Kotak Gear – semakin banyak nisbah, semakin bagus?

 

Pernah ke anda mengayuh basikal samaada basikal fixie, atau basikal dengan gear tunggal atau basikal lengkap dengan mekanisma berbilang gear? Sekiranya anda masih ingat, basikal fixie paling susah untuk dikayuh pada permulaan dan mendaki, tapi bila sudah jauh, basikal ini paling laju. Basikal dengan gear tunggal agak senang untuk dikayuh, tapi kelajuan dia adalah statik dan juga susah untuk mendaki. Paling canggih ialah basikal dengan sistem gear, paling senang untuk mula, mendaki dan laju.

Begitu juga dengan teknologi automotif.

Dalam aplikasi otomotif, kotak gear wujud bagi membolehkan jurutera mengekstrak potensi enjin supaya dapat beroperasi pada julat yang munasabah, menukar halaju kereta dan juga membolehkan tork enjin diubah mengikut kesesuaian pemanduan. Sebagai contoh, semasa enjin dihidupkan, dalam keadaan melahu (idle), enjin akan berputar sekitar 800-1000 rpm bergantung pada jenis enjin. Sekiranya tenaga kinetikenjin terus disambungkan kepada roda, saya pasti kereta akan tersentap dengan tiba- tiba ke depan dan terus mati. Enjin yang berputar pada 800 RPM terus disambungkan pada enjin bukanlah dalam keadaan ideal untuk beroperasi. Tambahan pula tork yang dihasilkan pada RPM rendah adalah rendah.

Sebagai contoh, saya ambil graf enjin Honda Civic 1800cc R18A seperti graf dibawah, Enjin ini menghasilkan tork maksima pada 4300rpm dan kuasa maksima pada 6300rpm. Bagi mengekstrak kuasa enjin dan tork maksima, maka mekanisma gear perlu diwujudkan. Berdasarkan graf ini juga, dapat diperhatikan graf kuasa enjin dan tork ini adalah tidak sekata

 

Antara fungsi kotak gear termasuklah:

  1. Membolehkan penukaran arah dilakukan termasuklah ke arah depan dan ke belakang melalui gear undur
  2. Mengurangkan halaju enjin bagi membolehkan kereta memperlahankan kelajuan pada gear rendah dan melajukan kereta pada gear tinggi
  3. Menggandakan tork enjin pada gear rendah bagi membolehkan kereta memulakan perjalanan, mendaki bukit atau memotong kenderaan lain.

Sebagai rujukan, untuk tujuan pengiraan dan pembuktian, data diambil dari kereta Hyundai Elantra bagi maklumat berikut:

  1. Kuasa enjin maksima: 150hp @ 6200rpm
  2. Tork maksima: 192Nm @ 4000rpm
  3. Saiz tayar : 225 45 R17
  4. Bilangan ratio gear: 6

 

Bermula dari sini, kalau anda sedia untuk pening lalat bagi aktiviti mengira, boleh teruskan pembacaan posting ini sehingga habis

Tork pada bahagian roda kereta boleh dikira berdasarkan formula berikut

Tork pada roda = ( Gear Ratio Semasa X Gear Ratio Akhir X Tork Maksima Enjin ) / 2

Nilai dua kerana 2 tayar digunakan untuk menerima tork dari enjin

Kuasa yang diterima oleh roda = Tork pada roda / radius roda

(Gear Ratio Semasa X Gear Ratio Akhir X Tork Maksima Enjin) / 2 x radius roda

Pengiraan di atas dilakukan dengan beranggapan bahawa kecekapan mekanikal kotak gear adalah 100%.

Bagi mengira radius roda, adalah seperti berikut

lebar tayar = 225mm

Tebal tayar= 45% dari kelebaran tayar iaitu 101.25mm

Diameter roda ialah 17inci bersamaan = 431.8mm

Diameter roda dan tayar ialah 101.25mm + 101.25mm + 431.8mm = 634.3

Radius roda ialah =317.15mm = 0.31715m

Bagi memudahkan pemerhatian, segala pengiraan dibuat dalam Microsoft Excel dan diletakkan di dalam jadual di bawah. Berdasarkan jadual, gear 1 dengan ratio yang paling besar mempunyai nilai Tork pada tayar yang paling besar. Formula di atas membuktikan bahawa, semakin besar saiz roda, semakin rendah nilai tork yang dihasilkan pada roda

Seterusnya kita akan mengira pecutan maksima yang boleh dilakukan pada setiap nilai tork kotak gear. Umum mengetahui bahawa rumus bagi kuasa F ( Force) adalah seperti di bawah. Oleh kerana nilai berat maksima kereta Hyundai Elantra ini diperolehi dari Google iaitu 1275kg, maka pecutan bagi setiap kotak gear dapat dikira

F=ma

a= F/m

Dengan bantuan kalkulator dari google, saya juga mengira halaju maksima bagi setiap gear. Data pecutan dan halaju maksima bagi setiap gear adalah seperti dibawah

Berdasarkan jadual di atas, walaupun gear 1 menghasilkan nilai tork yang tinggi pada roda kereta, namun disebabkan limit fizikal gear ratio sendiri, maka halaju maksima kereta kekal pada 37km/h. Ratio pada gear 6 walaupun mempunyai nilai tork paling rendah, namun halaju maksima ialah 212km/h. Oh ya, saya ingatkan sekali lagi, enjin 2000cc Hyundai Elantra ini hanya menghasilkan 192Nm pada crankshaft, dan melalui 6 ratio gear, nilai tersebut dapat digandakan.

Lexus LC 500 sebuah kereta sport 2 pintu pula memiliki 10 gear ratio dalam kotak gear. Adakah 10 ratio ini lebih baik dari 6 ratio yang dimiliki oleh Hyundai Elantra? 

Pecutan

Idea asal gear ialah memliki gear rendah (ratio tinggi) untuk pecutan dan gear tinggi (ratio rendah) untuk halaju maksima. Bagi mencapai pecutan maksima,enjin akan memecut pada gear 1 secara maksima sebelum terpaksa menukar pada gear 2 bagi mendapat halaju yang lebih tinggi. Setiap kali penukaran gear dibuat, gear 1 dilepaskan dan gear 2 akan masuk bagi meneruskan operasi. Proses penukaran gear akan merencatkan pecutan. Sekiranya 10 set gear ratio ini disusun secara rapat, maka pecutan akan dilakukan dengan lebih lancar dengan pecutan yang hilang tadi adalah minima. 10 set gear ratio akan memiliki pecutan yang lebih baik berbanding dengan 6 atau 8 gear ratio. bagi kenderaan yang memiliki CVT, keadaan ideal ini sangat mudah untuk dicapai.

Efisyen – Brake Specific Fuel Consumption

BSFC adalah satu istilah berapa banyak kuantiti bahan api yang diperlukan untuk menghasilkan satu amount tenaga yang spesifik. Graf di atas menunjukkan posisi tork enjin yang dihasilkan dan operasi enjin kereta dalam RPM. Secara ideal, bagi memastikan enjin sentiasa beroperasi pada BSFC yang terbaik, enjin perlu beroperasi pada RPM yang rendah dan tork yang maksima. Lebih banyak gear ratio yang dimiliki oleh kereta, ia mempunyai peluang yang lebih baik untuk beroperasi pada keadaan BSFC yang rendah. Sekali lagi, bagi kereta yang memiliki kotak gear CVT, amat mudah untuk kotak gear ini memaksa enjin beroperasi pada keadaan BSFC. Namun memiliki ratio yang banyak membantu dan memberikan lebih peluang untuk enjin beroperasi pada BSFC.

Julat Operasi Gear

Kotak gear 10 ratio sentiasa lebih baik dari kotak gear dengan 6 ratio. 10 ratio boleh direkabentuk untuk memiliki 5 gear awal di depan yang aggressive dan 5 gear terakhir untuk pemanduan santai laju dan menjimatkan dan boleh mengekstrak kuasa enjin pada mana mana RPM.

Jadi jangan terkejut sekiranya ada kereta lain yang mungkin kuasa enjin dia lebih rendah dari kereta anda, tapi lebih laju, jimat, dan lebih tangkas dari gear 4 kelajuan auto anda

 

Related Posts

About The Author

Add Comment

%d bloggers like this: