Крутящий момент — откуда берется и что означает

В среде любителей авто очень часто возникают споры по поводу различных параметров двигателей, их мощности, объему, степени сжатия и крутящему моменту. Что же может представлять собой крутящий момент двигателя, и каким образом он взаимосвязан с таким параметром как мощность двигателя?

Не только интересно, но и полезно знать, как работают узлы автомобиля

Если вспомнить школьные уроки физики, то мощность двигателя определяет произведение силы на скорость для поступательного движения. При этом применялись определенные коэффициенты, в зависимости от того какие единицы использовались для измерения. Например, если тянуть груз, прилагая усилие в 12 кг со скоростью 1м/секунду, то мощность в данном случае будет составлять 12кгм/секунду и равняться 0,16 лошадиных силы.

Основное понятие

В Европе принято считать парижской лошадиной силой, которая равна 75 кгм/сек. В Англии и Америке все гораздо более запутанно фунтами и футами – там лошадиная сила равняется по европейским меркам 1,0139 л.с., что очень даже неплохо. При таких показателях двигатели, установленные на космических кораблях, развивают тягу до 100 тонн, при этом скорость составляет, 12 км/сек, а, следовательно, мощность такого двигателя будет равняться 16 миллионам лошадиных сил!

В том случае если мощность определяется производной крутящего момента, а он имеет смысл только во время вращения.

Расчет крутящего момента двигателя будет равняться произведению действующей силы на плечо.

Если к рычагу с размером плеча в 1 метр приложить усилие равное 10 кг перпендикулярное плечу, то создастся крутящий момент, который будет равен 10 килограммометрам или 98 Нм – кто к каким единицам измерения привык, на частоту вращающегося вала при вращательном движении. Остальное дело арифметики. Допустим если крутящий момент измерить на валу двигателя при 6000 оборотов в мин, и он будет составлять 10 кгм., то мощность такого двигателя составит 83,775 лошадиных силы или 61,6 кВт – еще одна единица измерения мощности, где 1 кВт равняется 1 европейской лошадиной силе по всему миру.

Крутящий момент на примере работы двигателя

Данная формула определения мощности двигателя применяется независимо от того какой это двигатель – электрический, газотурбинный или поршневой. Для арифметики это не имеет никакого значения. Крутящий момент будет равен F x R, где F – это момент силы, а R – крутящий момент.

Практическое применение

Так что же важнее для автомобилистов – мощность или крутящий момент? Очень часто от них можно слышать, что важнее тяговый момент, а мощность второстепенна.

Пример

Если, к примеру, взять небольшой малолитражный двигатель развивающий мощность 10 л.с. при 6000 об., то крутящий момент на маховике будет равен 11,7 Нм., или 1,2 кгм., Для того чтобы получить 100 Нм. достаточно поставить понижающий редуктор, имеющий передаточное число 8,55, и результат на выходном валу достигнут. Не стоит пока вспоминать о неизбежной потере мощности в редукторе. Хотя мощность если отнять потери останется неизменной. Есть желание получить 1000 Нм.? Используйте редуктор, имеющий передаточное число 85,5 – все дело заключается только в подборе шестеренчатых пар.

Однако следует учитывать, что при крутящем моменте 100 Нм на выходе из редуктора обороты снизятся и будут уже не 6000, а чуть более 700.

Это подтверждает одно из основных правил механики: выигрывая в силе, непременно проиграем в скорости.

Получить 1000 Нм можно и при 70 об. мин., но это будет слишком медленно.

А если сравнить?

Если автомобиль едет по ровной автостраде, имея постоянную скорость 100 км\ч, то тяга двигателя в местах непосредственного контакта ведущих колес с поверхностью дороги в результате будет покрывать силу сопротивления воздуха и качения шин.

В данном случае если учесть аэродинамику, вес и давление в шинах она, к примеру, составит 54 кг. По другому – крутящий момент при радиусе качения колес 265 мм. составит 140 Нм, с оборотами колес около 1000 в минуту и расходуемой мощности 1500 кгм/сек или 20 лошадиных сил. Учитывая потери в трансмиссии – от маховика и до места контакта колеса с поверхностью, для такого движения требуется мощность двигателя около 22.5 лошадиных сил.

У разных двигателей разные конструкторские решения, выбор за потребителями

А если необходимо поехать со скоростью 200 км\час? При увеличении скорости вдвое. Сил сопротивления возрастает в четыре раза – по квадрату. Другими словами это будет означать, что необходимая мощность увеличится в восемь раз – по кубу скорости (4х2). А значит, двигатель должен быть мощностью в 170-180 лошадиных сил на маховике.

Именно поэтому не каждый автомобиль способен развить скорость в 200 км/час. И это при равномерном движении.

В случае необходимости придания дополнительного ускорения или при движении на подъем, возникает потребность в дополнительной мощности.

Допустим, что те же 22,5 лошадиные силы со скоростью 100 км/час прибавить около 10 л.с для ускорения физического тела (ІІ закон Ньютона), то есть 50 л.с. естественно если последнее, то разгон будет более энергичным.

Как увеличить мощность двигателя

Из этого видно, что скорость автомобиля и его динамика напрямую зависят от мощности двигателя. Но как увеличить его мощность?

Если удерживать крутящий момент 11.7 Нм с высокой частотой вращения вала и довести его, допустим в том же малолитражном двигателе, до 12000 об.мин., то мощность двигателя увеличится в два раза и составит 20 лошадиных сил. В данном случае действует соотношение, P=1/716,2 M x n в котором мощность двигателя определяет значение – Р., при его n мин-1, и крутящем моменте двигателя – М (кгм) при неизменных оборотах, а значение 1/716,2 это всего лишь коэффициент размерности.

К большому сожалению, осуществить повышение частоту вращения вала поршневых двигателей не так просто. Все детали испытывают большие нагрузки, такие как сила инерции, трение.

Если раскрутить вал двигателя с 6000 об/мин до 12000 об/мин, то в данном случае силы инерции, нагружающие детали возрастут в четыре раза. В восьми цилиндровых двигателях Формулы 1, объемом всего 2,4 литра при достижении максимальной мощности на 19500 об. мин. силы инерции значительно превышают показатели 6000 об. мин. и вовсе не 3.25 раза. Данное значение необходимо умножить на него же (3,25х3,25 = 10,5). В результате сила инерции при таких оборотах увеличится в 10,5 раз.

Трение движущихся деталей нарастает еще стремительней ( используя те же значения от 6 тыс.об. до 19500 об. мин.) оно возрастет в 35 раз. Значительное уменьшение необходимого количества поступающей в цилиндры двигателя топливовоздушной смеси, непременно приводит к падению крутящего момента.

Для каждого двигателя есть своя точка указывающая момент перегиба на кривой мощности определяемая по частоте вращения коленчатого вала.

И после этой точки мощность уже не будет повышаться, а наоборот будет падать. Не говоря уже о такой опасности, как возможность перекручивания двигателя нарастающими силами инерции с последующим разрушением.

Моменты, влияющие на мощность двигателя

Можно пойти и по пути увеличения крутящего момента. Здесь главное обеспечить принудительную подачу воздуха или наддув. Если прокачивать через двигатель вдвое больше топливовоздушной смеси, то соответственно крутящий момент двигателя и мощность повысятся примерно в 2 раза при тех же оборотах. Но в таком случае значительно возрастают тепловые нагрузки, и появляются новые задачи, требующие решения.

Для того чтобы полностью понять что влияет на мощность двигателя можно произвести в качестве примера подсчет мощности четырехтактного двигателя с одним цилиндром. По исходным данным диаметр поршня составляет 80 мм, а ход поршня 100 мм. Обороты вала равны 3600 об/мин. Средний показатель индикаторного значения газов составляет 8 кг/см². Сила давления газов на поршень можно определить, если умножить значение площади днища поршня на величину индикаторного значения газов.

Расчет мощности

Днище поршня представлено в виде круга, с площадью равной постоянному значению – числу 3,14 (Пи) и помноженному на радиус в квадрате R2. В свою очередь радиус равен половине диаметра. В данном случае 40 мм. соответственно площадь днища поршня будет равняться примерно 50см². (3.14х4²=50,24). Давление газов давящих на поршень высчитывается следующим образом: 8 кг/см² х 50 см² = 400 кг. Отсюда следует, что работа сделанная поршнем за каждый свой цикл при ходе 100 мм, или 0,1 м. составит 400 кг х 0,1 м = 40 кгм. Вследствие, того что рабочий цикл четырехтактных двигателей совершается за два оборота вала, тот при частоте вращения 3600 об/мин количество циклов составит 3600: 2 = 1800 в минуту. В секунду это составит 1800: 60 = 30 полных циклов. Мощность двигателя будет равна 40кгм х 30 = 1200 кгм/сек или 1200: 75 = 16 лошадиных сил.

Очень мощный двигатель. А нужен ли?

Мощность, которая развивается за счет газов внутри двигателя, называется индикаторной мощностью и определяется по соответствующей диаграмме выдающей свои значения на специальный прибор – индикатор. Определенная часть такой мощности затрачивается на преодоление возникающего в двигателе трения деталей кривошипно-шатунного механизма.

Конструкторские особенности двигателя

В результате, мощность двигателя, развиваемая на валу, будет меньше индикаторной примерно на 20-30 процентов. При рассмотрении указанного случая эффективная мощность двигателя составит порядка 12-14 лошадиных сил. Из этого следует, что мощность напрямую зависит от диаметра поршня, величины его хода, средних значений давления индикаторных газов и оборотов коленчатого вала за единицу времени.

Мощность возрастает с увеличением оборотов вала двигателя лишь до определенных значений, которые зависят от конструкции двигателя.

Это можно объяснить тем, что в связи с увеличением оборотов значительно увеличиваются потери механического характера, такие как трение, уменьшение индикаторного давления газов, наполняемость цилиндров топливной смесью. Наполняемость смесью уменьшается за счет возрастающего сопротивления ее прохождения в клапанах и сокращения продолжительности открытия впускных клапанов.

В производстве крутящий момент двигателей определяется при помощи специальных стендов, на которых характеризуется работа двигателя за один крутящий момент. Зная эти значения можно достаточно легко определить полезную мощность двигателя. Значения числа оборотов вала соответствующие максимальному моменту и мощности двигателя не совпадают. В том случае если значения мощности развиваются при 2800-3600 об/мин, то максимальный крутящий момент двигателя, будет достигнут при 1400-2100 об/мин. В случае полного открытия заслонки происходит подача топливной смеси в наибольшем объеме в цилиндры и среднее давление индикаторных газов достигнет своих максимальных величин, обеспечивая наибольший крутящий момент.

Экономичность двигателей

Характеризуется в основном удельным расходом топлива, а именно его временными показателями на одну лошадиную силу эффективной мощности в определенном режиме работы двигателя. Если, например двигатель развивает полезную мощность в 50 л.с. а расход топлива составляет 11 кг за час. То удельный расход будет ссоставлять 11:50 = 0,22 кг/л.с.ч. Во многом экономичность ДВС зависит от его некоторых особенностей, например, от степени сжатия, режима работы, степени изношенности деталей поршневой группы. Большое значение имеют также тепловой режим, зажигание и дорожные условия.

Параметры эластичности двигателя

Если еще раз взглянуть на кривую крутящего момента, то можно увидеть что она дает основную характеристику двигателю – это его эластичность. В принципе у всех ДВС данная кривая не благоприятная – значительно хуже, чем у газотурбинных двигателей или электромоторов. Они дают наивысшие показатели крутящего момента при небольших оборотах, даже при остановке вала. Примерно как лошадь, приостановилась, напряглась и вытащила телегу. Так с автомобильным двигателем не получится. Он сразу заглохнет.

График крутящего момента обычного ДВС смещенный влево от 1000 об/мин, как правило, не рисуют, так как двигатель попросту не может работать на оборотах которые ниже оборотов холостого хода. В то время у электромотора эти показатели значительно выше, и при возрастании нагрузки электромотор теряя обороты, увеличивает крутящий момент, оказывая сопротивление до конца.

Так возникла идея создания гибридных двигателей, совмещающих в себе два элемента силовых агрегатов – внутреннего сгорания и электромотора.

В данном случае нагрузка распределяется в соответствии с возникшими потребностями. Электромотор принимает на себя нагрузку именно там, где возможности ДВС ограничены.

Выбирая мощность, задумайтесь: нужен ли дома гоночный автомобиль

Заключение!

Так что же все-таки является наиболее важным в двигателе – мощность или крутящий момент? Безусловно крутящий момент двигателя нужен в большом диапазоне оборотов вала. Даже при самой высокой частоте вращения, а это может означать только одно – важнее мощность.