汽車驅動理論-馬力和扭力

    馬力與扭力哪一項最能具體代表車輛性能？有人説「起步靠扭力，加 速靠馬力」，也有人説「馬力大代表極速高，扭力大代表加速好」，其實這些都是片段的錯誤解釋，其實車輛的前進一定是靠引擎所發揮 的扭力，所謂的「扭力」在物理學上應稱為「扭矩」，因為以訛傳訛的結果，大家都説成「扭力」，也就從此流傳下來，為導正視聽， 本文以下皆稱為「扭矩」。

    扭矩的觀念從小學時候的「杠桿原理」就説明過了，定義是「垂直方向的力乘上與旋轉中心的距離」，公制單位為牛頓-米(N-m)，除以重力加速度 9.8m/sec2之後，單位可換算成國人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制單位則 為磅-呎(lb-ft)，在美國車的型錄上較為常見，若要轉換成公制，只要將lb-ft的數字除以7.22即可。

    汽車驅動力的計算方式： 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現，在每一個轉速下都有一個相對的 扭矩數值，這些數值要如何轉換成實際推動汽車的力量呢？答案很簡單，就是「除以一個長度」，便可獲得「力」的數據。舉例而言，一 部1.6升的引擎大約可發揮15.0kg-m的最大扭力，此時若直接連上185/ 60R14尺寸的輪胎，半徑約為41公分，則經由車輪所發揮的推進力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實上公斤並不是力量的單位，而是重量的單位，須乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的標準單位「牛頓」)。

    36公斤的力量怎麼推動一公噸的車重呢？而且動輒數千轉的引擎轉速更不可能恰好成為輪胎轉速，否則車子不就飛起來了？幸好聰明的人類發明了「齒輪」，利用不同大小的齒輪相連搭配，可以將旋轉的速度降低，同時將扭矩放大。由於齒輪的圓周比就是半徑比，因此從小齒輪傳遞動力至大齒輪時，轉動的速度降低的比率以及扭矩放大的倍數，都恰好等於兩齒輪的齒數比例，這個比例就是所謂的「齒輪比」。

    舉例説明，以小齒輪帶動大齒輪，假設小齒輪的齒數為15齒，大齒輪的齒數為45齒。 當小齒輪以3000rpm的轉速旋轉，而扭矩為20kg-m時，傳遞至大齒輪的轉速便降低了1/3，變成1000rpm；但是扭矩反而放大三倍，成為60kg-m。這就是引擎扭矩經由變速箱可降低轉速並放大扭矩的基本原理。

    在汽車上，引擎輸出至輪胎為止共經過兩次扭矩的放大，第一次由變 速箱的檔位作用而産生，第二次則導因于最終齒輪比（或稱最終傳動 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。舉例來説，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，於是我們可以算出第一檔的最 大扭矩經過放大後為14.63.2504.058=192.55kgm，比原引擎放大了13倍。此時再除以輪胎半徑約0.41m，即可獲得推力約為470公斤。然而上述的數值並不是實際的推力，畢竟機械傳輸的過程中必定有磨 耗損失，因此必須將機械效率的因素考慮在內。

    論及機械效率，每經過一個齒輪傳輸，都會産生一次動力損耗，手排變速箱的機械效率約在95%左右，自排變速箱較慘，約剩88%左右，而傳動軸的萬向接頭 效率約為98%，各位自己乘乘看就知道實際的推力還剩多少。整體而 言，汽車的驅動力可由下列公式計算：

             扭矩變速箱齒比最終齒輪比機械效率

    驅動力= ———————————————————— 　　　　　　　　

                     輪胎半徑（單位為公尺）

    馬力亦非「力」乃「功率」的一種 了解如何將扭矩經由變速箱的齒比放大成為實際推力之後，接著可以研究什麼叫做「馬力」。馬力其實也不是一種「力」，而是一種功率 (Power)的單位，定義為單位時間內所能做「功」的大小。儘管如此，我們不得不繼續使用「馬力」這個名字，畢竟已經用太久了，講「功率」恐怕沒幾個消費者聽得懂？