Крутящий момент часто описывается как сила с которой вращается двигатель. Представьте себе крутящий момент (в контексте двигателя) как объем работы, которую двигатель производит за радиан (обороты). На самом деле крутящий момент измеряется в ньютон-метрах (Нм) -> сила * движение = энергия (работа).
Величина крутящего момента, создаваемая двигателем внутреннего сгорания, сильно варьируется в зависимости от текущей скорости вращения двигателя. Вот почему, как правило, технические характеристики транспортных средств дают (пиковый) крутящий момент коленчатого вала, а также обороты, при которых двигатель его достигает: 200Нм при 3000 оборотов/мин.
Простой пример для понимания крутящего момента - сравнение с фермером, работающим на поле:
1. Число оборотов двигателя - это количество ударов мотыги, которые фермер может сделать за минуту.
2. Крутящий момент двигателя - с какой мощностью удар фермера падает на землю.
Мощность двигателя - это комбинация и того и другого и представляет, сколько полей фермер может подготовить за определенное время.
Фермер может использовать очень маленькую мотыгу (низкий крутящий момент) и быть очень быстрым (высокие обороты), или наносить несколько (низкие обороты) очень мощных ударов (высокий крутящий момент). Количество подготовленных полей может быть одинаковым даже при очень разных значениях «крутящего момента».
В случае двигателя величина крутящего момента сама по себе совершенно бессмысленна, поскольку крутящий момент может быть умножен на передачу, например, описанный выше двигатель может быть приспособлен с отношением 1: 2 для получения 400Нм при 1500 оборотов/ мин. Делая меньше оборотов, двигатель сможет производить больше работы (энергии) за оборот. Но обратите внимание, что вся энергия, произведенная за тот же промежуток времени, постоянна.
Мощностью называется работа силы, совершаемая в единицу времени. Чтобы получить мощность двигателя при определенных оборотах, вы умножаете крутящий момент на число оборотов (рад/с):
200Нм * 3000 оборотов/ мин = 62.84 кВт
400Нм * 1500 оборотов/ мин = 62.84 кВт
Можете сами поэкспериментировать с расчетами тут
Вы видите, что мощность двигателей равна, поэтому оба могут выполнять одну и ту же работу за одно и то же время, даже если один из двигателей обладает в два раза большим крутящим моментом. Оба могут ускорять объект определенной массы в одно за одно и то же время. Вот почему обычно ЛС (лошадиные силы) / кВт являются более значимым способом описания производительности двигателя. кВт - это 1000 Дж/с.
КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ = энергия на единицу вращения
МОЩНОСТЬ = энергия на единицу времени
Так почему крутящий момент важен? Он как раз и не важен:
Рассмотрим типичную машину (1500 кг), разгоняющуюся от 0 до 100 км/ч (28 м/с).
Рассчитаем количество кинетической энергии, необходимой для ускорения машины, по знаменитой формуле 1/2𝑚𝑉 ^2 (V квадрат).
0,5 ∗ 1500 кг ∗ (100 км/ч)^2 = 600000 Джоулей
Рассмотрим оба двигателя, которые мы упоминали выше. У них 62 кВт, но сильно отличающиеся значения крутящего момента.
Оба двигателя разгонят автомобиль с 0 до 100 км / ч за:
600 кДж / 62 кВт = 600000 Дж / 62000 Дж/сек. = 10 секунд
Теоретически…
На практике это будет несколько иначе, потому что, когда вы ведете автомобиль, вы не можете поддерживать двигатель на желаемой скорости, вам постоянно нужно переключать передачи, и при ускорении обороты двигателя будут расти. Это означает, что для получения пикового ускорения вам нужно будет поддерживать двигатель около точки пиковой мощности, которая обычно отличается от точки пикового крутящего момента.
Так крутящий момент имеет значение? Нет. В какой-то степени важна точка максимального крутящего момента (обороты / мин.) по сравнению с общим доступным диапазоном оборотов. Например, сравните эти двигатели:
- Большой турбодизель с максимальным крутящим моментом при
1250 об. / мин и 200 л.с. при 4000 об. / мин
- Мотоциклетный атмосферный газовый двигатель объемом 900 куб. см с максимальным крутящим моментом при 11000 об / мин и 200 л.с. при 13000 об. / мин
Второй двигатель будет иметь менее трети крутящего момента первого, но оба будут способны разгонять одну и ту же массу с одинаковой скоростью, тянуть одинаковый вес в гору, если он будет использоваться в точке максимальной мощности. Но первый двигатель будет иметь приличную мощность от 1500 об. / мин до 4000 об. / мин, то есть от 30% до 100% от доступного диапазона. Второй двигатель будет иметь приличную мощность только от 60% до 100% диапазона оборотов.
Первый двигатель тяжелый, но эффективный, он требует большой трансмиссии и тяжелого сцепления. Он идеально подходит для больших грузовиков или небольших судов, где важна эффективность и вес не имеет большого значения. Второй двигатель неэффективный, но легкий, он может быть полезен для мотоциклов, небольших гоночных автомобилей или даже для небольших городских автомобилей.
Но это не имеет ничего общего с крутящим моментом само по себе, просто двигатели с низким крутящим моментом, как правило, более эффективны, чем быстрые двигатели с низким крутящим моментом.
Читайте про 4 мифа о крутящем моменте.
Важность трансмиссии и передаточных чисел:
При фиксированном передаточном числе и фиксированном соединении между коленчатым валом и шинами, крутящий момент колеса и, следовательно, ускорение будут пропорциональны крутящему моменту двигателя. В этом состоянии пиковое ускорение наступает, когда двигатель имеет пиковое значение крутящего момента.
Это может сбивать с толку, потому что то, что я сказал что максимальное ускорение наступает в точке максимальной мощности, а не в точке максимального крутящего момента.
Путаница возникает из-за того, что энергия, необходимая для ускорения транспортного средства на фиксированную величину, увеличивается со скоростью.
Запомните формулу:
𝐾𝑒 = 1 / 2𝑚𝑉 ^2
термин V ^ 2 означает, что с увеличением скорости вам нужно все больше и больше энергии для ускорения.
Так почему это важно?
Рассмотрим ситуацию с фиксированным передаточным числом 1: 1 и ускорением автомобиля во всем диапазоне оборотов.
В точке максимального крутящего момента (скажем, 1000 об. / мин.) транспортное средство будет подвергаться максимальному ускорению и будет двигаться с определенной скоростью V1.
В точке максимальной мощности (скажем, 3000 об. / мин. - 30 км. / ч.) автомобиль будет подвергаться меньшему ускорению, но его скорость V2 будет намного выше.
Поскольку V2 > V1, мощность, необходимая для ускорения транспортного средства на определенную величину в V2, будет выше. Даже если при V2 ускорение будет ниже, увеличение кинетической энергии будет выше из-за более высокой мощности при 3000 об. / мин.
Для получения фиксированной величины ускорения при V1 = 1000 об. / мин., вам нужна мощность, пропорциональная: (игнорируем здесь единицы измерения)
10 ^ 2 = 100
На V2 = 30 000 об. / мин. вам нужно:
30 ^ 2 = 900
Таким образом, чтобы получить такое же ускорение при 30 км. / ч., вам нужно в 9 раз больше энергии, чем при 10 км. / ч.!
Теперь представьте другой сценарий, в котором на V1 у вас будет более короткая передача, поэтому обороты двигателя будут 3000, даже если вы на скорости 1000 об. / мин.. В этом состоянии двигатель будет работать в точке максимальной мощности, крутящий момент на коленчатом валу будет ниже, но крутящий момент на колесе будет выше, поскольку теперь у вас есть отношение 3: 1, а крутящий момент двигателя умножается на 3. В этом состоянии вы имеете максимально возможное ускорение, потому что двигатель передает кинетическую энергию на транспортное средство с максимально возможной скоростью.
Уф, кажется закончил ))
Много текста, я понимаю. Но, как говорится, не море топит, а лужа.
Поставьте, пожалуйста, лайк - для вас не сложно, а нам это очень важно.
И подписывайтесь на канал, спасибо!
Больше полезных материалов на CAR.RU