Що таке крутний момент автокадабра
Серед автомобілістів чимало різночитань з корінних питань: потужність двигунів і їх крутний момент, робочий об'єм і ступінь стиснення. Чим 4-тактний д.в.с. відрізняється від 2-тактного, а двигун Дизеля від Отто? Заради чого регулюють фази газорозподілу? Навіщо застосовується наддув і чому автомобільному д.в.с. потрібна коробка передач? Що таке диференціал - і т.п. Давайте поговоримо - без поспіху.
Яку потужність розвиває кінь в упряжці? Дивно, але середня кінь видає при тривалій роботі тільки 0,8 л.с .; у всякому разі, саме такий показник закладали (і закладають) зазвичай в інженерні і економічні розрахунки по гужовому транспорту та ін. Вважається також, що чоловік середніх років і звичайної фізичної підготовки розвиває (знову ж при тривалій роботі) близько 0,1 к.с . Трохи, але і людина, і кінь здатні напружитися і кілька секунд видавати набагато більше - в рази. Кінь витягує віз, яка застрягла в розбитій колії, а моторчик внутрішнього згоряння потужністю в 2 (дві!) К.с. просто глухне. Крутного моменту не вистачило ...
Золоте правило механіки
Так що ж таке крутний момент і як він пов'язаний з потужністю двигуна? Згадайте середню школу: потужність визначається добутком сили на швидкість (з якимись коефіцієнтами залежно від одиниць виміру) - для поступального руху. Припустимо, тягнете ви вантаж із зусиллям в 12 кг і зі швидкістю 1 м / сек. (3,6 км / год); тоді ваша потужність - 12 кгм / сек. Тобто, 0,16 к.с. [Європейська (паризька) кінська сила вважається 75 кгм / сек. Англо-американська практика вся заплутана футами і фунтами, так що британська кінська сила (bhp) дорівнює 1,0139 к.с. по «континентального» рахунку.]; не погано. Космічний ракетний двигун розвиває тягу в 100 т при швидкості 12 км / сек. значить, його потужність - 16 млн к.с.
Або ж потужність визначається твором крутного моменту [В свою чергу крутний момент (він має сенс при обертальному русі) дорівнює добутку сили на плече її дії. Коли до важеля плечем в 1 м додається зусилля в 10 кг (перпендикулярно плечу!), То тим самим створюється крутний момент в 10 кгм. Або в 98 Нм - кому як подобається.] На частоту обертання валу - для обертального руху. Ось і все, решта - арифметика. Якщо на валу двигуна при 6000 хв-1 (в просторіччі оборотів в хвилину) вимірі крутний момент в 10 кілограмометрах, то його потужність дорівнює 83,775 к.с. Або 61,6 кВт - в інших одиницях виміру [Один кВт дорівнює 1,36 «континентальної» к.с. - навіть в Африці.]. Причому неважливо, про який саме двигуні йдеться - про парову машину, газовій турбіні, поршневому д.в.с. або електродвигуні; арифметиці без різниці.
І що ж нашому братові, автомобілістам, потрібно - потужність двигуна або його крутний момент? Ось притча: винесли ви на ринок картоплю і хочете збути її по 35 руб. за кг. Ніби як головне для вас - гарна ціна. Продали пару кіло - по 35, а більше не беруть; дорого. Тут-то і з'ясовується, що для вас важлива не стільки ціна - за кг, - скільки загальна виручка від продажу 2 центнерів картоплі.
Так і з моторами: нерідко автомобілісти заявляють, що для них головне - момент, тяга, а потужність - справа десята. Рівне навпаки - як в старому анекдоті: дай нам, Господи, потужність, а крутний момент ми вже якось самі ...
Нехай мікролітражний моторчик розвиває 10 к.с. при 6 тис. оборотів. Тобто, крутний момент на його маховику - 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам потрібно 100 Нм? Заради Бога: ставимо понижуючий редуктор (з передавальним числом 8,55), - і ось вам 100 Нм на вихідному валу [Забудемо поки про (неминучих) втрати потужності в редукторі.]. Причому потужність - за вирахуванням втрат - залишається, природно, тієї ж. Хочете 1000 Нм? Будь ласка, візьміть редуктор з передавальним числом 85,5; питання підбору шестеренних пар ...
Але! При моменті в 100 Нм на вихідному валу редуктора його обороти вже не 6000 хв-1, а тільки 700 з невеликим. Золоте правило механіки: виграючи в моменті, що крутить (в силі), програємо в частоті обертання (в швидкості). А 1000 Нм ви отримаєте і зовсім при 70 хв-1; занадто повільно. Так ви хочете і крутний момент, і обороти! І рибку з'їсти, і не подряпатися. Вам потрібно продати по 35 руб. не 2-3 кг картоплі, а багато. Так і скажіть: для мене головне - виручка. Для мене головне - потужність двигуна.
Потужність!
Припустимо, котите ви в легковику по рівній дорозі з удосконаленим покриттям; швидкість постійна - 100 км / ч. Тяга від двигуна в плямах контакту ведучих коліс з ходовою поверхнею в сумі якраз покриває сили опору повітря і кочення покришок; для вашого авто (з його аеродинамікою, вагою, шинами і тиском в них): покладемо 54 кг. Тобто, крутний момент на осі (при радіусі кочення коліс, скажімо, 265 мм) дорівнює 140 Нм, обороти коліс - близько 1000 хв-1, а потужність, що - 1500 кгм / сек. або 20 к.с. З урахуванням втрат в трансмісії - від маховика до зони контакту - від мотора потрібно потужність близько 22,5 л.с .; легко.
А щоб їхати на дві «сотні»? При подвоєнні швидкості, сили опору зростають приблизно вчетверо - по квадрату. Інакше кажучи, потрібна потужність збільшується в 8 разів (4 х 2) - по кубу швидкості! Від двигуна потрібні тепер 170-180 л.с. на маховику, тому далеко не кожен автомобіль здатний набрати швидкість в 200 км / ч.
Це - при рівномірному русі; а якщо ви хочете ще й розганяти (або йти на підйом), необхідна вільна потужність. Скажімо, ті ж 22,5 к.с. на швидкості 100 км / год - плюс ще 10 к.с. на прискорення фізичного тіла; II закон Ньютона. Або 50 к.с. - тоді розгін енергійніше.
Як бачите, і швидкість автомобіля, і динаміка його розгону залежать від потужності двигуна; як же її підняти? Тримати крутний момент до високої частоти обертання валу. Скажімо, довести обороти того ж мікролітражного моторчика до 12 тис. - при незмінному моменті в 11,7 Нм. Значить, його потужність збільшується рівно вдвічі - до 20 к.с. Загалом, тут таке співвідношення:
де P - потужність двигуна (к.с.) при n хв-1, M - його крутний момент (кгм) при тих же оборотах. А 1 / 716,2 - просто коефіцієнт розмірності.
Є й інший шлях: збільшувати крутний момент. Тут головний прийом - наддув: прокачивайте через ваш моторчик вдвічі більше повітря (і відповідно пального), і крутний момент підвищиться, грубо кажучи, в 2 рази - при тих же оборотах. І всього делов. Правда, наростають теплові навантаження, виникають інші головні болі ...
Тепер забудемо про редуктори; ви нерідко бачите графіки крутного моменту і потужності двигунів по оборотам - так звана зовнішня швидкісна (зовнішня - тому що при повному «газі», а швидкісна - оскільки за швидкістю обертання валу) характеристика. Так ось, вам досить бачити одну з кривих - або моменту, або потужності; все одно. Інша відновлюється з першої - і навпаки. Їх приводять обидві просто для зручності, - щоб вам не займатися складними арифметичними розрахунками.
Швидкісна характеристика бензинової «шістки» GS450h: найбільший обертовий момент при 4800 хв-1, вліво він зменшується. А нижче 1000 оборотів краще взагалі не опускатися
Тобто, зв'язок між крутним моментом, оборотами валу і потужністю двигуна однозначна - як між довжиною підстави трикутника, його висотою і площею. Незалежно від того, прямокутний він, скіс і якого кольору.
Швидкісна характеристика тягового е-мотора Lexus GS450h: найбільший крутний момент при 0 оборотів!
І забавно, коли фірмовий прес-реліз проколюється за найпростішим правилом, - скажімо, на web-сайті новоявленої каліфорнійської компанії DiMora Motorcar. За проектом ультра-люкс-седана Natalia, максимальна потужність 16-циліндрового (!) Мотора Volcano перевищує 1200 к.с. Найбільший крутний момент - 1220 Нм (900 футо-фунтів); однак тут не сходиться. За відомостями від DiMora ж, «відсічення» спрацьовує на 6500 хв-1; значить, максимальна потужність досягається при 6000-6250. Але тоді найбільший момент ну ніяк не менше 1400 Нм, а вірніше все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 і в сонячній Каліфорнії.
еластичність двигуна
Погляньте ще раз на криву крутного моменту: вона дає ключову характеристику двигуна - його еластичність. Треба сказати, у автомобільних д.в.с. крива несприятлива - чи то справа у газової турбіни, парової машини, електромотора. Вони видають найбільший крутний момент при низьких оборотах - і навіть при повній зупинці вала. Тобто, як кінь: уповільнюють хід, напружуються - і витягують віз. А спробуйте зупинити вал ВАЗівської «четвірки» або 12-циліндрового двигуна Rolls-Royce - вони просто стихнуть.
Графік крутного моменту у звичайного д.в.с. лівіше 1000 хв-1 зазвичай і не малюють; він не здатний працювати на оборотах нижче «холостого ходу». Тоді як у е-мотора крива піднімається до 0 оборотів - приблизно по гіперболі; виняткова еластичність. При збільшенні навантаження (крутий підйом і т.п.) е-мотор втрачає оберти - і збільшує крутний момент; чинить опір до упору! А д.в.с. при падінні частоти обертання (нижче «пікових» по крутний момент) чинить опір все слабше - і врешті-решт зупиняється. Дві великі різниці, як кажуть в Одесі.
Звідси, до речі, ідея «гібридних» бензин-електричних силових агрегатів: тяговий е-мотор приймає на себе навантаження саме там, де д.в.с. безпорадний. На самих «низах»; а зазвичай автомобільний двигун видає найбільший обертовий момент десь при проміжних частотах обертання валу. Причому у «гостро» налаштованого мотора пік моменту зрушать до високих обертів, а при низьких він тягне слабо. Тоді і говорять про вираженому «підхваті»; нічого тут хорошого немає.
Так що ж все-таки важливіше - крутний момент або потужність? Відповідь: зрозуміло, потрібен крутний момент - в широкому діапазоні оборотів! У тому числі і при самій високій частоті обертання валу, - тобто, потужність.
Досить розумне роз'яснення, але ось один нюанс тут є: мова про арфметіке обчислення потужності з моменту і навпаки. Справа тут в тому, що на сучасних автомобілях встановлюється досить хитра електроніка управління двигуном, яка здатна міняти характеристики його роботи, адаптуючись до різних дорожніх умов.
Зокрема, на деяких турбированних авто, керуюча програма може при інтенсивному розгоні короткочасно збільшити тиск впуску, додаючи крутного моменту, але при цьому заявлені моментні характеристики двигуна вимірюються при штатному тиску турбіни. Ось і виходить, що максимальний момент і максимальна потужність заміряються різними способами і не є похідними один одного.
Так, ну дивлюся подобавлялі пост в обране :)
Я випадково його помітив і відновив картинки в ньому через пошуковий кеш - цікава статейка)
Ну так ти його розпіарив, можна сказати.
Мені якраз було цікаво дізнатися про крутний момент. На драйві Джип-чирок провів дино тест, і у нього вийшло приблизно 900 л. с. і 1700 Н / м. Розумів, що це багато, але на скільки - ні.
Ну пост-то придатний, а ти змусив всіх його помітити)