แรงบิด แรงม้า ความสัมพันธ์ การคำนวณ การทดเกียร์

แรงบิด คือ แรงบิดตัวของแกนหมุนใดๆ มีหน่วยวัดได้หลายแบบ แต่ที่นิยมก็มี 3 แบบ คือ
ฟุต-ปอนด์ : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นความยาวของรัศมีการหมุน ที่มีแรงผลัก 1 ปอนด์
นิวตัน-เมตร : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นแรงผลักในหน่วย นิวตัน ที่รัศมีการหมุน 1 เมตร
กิโลกรัม-เมตร : โดยตัวเลขที่บอกจะเป็นแรงผลักในหน่วย กิโลกรัม ที่รัศมีการหมุน 1 เมตร

ทั้งสามระบบการวัดแรงบิด มีความสัมพันธ์กันดังนี้
1 ฟุต-ปอนด์ = 0.737265 นิวตัน-เมตร
1 กิโลกรัม-เมตร = 9.8 นิวตัน-เมตร

อยากจะเปลี่ยนอะไรเป็นอะไรก็คูณหารกันเข้าไป ตัวอย่าง เช่น :  
“เครื่องยนต์ A มีแรงบิดสูงสุด = 20.0 กิโลกรัม-เมตร = 196 นิวตัน-เมตร = 144.5 ฟุต-ปอนด์”

        

แรงม้า คือ หน่วยวัด “พลัง” ของเครื่องยนต์ที่ได้จากการทำงานของ “แรงบิด” ที่ความเร็วรอบใดๆ ต่อหน่วยเวลา มีรากการคำนวณมาจากสูตร

 “งาน”(จูล) = “แรง” คูณด้วย “ระยะทาง”

ตามสูตร : W = F x S

และ “พลังงาน” P คือ “งานต่อหน่วยเวลา” ที่เรียกว่า วัตต์ (Watt) หรือ จูลต่อวินาที
ตามสูตร : P = W/วินาที

หรือเท่ากับ “’งาน” คูณด้วย “ความเร็วเมตรต่อวินาที"
ตามสูตร : P = W x v

โดยที่ : 1 แรงม้า = 746 วัตต์

ความสัมพันธ์ระหว่าง แรงม้า กับ แรงบิด
          สามารถคำนวณหา “แรงม้า” จาก “แรงบิด” หรือ คำนวณ “แรงบิด” จาก “แรงม้า” ได้เสมอ ถ้ารู้ค่าของตัวใดตัวหนึ่ง ที่ความเร็วรอบเครื่องขณะใดขณะหนึ่ง
          ด้วยสูตรการคำนวณค่าแรงม้าที่ให้มาข้างต้น เราสามารถสร้างสูตรสำเร็จในการคำนวณหาความสัมพันธ์ระหว่าง แรงม้า และ แรงบิด ได้ดังนี้ (ค่าแรงบิดที่ใช้สูตรการคำนวณมีหน่วยเป็น…กิโลกรัม-เมตร.)    คำนวณ แรงม้า จาก แรงบิด : แรงม้า = รอบต่อนาที X แรงบิด X 0.001376    คำนวณ แรงบิด จาก แรงม้า : แรงบิด = แรงม้า / (รอบต่อนาที X 0.001376)

          ดังนั้น จากข้อมูลของเครื่องยนต์ที่เห็นจากโฆษณารถ ก็จะสามารถคำนวณต่อได้ว่า ที่แรงบิดสูงสุดเท่านั้น มีกี่แรงม้า หรือ ที่แรงม้าสูงสุดนั้น มีแรงบิดเท่าไหร่

          ข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้เราสามารถคำนวณหาค่าอัตราทดเกียร์ เฟืองท้าย และ ขนาดล้อ ที่เหมาะสม เพื่อให้ได้รถที่มีสมรรถนะตามต้องการ ทั้ง อัตราเร่ง และ ความเร็วสูงสุด ทั้งนี้เราจะต้องรู้น้ำหนักรถ และ ค่าอากาศพลศาสตร์ ของรถด้วย

ตัวอย่างการคำนวณ
          ตัวอย่างที่ 1 : เครื่องยนต์ A มีแรงบิดสูงสุด 20.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 3,600 รอบต่อนาที มีแรงม้าสูงสุด 150 แรงม้า ที่ 6,000 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงม้า ที่แรงบิดสูงสุด ได้จาก : 3,600 X 20.0 X 0.001376 = 99.072 แรงม้า ที่ 3,600 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงบิด ที่แรงม้าสูงสุด ได้จาก : 150 / (6,000 X 0.001376) = 18.168 กิโลกรัม-เมตร ที่ 6,000 รอบต่อนาที

          ตัวอย่างที่ 2 : เครื่องยนต์ B มีแรงบิดสูงสุด 20.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 4,500 รอบต่อนาที มีแรงม้าสูงสุด 150 แรงม้า ที่ 6,500 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงม้า ที่แรงบิดสูงสุด ได้จาก : 4,500 X 20.0 X 0.001376 = 123.84 แรงม้า ที่ 4,500 รอบต่อนาที
คำนวณหา แรงบิด ที่แรงม้าสูงสุด ได้จาก : 150 / (6,500 X 0.001376) = 16.771 กิโลกรัม-เมตร ที่ 6,500 รอบต่อนาที

          จาก ตัวอย่างการคำนวณของ เครื่องยนต์ A และ B เราจะเห็นได้ว่า แม้ทั้งคู่จะมี “แรงบิด” และ “แรงม้า” สูงสุด เท่ากัน แต่เครื่องยนต์ A จะได้อัตราเร่งที่ดีกว่าทั้งต้นและปลาย ที่อัตราทดของระบบการส่งกำลังเดียวกัน และ ถ้าจะให้เครื่องยนต์ B มีสมรรถนะเท่ากับเครื่อง A บนตัวถังเดียวกัน อาจจำเป็นต้องใช้ชุดเกียร์ที่มีอัตราทดชิดกันมากกว่า และอาจต้องมีจำนวนเกียร์มากกว่าด้วย นอกจากนี้ เครื่องยนต์ A ก็มีโอกาสประหยัดน้ำมันกว่า ถ้ามีความจุของเครื่องยนต์เท่าๆ กัน เพราะว่า เครื่องยนต์ A ดูจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ B จากลักษณะ แรงบิด และ แรงม้า ที่เครื่อง A ได้มาอยู่ในรอบเครื่องยนต์ที่ต่ำกว่า ทั้งนี้ก็ไม่เสมอไปนะครับ แต่มีโอกาสเป็นไปตามนี้สูงมาก

การทดเกียร์มีจุดประสงค์ 2 ประการคือ  ประการที่ 1 เพื่อให้สามารถควบคุมความเร็วรถได้อย่างเหมะสมตามรอบเครื่องยนต์
สอง เพื่อให้สามารถสร้างอัตตราเร่งของรถได้ด้วยการทำให้แรงบิดของเพลาขับสูงกว่าแรงที่รถต้องการในแต่ละช่วงความเร็ว
          นั้นคงไม่ต้องอธิบายมาก ทำไมรถที่เครื่องแรงมากๆ เช่น รถสปอร์ต 300-500 แรงม้า ยังคงต้องมีเกียร์หนึ่ง ที่มีอัตราทดพอๆ กับรถจ่ายตลาดที่มีแรงม้า 100 แรงม้ากว่าๆ รถที่แรงมากๆ อาจจะออกเกียร์ สองได้ แต่ไม่มีประโยชน์อะไร รถยนต์ทุกคันต้องออกตัวจากจุดหยุดนิ่งเสมอ และถ้าไม่มีครัช เครื่องยนต์ก็ต้องเริ่มหมุนจาก 0 รอบต่อนาทีเหมือนกัน และไม่ว่าเครื่องจะมีแรงเท่าไหร่ ถ้าเครื่องหมุน 0 รอบต่อนาที ก็มีแรงเท่ากับ 0 เหมือนกันทุกเครื่องยนต์

ดังนั้น คุณต้องการเกียร์หนึ่ง ที่มีอัตราทดมาก ไม่ได้ไว้เพื่อให้มีแรงอย่างเดียว แต่เพื่อความเหมาะสมต่อการเลี้ยงรอบเครื่องในการออกตัว ส่วนการทดในเกียร์ต่อๆ ไปก็เพื่อให้เครื่องได้ทำงานในรอบเครื่องยนต์ที่ให้การตอบสนองเหมาะสมต่อการ ใช้งานที่ดีที่สุดนั่นเอง

  ประการที่ 2 เพราะว่าการที่รถจะมีความเร็วคงที่อยู่ได้ หรือสามารถเร่งความเร็วเพิ่มขึ้นได้นั้น แรงบิดที่เพลาขับต้องมีเหลือมากกว่าแรงที่รถต้องการ ยิ่งความแตกต่างของแรงบิดที่เพลาขับมากกว่าแรงบิดที่รถต้องการมากเท่าใด รถก็จะยิ่งมีอัตราเร่งสูงขึ้นเท่านั้น แต่แรงที่รถต้องการเมื่อความเร็วสูงขึ้นเรื่อยๆ คือแรงต้านของอากาศที่มีสมการอยู่ในรูปของ ความเร็วยกกำลังสอง ทำให้แรงต้านนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าการเพิ่มของความเร็วของรถ และบังเอิญว่า แรงบิด ของรถก็มักจะลดลงเมื่อรอบเครื่องยนต์พ้นรอบแรงบิดสูงสุดไป การทดเกียร์ จึงเป็นการเพิ่มแรงบิดของเพลาขับให้มากกว่าแรงที่รถต้องการตลอดช่วงการไต่หา ความเร็วสูงสุด

 ***การทดเกียร์นี้จะเพิ่มเฉพาะ แรงบิด โดยที่ แรงม้า จะยังคงเท่าเดิมเสมอ

ตัวอย่าง การทดเกียร์ที่อัตรา 2 : 1 ของเครื่องยนต์ A ในตัวอย่างที่ 1 เมื่อเครื่องยนต์หมุนที่ 3,600 รอบต่อนาที เพลาจะหมุน 1,800 รอบต่อนาที แต่เพลาจะมีแรงบิดเป็น 40.0 กิโลกรัม-เมตร และเมื่อคำนวณแรงม้าของแรงบิด 40.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 1,800 รอบต่อนาที ก็จะได้ 99.072 แรงม้าเท่าเดิม ถ้าเราไม่ทดเกียร์เลย ปล่อยให้เพลาขับหมุนเท่าข้อเหวี่ยง เมื่อเพลาขับหมุน 1,800 รอบต่อนาที ก็จะมีแรงบิดน้อยกว่า 20 กิโลกรัม-เมตร เสียอีก ซึ่งถ้าสมมุตว่า ความเร็วรถขณะที่เพลาหมุน 1,800 รอบนั้นต้องการ แรงบิด 20 กิโลกรัมเมตร รถคันนี้ก็จะไม่สามารถเร่งให้เร็วขึ้นได้ และจะลดความเร็วลงด้วย.

ลักษณะของเครื่องยนต์ที่ดี

อันดับแรก ต้องมีประสิทธิภาพ ในการเปลี่ยนน้ำมันออกมาเป็นแรงม้าให้ได้มากที่สุด ตรงนี้เราไม่ต้องสนใจเรื่องแรงบิด เพราะเราใช้การทดเกียร์เพิ่มแรงบิดได้ แต่เราไม่สามารถทดเกียร์ใดๆ เพื่อเพิ่มแรงม้าได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ตรงนี้ เป็นสิ่งที่คุณหาไม่ได้จากโบชัวร์ใดๆ และคงไม่มีบริษัทใดกล้าให้ข้อมูลตรงนี้แก่ลูกค้า หรือแม้กระทั่ง ตัวแทนจำหน่ายรถ เพราะว่าถ้าหากมีข้อมูลตรงนี้ อาจทำให้การแข่งขันในตลาดรถวุ่นวายกว่านี้ได้
          หลายๆ คนไปผูก อัตราการกินน้ำมัน กับ ขนาดความจุของเครื่องยนต์ ซึ่งเสี่ยงต่อความผิดพลาดในการตัดสินใจเลือกขนาดเครื่องยนต์เพื่อความ ประหยัด (ขนาดและน้ำหนักรถ แน่นอนกว่า รถยิ่งหนักยิ่งเปลือง) แต่ในความเป็นจริงแล้ว เครื่องยนต์ความจุมากรุ่นใหม่ๆ และมีเทคโนโลยีสูง มักมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์เล็กๆ แต่มีเทคโนโลยีต่ำกว่า ซึ่งถ้าจะคิดถึงอัตราสิ้นเปลืองเพื่อการเปรียบเทียบกันจริงๆ แล้ว ข้อมูลเพียงแค่ ขนาดความจุ แรงม้าสูงสุด หรือ แรงบิดสูงสุด ของเครื่องยนต์ นั้น ไม่เพียงพอต่อการฟันธง ดังนั้นส่วนใหญ่ก็ได้แต่เดาๆ เอา ไม่ว่าจะเป็นเซียนใดๆ ก็ต้องนั่งเทียนเอาถ้ามีข้อมูลเพียงเท่านี้.

          สิ่งที่คิดว่า น่าจะเป็นประโยชน์กว่า การให้ตัวเลข แรงม้า และ แรงบิดสูงสุด คือ กราฟที่แสดงค่าแรงม้า และ/หรือ แรงบิด ของเครื่องยนต์ ตลอดช่วงรอบการทำงาน ที่ไม่จำเป็นต้องได้กราฟของ ทั้งคู่ เพราะว่า เราสามารถคำนวณได้เองจากข้อมูลอันใดอันหนึ่ง จากกราฟ ก็อาจจะพอบอกได้คร่าวๆ ว่า เครื่องยนต์ตัวไหนดี กว่า ตัวไหน ซึ่งสิ่งที่เราต้องการก็คือ ค่าแรงบิดที่ได้ออกมามากที่รอบต่ำ และมีช่วงห่างของรอบแรงบิดสูงสุดกับแรงม้าสูงสุดมากๆ เข้าไว้ เพื่อเป็นการบอกว่า เครื่องยนต์มีแรงบิดออกมาให้ใช้งานได้ในรอบความเร็วที่กว้าง ไม่ใช่ ขึ้นเร็วลงเร็ว ซึ่งจากความรู้ในเรื่อง แรงม้า และ แรงบิด

ก็พอจะสรุปได้คร่าวๆ ว่า เครื่องยนต์ A ในตัวอย่างที่ 1 อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ B เพราะว่าทำงานที่รอบต่ำกว่า และมีช่วงแรงบิดในการใช้งานกว้างกว่า (แสดงว่าเครื่องยนต์สามารถทำงานในสภาวะที่สมบูรณ์ครอบคลุมในย่านรอบความเร็ว ที่กว้างกว่า มีพื้นที่ใต้กราฟที่มากกว่า)

          อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์ที่มีแรงม้ามากกว่าเครื่องอื่นๆ ในขนาดความจุเดียวกัน ก็ไม่ได้หมายความว่า เป็นเครื่องที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์เทอร์โบ กับ ไม่โบ ที่ความจุเดียวกัน เครื่องเทอร์โบมักให้แรงมากกว่าทั้งนี้เพราะว่า เผาน้ำมันไปมากกว่า ซึ่งการได้แรงม้าเพิ่มขึ้นมาอีก 50% อาจต้องเผาน้ำมันมากขึ้นเกินกว่า 50% ซึ่งก็แปลว่าเครื่องมีประสิทธิภาพต่ำลง อย่างไรก็ตาม การรีดแรงม้า จากความจุน้อยๆ ยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่สำหรับการแข่งขันระดับ F1 นั้น การเพิ่มแรงม้าขึ้นด้วยการกินน้ำมันเท่าเดิม ก็ยิ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายกว่า

***อยู่ที่ว่าต้องการ “ประหยัด” หรือ “แรง” ทั้งสองอย่างในที่นี้ทำให้ “แรง” ง่ายกว่า ยากขึ้นอีกหน่อยก็เรื่อง “ความประหยัด” และที่ยากที่สุดก็คือ “ประหยัดด้วย แรงด้วย” นั้นเอง.

Thanks : http://www.isuzu-society.com