ทำไมเครื่องยนต์จึงวางไว้ด้านหน้า ด้านหลัง หรือตรงกลาง? วิวัฒนาการของสถาปัตยกรรมการจัดวางเครื่องยนต์

การตัดสินใจว่าจะวางตำแหน่งเครื่องยนต์ไว้ตรงส่วนใดของรถ เป็นทางเลือกทางวิศวกรรมที่สำคัญ ซึ่งกำหนดรูปแบบการยึดเกาะถนน ความปลอดภัย และต้นทุน ไม่ต่างจากจำนวนกระบอกสูบ
การตัดสินใจว่าจะวางตำแหน่งเครื่องยนต์ไว้ตรงส่วนใดของรถ เป็นทางเลือกทางวิศวกรรมที่สำคัญ ซึ่งกำหนดรูปแบบการยึดเกาะถนน ความปลอดภัย และต้นทุน ไม่ต่างจากจำนวนกระบอกสูบ

แชร์หน้านี้

การกำหนดว่าเครื่องยนต์จะติดตั้งไว้ตรงตำแหน่งใดของยานพาหนะ ถือเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่สำคัญไม่แพ้จำนวนกระบอกสูบและสถาปัตยกรรมเครื่องยนต์ในประวัติศาสตร์ของรถยนต์สันดาปภายใน การวางเครื่องยนต์ไว้ด้านหน้า ด้านหลัง และตรงกลาง รวมถึงการติดตั้งเพลาข้อเหวี่ยงแบบขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ (ตามยาว) หรือตั้งฉาก (ตามขวาง) ล้วนกำหนดรูปแบบใหม่โดยตรงต่อการเกาะถนน การกระจายน้ำหนัก ความปลอดภัย ต้นทุนการผลิต และการออกแบบตัวถัง หน้านี้จะศึกษาเส้นทางวิวัฒนาการผ่านโมเดลจุดเปลี่ยนสำคัญ ตั้งแต่แนวคิดฝากระโปรงหน้ายาวของ Mercedes ไปจนถึง Beetle และ Tatra ที่วางเครื่องยนต์ไว้ด้านหลัง จากการปฏิวัติรถแข่งเครื่องยนต์กลางลำ ไปจนถึงการแพร่หลายของการวางเครื่องยนต์ตามขวางในยุคสมัยใหม่

ไฮไลต์เด่น

  • ปี 1931 DKW F1 ถูกยกให้เป็นหนึ่งในรถยนต์เครื่องยนต์ตามขวางที่ประสบความสำเร็จรุ่นแรก และเป็นผู้บุกเบิกแนวการขับเคลื่อนล้อหน้ายุคใหม่
  • ใน ปี 1959 การบูรณาการเกียร์เข้ากับบล็อกเครื่องยนต์ของ Mini ทำให้ระบบส่งกำลังครอบพื้นที่เพียง 20% ของความยาวตัวรถเท่านั้น
  • แนวคิดของ Giacosa ใน Autobianchi Primula ปี 1964 ยังคงเป็นมาตรฐานของยานพาหนะขับเคลื่อนล้อหน้าเครื่องยนต์ตามขวางมาจนถึงทุกวันนี้
  • ในรถรุ่นเครื่องยนต์หลังของ Tatra การกระจายน้ำหนักถึงขั้นสุดโต่งโดยถ่ายน้ำหนักไปที่เพลาหลังถึง 70/30%
  • นับตั้งแต่ ปี 1998 เป็นต้นมา Volvo ได้เปลี่ยนไปใช้เครื่องยนต์ตามขวางในรถทุกรุ่น รวมถึงรุ่น V8 ด้วย

เพราะอะไรสถาปัตยกรรมการวางเครื่องยนต์จึงเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรม?

เมื่อวางเครื่องยนต์ลงในยานพาหนะ ต้องตอบคำถามพื้นฐานสามข้อ ได้แก่ เครื่องยนต์จะอยู่ด้านหน้า ตรงกลาง หรือด้านหลัง และเพลาข้อเหวี่ยงจะเรียงตามแนวแกนยาวของตัวรถหรือตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่? แต่ละชุดคำตอบนำไปสู่ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน เครื่องยนต์หน้ามีความสะดวก ท่อระบบระบายความร้อนและทำความร้อนมีเส้นทางสั้น จึงกลายเป็นแนวการจัดวางที่แพร่หลายที่สุดในประวัติศาสตร์ เครื่องยนต์กลางช่วยลดโมเมนต์ความเฉื่อยด้วยการนำมวลเข้าใกล้จุดศูนย์กลางเชิงเรขาคณิตของตัวรถ และช่วยปรับปรุงการเกาะถนน ส่วนเครื่องยนต์หลังเพิ่มแรงบิดล้อมล้อขับโดยการวางน้ำหนักทับลงบนล้อขับ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากในสภาพถนนที่เสียดทานต่ำ

ในการวางตามขวาง เพลาข้อเหวี่ยงจะตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของตัวรถ รถขับเคลื่อนล้อหน้ายุคใหม่ส่วนใหญ่ใช้แนวการจัดวางนี้ ส่วนการวางตามยาว เพลาข้อเหวี่ยงจะทอดยาวตามแนวแกนยาวของตัวรถ และเป็นที่นิยมในยานพาหนะขับเคลื่อนล้อหลัง การเลือกระหว่างทั้งสองแบบส่วนใหญ่เป็นเรื่องของการจัดวางพื้นที่: ปริมาตรที่ระบบส่งกำลังใช้พื้นที่ กำหนดพื้นที่ที่เหลือสำหรับห้องโดยสารและพื้นที่เก็บสัมภาระโดยตรง การเลือกเชิงเรขาคณิตง่าย ๆ นี้ มีอิทธิพลมากพอจะนิยามระดับชั้นของรถยนต์ รูปแบบตัวถัง และแม้กระทั่งการออกแบบรถถังใหม่ตลอดศตวรรษที่ยี่สิบ

ยุคแรกเริ่มของการจัดวางตามขวาง: จากปี 1899 ถึงหลังสงคราม

แนวคิดเครื่องยนต์ตามขวางสืบย้อนไปถึงยุคแรกเริ่มของรถยนต์ ใน ปี 1899 รถเบา Critchley ของ Daimler Motor Company ถูกบันทึกว่าเป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกที่ใช้เครื่องยนต์ตามขวางขับเคลื่อนด้วยสายพาน อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จทางการค้าที่ยั่งยืนรายแรกของแนวการจัดวางนี้มาถึงใน ปี 1931: รถสองกระบอกสูบ DKW F1 ด้วยเครื่องยนต์ตามขวางและการขับเคลื่อนล้อหน้า ถือเป็นตัวอย่างการใช้งานจริงรุ่นแรกของสถาปัตยกรรมที่เราเห็นในรถขับเคลื่อนล้อหน้ายุคใหม่ในปัจจุบัน

ในช่วงสงคราม แนวการจัดวางนี้พิสูจน์ตัวเองในภาคการทหาร ในรถถัง T-44 และ T-54/T-55 ของสหภาพโซเวียต เครื่องยนต์ถูกวางตามขวาง เป้าหมายคือการประหยัดพื้นที่ภายในตัวถัง และผลลัพธ์ก็น่าประทับใจ: ด้วยการจัดวางตามขวาง ทำให้ตัวถังสั้นลงในขณะที่เกราะยังคงได้รับการปกป้อง และ T-54/55 กลายเป็นรถถังที่ผลิตมากที่สุดตลอดกาล ฝั่งรถยนต์นั้น ปี 1947 Saab 92 ก็เป็นหนึ่งในแบรนด์แรกที่ใช้เครื่องยนต์ตามขวางในรุ่นแรกของตน ส่วนแบรนด์ Goliath และ Hansa ของ Borgward ก็ใช้แนวทางเดียวกันนี้ ในปี 1957 Trabant จากเยอรมนีตะวันออกได้ขึ้นสายการผลิตด้วยเครื่องยนต์สองจังหวะที่วางตามขวาง และคงรูปแบบนี้ไว้อย่างต่อเนื่องจนถึงปี 1991

Mini และ Giacosa: สองสำนักสถาปัตยกรรมของการจัดวางตามขวาง

การจัดวางตามขวางได้รับการยอมรับอย่างแท้จริงในโลกยานยนต์ในปี 1959 กับ Mini ซึ่งเป็นผลงานของ Alec Issigonis แห่ง BMC ก้าวของ Issigonis คือโซลูชันการจัดวางแบบรุนแรง: เกียร์ถูกบูรณาการเข้ากับอ่างเครื่องยนต์ หรือก็คือแหล่งน้ำมันหล่อลื่น ด้วยวิธีนี้ เครื่องยนต์สี่สูบระบายความร้อนด้วยน้ำขนาด 848 ซีซี และชุดส่งกำลัง จึงประกอบกันเป็นก้อนกะทัดรัดที่พอดีกับตัวถังกว้างเพียง 1.2 เมตร โดยชุดส่งกำลังทั้งหมดครอบพื้นที่เพียง 20% ของความยาวยานพาหนะ แนวคิดรถยนต์ขนาดกะทัดรัดสี่ที่นั่งที่ผู้โดยสารนั่งได้อย่างสบายโดยไม่ต้องอาศัยรอบเครื่องยนต์ ก็เป็นไปได้ด้วยรูปแบบนี้

อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของโซลูชันเกียร์ในอ่างเครื่องยนต์ของ Mini คือความยากในการซ่อมแซม ในปี 1964 Dante Giacosa ได้นำรูปแบบที่เขาพัฒนาให้ Fiat ไปใช้ใน Autobianchi Primula: เครื่องยนต์เชื่อมต่อกับเกียร์ด้วยเพลา ขณะที่เฟืองท้ายถูกวางในตำแหน่งเยื้องศูนย์ รูปแบบนี้แพร่หลายต่อมาใน Fiat 128 และกลายเป็นพื้นฐานของแผนผังที่ยังใช้อยู่จนถึงทุกวันนี้ รูปแบบ Giacosa ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าปรับแต่งได้ดีกว่า ซ่อมง่ายกว่า และเหมาะกับเกียร์ห้าสปีดมากกว่าโซลูชันของ Mini คือมาตรฐานโดยพฤตินัยของรถยนต์ขับเคลื่อนล้อหน้าสมัยใหม่ การที่ขับเคลื่อนล้อหน้าตามขวางกลายเป็นรูปแบบเด่นในตลาดก็มาเร็วเช่นกัน ผู้ผลิตส่วนใหญ่ยอมรับรูปแบบนี้ตลอดช่วงทศวรรษ 1980

ประเพณีเครื่องยนต์ท้าย: จาก Tatra สู่ Beetle

Ferdinand Porsche'nun Beetle'ını ünlü eden arka motor, hava soğutma ve aerodinamik gövde üçlüsü, aslında Tatra'nın mühendislik mirasıydı.

เครื่องยนต์ท้ายถูกสนับสนุนด้วยตรรกะที่แตกต่างไกลจากเรื่องราวการจัดวางตามขวาง วิศวกรชาวออสเตรีย Hans Ledwinka ซึ่งเข้าร่วม Tatra ในตำแหน่งผู้อำนวยการฝ่ายเทคนิคในปี 1921 ได้เชี่ยวชาญในการวางเครื่องยนต์ไว้หลังเพลาหลัง ตำแหน่งนี้ให้การยึดเกาะที่เหลือเชื่อแก่ล้อขับ รุ่นระบายความร้อนด้วยอากาศรุ่นแรกของบริษัทคือ Tatra 11 ปี 1923 Tatra ซึ่งในช่วงแรกใช้ทั้งระบายความร้อนด้วยน้ำและอากาศ ได้ค่อยๆ กำหนดให้ระบายความร้อนด้วยอากาศเป็นมาตรฐาน Tatra 77, 87 และ Tatra 97 ที่ผลิตในปี 1936 ซึ่งเป็นซีดีนสี่ประตูเครื่องยนต์ท้ายระบายความร้อนด้วยอากาศและตัวถัง fastback แบบอากาศพลศาสตร์ จัดเป็นตัวอย่างที่แปลกแหวกของยุคนั้น

Tatra 97 มีสูตรสามประการที่ต่อมาทำให้ Beetle มีชื่อเสียง - เครื่องยนต์ท้าย ระบายความร้อนด้วยอากาศ ตัวถังแบบอากาศพลศาสตร์ - อยู่แล้ว และความคล้ายคลึงกันนั้นใกล้ชิดพอที่จะกลายเป็นประเด็นคดีความ เป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลายว่าการออกแบบ Tatra ของ Ledwinka มีอิทธิพลต่อ Beetle รายละเอียดว่าการออกแบบถูกถ่ายทอดจากใครไปสู่ใครนั้นยังคงเป็นที่ถกเถียง เพราะวิธีแก้ปัญหาอันเป็นเอกลักษณ์ของ Tatra ก็เพิ่งก่อตัวขึ้นในต้นทศวรรษ 1930 เช่นกัน ในช่วงเวลานี้ไม่เพียงแต่ Tatra เท่านั้น Mercedes-Benz ก็ทดลองกับเครื่องยนต์ท้ายเช่นกัน: รุ่นยุค 1930 อย่าง 130, 150 Sports Saloon, 150 Sports Roadster และ 170 H ต่างก็ทดลองใช้เลย์เอาต์นี้ ฝั่งเชโกสโลวาเกียนั้นประเพณีนี้ดำรงอยู่ยาวนาน; Tatra T603 ปี 1968 ในฐานะซีดาน V8 เครื่องยนต์ท้าย คือผลสืบทอดอันยิ่งใหญ่ของมรดกนี้

ส่วนชัยชนะของเครื่องยนต์ท้ายนั้นอ้างอิงจากมวล: น้ำหนักของเครื่องยนต์กดลงบนล้อหลังและเพิ่มการยึดเกาะของยาง แต่ข้อได้เปรียบนี้ก็มีราคาที่แสนแพง ในรุ่นเครื่องยนต์ท้ายของ Tatra การกระจายน้ำหนักถูกกองไปที่ด้านหลังมากถึง %70/30 ซึ่งนำไปสู่ปัญหาการควบคุมคันที่เลื่องชื่อ การที่น้ำหนักรวมอยู่ที่เพลาหลังก่อให้เกิดพฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้เมื่อรถเข้าใกล้ขีดจำกัดในโค้ง: รถที่ประพฤติตัวดีใต้เพดานขีดจำกัดในความเร็วต่ำ อาจเผชิญความเสี่ยงจากการหลุดหางกะทันหันเนื่องจากแรงเฉื่อย หรือที่เรียกว่า lift-off oversteer เมื่อเครื่องยนต์อยู่ที่เพลาหลัง ท้ายรถอาจทำตัวเหมือนสลังที่พยายามแซงคนขับเมื่อถอนคันเร่งในโค้ง

การปฏิวัติเครื่องยนต์กลาง: จากสนามแข่งสู่ถนน

เลย์เอาต์เครื่องยนต์กลางที่วางเครื่องยนต์ไว้หลังห้องโดยสาร หน้าเพลาหลัง ได้นำการกระจายน้ำหนักเข้าใกล้จุดศูนย์ถ่วงเชิงเรขาคณิต ทำให้โดดเด่นกว่าคู่แข่งทั้งด้านความทนทานและสมรรถนะในโค้ง Porsche 917 ที่เปิดตัวในปี 1969 เป็นสปอร์ตโปรโตไทป์ที่ติดตั้งเครื่องยนต์ Type 912 flat-12; แม้ผลิตเพียง 25 คันเพื่อการโฮโมโลเกชัน แต่ก็สร้างอำนาจเหนือการแข่งรถสปอร์ต Le Mans 24 ชั่วโมง ปี 1970 Team Salzburg ชนะเลิศโดยรวมด้วย 917K และ 917K ก็ครองราชย์การแข่งความทนทานด้วยชัยชนะที่ Le Mans ติดต่อกัน

ตัวอย่างบุกเบิกฝั่งรถยนต์ใช้ถนนคือ Lamborghini Miura: V12 เครื่องยนต์กลางวางขวาง ความจุ 4.0 ลิตร ถือเป็นคอนฟิกูเรชันที่ไม่มีใครเหมือนในปี 1965 ในทศวรรษต่อมา แนวทางเดียวกันนี้แพร่หลายไปกับรุ่นต่างๆ อย่าง Lancia Montecarlo, Toyota MR2, Pontiac Fiero และ Honda NSX เจเนอเรชันแรก; เครื่องยนต์กลางกลายเป็นเลย์เอาต์มาตรฐานที่ไหลจากเทคโนโลยีการแข่งรถมาสู่รถสปอร์ตราคาเข้าถึงได้

ผลกระทบต่อสมรรถนะ ความปลอดภัย และการออกแบบ

บทบาทของตำแหน่งเครื่องยนต์ต่ออัตลักษณ์การขับขี่อธิบายได้ด้วยฟิสิกส์พื้นฐาน: ตำแหน่งของมวลกำหนดการกระจายน้ำหนัก และเมื่อการกระจายเปลี่ยน การยึดเกาะถนนและอัตลักษณ์การขับขี่ก็เปลี่ยนไปอย่างมาก จุดศูนย์ถ่วงต่ำและการกระจายที่สมดุลช่วยปรับปรุงสมรรถนะในโค้ง; ในเลย์เอาต์ขับเคลื่อนล้อหลังจะให้ข้อได้เปรียบด้านแรงยึดเกาะ การเปลี่ยนตำแหน่งเครื่องยนต์จะเลื่อนสัดส่วนมวลที่กดลงบนเพลาใดเพลาหนึ่ง โดยพยายไปข้างหน้าหรือกองไปด้านหลัง ก็มีความเห็นที่ตรงข้ามเช่นกัน ส่วนประกอบในห้องเครื่องยนต์ รวมถึงแบตเตอรี่ มีสัดส่วนค่อนข้างเล็กในมวลรวม ดังนั้นการเลื่อนตำแหน่งเครื่องยนต์จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งในบางการออกแบบอาจเปลี่ยนการกระจายน้ำหนักได้น้อยกว่าที่คาดไว้ และผลกระทบอาจเทียบเคียงได้กับรายละเอียดอย่างการวางตำแหน่งแบตเตอรี่ ในความเป็นจริงสองมุมมองนี้ไม่ได้ขัดแย้งกัน: ผลกระทบของการวางตำแหน่งควรได้รับการประเมินร่วมกับสถาปัตยกรรมตัวถังและงบมวล

ด้านความปลอดภัย การวางตามขวางให้ผลลัพธ์ที่จับต้องได้และวัดได้ การวางเครื่องยนต์ตามขวางทำให้พื้นที่ตามยาวในเพลาหน้าว่างลง พื้นที่นี้สามารถเปลี่ยนเป็นโซนยุบตัวที่เสียรูปเมื่อชนด้านหน้าได้ Volvo เปลี่ยนไปใช้เครื่องยนต์ตามขวางในรุ่นทั้งหมดรวมถึง V8 ตั้งแต่ปี 1998 จุดประสงค์คือเพิ่มพื้นที่ภายในห้องโดยสาร แต่การจัดวางนี้ยังปรับปรุงความปลอดภัยเมื่อชนด้านหน้าอีกด้วย โดยให้พื้นที่ห้องเครื่องยนต์ที่ยาวขึ้นและโซนยุบตัวด้านหน้าที่ใหญ่ขึ้น ส่วนผลการด้านความปลอดภัยของการจัดวางเครื่องยนต์ท้ายนั้นซับซ้อน: Porsche ในต้นทศวรรษ 1970 ได้ติดตั้ง 911 เครื่องยนต์ท้ายด้วยการเสริมความแข็งแรงเชิงโครงสร้างและโซนยุบตัวในระดับที่วิศวกรในตอนแรกไม่เชื่อ จนผ่านมาตรฐานการชนของยุคนั้น

การวางตำแหน่งข้อได้เปรียบหลักจุดอ่อนโดยทั่วไปจุดหมุนสำคัญ
หน้า ตามยาวใช้งานได้จริง แพร่หลาย ท่อระบายความร้อนสั้นฝากระโปรงยาว น้ำหนักหน้าการจัดวางคลาสสิก
ท้ายแรงฉุดลากด้านหลังเพิ่มขึ้นความเสี่ยงหมุนเกินพลิกแพลงฉับพลันTatra 97, Beetle
กลางการกระจายสมดุล การยึดเกาะถนนดีพื้นที่ห้องโดยสารและท้ายPorsche 917, Miura
หน้า ตามขวางการจัดวางกะทัดรัด ประหยัดพื้นที่ข้อจำกัดการส่งกำลังMini, Fiat 128

ทำไมการวางตามยาวยังคงเป็นที่นิยมในยานพาหนะสมรรถนะสูง?

การจัดวางตามขวางครองตลาดรถยนต์ขนาดเล็ก ในทางกลับกัน รถสปอร์ตสมรรถนะสูงส่วนใหญ่ยังคงใช้การวางตามยาว มีเหตุผลเชิงปฏิบัติหลายประการ ระบบส่งกำลังตามยาวอนุญาตให้เกียร์ที่ใหญ่และทนทานกว่า ซึ่งรับแรงบิดของเครื่องยนต์ที่ทรงพลังได้ ติดตั้งในยานพาหนะได้ นอกจากนี้ ร่วมกับสถาปัตยกรรมขับเคลื่อนล้อหลัง ยังแบ่งฟังก์ชันการฉุดลากและการบังคับทิศทางอย่างชัดเจนระหว่างเพลาหน้าและเพลาหลัง ในโค้ง ล้อหน้าทำหน้าที่เพียงบังคับเลี้ยว ล้อหลังทำหน้าที่เพียงขับเคลื่อนเท่านั้น การวางแนวตามยาวของเครื่องยนต์ โดยเฉพาะในเครื่องยนต์แบบกว้างอย่าง V และ boxer ทำให้มีพื้นที่ว่างในห้องเครื่องยนต์

การแบ่งแยกนี้แสดงให้เห็นว่าการวางตำแหน่งกลายเป็นตัวกำหนดคลาสของยานพาหนะ: ในภาษาของกลุ่มประหยัดและกะทัดรัดคือขับเคลื่อนล้อหน้าตามขวาง ในภาษาของกลุ่มสมรรถนะสูงคือขับเคลื่อนล้อหลังตามยาวหรือเครื่องยนต์กลาง การเลือกการวางตำแหน่งของผู้ผลิตในรุ่นหนึ่ง ไม่ใช่เพียงรายละเอียดทางเทคนิค แต่ยังเป็นข้อมูลเกี่ยวกับกลุ่มเป้าหมายและการวางตำแหน่งราคาของยานพาหนะด้วย

บทสรุป: มรดกของการเลือกเรขาคณิตอย่างง่าย

เมื่อมองย้อนกลับไปยกว่าหนึ่งศตวรรษของรถยนต์สันดาปภายใน ทิศทางของเพลาข้อเหวี่ยงและตำแหน่งของเครื่องยนต์ก็ได้หล่อหลอมรถยนต์มากพอ ๆ กับจำนวนกระบอกสูบและสถาปัตยกรรมเครื่องยนต์ เกียร์ที่ฝังในบล็อกเครื่องยนต์ของ Issigonis และข้อเหวี่ยงของ Giacosa คือบรรพบุรุษของรถยนต์คอมแพกต์เกือบทุกคันที่วิ่งบนถนนในทุกวันนี้ เครื่องยนต์หล่อเย็นด้วยอากาศที่ Ledwinka วางไว้หลังเพลาหลัง เดินทางไปถึงครอบครัวนับล้านผ่าน Beetle และกลายเป็นจุดเริ่มต้นของประเพณีที่ Porsche 911 ยังคงสืบทอดมาจนถึงปัจจุบัน ส่วนเครื่องยนต์กลางนั้น ออกจากสนามแข่งมาประจำการอยู่บนยอดสุดของรถยนต์สำหรับใช้บนถนน การตัดสินใจที่ดูเรียบง่ายเพียงเรื่องว่าจะวางเครื่องยนต์ไว้ที่ไหนและหันไปทางไหน คือมรดกทางวิศวกรรมที่เขียนใหม่ทุกมิติ ตั้งแต่การยึดเกาะถนน ความปลอดภัย ต้นทุนการผลิต ไปจนถึงชั้นของยานพาหนะ

แหล่งอ้างอิง