Для начала будет дана перепечатка статьи: https://perevozka24.ru/pages/moschnost-i-krutyaschiy-moment-avtomobilnogo-dvigatelya
В ней очень точно и просто всё разъяснено.
И уж затем в моей части статьи ещё чуть более подробно всё это растолковано. Ребятам о зверятах, была такая телепередача :-)
Статья получилась объёмной, но не сложной-один раз прочесть без спешки и отделены мухи от котлет навсегда.
" Так принято, что во время оценки технических характеристик любого автомобиля, прежде всего, смотрят на его мощность, однако не менее значительным показателем считается крутящий момент. Что представляют собой оба этих понятия, какова история их появления – обо всем этом и многом другом пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.
Лошадиная сила и Ватт
Понятие «лошадиная сила» впервые использовал известный изобретатель и инженер конца 18-го – начала 19-го века Джеймс Уатт. Именно он придумал паровой мотор, а также первым просчитал мощность, которую развивает лошадь, поднимая уголь из шахты. С тех пор, а это уже более чем 200 лет, развиваемая одной лошадью мощность, то бишь одна лошадиная сила, составляет 33 тыс. футов в мин. Эта мера используется в некоторых мировых государствах, но если говорить о Европе, то большее распространение там получила еще одна единица измерения мощности, именуемая ваттами. Ученые даже вывели формулу, и в соответствии с ней 1 л.с. = 736 Вт. Говоря иными словами, 1 кВт, равный 1 тыс. ваттам, соответствует 1 л.с., которая была умножена на 1,36.
Мощность двигателя, как измеряют:
Говоря о понятии «мощность двигателя», важно отметить, что для него существуют не только различные единицы измерения, но и разные их способы, причем, каждый из этих способов измерения демонстрирует другой результат.
ВАЖНО:
Стандартным способом измерения считается тот, который использует киловатты, он применяется в большинстве европейских стран. А вот когда мощность силовой установки дана в лошадиных силах, способы измерения могут розниться в зависимости от того, о каком именно государстве идет речь.
Так, в Японии и Соединенных Штатах для этого привлекают две разновидности показателей:
Нетто. Подразумевается испытание мотора на стенде, причем, мотора, который оснащен всем, что необходимо для полноценной эксплуатации ТС – глушителем, вентилятором, генератором и т.д.
Брутто. Данным способом испытывают обычно силовые установки, которые не оснащены дополнительными агрегатами. Мощность брутто на 10-20 процентов превышает мощность нетто.
DIN. Этот способ расчета мощности был внедрен немецким институтом стандартизации специально для измерения показателей моторов с т.н. неотделимым оборудованием, которое присутствует в машине по умолчанию. В этом случае имеется в виду насос и вентилятор системы охлаждения, генератор без нагрузки, топливный и масляный насос.
Крутящий момент, его соотношение с мощностью
Обе упомянутых выше единицы измерения мощности (лошадиные силы и ватты, а для укрупнения показателей последней единицы принято использовать понятие киловатт) придумал Дж. Уатт, однако движет авто крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах. Почему не от мощности двигателя машины зависит ее способность к движению? Мощность и крутящий момент – тесно связанные между собой характеристики: мощность, измеряемая в ваттах, представляет собой пример умножения крутящего момента на 0,1047 и на число об./мин. Говоря иными словами, мощность показывает объем работы, выполняемой за указанный промежуток времени. Крутящий момент демонстрирует саму способность двигателя выполнять эту работу.
На практике от мощности напрямую зависят скоростные показатели транспортного средства: чем она выше, тем быстрее может двигаться автомобиль. Крутящий момент (его еще называют «момент силы») — показатель силы вращения коленвала и его способность оказывать сопротивление вращению. Высокий крутящий момент двигателя нагляднее всего в процессе разгона или при езде в тяжелых условиях, когда мотор выдерживает критические нагрузки. Еще одним важнейшим показателем, отображающим возможности двигателя, по праву считается диапазон оборотов, когда достигается наибольшая тяга. Также немаловажное значение имеет эластичность мотора, то есть его возможность развивать высокие обороты под большой нагрузкой. Имеется в виду соотношение между числом оборотов для наивысшей мощности и для достижения максимально возможного крутящего момента.
Это влияет на регулировку скорости движения посредством педалей акселератора и тормоза без использования КПП, а также возможность движения с маленькой скоростью на высших передачах. Так, например, благодаря хорошей эластичности двигателя машина на 5-й передаче ускорится с 75-80-ти км/час до 120-ти, и чем быстрее это произойдет, тем эластичнее силовая установка. Если будет стоять выбор между двумя моторами с аналогичным объемом и мощностью, то лучше тот, который эластичнее, ведь он экономичнее, тише в работе, отличается большей износостойкостью. Обороты силовой установки При указании технических характеристик ТС присутствует понятие не только крутящего момента, но и оборотов двигателя. Понять, как они связаны между собой, можно лишь разобравшись в самой природе ДВС, а он представляет собой агрегат, в котором химическая энергия сгорающего в рабочей зоне топлива превращается в механическую работу.
Так, из-за возгорания топливной смеси начинается перемещение поршня, влекущее за собой проворачивание коленвала. Получается, что происходящие поочередные циклы расширения и сжатия активируют механизм, а он обеспечивает преобразование движений поршня в обороты коленвала.
Это позволяет нам сделать вывод, что основные характеристики любого ТС – это крутящий момент и мощность двигателя плюс обороты, когда требуемые показатели достигаются. Само понятие обозначает число выполненных коленвалом оборотов в мин. Мощность и крутящий момент – переменные величины, непосредственное воздействие на которые оказывает как раз количество оборотов. Для расчета мощности специалисты пользуются обычными математическими вычислениями, в частности, существует формула крутящего момента через мощность, которая выглядит так:
Где М — крутящий момент;
n — частота вращения, измеряемая в оборотах в минуту;
w — угловая скорость вращения вала.
У многих людей возникает вполне логичный вопрос о том, зачем измерять мощность через обороты и крутящий момент. На самом деле это важно по ряду причин и во многих случаях, в частности составление графика крутящего момента двигателя — обязательная процедура в процессе разработки и сертификации каждой новой силовой установки. Полученные данные нужны для возможного дальнейшего совершенствования двигателя и достижения максимальных эксплуатационных характеристик.Благодаря периодическому проведению всех требуемых замеров и составлению графика можно оценить реальное техническое состояние мотора. Что важнее? Ключевым достижением или главной целью любого работающего мотора является тяга, для нее тепловая энергия и трансформируется в механическую. Высокие тяговые показатели больше присущи силовым агрегатам, работающим на дизтопливе, которые отличаются большим ходом поршня. Высокий крутящий момент в этом случае сводится на нет сравнительно небольшим максимально допустимым количеством оборотов – это специальное решение конструкторов с целью увеличения ресурса мотора. Для бензиновых же агрегатов характерно большее число оборотов, а также определенный крен к мощности, и обусловлено это легкостью деталей и низкой степенью сжатия. Справедливости ради следует отметить, что с каждым годом оба вида моторов (и на дизельном топливе, и на бензине) совершенствуются, поэтому они становятся ближе не только с конструктивной точки зрения, но и в плане показателей, а вот простейшее правило рычага все еще сохраняется: если больше сила, ниже скорость и меньше расстояние и наоборот. Однозначно никто не скажет, что важнее – мощность или крутящий момент, не существует, ведь оба показателя важны.
ВАЖНО:
Машины с высокой мощностью мотора способны развивать большую скорость, да и сам скоростной диапазон у них заметно выше, а вот авто с высоким крутящим моментом гораздо быстрее разгоняется до первой сотни.
Так как с ростом крутящего момента увеличивается мощность, то те силовые установки, обороты которых выше, обычно характеризуются и большим количеством «лошадок». Здесь целесообразно упомянуть понятие рабочего диапазона — расстояния, если можно так выразиться, между предельно высоким крутящим моментом и аналогичной мощностью, когда мотор работает наиболее эффективно и демонстрирует высокую производительность в сочетании с экономичным расходом топлива.
ПОДВОДЯ ИТОГИ
Подводя итоги, следует отметить, что и мощность двигателя, и крутящий момент неимоверно важны. Касаемо того, какую силовую установку предпочесть – более мощную или ту, у которой выше крутящий момент, то при сравнительно одинаковой мощности лучше взять мотор более «моментный». Это особенно актуально в машинах и с механической коробкой передач."
ОТСЕБЯТИНА
Для того чтобы понять до каких оборотов следует крутить мотор на своей машине надо масштабировать график крутящего момента и мощности в Нм и л.с.( или кВт не важно)
Пример такого графика, он уже почти полностью масштабирован по вертикальной оси:
Кривую мощности следует чуть-чуть приподнять и пересечение кривых мощности и момента произойдёт примерно на 4750 об/мин мотора.
Для этого мотора превышать эти обороты не имеет смысла, разгонные характеристики машины далее не улучшаются.
Для верхнего графика (турбодизель) после масштабирования получится около 3500 об/мин.
Ещё одно простое соотношение между крутящим моментом и мощностью двигателя:
Но это лишь поверхностное понимание их значения даёт.
Рассмотрим достаточно простую задачу:
Машина массой 1500 кг должна ускориться с 10 м/с(36 км/ч) до 20 м/с(72 км/ч) на 3-й передаче за 2 секунды.
Передаточное число 6,5; внешний радиус колёс 0,34 м. Какой мощностью и крутящим моментом должен обладать мотор для достижения таких результатов?
Потери мощности и момента не учитываются, разгон происходит в идеальных условиях.
Начнём с мощности.
При разгоне машины увеличивается её кинетическая энергия
А=1500(400-100)/2=225000 Дж ; N=А/t= 225/2=112,5 кВт=153 л.с.
Это минимальные требования
При разгоне с 20 м/с(72 км/ч) до 30 м/с(108 км/ч) за 2 секунды всё уже иначе
А=1500(900-400)/2=375000 Дж
Р=187,5 кВт=255 л.с.( 3628-5442 об/мин)
Передаточные числа КПП при этом не важны, главное чтобы мотор выдавал мощность на валу.
Крутящий момент и ускорение машины.
А вот здесь совсем не важно какой кинетической энергией машинка обладает, важна величина ускорения, масса машины, крутящий момент мотора, передаточное число КПП, внешний радиус колёс.
Ускорение: a=(V2-V1)/t=10/2=5 м/с2
Чтобы придать машине такое ускорение необходимо приложить силу:
F=m*a=1500*5=7500 Н
Момент на колёсах при этом составит: Мк=F*r=7500*0,34=2550 Нм
Крутящий момент мотора при этом будет в 6,5 раз меньше М=2550/6,5= 392 Нм
Условиям поставленной задачи будет соответствовать мотор выдающий не менее 153 л.с. и 392 Нм в диапазоне 1814-3628 об/мин
Таким образом мощность мотора должна увеличиваться для сохранения разгонных характеристик машины при увеличении скорости её движения.
При переключении передач и уменьшении передаточного числа КПП крутящий момент на колёсах снижается.
Что происходит при движении машины в горку. Крутящий момент, передаточные числа КПП.
График мощности и крутящего момента для мотора 18d. Это 2- х литровый дизельный двигатель:
Мотор 18d имеет особенность- у него на 10 л.с. приходится 24 Нм крутящего момента, это очень неплохо.
Разница с мотором 20d составляет 40 л.с. и 40 Нм.
Данные по мотору 18d сведены в таблицу:
В горку Аванта запросто гоняется с бензинками с 2-х литровыми турбомоторами до 200 л.с., без проблем уходит от них.
Рассматриваем движение в горку и сравниваем с Х2 20i 192 л.с. 280 Нм.
Для начала рисунок простецкий:
Машина движется в горку с углом А.
На неё действует сила тяжести Fт=m*g
Масса Х2 1540 кг, Fт=15103 H
Сила тяжести раскладывается на 2 силы:
Fн-действует по нормале к поверхности, она несколько менее чем при движении машины по горизонтальной поверхности,
Fн=Fт*cosA
Fз=Fт*sinA, это сила замедляющая движение машины.
Fк это сила придающая вращение колесам, она не может быть менее чем Fз
Подъём в горку 6 градусов, sin 6 гр=0,1045 Fз=1578 Н, Мк=536,6 Нм
Подъём в горку 12 градусов, sin 12 гр=0,2079 Fз=3139 Н, Мк=1068 Нм
Мк это момент колёс, Мк=Fк*r, где r-радиус колёс( в расчётах r=0,34 м)
Передаточные числа АКПП Asin-8, с их учётом на мотор приходится меньший крутящий момент(потери не учитываются):
Из таблицы понятно следующее:
Х2 с бензиновым мотором 280 Нм сможет осилить подъём в горку 12 градусов только на 4-й передаче, 5-я внатяг.
Горку 6 градусов должен осилить на любой передаче, но машинке не до гонялок.
Х2 с дизельными 2-х литровыми моторами смогут осилить подъём в горку 12 градусов на 6-й передаче, ну а 6 градусов на любой, ещё и ускориться смогут.
P.S. Если рассматривать "спортивное вождение", т.е. гонялки и рассматривать Х2 с двумя моторами 20d и 20i, примерно одной мощности, получается что для того чтобы догнать и опередить машину с дизельным двигателем бензинка должна двигаться на передаче КПП на 2 ступени меньшей чем машина с турбодизелем( для поддержания высокого крутящего момента на колёсах). Т.е. пулять бензином прямиком в выхлопную трубу. Спорт он такой-требует денег :-)
Бензиновый турбомотор 192 л.с. 280 Нм
Если масштабировать график мощности и крутящего момента бензинового мотора получится что кривые мощности и момента пересекутся примерно при 4700 об/мин коленвала. Т.е. оптимально в движении не превышать это значение.
Турбодизель 190 л.с. 400 Нм
Ссылка на мою статью на DRIVE2: https://www.drive2.ru/b/665567374715411065/
