パワーとトルクの違いって何?|馬力と回転力がたった10分で理解できる!!

馬力とトルクの違いとは?? なんとなくイメージできるけど、イマイチ違いがよく分からない・・・ ってライダーも多いと思います。 雑誌を見ていても「このバイクはトルクあるね~!」とか、「低速トルクがスカスカやん!」なんて言葉を聞いたことがあると思います。

今回はこのトルクと馬力(ばりき)について分解して考え、様々な例えから理解を深めてもらえたら嬉しいです♪♪

 

1. トルクとは何なのか?

エンジントルクの定義
トルク = クランクシャフトの回転力(ねじり力)

トルクを日常に例えるとこんなイメージです。↓

  • 濡れた雑巾をしぼるチカラ=トルク
  • 自転車のペダルを踏み込むチカラ=トルク
  • スパナでナットを締めるチカラ=トルク
  • プラスドライバーでネジを締めるチカラ=トルク
  • 鍋でお玉を使って混ぜるチカラ=トルク
  • スプーンでコーヒーのミルクを混ぜるチカラ=トルク
  • サビ付いてメッチャ硬いネジをドライバーで緩めるチカラ=トルク

なるべく分かりやすいように料理の動作なども入れてみましたが、なんとなくイメージできるでしょうか??

トルクと名の付く動作は「回転」の要素が必ず含まれる単語です。  電気モーターやエンジンはもちろん、扇風機や観覧車など世の中の回転する物体には回転させるチカラを受けて回転します。

このチカラこそ、トルクと呼ばれる正体なのです。

 

トルクの単位

バイク、クルマで使用する単位はコレ↓

トルクの単位
  • kgf・m(キログラム・メートル) 1kgの錘(おもり)を長さ1mの棒に引っ掛けた時のチカラ
  • kgf・㎝(キログラム・センチメートル)1kgの錘を長さ1㎝の棒に引っ掛けた時のチカラ
  • N・m (ニュートン・メートル)※現在の国際的な表示規格
  • N・㎝ (ニュートン・センチメートル)

※1kgf=9.80665Nです。
1キロ≒10ニュートンと考えてください。

1kgf・m = 100kg・cm

10N・m=1000N・cm

トルクの求め方はとっても簡単。

トルクの求め方
力(Force) × 長さ(Length) = トルク(Kgf・m)

つまり、同じ力であれば長さが長いほどトルクは大きくなります。

短いレンチより長いレンチの方が大きな力で締付できますよね。

同じ長さなら加える力が大きい方がトルクは大きくなります。

こう考えると、長さ加えるチカラの2つの要素でトルクの大きさが決まる事がわかります。

 

トルク1kgf・m現在は10N・mです。
トルク0.1kgf・m

 

エンジンのトルクに置き換える

トルクは「力×長さ」です。ではこの二つはエンジンのどの部品に当てはまるのか?を考えます。

「力」は燃焼圧力を利用する

ネジを締める時のチカラは人間の腕が発生させていますよね。 ではバイクやクルマは何がチカラを生んでいるのか?

それはエンジン内部で起こっている燃焼圧力です。 気化したガソリンと空気を混ぜてエンジン内部に送り込み、火を点けて燃焼させます。 この時発生する大きな熱が発生し圧力が生まれます。 この圧力が「力」の源です。

ピストンが燃焼圧力を受けるエンジン部品名称と役割
エンジンの作動原理模型

 

「長さ」はクランクシャフトの回転半径を利用する

長さが”ゼロ”ではトルクが生まれません。 トルクを得るには長さが絶対に必要です。

この長さを司っているのが”クランクシャフトの大端回転半径”です。 クランクピンはクランクジャーナルを中心とした回転半径を持っています。

この「回転半径=長さ」となる事でクランクシャフトが推進力の源となるトルクを生み出すのです。

 

まとめ

力×長さ=トルクであり、バイクの場合は「力(燃焼圧力)×長さ(クランクピンの回転半径)=トルク」となっています。

つまりエンジンのトルクをアップさせるにはこの2つのどちらかを高めればOKです。

  1. 燃焼圧力を高める。
  2. クランクピンの回転半径を大きくしてロングストローク化する。

こう書くと、なんだかトルクアップさせるのって簡単そう? に見えますよね\(^o^)/

バイクエンジンのトルクは、クランクシャフトを捻る力の強さを示しています。

つまり走行中のバイクにおいては、クランクシャフトとRrタイヤがつながっているので、タイヤを加速する力となって加速力を決める大きな要素となります。

 

2. 馬力とは何なのか?

馬力の定義
仕事率(工率)の単位。1馬力は、75Kgの物を毎秒1メートル動かす力である。

馬力の定義画像引用元:https://speedfreak77.com/column/mechanical/kw-nm/

トルクもなんとなーく回転力って事は分かってるけど・・・馬力と何が違うの? って聞かれると何だかよく分からないなぁ〜って方も多いと思います。

馬力を語る上で絶対に必要な要素が「時間」です。

平たく言うと「アンタは1時間でどれだけ仕事できるの?」を表した数字です。


馬力の単位

馬力を示す単位には大きく3つ。

1「Kw」=国際規格で現在の標準です。
2「PS」=仏馬力のPS。(日本に馴染みのある規格)
3「HP」=英馬力のHP。現在はあまり使われません。

それぞれ微妙に数値が異なるので注意が必要です。

現在はKw表示を主体とし、馴染みのあるPSを補助的に記載するパターンがほとんどです。

1馬力(PS)は、75キログラムの物を毎秒1メートル動かす力。

変換したい時は下記の表を使って下さい。

1PS 0.7355kW
1HP 0.7457kW
1kW 1.360PS
1kW 1.341HP

 

 

クルマ・バイクで使う単位の計算式

単位意味英語日本語
kg引力(別の物と引き合う力)の強さを表す量Mass質量
kgf質量(Mass)kg × 重力加速度(gravitational acceleration)9.8m/s2Force
kgf・m力(Force)kgf × 長さ(Distance)mTorqueトルク
kgf・m力(Force)kgf × 距離(Distance)mWork仕事
kgf・m力(Force)kgf × 距離(Distance)mEnergyエネルギー
kgf・m/s仕事(Work)kgf・m/時間(Time)s
トルク(Torque)kgf・m × 回転数(Rotation)無し / 時間(Time)s
Power
(仕事率)
PS仕事(Work)kgf・m/時間(Time)s X 0.0014
トルク(Torque)kgf・m×回転数(Rotation)無し / 時間(Time)s X 0.0014
馬力馬力

Nに変換する場合は、係数「9.80665」を掛ければOK!
・ 1kgf ✕ 9.80665 = 9.8N
・ 1Kg・m ✕ 9.80665 = 9.8N・m

大雑把にNへ変換するには約10倍、kgfへ変換するには約1/10倍でOKです。

 

馬力と言う単位が生まれた背景

時は19世紀に遡り、ワットが発明した蒸気機関車が生まれました。 今までは馬を利用して様々な物資を運んでいた為、人々はこの蒸気機関がどのくらいの性能なのか、サッパリわかりませんでした。

馬車↑第一次産業革命の前は馬のチカラを様々な仕事に利用していた。

そこで、この蒸気機関車は馬〇〇頭分のチカラがあるんだぜ! と例えた事が馬力という単位の歴史がスタートしました。

産業革命の蒸気機関車↑ワットが1785に開発した蒸気機関車。馬が〇〇頭分の大きな力があるよ! と言った事がスタート

産業革命が起こったイギリスでは1HP(Horse Power)は
「1秒間につき550重量ポンド (lbf) の重量を1フィート (ft) 動かすときの仕事率」(550 lbf·ft/s) となる。と定義された。 これはイギリスの単位に合せたもの。 

当時蒸気機関はまだイギリスにしかなく、フランスは遅れを取る格好となります。 ”メートル”を使うフランスではフィートでは馴染めん! メートル法発祥のフランスは「メートル」に換算し馬力を定義する事となった。

そしてキリの良い75 kgf·m/sが1PSと定義される事となります。

 

馬力を日常に例えてみる

1馬力は75kgの物体を1秒間に1m持上げられるチカラの事でしたよね。

もし1時間動き続ける1馬力のエンジンがあった場合、75kgの物を高さ3600m持ち上げる事のできるチカラと言う事になります。
(1時間=3600秒✕1m=3600m)

一般的な成人男性は75kgで、富士山の高さは3,776m(約3.8km)です。
つまり1馬力とは大人一人を1時間で富士山の山頂まで持ち上げる事のできるチカラです。

成人男性が富士山の5合目から山頂まで登ると平均約5時間掛かります。

たった1馬力のエンジンでも1時間動くと凄いチカラを発揮してるって事ですね!

因みに1馬力程度のエンジンとして約25ccの草刈り機用エンジンが約1〜1.5PSのパワーです。 50ccの原付エンジンだと7馬力程度まで上がってしまうので、原付きといえどとんでもないパワーであることが分かって頂けると思います。

 

馬力で最高速が計算できる

仮にクルマを動かすための力が75kgfだった場合、1馬力のエンジンを1時間動かせば3.6km(1m✕3600秒)移動する事ができます。 この時のエンジン馬力が100倍の100馬力だとしたら3.6kmの100倍、つまり1時間で360km移動する事ができます。  そう、時速360km。

なんだ! 結構簡単に最高速出るんだね! と思いがちですが実際に100倍のパワーを得るにはエンジンと車体の重量UPは避けられないのであくまで机上の空論です。

 

空気抵抗を無視して都合良く計算してみる! 鈴鹿サーキットでは最高速が凡そ300km、1000ccエンジンの馬力を少なめに見積もって220PSとします。 するとバイクを動かす為に必要な力を求める事ができます。

YAMAHA YZF-R1 鈴鹿サーキット
2018年の鈴鹿8耐で優勝したYZF-R1Mを例題として計算してみます。 最高速が300km/hで、馬力は220馬力と仮定します。
・最高速=300km/h
・馬力=220PS
・動かす為に必要な力=80kgf

速度(km/h) = 馬力(PS) ÷ 動かす為に必要な力(kgf) ✕ 270「移動距離(km) ✕ 車重(kg) / 時間(h) / 馬力(PS)」

300(km/h) = 220(PS) ÷ χ(kgf) ✕ 270

300 = 220 ÷ χ ✕ 270

χ = 198kgf

YZF-R1が220馬力、最高速を300km到達させるには、バイクを動かす力が198kgf以下である事が条件となる。

バイクを動かす力と言うのは、空気抵抗や転がり抵抗を含んでいます。車重ではありません。 仮に空気抵抗を低減しバイクを動かす力が198→190kgfになった場合の最高速はどのくらい変わるでしょうか?

220(PS)÷190(kgf)✕270=312.63(km/h)です。  なんと最高速が12km/hもアップします。 実際問題として300㌔域の空気抵抗を一気に9kgfも低減する事は不可能に近いですが、それだけ「効く」って事ですね。

もし予選のタイムがどうしても欲しい場合、特に小排気量のミニバイクは空気圧を少し上げてやる事で最高速が伸びます。 と言っても全開時間が長くないとメリットを生かせませんが、どうしてもストレートを伸ばしたい! って時には特にRrタイヤの空気圧アップは効果があります。

600ccや1000ccなどのビッグバイクは全開時間が短くあまり効果がありません。 操縦安定性と運動性能を重視したほうがトータルでのタイムアップの取り分が大きいと言えます。

 

パワーショベルはパワーの塊!

EX-8000

Andyが子供の頃、父親が趣味?で田舎の家の田んぼや畑を直すのにユンボを運転していて、一緒に乗るのが大好きできた。 その当時あったユンボが日立建機のオレンジ色のユンボ。 なので今でもオレンジ色の建機が大好きなんですww

これは日立建機製の鉱山用油圧ショベルEX-8000と言うモデル。 バケモノ級の大きさで、ショベルのひとすくいで驚愕の40tもの土砂をすくいあげます!!  40tですよ!! 40トン!! (・∀・)   1回で40t!!(・∀・)

エンジンの排気量はなんと! なんと!  120リッター!! (・∀・)
リッターSSなら120台!
軽自動車なら180台!
クラウンなら48台!
エスカレードなら19台!

マジで凄い排気量のエンジンですww そしてこの120Lエンジンが生み出すパワーは!? 3942PS!!

いやはやホントにモンスターマシンです。 で、なんでこんなにもハイパワーなのかと言うと、超大量の土砂をトラックに短時間で積み込む為です。

言わば土砂を大量に短時間のうちに持ち上げる仕事を効率よく行う為にハイパワーエンジンを搭載しているって事です。 パワーがあれば短時間で仕事(土砂の積み込み)ができるって訳です。

ちなみに、エンジン性能を計る指針の一つに「リッター馬力」と言う物が存在します。 排気量1L当たりどれだけのパワーが出せるのか?って指標です。

CBR1000RRは排気量1000CCで192馬力なので、192(PS)÷1(L)=192(PS/L)

EX-8000は排気量120000ccで3942馬力なので、2942(PS)÷120(L)=32(PS/L)

確かにEX-8000はモンスターマシンである事は間違いありませんが、エンジン性能としては全然大したことのないエンジンと言えますね。

余談ですが、一昔前にWGPで走行していたGP500クラスは排気量500ccで160PSを絞り出すエンジンでした。 リッター馬力は160✕(1000÷500)=320!!

今のMotoGPクラスのエンジンでも手の届かないとんでもなく高性能なエンジンと言えます。  以前テストコースでNSR500に乗った事がありますが、直線で自分の目玉が脳の奥深くに潜り込む感覚です。

とてもじゃないけどレースができるようなエンジンと思えませんでした。  この当時のマシンを乗りこなしていたライダーの技量の高さを思い知らされた瞬間でもありました。

 

馬力のまとめ

馬力と言う単位には必ず「時間」が存在します。 トルクと言う単位には時間は存在しません。 ここが大きく異なるポイントです。

馬力とは決めた時間当たりの仕事量を表している。
  • 馬力が大きい=同じ時間でより遠くまで運ぶ
  • 馬力が大きい=同じ時間でより多く運ぶ
  • 馬力が大きい=同じ距離でより短時間で運ぶ
  • 馬力が多きい=同じ量をより短時間で運ぶ

どうでしょうか!?  ここまでたどり着いた貴方は勝ち組です♪♪\(^o^)/

馬力の概念や馬力から予測できることや計算式を理解できれば完璧です。

 

3. バイクの馬力とトルクの関係性

回転する力(捻ろうとする力)を表すトルク、仕事率を表す馬力。 バイクやクルマのエンジンにおいて、この2つを合体させてやりましょう。

一般的な馬力(仕事率)あ
  • 馬力が大きい=同じ時間でより遠くまで運ぶ
  • 馬力が大きい=同じ時間でより多く運ぶ
  • 馬力が大きい=同じ距離でより短時間で運ぶ
  • 馬力が多きい=同じ量をより短時間で運ぶ
バイク・クルマのエンジン馬力
  • 馬力が大きい=同じ時間でより多くトルクを生む。
  • 馬力が大きい=同じ時間でより大きなトルクを生む。
  • 馬力が大きい=同じトルクをより何度も生む。
  • 馬力が大きい=同じトルクをより短時間で生む。

どうでしょうか? 一般的な馬力の概念をエンジンに置き換えると言葉は上の枠のような内容に変化します。 馬力を語る上では必ず時間軸が入る事になるのがご理解頂けたでしょうか?


同じ時間でより多くトルクを生む

1分間の中でより多くトルクを生むにはどうしらた良いでしょうか?

エンジンは燃焼圧力によってピストンが下降する事で力をクランクシャフトへ伝え回転運動を起こしています。 つまり回数を増やすにはクランクシャフト回転数(エンジン回転数)を増やせば、「より多く」トルクを生む事ができますよね。

ギヤを固定した状態で60→100km/hへ加速すると、エンジン回転数が上昇しますよね? →同じ時間でより多くトルクを生むからパワーが上がり速度も上昇するのです。

 

同じ時間でより大きなトルクを生む

CB1300SFと、CBR250がどちらも2速で3000rpmで走行していたとします。 どちらも3000rpmなので同じ時間で同じ回数だけトルクを生んでいます。

しかしCB1300の方が大きなトルクを生んでいるのでそこからの加速が良く、スピードを速く上昇させられます。

 

馬力を求める公式

馬力を求める公式
  1. 馬力(PS) = トルク(kgf・m) × 回転数(rpm) ÷ 716.2(定数)
  2. 馬力(PS) = トルク(kgf・m) × 回転数(rpm) × 0.00139622(定数)

※定数=2π/75kgf・60Sec →2πは弧度法での1周の意味です。

上記式のどちらを使って計算しても同じ結果になります。  つまり馬力を上げるにはトルクアップか回転数アップのどちらかしかありません。

よくトルクは加速力を決めるんだ! なんてセリフがありますがトルクは最高速も決めている事は火を見るより明らかです。

トルクも回転数もアップできればパワーモリモリのエンジンが出来上がりますね!

 

計算どおりにならないフィーリング

仕様の違う2台のオートバイがあります。

  • SS機 = トルク3kgf・m、回転数12000rpm(3×12000÷716=50.27)
  • アメリカン機 = トルク6kgf・m、回転数6000rpm(6×6000÷716=50.27)

仕様が異なるエンジン2機ですが回転数とトルクが異なります。しかし計算するとパワーは同じです。  走行抵抗が同じであれば同じ速度が出るスペックです。

しかし最大トルクを発生する回転数が全く異なりますよね。 SS機は12000回展まで回す必要があります。 逆にアメリカン機は半分の回転数で最大トルクが倍の6kgf・mも出ています。


SS機で街乗りした場合は、アイドリング付近のトルクは更に弱いので回転数を上げて走らないと加速し難いバイクと言えます。 高回転を使わないシチュエーションではアクセルをガバッ! と開けてもバイクが前に進んでくれません。 なのでギヤを落として加速力を高める必要があり面倒くさい。

アメリカン機で街乗りした場合はアイドリング付近でのトルクが太いので、アクセルを開けるだけでトルクが出て前に進んでくれます。 低回転でのシチュエーションではギヤを落とさなくてもグッ!っと進んでくれて扱いやすいエンジンと言えます。


 

SS機でサーキットを走行した場合はピークトルクが高回転で発生するので伸びの良いエンジンと言えます。 常用する回転数が高いサーキットではギヤを変えてもトルクの落ち込みが少なく速く走る事ができます。

アメリカン機でサーキット走行した場合は6000回でシフトアップすると回転数の落ち込みと同時にトルクも大きく落ち込むのでスピードが出るのに時間が掛かります。 ※SS機に比べ時間は掛かるけど最高速は同じだけ出る


 

実際のところは、何気筒エンジンであっても排気量が同じなら発生トルクもほぼ同じになります。(ターボ、スーパーチャージャー除く)極端な話Moto-GPマシンでも取り出せる燃焼圧力は同じなんですね。

もちろんMotoGPマシンのエンジンはトルクは市販SSマシンより大きいです。 それは摩擦ロスが小さい事と、常用回転域を高回転に絞って開発されている事が理由です。

特に摩擦ロスが小さい事が大きな割合を締めていて、特殊なコーティングや高剛性の材料、高強度の材料を使用している為です。

では何が決定的に違うか? それは回転数なんですね。  トルクが同じ力しか取り出せないなら、残るは回転数で稼ぐしかありません。 一昔前のF1エンジンでは排気量3.0Lでなんと20,000rpmまで回していたんだから驚きです。  この時に回転数アップさせる手法としてエアバルブスプリングを使ったエンジンが登場しました。

ニューマチックエンジンの記事

SS車のエンジンは様々な性能アップ」新規デバイスが投入されますよね。パワーアップに関係するならそのデバイスや材料置換は、必ずトルクアップか回転数アップのどちらかに繋がっている事が分かります。

回転数アップにつながる
  • フィンガーフォロワーロッカーアーム
  • ショートストローク化
  • ピストン軽量化
  • 強化バルブスプリング化
トルクアップにつながる
  • バルブリフトアップ
  • バルブ径アップ
  • カムシャフトにDLCコーティング
  • 2インジェクター化

新型マシンが出てきたらこんな観点でこの新しい機構やデバイスがエンジンの馬力アップにつながると書かれていたら「回転数アップ?」それとも「トルクアップ?」このどちらかに当てはまります。

たまに強度アップの為の変更もあるので一概に見分ける事は難しいですがこんな事をネタに都民の森、スカイポート亀石、護摩山スカイタワーでダベリングするときっと楽しいと思います♪♪

 

馬力とトルクの違いまとめ

馬力、トルクを別に分け、最後にドッキングする形で解説したのですがご理解頂けたでしょうか?  書いているAndyは自分で考え自分で文章にしている為客観的な視点で見る事ができません。

もし分かりにくい表現と内容があればドシドシコメント欄に書いて頂けると大変ありがたいです。 もっと勉強して分かりやすい表現に書き換えブラッシュアップしてきたいと思います。

このブログをツーリング中のダベリングネタとして使って頂ければ嬉しいです。

Let's Fun! Ride! Run!
Andy

 

このブログが面白かったら
いいね ! しよう

関連記事はこちら

MOTO-ACE-BLOGをフォローしてね!!

FBに最新情報をお届けします