2.6 ต้นกำลังของยานยนต์ และลักษณะของการส่งกำลัง

      แรงฉุดลากสูงสุดของรถยนต์ มีปัจจัยที่เป็นข้อจำกัดอยู่สองอย่าง อันที่หนึ่งก็คือ แรงฉุดลากสูงสุดที่เกิดจากยาง กับพื้นถนนที่สัมผัสกัน ตัวแปรตามสมการที่ 2.21 และ 2.23

รูปยาง ที่สัมผัสกันกับพื้นถนน

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

และอีกอันหนึ่ง แรงฉุดลากที่เกิดจากเครื่องยนต์ตำกำลังสร้างแรงบิดออกมา แล้วผ่านอัตราทดของเกียร์ที่จะกำหนดความเร็วในการขับเคลื่อนที่ให้มา ตัวแปรดังสมการที่ 2.29

รูปเครื่องยนต์ และเกียร์

      นอกเหนือจากปัจจัยหลักทั้งสอง ยังมีปัจจัยในส่วนอื่น ๆ รองลงมา ที่จะนำมาคิดคำนวณศักยภาพในการทำงานของยานยนต์ เพื่อการขับขี่บนถนน

      แต่ไม่ค่อยสำคัญเท่ากับสองปัจจัยข้างต้น ในการคำนวณจากการทำงานโดยรวมของยานยนต์ จะต้องพิจารณาจากการคำนวณที่เครื่องยนต์ และการส่งกำลัง 

2.6.1 ลักษณะของต้นกำลัง

      ในการนำต้นกำลังไปใช้ในงานที่เกี่ยวกับยานยนต์ ลักษณะของกราฟสมรรถนะในทางอุดมคติของต้นกำลัง ก็คือ กำลังงานด้านขาออกที่ต้องมีค่าที่เป็นเส้นตรงคงที่และเหนือกว่าแรงบิด เมื่อมีความเร็วสูงสุด ดังนั้นแรงบิดเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นก็จะมีรูปร่างเหมือนไฮเปอร์โบลิก ดังแสดงในรูปด้านล่าง

รูปสมรรถนะมอเตอร์ไฟฟ้า

ส่วนที่ความเร็วต่ำ แรงบิดจะถูกจำกัดที่ค่าคงที่ แต่ก็ไม่เหนือกว่าขีดจำกัดสูงสุด ที่แนบกันระหว่างพื้นที่ของ ยางกับพื้นถนน

      ลักษณะกำลังงานที่คงที่นี้ จะให้ยานยนต์พร้อมมีความพร้อมกับแรงฉุดลากที่สูง ที่ความเร็วรอบต่ำ ซึ่งมีความต้องการในการเร่ง, ลากดึง (Drawbar pull) หรือความสามารถในการไต่ขึ้นทางชันจะมีสูง

รูปเครื่องยนต์ที่ใช้ในยานยนต์

รูปมอเตอร์ที่ใช้ในยานยนต์

      เนื่องจากเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน และมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นที่นิยมนำมาใช้เป็นเครื่องต้นกำลังสำหรับยานยนต์จนถึงปัจจุบัน มันจึงมีจำเป็นที่จะทบทวนพื้นฐานของความรู้เหล่านี้ เพื่อจะได้ก้าวไปสู่การออกแบบสมรรถนะของยานยนต์ และการขับเคลื่อน

      ลักษณะกราฟตัวอย่างของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline engine) ได้งานสูงสุดขณะที่วาล์วปีกผีเสื้อที่เปิดเต็มที่ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

รูปกราฟสมรรถนะกำลัง และแรงบิดของเครื่องยนต์

และมอเตอร์ไฟฟ้าที่เจอโหลดสูงสุด 2.12 ตามลำดับ

กราฟสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้า

      ในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน กราฟ แรงบิด-ความเร็ว เมื่อนำไปเทียบกับการใช้งานจริง ดูจะห่างไกลจากกราฟที่คิดคำนวณทางอุดมคติ เพราะมันมีการสูญเสียมากมาย เช่น จากการเผาไหม้, แรงเสียดทาน และการสูญเสียทางความร้อน  คุณภาพของการเผาไหม้ที่ดี และเครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุด จะอยู่ที่ความเร็วรอบกลาง ๆ ถ้าดูจากกราฟ

รูปกราฟแสดงสมรรถนะของเครื่องยนต์

      ซึ่งความเร็วที่เพิ่มขึ้น ความดันเฉลี่ยจะมีประสิทธิภาพลดลงเพราะว่ามีการสูญเสียอย่างมากขึ้นในท่อทางอากาศเข้าของเครื่องยนต์ ทำให้แรงบิดของเครื่องยนต์ลดลง กำลังงานทางขาออกจึงไม่สูง แต่ถึงอย่างไร มันก็จะเพิ่มสูงที่ความเร็วรอบสูงขึ้น

      เหนือจากจุดนี้ แรงบิดเครื่องยนต์จะลดลงอย่างรวดเร็วมาก แต่ความเร็วรอบจะเพิ่มขึ้น แบบนี้ส่งผลถึงกำลังงานด้านขาออกของเครื่องยนต์ที่ลดลง การนำเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในไปใช้ในงานยานยนต์ ความเร็วรอบสูงสุดของเครื่องยนต์ มักจะสูงเพียงเล็กน้อยเหนือความเร็วรอบของกำลังงานขาออกสูงสุด

      เครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน ทางภาคปฏิบัติจะมีข้อมูลแรงบิด-ความเร็วรอบแบนราบสัมพันธ์กัน (เมื่อเทียบกันกับในทางอุดมคติ)

ดังนั้น การส่งกำลังแบบมีการเปลี่ยนเกียร์ต่าง ๆ หลายเกียร์ ดูได้ในรูปด้านล่าง

กราฟแรงฉุดลากของเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน และช่วงเกียร์ต่าง ๆ กับความเร็วรอบรถยนต์

      ส่วนในมอเตอร์ไฟฟ้า มีกราฟความเร็วรอบ-แรงบิด ซึ่งรูปร่างกราฟในทางปฏิบัติ จะใกล้เคียงกับทางอุดมคติมาก ดังรูป

กราฟประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์

โดยทั่วไป มอเตอร์ไฟฟ้าจะเริ่มต้นจากความเร็วรอบที่ศูนย์ (มอเตอร์ไม่ได้หมุน) ซึ่งมันเพิ่มความเร็วรอบได้จากการป้อนแรงดันไฟฟ้าเข้าไปในมอเตอร์ แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามค่าอัตราที่ใช้งาน ขณะที่ฟลักซ์ (Flux) ยังรักษาค่าคงที่

      เมื่ออยู่เหนือจากฐานความเร็ว แรงดันไฟฟ้าจะมีค่าคงที่ แต่ฟลักซ์จะลดลง ส่งผลในกำลังงานขาออกคงที่ขณะที่แรงบิดลดลงเป็นกราฟโค้ง ข้อมูลของกราฟแรงบิด-ความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้าเข้าใกล้สู่อุดมคติ เป็นการส่งกำลังด้วยเกียร์เดียว ที่เป็นเกียร์ใดเกียร์หนึ่ง ขณะการทำงานปกติ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

กราฟแรงฉุดลากของมอเตอร์ไฟฟ้าเกียร์หนึ่ง กับความเร็วของยานยนต์

รูปการเทียบประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ กับมอเตอร์ไฟฟ้า

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“คนโง่ย่อมเป็นเหยื่อของคนฉลาด

คนฉลาดย่อมเป็นเหยื่อ ของคนฉลาดที่แกล้ง โง่”