К сожалению, в связи с тем, что при написании статей чаще используются понимания гуманитариев в области автомобилей, а не технарей, с понятиями крутящий
момент и мощность сложились настолько противоположные мнения – диву даёшься. Попробуем исправить эту ситуацию. В первую очередь необходимо выяснить, что такое крутящий момент, а что такое мощность, какой из этих показателей важнее, как они связаны?
Основные понятия крутящего момента двигателя
Разберись в значениях слов и ты избавишься от половины заблуждений.
Главная ошибка практических всех, пишущих на эту тему, — это непонимание, что такое момент, а что такое мощность. Математику легко понять, что такое дифференцирование функции в точке и на промежутке, он знает как они связаны, но что делать тем, кто учился давно, для кого предыдущее предложение звучит как на китайском языке?
Крутящий момент двигателя автомобиля – это моментальная характеристика, т.е. это точка на линии. Практически величина вне времени, за очень маленький временной интервал, стремящийся к нулю, т.е. момент.
А вот мощность двигателя – это характеристика за некоторый промежуток времени. Мощность — это какое количество работы может выполнить устройство за единицу времени, т.е. это отрезок линии. Сравнивать, например, силу качка, толкающего 150кг, с работой человека, загрузившего вагон в 40 тонн за смену, – по меньшей мере странно.
Мощность и крутящий момент – от чего зависит, что важнее, как они связаны?
Связь между мощностью и крутящим моментом в математическом виде такая:
Общая формула мощности:
Работа через силу и расстояние:
Опустим преобразования оборотов в расстояние и совмещение формул(тригонометрия повергнет нас в уныние). Упрощённо принимаем расстояние за обороты и коэффициент. И получаем связь с крутящим моментом:
надо отметить, что здесь мощность теоретическая, без потерь и на идеальном двигателе. Но всё несколько не так.
Графики характеристик – определяем зависимость от оборотов двигателя
Чтобы найти истину, для начала нужно обратиться к графикам. Толкования могут быть ложными, но факты не лгут, данные в виде линии расскажут заинтересованным почти всё. Возьмём совмещённые графики зависимости крутящего момента от оборотов и затрачиваемой мощности на данных оборотах и попробуем понять, что же они нам пытаются донести.
Это график сравнения двигателя работающего на бензине и природном газе. Почему линии не совпадают – это тема другой статьи (а также хороший пример для понимания того, почему всё же газ так интересен двигателестроителям).
На горизонтальной оси графика показаны обороты двигателя. На вертикальной оси – величины крутящего момента в Н*м и мощности в лошадиных силах, т.е. показана их зависимость от оборотов. Иногда применяют в подобных графиках дополнительную ось со значениями справа, это делают в тех случаях, если шаги сеток осей отличаются. Здесь же шаги совпадают, поэтому значения одинаковы, а единицы измерения разные.
График предполагает равномерное нажатие на педаль газа на всём диапазоне оборотов. Рассматриваем график поэтапно, как математики, от одного характера линии до другого. Первым делом рассматриваем мощность двигателя.
- График начинается практически с 1000 оборотов в минуту – это говорит нам, что холостой ход двигателя здесь не отображён.
- От 1100—1150 оборотов в минуту до 2250 об/мин мощность возрастает неравномерно.
- От 2250 до 2750 об/мин мощность возрастает резко – здесь начинает срабатывать конструкторская задумка, двигатель выходит на свой нормальный рабочий режим.
- От 2750 до 5700 об/мин мощность растёт плавно практически до своей максимальной точки. Т.е. продолжая давить на газ, мы раскручиваем двигатель до его максимальной мощности.
- От 5700 до 6750 об/мин идёт практически ровная площадка – т.е. сколько не дави на газ – приращения мощности уже нет, двигатель начинает работать сам на себя. Идёт его внутренняя деформация, работа уходит в тепло.
- От 6750 оборотов фактически двигатель начинает сам себя тормозить. Это связано с фазами газораспределения и прочими факторами. Двигатель стреляет, углы опережения зажигания временами становятся недействительными, возможны сбои из-за инерционных явлений как в железе, так и в гидравлике: зависания клапанов и прочее. Но тут часто срабатывает отсечка, заложенная в ЭБУ (электронный блок управления двигателем).
А теперь рассматриваем крутящий момент (КМ) поэтапно, с опорой на предыдущий список:
- Крутящий момент двигателя имеет определённую ненулевую величину, по другому быть не может, иначе как бы коленвал вращался. Тут на КМ очень влияют такие факторы, как параметры фаз газораспределения, наличие катализатора, настроенность впускного и выпускного коллектора.
- Нарастание КМ на этом этапе практически нет. Такое явление нежелательно и маловероятно, потому как это явно указывает на провалы в ускорении движения автомобиля. От этого стараются избавиться разными способами. Заметьте, что величина этого показателя может даже падать на этом участке. А это значит автомобиль будет как бы приседать, задыхаться при прохождении этого диапазона оборотов, вплоть до остановки двигателя, если он при этом нагружен. Потому и глохнет часто мощный двигатель при трогании с места у начинающих водителей.
- Самый интересный участок графика. Тут начинают работать разные расчётные значения, двигатель входит в промежуток наилучших способностей, область благоприятных оборотов. Поэтому идёт резкое нарастание КМ.
- Этот этап интересен тем, что приращение угла открытия дроссельной заслонки вызывает приращение мощности, но вызывает малое изменение крутящего момента. Хотя момент и не повышается непрерывно, как мощность на валу, но всё-таки проходит точку где вырабатывается максимальный крутящий момент
автомобиля, и плавно немного снижается к точке максимальной мощности двигателя. - и 6 этап – всё, показатель падает, т.к. начинают расти внутренние потери в двигателе.
Исходя из характера участков на графике можно сделать предположение, что, скорее всего, данные в нем использовались теоретические. Т.е., вероятно, это несколько вольная зарисовка от руки реальных данных.
Взглянем теперь на этот график:
А вот тут уже более реально выглядят линии, хотя все участки из предыдущего анализа найдутся и здесь. Ну и пример дополнительной оси справа здесь присутствует.
Какие интересные моменты видны на этих графиках?
- Обороты
двигателя, на которых максимальный крутящий момент и максимальная мощность, производимая им, не совпадают. - Крутящий момент на определённом промежутке меняется слабее, чем мощность, и характеры изменений разные.
- Существует участок, где возрастание крутящего момента в процентах происходит быстрее, чем возрастание мощности, т.е. равномерное изменение положения педали газа вызывает равномерное изменение мощности, но не равномерное изменение крутящего момента.
А теперь перейдём от рассмотрения графиков к определениям основных понятий.
Крутящий момент — это сила, которая производится на конце рычага, относительно оси вращения этого рычага. Иначе говоря, величина крутящего момента показывает сколько килограмм, закреплённых на конце, способен удержать рычаг. Если грубо: крутящий момент 100 Н*м означает, что если на конец рычага длинной 1 метр, находящийся параллельно к земле повесить груз массой 10 кг, рычаг не будет вращаться ни вверх ни вниз. Груз создаёт вращающий момент, а рычаг с его же помощью сопротивляется. Они друг друга уравновешивают.
В автомобилях эти показатели означают всё то же самое, но уже применительно к двигателю: 145 Нм двигателя – образно говоря, навесив на рычаг, закреплённому на валу двигателя, длинной 1 метр, груз массой 14,5кг мы его остановим.
Остановим – это громко сказано, т.к. мы говорим о моментальной характеристике, но вообще не учитываем ни мощность, ни обороты, ни инерционные моменты связанные с этим.
Но как так? Почему автомобиль тянет тонны груза? Десятки тонн? Ну автомобиль не всегда развивает такую тягу, ему достаточно преодолевать силу комплексную силу трения всей ходовой. Подшипников, шестерён, резины. Ну и немного иметь способность тянуть вертикально вверх, скажем для 40 тонного прицепа, 5-10 тонн. И тут вспомним Архимеда с его рычагами. Если мы укорачиваем рычаг например в 10 раз, то и груз надо повесить больше в 10 раз. Если рычаг будет длиной 1 см, то и груз будет уже для 100 Нм нужен 1000 кг. Коробка передач в автомобиле, редуктор – это тоже рычаги. Они уменьшают путь/обороты двигателя, увеличивая момент силы, приложенной к краю колёс. Т.е. коробка перемены передач — это рычаг с изменяемой длиной плеч. Она изменяет обороты на колесе изменяя при этом и момент силы.
На практике крутящий момент показывает как быстро вал двигателя автомобиля способен набрать обороты. А значит, как быстро способны, через редуктор, колёса набрать обороты, следовательно, какое придать ускорение автомобилю. Крутящий момент двигателя влияет на разгон автомобиля и позволяет делать более «длинные» КПП без ущерба для динамичности автомобиля. Ограничение сверху на крутящий момент – это сила сцепления колёс с асфальтом.
Чем чреваты неравномерности этого показателя, если смотреть по графикам? Неравномерности чреваты или провалами в ускорениях автомобиля, или, при отсутствии специальных средств типа антипробуксовки, потерей контакта между колесом и дорогой. Равномерность крутящего момента вне зависимости от мощности, ну или его достаточная пологость облегчает скоростное управление автомобиля. Такое свойство называется эластичностью двигателя.
Можно ли увеличить момент
От чего зависит величина крутящего момента? Вот тут очень широкий вопрос. Среди возможных факторов, влияющий на величину этого показателя:
- тип двигателя – с заслонкой или без (бензиновый двигатель, дизель – разные обороты на которых максимален крутящий момент). Да и вообще двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель (синхронные/асинхронные – также отличаются моменты на всём диапазоне оборотов. Тут, в зависимости от типа двигателя может ещё влиять тип управления: частотный или векторный);
- вид топлива: строго говоря крутящий момент создаётся только при рабочем ходе поршня в цилиндре. Природный газ, например, сгорает дольше, что увеличивает время приложения силы от поршня через шатун к коленвалу, хоть и даёт меньше энергии, поэтому на нём легче добиться хорошего момента на пониженных оборотах по отношению к бензину;
- углы опережения зажигания;
- фазы газораспределения;
- угол начала и конца приложения силы к коленвалу;
- способы форсировки и повышения литровой мощности;
- повышение КПД с помощью различных технологий из областей материаловедения и конструктивных особенностей распределения потребителей мощности как в двигателе, так и в автомобиле.
Можно перечислять долго, а если перечислять – то хотелось бы и пояснять – но это не есть задача этой статьи, хотя один момент мы упомянем.
Условие прочности при кручении вала кольцевого и круглого сечения
Если мы рассмотрим напряжения возникающие в валах кольцевого и круглого сечений, мы увидим, что наибольшие силы внутри материала возникают именно не поверхности вала, При этом вал круглого сечения имеет большую массу, большую инерцию, и, следовательно, плохо влияет на крутящий момент автомобиля, что увеличивает время разгона, ну и масса автомобиля возрастает, что также не способствует улучшению динамики разгона.
Поэтому валы передающие крутящий момент от коробки к колёсам (карданный вал, привода колёс), делают, где это оправдано, пустотелыми. Это также снижает подрессорную массу у валов независимой подвески. Хотя если у переднеприводной машины валы передающие момент к колёсам имеют разную длину – короткий делают обычно круглого сечения. Так проще.
Моменты для разных типов двигателей
Естественно,как мы упоминали выше, характер крутящего момента варьируется для разных типов двигателей, что обусловлено особенностями вообще и их принципом действия. Графики крутящего момента от оборотов дизельного двигателя будут не похожи на графики для бензинового, а электрический двигатель покажет третий вариант картины.
Дизельный двигатель
Основной отличительной характеристикой дизельного двигателя в сравнении с бензиновыми является именно более высокий показатель крутящего момента на меньших оборотах и малых мощностях.
Это обусловлено тем, что двигатели этого типа конструктивно отличаются от бензиновых – различная конфигурация объёма сгорания, более высокая степень сжатия, разное сгорание обеднённых топливо-воздушных смесей, бензина и солярки. А самое главное: дизель не имеет дроссельной заслонки, которая душит двигатель на малых углах её открытия. Отсутствие заслонки – это более равномерный КПД на всех режимах работы двигателя.
Дизели изначально не рассчитаны для эксплуатации на высоких оборотах. Им не надо поднимать частоты вращения, чтобы нивелировать малый зазор дроссельной заслонки. Как мы сказали у них её нет. Да и большая разница в оборотах на всём диапазоне вращений даёт большую разницу в степени и скорости сжатия и прогрева топливо-воздушной смеси, что непредсказуемо изменяет относительный момент детонации, который, в свою очередь, начинает сильно зависеть от качества форсунок.
Крутящий момент электрических двигателей
В отличие от ДВС, величина крутящего момента электродвигателя определяется поступающими токами возбуждения и зависит, в первую очередь, от скорости ротора, вращающегося в магнитном поле статора.
и из-за ограниченного КПД переключающих эти фазы транзисторов.
Мощность, как показатель максимальной силы двигателя
Что даёт мощность автомобилю? Она показывает, какую работу способен совершить автомобиль за единицу времени, т.е. какой груз переместить, например, за час.
Как связаны мощность и крутящий момент автомобиля? Чем больше мощность двигателя тем больше крутящий момент двигателя. Тем быстрее автомобиль может разогнаться, и тем больший груз сможет перевезти.
Но крутящий момент автомобиля можно поднять практически до бесконечности с помощью рычага/редуктора. И 1-ватный моторчик сможет двигать грузовик. Только вот хватит ли времени жизни водителя чтобы проехать 100 км – большой вопрос. Нельзя говорить, что лучше – размер бочки или её масса. Бочка может быть плоская и длинная, а может быть шар. Важна эффективность использования ресурса. Т.е. важно достичь теоретического предела крутящего момента для данной мощности, данных оборотов двигателя.
Надеюсь мы смогли донести неправильность противопоставления связанных величин мощности и крутящего момента и развеять туман над последним понятием.