汽車驅(qū)動(dòng)理論

馬力與扭力哪一項(xiàng)最能具體代表車輛性能?有人說(shuō)「起步靠扭力，加 速靠馬力」，也有人說(shuō)「馬力大代表極速高，扭力大代表加速好」，其實(shí)這些都是片段的錯(cuò)誤解釋，其實(shí)車輛的前進(jìn)一定是靠引擎所發(fā)揮 的扭力，所謂的「扭力」在物理學(xué)上應(yīng)稱為「扭矩」，因?yàn)橐杂瀭饔灥慕Y(jié)果，大家都說(shuō)成「扭力」，也就從此流傳下來(lái)，為導(dǎo)正視聽(tīng)，

本文以下皆稱為「扭矩」。

扭矩的觀念從小學(xué)時(shí)候的「杠桿原理」就說(shuō)明過(guò)了，定義是「垂直方向的力乘上與旋轉(zhuǎn)中心的距離」，公制單位為牛頓-米(N-m)，除以重力加速度 9.8m/sec2之后，單位可換算成國(guó)人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制單位則 為磅-呎(lb-ft)，在美國(guó)車的型錄上較為常見(jiàn)，若要轉(zhuǎn)換成公制，只要將lb-ft的數(shù)字除以7.22即可。

汽車驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方式：

將扭矩除以車輪半徑即可由引擎馬力-扭力輸出曲線圖可發(fā)現(xiàn)，在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)相對(duì)的 扭矩?cái)?shù)值，這些數(shù)值要如何轉(zhuǎn)換成實(shí)際推動(dòng)汽車的力量呢?答案很簡(jiǎn)單，就是「除以一個(gè)長(zhǎng)度」，便可獲得「力」的數(shù)據(jù)。舉例而言，一 部1.6升的引擎大約可發(fā)揮15.0kg-m的最大扭力，此時(shí)若直接連上185/ 60R14尺寸的輪胎，半徑約為41公分，則經(jīng)由車輪所發(fā)揮的推進(jìn)力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實(shí)上公斤并不是力量的單位，而是重量的單位，須乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的標(biāo)準(zhǔn)單位「牛頓」)。

36公斤的力量怎么推動(dòng)一公噸的車重呢?而且動(dòng)輒數(shù)千轉(zhuǎn)的引擎轉(zhuǎn)速更不可能恰好成為輪胎轉(zhuǎn)速，否則車子不就飛起來(lái)了?幸好聰明的人類發(fā)明了「齒輪」，利用不同大小的齒輪相連搭配，可以將旋轉(zhuǎn)的速度降低，同時(shí)將扭矩放大。由于齒輪的圓周比就是半徑比，因此從小齒輪傳遞動(dòng)力至大齒輪時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度降低的比率以及扭矩放大的倍數(shù)，都恰好等于兩齒輪的齒數(shù)比例，這個(gè)比例就是所謂的「齒輪比」。

舉例說(shuō)明，以小齒輪帶動(dòng)大齒輪，假設(shè)小齒輪的齒數(shù)為15齒，大齒輪的齒數(shù)為45齒。

當(dāng)小齒輪以3000rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而扭矩為20kg-m時(shí)，傳遞至大齒輪的轉(zhuǎn)速便降低了1/3，變成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍，成為60kg-m。這就是引擎扭矩經(jīng)由變速箱可降低轉(zhuǎn)速并放大扭矩的基本原理。

在汽車上，引擎輸出至輪胎為止共經(jīng)過(guò)兩次扭矩的放大，第一次由變 速箱的檔位作用而產(chǎn)生，第二次則導(dǎo)因于最終齒輪比(或稱最終傳動(dòng) 比)。扭矩的總放大倍率就是變速箱齒比與最終齒輪比的相乘倍數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，手排六代喜美的一檔齒輪比為3.250，最終齒輪比為4.058，而引擎的最大扭矩為14.6kgm/5500rpm，于是我們可以算出第一檔的最 大扭矩經(jīng)過(guò)放大后為14.6×3.250×4.058=192.55kgm，比原引擎放大了13倍。此時(shí)再除以輪胎半徑約0.41m，即可獲得推力約為470公斤。然而上述的數(shù)值并不是實(shí)際的推力，畢竟機(jī)械傳輸?shù)倪^(guò)程中必定有磨 耗損失，因此必須將機(jī)械效率的因素考慮在內(nèi)。

論及機(jī)械效率，每經(jīng)過(guò)一個(gè)齒輪傳輸，都會(huì)產(chǎn)生一次動(dòng)力損耗，手排變速箱的機(jī)械效率約在95%左右，自排變速箱較慘，約剩88%左右，而傳動(dòng)軸的萬(wàn)向接頭 效率約為98%，各位自己乘乘看就知道實(shí)際的推力還剩多少。整體而 言，汽車的驅(qū)動(dòng)力可由下列公式計(jì)算：

扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機(jī)械效率

驅(qū)動(dòng)力= ————————————————————

輪胎半徑(單位為公尺)

馬力亦非「力」乃「功率」的一種

了解如何將扭矩經(jīng)由變速箱的齒比放大成為實(shí)際推力之后，接著可以研究什么叫做「馬力」。馬力其實(shí)也不是一種「力」，而是一種功率 (Power)的單位，定義為單位時(shí)間內(nèi)所能做「功」的大小。盡管如此，我們不得不繼續(xù)使用「馬力」這個(gè)名字，畢竟已經(jīng)用太久了，講「功率」恐怕沒(méi)幾個(gè)消費(fèi)者聽(tīng)得懂?

功率是由扭矩計(jì)算出來(lái)的，而計(jì)算的公式相當(dāng)簡(jiǎn)單：功率(W)=2π× 扭矩(N-m)×轉(zhuǎn)速(rpm)/60，簡(jiǎn)化計(jì)算后成為：功率(kW)=扭矩(N-m) ×轉(zhuǎn)速(rpm)/9549，詳細(xì)的推導(dǎo)請(qǐng)參看方塊文章。然而功率kW要如何 轉(zhuǎn)換成大家常見(jiàn)的「馬力」呢，這又有一段故事得講。

英制或公制?

1PS=735W;1hp=746W

馬力定義竟然不一樣!

談到引擎的馬力，相信不少人會(huì)直覺(jué)地想到什么DIN、SAE、EEC、JIS等等不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，到底這些標(biāo)準(zhǔn)的差異在哪兒，以后有空再研究;有點(diǎn)夸張的是由于英制與公制的不同，對(duì)「馬力」的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為：一匹馬于一分鐘內(nèi)將200磅(lb)重的物體拉動(dòng)165英呎(ft)，相乘之后等于33,000ft-lb/min;而公制的馬力(PS)定義則為一匹馬于一分鐘內(nèi)將75公斤的物體拉動(dòng)60公尺，相乘之后等于4500kg-m/min。經(jīng)過(guò)單位換算，(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然發(fā)現(xiàn)1hp=4566kg-m/min，與公制的1PS=4500kg-m有些許差異，而如果以功率W(1W=1Nm/sec= 9.8kgm/sec)來(lái)?yè)Q算的話，可得1hp=746W;1PS=735W兩項(xiàng)不一樣的結(jié)果。

同樣是「馬力」，英制馬 力與公制馬力的定義竟然不一樣!難道英國(guó)馬比較「有力」嗎?

到底世界上為什么會(huì)有英制與公制的分別，就好像為什么有的汽車是右駕，有的卻是左駕一樣，是人類永遠(yuǎn)難以協(xié)調(diào)的差異點(diǎn)。若以大家 比較熟悉的幾個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，德國(guó)的DIN與歐洲共同體的新標(biāo)準(zhǔn) EEC還有日本的JIS是以公制的PS為馬力單位，而SAE使用的是英制的 hp為單位，但為了避免復(fù)雜，本刊一率將馬力的單位標(biāo)示為hp。近來(lái)，越來(lái)越多的原廠數(shù)據(jù)已改提供絕對(duì)無(wú)爭(zhēng)議的KW作為引擎輸出的功率數(shù)值。

不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，1PS與1hp之間的差異僅1.5%，每一百匹馬力差1.5匹，差異并不大。一般房車的馬力多半僅在200匹馬力以下，兩者由于定義的差異也僅3匹馬力左右，因此如果您真要「馬馬計(jì)較」，就把SAE 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)多個(gè)1.5%吧!不過(guò)SAE、JIS、DIN、EEC各種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)之 間亦有些許差異，這個(gè)老問(wèn)題已經(jīng)爭(zhēng)論過(guò)很多次了，單位之間不能真正劃上等號(hào)，然而在差別不怎么多的情況之下，就當(dāng)作相同吧!因此 管他是PS或hp，都差不多可以視為相等。

終于可以做結(jié)論了!將上述獲得的馬力與功率換算方式代入功率與扭矩的換算公式，并且將扭矩的單位換算為大家熟悉的kg-m之后，可得下列結(jié)果：

英制馬力hp=扭力(kg-m)×引擎轉(zhuǎn)速(rpm)/727

公制馬力PS =扭力(kg-m)×引擎轉(zhuǎn)速(rpm)/716

知道這些公式之后有什么用呢?從「馬力hp=扭力×轉(zhuǎn)速/727」看來(lái)， 如果能增加引擎轉(zhuǎn)速，扭力不變的情況下，便能增加馬力。例如若能 將轉(zhuǎn)速?gòu)?000rpm增加到8000rpm，等于增加了33%，但因?yàn)橥馆嗇S的 限制使得8000rpm時(shí)的扭力下降了10%，則仍能使馬力增加19.7%，這 說(shuō)明了時(shí)下改裝計(jì)算機(jī)的為何能在解除斷油后大幅增加馬力。

所以不要被「增加??匹馬力」的廣告所著魔。

讓我們從另外一個(gè)角度來(lái)想：如果在同樣的轉(zhuǎn)速下，增加20匹馬力，代表能增加多少推力呢?以最大扭力點(diǎn)發(fā)揮于5000rpm的情況下，將公式稍微變換一下，可發(fā)現(xiàn)增加的扭力=20hp×727/ 5000rpm=2.9kgm。再將這個(gè)結(jié)果代入汽車驅(qū)動(dòng)力的公式，同樣以喜美 的一檔計(jì)算，2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。對(duì)于一噸重的車身而言，影響似乎也不怎么大;再者如果相差5匹馬力的話，推力更僅增加23公斤，可見(jiàn)相差5匹馬力，根本也沒(méi)差多少，所以能「增加5匹馬力」的產(chǎn)品，到底應(yīng)該花多少錢去改裝，您自個(gè)兒會(huì)拿捏了吧?

大馬力決定真性能!

到底大馬力的車子跑得快，還是大扭力的車子跑得快?從公式可以知 道大馬力的原因是「高轉(zhuǎn)速的時(shí)候仍保有高扭力數(shù)值」，也就是說(shuō)要 有大馬力，不只是低轉(zhuǎn)速的扭力要好，連高轉(zhuǎn)速的扭力都得繼續(xù)維持 ，這表示扭力與馬力的爭(zhēng)論根本是多余的，只要能做到高馬力，除了表示各轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭力都很大之外，更代表材料技術(shù)的優(yōu)越性，將活塞、進(jìn)排氣閥門的材質(zhì)與重量予以強(qiáng)化與輕量化，才能將引擎轉(zhuǎn)速提高。

扭矩與功率的換算公式推導(dǎo)

假設(shè)一圓的半徑為r(單位為m)，扭矩為T(單位為N-m)，則圓周上切線 方向的力F=T/r，由于功率的定義為「每秒鐘所作的功」，對(duì)于圓周?動(dòng)而言，每旋轉(zhuǎn)一圈所作的功為：F×圓周總長(zhǎng)2πr 將F=T/r代入計(jì)算，每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT

再乘上引擎轉(zhuǎn)速rpm就是每分鐘所作的功，但功率P的單位是N-m/sec ，所以需除以60，轉(zhuǎn)換成每秒所作的功。代入公式：P=T2πrpm/60，將常數(shù)整理后，則可得P(kW)=Trpm/9545。

由上文可見(jiàn)，一臺(tái)車的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸?shù)杰囕?，需要?jīng)過(guò)多組齒輪因此有所損耗，如果德制馬力測(cè)的是傳遞到車輪上的動(dòng)力，那么同樣發(fā)動(dòng)機(jī)用在不同車型上的動(dòng)力輸出應(yīng)該不同，試拿bmw330和bmw530做比較，其功率均是225hp/5900rpm;結(jié)論，要么bmw在數(shù)據(jù)上造假，要么它測(cè)的是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出凈值。