پیشرانه (Powertrain) یکی از اصلی‌ترین و حیاتی‌ترین مجموعه‌ها در هر وسیله نقلیه موتوری، به‌ویژه خودرو است. این مجموعه، قلب تپنده خودرو محسوب می‌شود و وظیفه تولید توان و انتقال آن به چرخ‌های محرک را بر عهده دارد تا خودرو قادر به حرکت باشد. پیشرانه فراتر از صرفاً موتور خودرو است و شامل تمام اجزا و سیستم‌هایی می‌شود که در مسیر انتقال توان از منبع تولید آن تا نقطه تماس چرخ با سطح جاده نقش دارند. نوع، طراحی و عملکرد پیشرانه تأثیر مستقیمی بر ویژگی‌های عملکردی خودرو مانند شتاب، حداکثر سرعت، مصرف سوخت یا انرژی، قابلیت بکسل کردن و حس کلی رانندگی دارد. درک پیشرانه خودرو چیست؟ مفهوم و سیستم‌های شامل آن برای هر علاقه‌مند به خودرو و مهندسی آن ضروری است. این دانشنامه به بررسی جامع اجزای تشکیل دهنده، انواع مختلف، نحوه عملکرد و تأثیر پیشرانه بر خودرو می‌پردازد.
پیشرانه خودرو چیست؟ مفهوم و سیستم‌های شامل آن
پیشرانه خودرو به مجموعه کاملی از اجزا و سیستم‌ها گفته می‌شود که با همکاری یکدیگر، انرژی ذخیره شده (در سوخت یا باتری) را به نیروی لازم برای حرکت خودرو تبدیل کرده و این نیرو را به چرخ‌های محرک منتقل می‌کنند. به عبارت دیگر، پیشرانه شامل تمام بخش‌هایی است که برای “پیش راندن” خودرو لازم هستند.
سیستم‌های شامل آن در یک تعریف جامع معمولاً از منبع تولید توان شروع شده و تا محل اتصال به چرخ‌ها ادامه می‌یابند. این مجموعه شامل موارد زیر است (بسته به نوع پیشرانه):
- منبع تولید توان: موتور احتراق داخلی (ICE) یا موتور الکتریکی
- سیستم انتقال قدرت: شامل گیربکس، کلاچ (در صورت وجود)، جعبه ترانسفر (در خودروهای دو دیفرانسیل)
- میل گاردان: در خودروهای موتور جلو-دیفرانسیل عقب یا دو دیفرانسیل
- دیفرانسیل‌ها: برای تقسیم گشتاور بین چرخ‌ها
- پلوس‌ها (محورهای چرخ)
- بخش‌هایی از سیستم اگزوز و سیستم سوخت‌رسانی/مدیریت باتری و سیستم‌های کنترل مرتبط.
در واقع، هر سیستمی که مستقیماً در فرآیند تبدیل انرژی اولیه به حرکت نهایی خودرو درگیر است، بخشی از پیشرانه محسوب می‌شود.
اجزای اصلی تشکیل دهنده پیشرانه: از منبع تولید توان تا چرخ‌ها
اجزای اصلی تشکیل دهنده پیشرانه با توجه به نوع آن متفاوت است، اما در اینجا به رایج‌ترین اجزا اشاره می‌کنیم و جریان قدرت از منبع تولید توان تا چرخ‌ها را شرح می‌دهیم:
- منبع تولید توان:
- موتور احتراق داخلی: با سوزاندن سوخت (بنزین، دیزل، گاز) و تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی (دور موتور و گشتاور).
- موتور الکتریکی: با تبدیل انرژی الکتریکی از باتری به انرژی مکانیکی.
- سیستم انتقال قدرت:
- کلاچ (در گیربکس‌های دستی): برای قطع و وصل اتصال موتور و گیربکس.
- گیربکس (جعبه دنده): برای تغییر نسبت سرعت و گشتاور خروجی موتور و تطابق آن با نیازهای مختلف رانندگی. انواع مختلفی مانند دستی، اتوماتیک، CVT و دو کلاچه وجود دارد. در خودروهای برقی، گیربکس اغلب بسیار ساده‌تر یا تک‌سرعته است.
- جعبه ترانسفر (در خودروهای دو دیفرانسیل): برای تقسیم گشتاور بین محورهای جلو و عقب.
- انتقال به محورها:
- میل گاردان: در خودروهایی که موتور در یک انتها و چرخ‌های محرک در انتهای دیگر قرار دارند (مانند موتور جلو-دیفرانسیل عقب).
- تقسیم گشتاور و انتقال نهایی:
- دیفرانسیل: در هر محور محرک قرار گرفته و گشتاور را به چرخ‌های همان محور منتقل می‌کند و اجازه می‌دهد چرخ‌ها با سرعت‌های متفاوت در پیچ‌ها بچرخند.
- پلوس‌ها: میل‌هایی که گشتاور را از دیفرانسیل به توپی چرخ‌ها منتقل می‌کنند.
این اجزای اصلی تشکیل دهنده پیشرانه در کنار هم کار می‌کنند تا انرژی تولید شده توسط منبع را به نیروی محرکه لازم برای حرکت خودرو تبدیل کنند.
انواع اصلی پیشرانه‌ها در صنعت خودرو (احتراق داخلی، برقی، هیبریدی) و تفاوت‌هایشان
انواع اصلی پیشرانه‌ها در صنعت خودرو که امروزه رایج هستند عبارتند از:
- پیشرانه احتراق داخلی (ICE Powertrain): سنتی‌ترین و رایج‌ترین نوع. منبع توان یک موتور بنزینی یا دیزلی است. اجزای تشکیل دهنده شامل موتور، گیربکس چند سرعته، میل گاردان (در صورت نیاز)، دیفرانسیل و پلوس‌ها است.
- پیشرانه خودرو برقی (Electric Powertrain): منبع توان یک یا چند موتور الکتریکی است که از بسته باتری تغذیه می‌شوند. تفاوت اصلی در منبع توان الکتریکی و سادگی سیستم انتقال قدرت است؛ اغلب گیربکس تک‌سرعته دارند و گشتاور آنی بالاتری تولید می‌کنند. شامل موتور/موتورها، اینورتر (برای تبدیل DC باتری به AC موتور)، مبدل DC-DC (برای سیستم ۱۲ ولت)، دیفرانسیل‌ها (در صورت نیاز) و پلوس‌ها.
- پیشرانه هیبریدی (Hybrid Powertrain): ترکیبی از موتور احتراق داخلی و یک یا چند موتور الکتریکی. هدف افزایش راندمان و کاهش مصرف سوخت است. تفاوت اصلی در این است که از دو منبع توان استفاده می‌کند و سیستم انتقال قدرت (معمولاً گیربکس هیبریدی خاص) وظیفه ترکیب و مدیریت توان هر دو منبع را بر عهده دارد. شامل موتور ICE، موتور/ژنراتور الکتریکی، بسته باتری کوچک (نسبت به برقی‌ها)، سیستم مدیریت توان هیبریدی، گیربکس هیبریدی، دیفرانسیل و پلوس‌ها.
انواع دیگری مانند هیبریدی شارژپذیر (PHEV) و خودروهای پیل سوختی (FCEV) نیز وجود دارند که ترکیباتی از این سیستم‌ها محسوب می‌شوند.
چگونگی عملکرد پیشرانه در انتقال و مدیریت قدرت برای حرکت خودرو
چگونگی عملکرد پیشرانه در انتقال و مدیریت قدرت یک فرآیند هماهنگ و پیچیده است. سیستم کنترل موتور (ECU) یا سیستم مدیریت باتری (BMS) و واحد کنترل پیشرانه (PCU) با دریافت دستور از راننده (فشار بر پدال گاز یا ترمز)، میزان توان تولیدی توسط منبع (موتور ICE یا الکتریکی) را تنظیم می‌کنند.
- در پیشرانه‌های سنتی، گیربکس این توان را متناسب با سرعت و بار خودرو تغییر می‌دهد.
- در پیشرانه‌های برقی، اینورتر ولتاژ و فرکانس برق ارسالی به موتور را برای کنترل دقیق سرعت و گشتاور تنظیم می‌کند و گیربکس (اگر وجود داشته باشد) نسبت نهایی را تعیین می‌کند.
- در پیشرانه‌های هیبریدی، سیستم کنترل پیچیده‌ای تصمیم می‌گیرد که چه مقدار توان از موتور بنزینی، چه مقدار از موتور الکتریکی تأمین شود و چگونه این توان از طریق گیربکس هیبریدی به چرخ‌ها برسد.
این چگونگی عملکرد پیشرانه تضمین می‌کند که خودرو با حداکثر راندمان و به صورت ایمن حرکت کند.
تاثیر نوع پیشرانه بر ویژگی‌های عملکردی، راندمان و حس رانندگی خودرو
نوع پیشرانه یکی از اصلی‌ترین عواملی است که تاثیر عمیقی بر ویژگی‌های عملکردی، راندمان و حس رانندگی خودرو می‌گذارد:
- عملکرد: پیشرانه‌های برقی به دلیل گشتاور آنی در دور پایین، شتاب‌گیری اولیه بسیار قوی دارند. پیشرانه‌های ICE ممکن است در سرعت‌های بالا قدرت بیشتری تولید کنند (بسته به طراحی). پیشرانه‌های هیبریدی ترکیبی از این ویژگی‌ها را ارائه می‌دهند.
- راندمان: پیشرانه‌های برقی در تبدیل انرژی به حرکت معمولاً راندمان بالاتری نسبت به پیشرانه‌های ICE دارند، به خصوص در رانندگی شهری (به دلیل ترمز احیاکننده). پیشرانه‌های هیبریدی راندمان مصرف سوخت را در مقایسه با ICE تنها بهبود می‌بخشند.
- حس رانندگی: صدای موتور، لرزش، نرمی یا اسپرت بودن تعویض دنده‌ها، و پاسخگویی پدال گاز، همگی تحت تأثیر نوع پیشرانه هستند. پیشرانه‌های برقی معمولاً بسیار بی‌صداتر و با پاسخگویی آنی‌تر هستند.
- وزن و بسته‌بندی: نوع پیشرانه بر وزن کلی خودرو و نحوه توزیع اجزا در شاسی و بدنه تأثیر می‌گذارد.
انتخاب نوع پیشرانه یک تصمیم کلیدی در طراحی و خرید خودرو است که باید با نیازها و اولویت‌های کاربر همسو باشد.
نتیجه‌گیری
پیشرانه خودرو (Powertrain) مجموعه‌ای از سیستم‌هاست که وظیفه تولید و انتقال توان برای حرکت خودرو را بر عهده دارد. درک پیشرانه خودرو چیست؟ مفهوم و سیستم‌های شامل آن و اجزای اصلی تشکیل دهنده پیشرانه، اساس درک فنی هر خودرویی است. انواع اصلی پیشرانه‌ها در صنعت خودرو (احتراق داخلی، برقی، هیبریدی) هر کدام ویژگی‌ها و تفاوت‌های منحصر به فرد خود را دارند که بر چگونگی عملکرد پیشرانه در انتقال و مدیریت قدرت و در نهایت بر تاثیر نوع پیشرانه بر ویژگی‌های عملکردی، راندمان و حس رانندگی خودرو اثر می‌گذارد. با گذار صنعت به سمت الکتریکی شدن، اهمیت پیشرانه‌های برقی و هیبریدی بیش از پیش نمایان می‌شود و درک عمیق‌تر این مجموعه حیاتی برای متخصصان و علاقه‌مندان به خودرو ضروری است.
