بالا بردن مقدار هر یک از این دو مولفه می‌توان گشتاور بیشتری تولید کرد و در نتیجه پیچ راحت‌تر باز می‌شود. پس با استفاده از آچار چرخ یا پیچ‌گوشتی بلندتر و اعمال نیرو به انتهای آن، پیچ‌ها راحت‌تر باز می‌شوند.

همه ما به‌صورت روزمره بارها با المان گشتاور سر و کار داریم، بدون آن‌که متوجه آن شده باشیم؛ مثلا مواقعی که دوچرخه‌سواری می‌کنیم، باز کردن در شیشه مربا، باز کردن دستگیره در و… ما از قانونی به‌نام گشتاور بدون آن‌که ماهیت آن را بدانیم استفاده می‌کنیم.

حال تصویر کنید که انتهای دستگیره در اتاق شما شکسته است و مجبورید دستگیره را از قسمتی که به محل گردش آن حول محور لولا است بگیرید. در این صورت برای باز کردن در اتاق مجبورید نیروی بیشتری را اعمال کنید. در واقع شما به دلیل کوتاه کردن محور اهرم سبب پایین آوردن گشتاور شده‌اید و مجبورید برای جبران آن نیروی بیشتری اعمال کنید.

مفهوم گشتاور در خودرو؛ گشتاور در خودرو چه کاربردی دارد؟

تولید گشتاور در خودرو نیز از قوانین فیزیکی تبعیت می‌کند و همان دو عامل اصلی نیرو وارد شده و طول بازوی اهرم، تعیین‌کننده میزان گشتاور خودروی شما هستند.

اما این نیرو توسط موتور خودرو به چه بخشی اعمال می‌شود تا پدیده گشتاور در خودرو تعریف شود. در ادامه با کاربرد گشتاور در خودرو بیشتر آشنا می‌شوید.

با احتراق داخل محفظه سیلندر، انرژی آزاد شده سبب به پایین رانده شدن پیستون می‌شود. پیستون با فشار و نیروی زیاد میل‌لنگ را حول محور مرکزی لنگ به چرخش درمی‌آورد که همین حرکت رفت و برگشتی پیستون در سیلندر در نتیجه احتراق سوخت داحل محظه سبب تولید گشتاور خودرو می‌شود.

به‌طور کلی با به‌کارگیری میل لنگ در خودروها حرکت رفت و برگشتی پیستون به حرکت دورانی تبدیل می‌شود. از عوامل افزایش‌دهنده گشتاور خودروها می‌توان به افزایش طول محور میل لنگ، افزایش قطر پیستون، استفاده از سوخت با اکتان بالا، افزایش تعداد سیلندرها، تغییر آرایش سیلندرها و افزایش هوای ورودی با استفاده از توربوشارژها اشاره کرد.

چه خودروهایی باید گشتاور بالا داشته باشند؟

احتمالا شما هم شنیده‌اید که در بحث بررسی یک خودرو سنگین و باری به گشتاور تولیدی پیشرانه توجه ویژه‌ای می‌شود. اما این گشتاور بالا به چه منظور در این خودروها تولید می‌شود؟

برای فهمیدن این موضوع ابتدا شما را با واژه‌ای به نام دور موتور آشنا می‌کنم؛ وقتی پیستون داخل محفظه سیلندر بر اثر احتراق حرکت رفت و برگشتی خود را انجام می‌دهد، سبب گردش میل‌لنگ حول محور مرکزی آن می‌شود. به هر بار گردش میل‌لنگ دور حول محور مرکزی یک دور موتور می‌گویند. هنگامی که می‌گوییم موتور در دور rpm 5500 به حداکثر گشتاور می‌رسد، منظور آن است که در یک دقیقه میل‌لنگ 5500 بار حول محور مرکزی خود گردش می‌کند و در این حالت موتور حداکثر راندمان خود را دارد.

طراحی موتورهای دیزلی به‌گونه‌ای است که به‌دلیل دارا بودن نسبت تراکم بیشتر سوخت و هوا و همچنین طولانی‌تر بودن طول بازوی میل‌لنگ می‌توانند گشتاور بیشتری تولید کنند. اما از آنجایی که طول میله میل‌لنگ در موتورهای دیزلی بیشتر از موتورهای بنزینی است مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا میل‌لنگ یک دور کامل حول محور مرکزی خود بچرخد. در نتیجه در مدت زمان 1 دقیقه دورهای کمتری را به نسبت موتورهای بنزینی حول محور می‌چرخد. به همین دلیل است که موتورهای دیزلی گشتاور بالاتری در دور موتور پایین تولید می‌کنند که آن‌ها را برای حمل بار و حرکت در سراشیبی‌ها به گزینه مناسب‌تری تبدیل می‌کند.

اما در خودروهای اسپورت و مسابقه‌ای از میل‌لنگ با طول کمتری استفاده می‌شود؛ در نتیجه در مدت زمان یک دقیقه میل‌لنگ می‌تواند به میزان بیشتری حول محور خود گردش کند و در زمان کمتری به شتاب بالاتری دست پیدا کند. در این نوع خودروها گشتاور در دور موتور بالاتری ایجاد می‌شود.

برای مقایسه بهتر تصور کنید که دو خودرو با توان، گشتاور تولیدی و حتی ظاهر و فنی یکسان در اختیار داریم؛ اما دور موتور خودروی اول rpm 6500 و دور موتور خودوری دوم rpm 5500 است. با تحلیلی ساده می‌توان دریافت که خودروی دوم در مدت زمان کمتری به حداکثر گشتاور تولیدی خود دست پیدا می‌کند و در نتیجه شتاب اولیه بیشتری خواهد داشت.

به‌طور کلی گشتاور برای توصیف شتاب اولیه یک خودرو، توانایی آن در حمل بار و توان حرکتی آن در سراشیبی به‌کار می‌رود؛ در صورتی که اسب بخار بیشتر مربوط به حداکثر توان و سرعتی است که یک وسیله نقلیه می‌تواند به آن دست پیدا کند.