極品飛車10 深度講解馬力與扭力區(qū)別

     越來越多車迷了解如何改裝愛車，可以提高動力的輸出，但仍有許多車友并不了解引擎輸出的動力到底如何轉化成推動汽車行進的力量。對于加速能力與極速而言，到底是扭力與馬力到底何者比較重要？本文將給大家一個圓滿的解答。

     汽車驅動理論 

     馬力與扭力哪一項最能具體代表車輛性能？有人說“起步靠扭力，加 速靠馬力”，也有人說“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(fā)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，大家都說成“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”就說明過了，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之后，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(shù)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(fā)現(xiàn)，在每一個轉速下都有一個相對的 扭矩數(shù)值，這些數(shù)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(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(fā)揮的推進力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實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才是力的標準單位“牛頓”)。 

     36公斤的力量怎么推動一公噸的車重呢？而且動輒數(shù)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(fā)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。由于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(shù)，都恰好等于兩齒輪的齒數(shù)比例，這個比例就是所謂的“齒輪比”。 

     舉例說明，以小齒輪帶動大齒輪，假設小齒輪的齒數(shù)為15齒，大齒輪的齒數(shù)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過兩次扭矩的放大，第一次由變 速箱的檔位作用而產生，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(shù)。舉例來說，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 大扭矩經過放大后為14.6×3.250×4.058=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(shù)值并不是實際的推力，畢竟機械傳輸?shù)倪^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，都會產生一次動力損耗，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后，接著可以研究什么叫做“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。盡管如此，我們不得不繼續(xù)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？ 

     功率是由扭矩計算出來的，而計算的公式相當簡單：功率(W)﹦2π×扭矩(N-m)×轉速(rpm)/60，簡化計算后成為：功率(kW)=扭矩(N-m) ×轉速(rpm)/9549，詳細的推導請參看方塊文章。然而功率kW要如何 轉換成大家常見的“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，相信不少人會直覺地想到什么DIN、SAE、EEC、JIS等等不同測試標準，到底這些標準的差異在哪兒，以后有空再研究；有點夸張的是由于英制與公制的不同，對“馬力”的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為：一匹馬于一分鐘內將200磅(lb)重的物體拉動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將75公斤的物體拉動60公尺，相乘之后等于4500kg-m/min。經過單位換算，(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)來換算的話，可得1hp=746W;1PS=735W兩項不一樣的結果。 

     同樣是“馬力”，英制馬 力與公制馬力的定義竟然不一樣！難道英國馬比較“有力”嗎？ 

     到底世界上為什么會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，是人類永遠難以協(xié)調的差異點。若以大家 比較熟悉的幾個測試標準來看，德國的DIN與歐洲共同體的新標準 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，但為了避免復雜，本刊一率將馬力的單位標示為hp。近來，越來越多的原廠數(shù)據(jù)已改提供絕對無爭議的KW作為引擎輸出的功率數(shù)值。 

     不過話說回來，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“馬馬計較”，就把SAE 標準的數(shù)據(jù)多個1.5%吧！不過SAE、JIS、DIN、EEC各種測試標準之 間亦有些許差異，這個老問題已經爭論過很多次了，單位之間不能真正劃上等號，然而在差別不怎么多的情況之下，就當作相同吧！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，可得下列結果：

     英制馬力hp=扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)／727 

     公制馬力PS =扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)／716 

     知道這些公式之后有什么用呢？從“馬力hp=扭力×轉速/727”看來， 如果能增加引擎轉速，扭力不變的情況下，便能增加馬力。例如若能 將轉速從6000rpm增加到8000rpm，等于增加了33%，但因為凸輪軸的 限制使得8000rpm時的扭力下降了10%，則仍能使馬力增加19.7%，這 說明了時下改裝計算機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。 

     讓我們從另外一個角度來想：如果在同樣的轉速下，增加20匹馬力，代表能增加多少推力呢？以最大扭力點發(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。再將這個結果代入汽車驅動力的公式，同樣以喜美 的一檔計算，2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。對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，可見相差5匹馬力，根本也沒差多少，所以能“增加5匹馬力”的產品，到底應該花多少錢去改裝，您自個兒會拿捏了吧？ 

     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“高轉速的時候仍保有高扭力數(shù)值”，也就是說要 有大馬力，不只是低轉速的扭力要好，連高轉速的扭力都得繼續(xù)維持 ，這表示扭力與馬力的爭論根本是多余的，只要能做到高馬力，除了表示各轉速區(qū)域的扭力都很大之外，更代表材料技術的優(yōu)越性，將活塞、進排氣閥門的材質與重量予以強化與輕量化，才能將引擎轉速提高。 

     扭矩與功率的換算公式推導 

     假設一圓的半徑為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”，對于圓周?動而言，每旋轉一圈所作的功為：F×圓周總長2πr 將F=T/r代入計算，每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT 再乘上引擎轉速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，一臺車的動力由發(fā)動機傳輸?shù)杰囕?，需要經過多組齒輪因此有所損耗，如果德制馬力測的是傳遞到車輪上的動力，那么同樣發(fā)動機用在不同車型上的動力輸出應該不同，試拿bmw330和bmw530做比較，其功率均是225hp/5900rpm；結論，要么bmw在數(shù)據(jù)上造假，要么它測的是發(fā)動機輸出凈值。