質問: 同じエンジンでより加速の良い車はできますか? 7000rpmで最高出力が出るエンジンがあったとします。 本来、最高出力が出る回転域では、最も加速するはずなのですが 経験的には、mt車で、アクセルを踏んで加速すると、最も加速感を 感じるのは、エンジンの最高出力が発生する7000rpmより いくぶん低い回転数だと思います。 その理由は、mt車はギヤ比が固定で、エンジン回転数を増加させる 事により加速しているため、最高出力のでる回転数あたりだと、 それ以上の回転数の増加は、頭打ちになってしまうからだと想像 しています。 では、これをcvtのような無段階変速機を使って、エンジン回転数を最高出力が出る7000rpmに固定し、ギヤ比を速度に応じて変化させると、mt車より加速の良い車を作ることができますか?
回答: 物理的に見て。。。。間違ってたらすいません。。。 全て、変速ロスなどは無視しています。 まず、質問の内容は、 >加速の良い車 ですよね。 加速が良い=物理的に「加速度(m/s2)」が高いということになります。 簡単に言うと、1秒間に動く距離が多ければ、多いほど、加速度が高い=加速が良いという事です。 で、運動方程式:ma=f(質量mの物体が、力fを受けるとき、その物体には受けた力に比例した加速度aが生じる)から考えると、a=1/m×fとなり、加速度は、質量に反比例し、力に比例するということになります。ですから、比較する場合、質量が軽いほど加速が良くなり、力が大きいほど、加速が良くなると言うことです。 で、今回のご質問から加速度を求める場合、 【質量m】 車の重さなのでmtでもcvtでも同じとします。 後の計算のために、10とします。 【力f】 トルクか馬力かは横に置いといて、 通常、車のエンジンは、回転数によって、力が変わります。 ここでは、5000回転で80の力、6000回転で90の力、7000回転で100の力とすると。。。 mtの場合は、変速することで、回転数が下がります。結果、力が落ちることになります。 無断変速機で7000回転を維持すれば、100の力が出続けることになります。 で、加速度を計算すると、3秒という設定で見ると mtは。。。 1秒目:80÷10=8 2秒目:90÷10=9 3秒目:100÷10=10 の合計27の加速となります。 一方cvtは 1秒目:100÷10=10 2秒目:100÷10=10 3秒目:100÷10=10 の合計30の加速となります。 ですから、一番力が出るところで維持できれば、cvtの方がmtよりも加速が良いという事です。 で、他の方が回答されている、馬力かトルクかと言うところを補足すると。。。 馬力かトルクかどちらかは別として、力という表現をします。 まず、変速機について、 エンジンの回転数と、タイヤの回転数は一致しません。 それを変速機のギア比によって調整しています。 例えば、タイヤの外径を60cmとした場合。。。 エンジンが7000回転で、タイヤも7000回転すると252km/hも出ます。ギア比は1です。 仮に、7000回転で50km/h走行だとすると、ギア比は、5.04になります。 7000回転で100km/h走行だとすると、ギア比は、2.51になります。 これは、エンジンの力が、タイヤに、ギア比分倍増されて伝わります。エンジンの力が10の場合、50km/hで走行中は、50.4の力をタイヤに伝えることが出来、100km/hの時は、25.1の力になると言う事です。ですから、同じ回転数の場合は、速度が上がるとギア比が変わり、伝える力が弱くなると言う事です。 自転車をこいでいると良く分かりますよね。 同じ力でこぐのに、1段と6段では、出だしや低速では、当然1段の方が力が伝わるのと同じです。ただ、1段のままでは速度が出ないので、速度が出ると、2段、3段とギアチェンジしていくのと同じです。 cvtは無段変速ですが、速度と回転数に応じて、このギア比を無段で調整できるということになります。 逆に言うと、車の速度が上がるにしたがって、ギア比が低くなり、結果、エンジンの力に対するタイヤに与える力が弱くなると言う事です。 で、トルクと馬力の話に戻りますが、 まず、仕事の大きさに対する単位は、j(ジュール)です。 jをsi単位(国際基準)単位でみるとn・mとなる事を覚えて置いてください。 最近、車で使われる単位も変わりましたよね。 以前は、トルク:kgm(正確にはkgf・m)、馬力:psでした。今は、トルク:n・m(ニュートンメートル)、馬力:kw(キロワット)に変わりました。 トルクとは正確には、 「軸が回転するときの力の大きさ」 のことです。 例えば。。。ボルトがある硬さしまっているとします。そのボルトに、1mのめがねレンチを取り付け、そのめがねの先に、9.8kgfのおもりを載せたら、ボルトが回ったとします。それの力の大きさが、9.8kgf・m=1n・m(1n・m=9.8kgf・m)ということになります。めがねレンチに、98kgfのおもりを乗せなければ回らないとすると、トルクは10n・mです。 逆に、めがねレンチが50cm(0.5m)で9.8kgfのおもりでボルトが回ったとすると、9.8kgf×0.5=4.9kgf=0.5n・mとなります。 ですから、車の場合、実際にタイヤの設置面にかかる駆動力は、 駆動力(n)=車軸トルク(n・m)÷タイヤの半径(m) となります。 力の大きさの単位:nというのをsi単位単位で見ると、 n=kg・m/s2=質量×加速度 と言うことになります。 馬力とは。。。 単位がkwになっています。これは仕事率といいます。仕事率の単位は、w(ワット)=j/m(ジュール毎秒)です 1馬力=735w(0.735kw)、1馬力=75kgf・m/sで換算します。 これをsi単位で書くと w=j/s=n・m・m/s=kg・m/s2・m/s=質量×加速度×時間 となります。 トルクは、n=kg・m/s2=質量×加速度と上に書きました。 ですから、この2つ超簡単に表現すると、 トルクは、回転に対する力で、タイヤを回そうとする力となり、同じ質量であれば、トルクが高い方が「1回転あたり」の加速度が大きいといえます。 馬力は=1秒間における力で、前に物体が移動しようとする力となり、同じ質量であれば、馬力が高い方が「1秒間」の加速度が大きいといえます。 で、話を総合すると、回転が高ければ高いほど、速度が低ければ低いほどギア比が大きくなり、ギア比によってエンジンの力=加速度が増幅されます かつトルクも馬力も、高ければ高いほど、加速度が大きいということになります。 では、どちらにあわせるかですが、 通常、エンジンは、馬力の方がエンジン回転数が高くなっているはずです。ですから、馬力に合わせるほうが、回転が高くなり、ギア比も高くなる。結果タイヤに伝わる力=加速度も高くなると言うことになります。 しかし、使用するエンジンによって、もし、 ・トルクの最大値が3500回転、馬力の最大値が7000回転 ・トルクが最大値を超えた後、低下して行く ような場合、トルクの落ち込み量と、ギア比の関係をみて、回転数を7000回転から少しだけ落とすほうが、実際の加速は早くなると思います。 (普通のエンジンであれば、そこまでトルクが低下することはないとおもいますが。。。)