Что такое крутящий момент двигателя простым языком

Что такое крутящий момент и почему он важен (объяснение для неспециалиста)

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.

Читайте также:  Давление горения дизельного двигателя

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.

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)

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.

Источник

Крутящий момент двигателя: что это такое

Даже тем людям, которые не очень интересуются автомобилями, у которых их никогда не было и которые не намереваются становиться их владельцами, отлично известно, что одной из основных характеристик этих транспортных средств является мощность двигателя. Ее принято измерять в лошадиных силах (несколько реже используют более «правильную» с технической точки зрения величину — киловатт), причем вполне справедливо считается, что чем выше значение этого показателя — тем лучше.

С другой стороны такая важная характеристика как крутящий момент двигателя часто остается неизвестной даже некоторым автолюбителям. И это при том, что она является, на самом деле, ничуть не менее значимой характеристикой двигателя, чем его мощность и обороты, с которыми, кстати, находится в весьма тесной и даже неразрывной взаимосвязи.

В данной статье мы попробуем объяснить, что такое крутящий момент двигателя, чем он отличается от мощности, от чего зависит и на что влияет.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами

Крутящий момент и мощность двигателей ВАЗ. Как видно из графиков, максимальная мощность достигается только на максимальных оборотах, тогда как пик крутящего момента находится между 3000 и 4500 оборотов.

Чтобы ответить на этот вопрос простыми словами нужно сначала выяснить, что подразумевается под терминами «мощность», «крутящий момент», а также число оборотов. С первой из этих характеристик дело обстоит несколько проще, поскольку всем тем, кто хорошо учился в средней школе, известно, что мощность — это работа, производимая в единицу времени.

Двигатель внутреннего сгорания, потребляя топливо, преобразовывает тепловую энергию его сгорания в кинетическую, совершая при этом работу. Она заключается во вращении коленчатого вала, и этот показатель измеряется в количестве оборотов в минуту. Соответственно, от частоты, с которой в цилиндрах ДВС происходит сгорание топливной смеси, напрямую зависит и работа, которую производит двигатель, и его мощность. Зависимость эта — прямо пропорциональная.

Что же касается крутящего момента, то с ним отнюдь не все так очевидно, как с мощностью и количеством оборотов. Он является, по сути дела, величиной, производной от них и представляет собой произведение силы на плечо рычага. Поскольку сила (в данном случае та, которая возникает при сгорании топлива и воздействует на поршень) измеряется в физике в ньютонах, а длина (в данном случае — длина плеча кривошипа коленчатого вала) — в метрах, то единицей измерения крутящего момента, является Нм.

Таким образом, получается, что крутящий момент представляет собой усилие, которое развивает двигатель. Именно его значение определяет силу тяги, обеспечивающую разгон автомобиля и его движение. Следовательно, чем больше крутящий момент, тем автомобиль «резвее», что есть тем лучше его динамика. Поскольку сила, воздействующая на поршень при сгорании топлива, растет с увеличением рабочего объема двигателя, то чем он больше, тем выше крутящий момент.

Читайте также:  Сколько заливать масла в двигатель мотоблока форте

Следует заметить, что в характеристиках двигателей внутреннего сгорания всегда указывается максимальная мощность, которую они способны развить. Крутящий момент определяет, как быстро она достигается, и поэтому он указывается для конкретного числа оборотов. Иными словами, он определяет, как быстро силовой агрегат «выбирает» тот потенциал мощности, который в нем заложен конструкторами. Именно поэтому, к примеру, при достаточно спокойной езде на невысоких оборотах (до 2500 об/мин) для быстрого ускорения самым предпочтительным двигателем является тот, который имеет максимальный крутящий момент именно на них.

От чего зависит величина крутящего момента двигателя

Крутящий момент двигателя зависит от целого ряда показателей, среди которых основными являются следующие:

  • Рабочий объем двигателя;
  • Рабочее давление, создаваемое в цилиндрах;
  • Площадь поршня;
  • Радиус кривошипа коленчатого вала.

С таким показателем, как рабочий объем двигателя, его крутящий момент, как уже было отмечено выше, при прочих равных связан прямо пропорциональной зависимостью. Это объясняется чисто математически: с ростом рабочего объема растет сила, воздействующая на поршень, и, соответственно, значение крутящего момента.

Такая же зависимость наблюдается и относительно такого фактора, как радиус кривошипа коленчатого вала. Правда, конструктивно современные двигатели внутреннего сгорания устроены таким образом, что значение этой величины можно варьировать только в весьма ограниченных пределах, так что возможности для увеличения крутящего момента за счет этого показателя у разработчиков ДВС относительно невелики.

В прямо пропорциональной зависимости величина крутящего момента двигателя находится и по отношению к рабочему давлению, создаваемому в камере сгорания. Это тоже вполне логично, поскольку чем оно больше, тем больше сила, которая давит на поршень. От его площади же величина крутящего момента зависит обратно пропорционально, поскольку с ее ростом удельное давление падает и сила, соответственно, уменьшается.

Читайте также: Роторный двигатель : принцип работы и устройство.

На что влияет крутящий момент двигателя

Если производить аналогию с человеческим организмом, то можно условно определить, что крутящий момент — это аналог силы, а мощность — это аналог выносливости. Именно от мощности двигателя внутреннего сгорания в конечном итоге зависит то, какую максимальную скорость может развить автомобиль, а от крутящего момента — то, как быстро сможет он это сделать. Именно поэтому далеко не все мощные автомобили имеют хорошую динамику разгона, и далеко не все, у которых она находится на высоком уровне, располагают очень мощными моторами.

Опытные автомобилисты отлично знают, что лучше всего выбирать для себя автомобиль с таким двигателем, показатель крутящего момента которого при работе на тех оборотах, на которых он обычно функционирует, является наилучшим. Дело в том, что это позволяет им использовать потенциал мощности ДВС в максимальной степени.

Следует заметить, что производители двигателей внутреннего сгорания всячески стремятся увеличить их крутящие моменты, причем во всем диапазоне работы моторов. Чаще всего пытаются достичь этого (и, кстати говоря, достаточно успешно) с помощью турбонаддува, управляемых фаз газораспределения (это оптимизирует процесс сгорания топливной смеси), повышения степени сжатия, использованием особых конструкций впускного коллектора и целым рядом других способов.

Читайте также: Чем отличается задний привод от переднего.

Источник

Крутящий момент двигателя: что это такое

Далеко не все характеристики автомобиля понятны с первого прочтения. Многим всё ясно с мощностью, максимальной скоростью, временем разгона и объёмом багажника. Но не каждый способен объяснить что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами. В лучшем случае подсмотреть в поисковике, но там тоже многое покажется непонятным. А момент указывается при любом описании или тестировании автомобиля всё более упорно, да ещё и с выраженным акцентом. Надо разобраться.

Популярная механика на коленчатом валу

Вращающийся вал любого двигателя с большой силой сопротивляется попыткам его затормозить. Точно так же, как и сам автомобиль противостоит встречному ветру и трению качения колёс. Но при линейном движении физика понятней, сила сопротивления приложена в обратном направлении толкающей силе, всё это вполне однозначно можно измерить.

При вращательном движении сила зависит от точки вдоль радиуса, к которой прикладывается сопротивление вращению. Чем эта точка дальше от центра, тем меньшее усилие потребуется, очень похоже на правило рычага, которое известно гораздо большему кругу не очень хорошо помнящих физику людей. То есть для точной характеристики способностей двигателя преодолевать нагрузку надо учесть и радиус.

Для этого и придумано понятие крутящего момента (КМ) — это сила, умноженная на расстояние от оси вращения, ну или плечо рычага, если так понятнее. Чем больше сила и чем длиннее рычаг (радиус маховика или колеса), тем крутящий момент больше. Измеряется он, соответственно, в Ньютон-метрах, где Ньютон — стандартная единица измерения силы, ну а что такое метр вряд ли стоит объяснять.

Чем создаётся момент в поршневом ДВС и как его повышают

Если представить себе поршень, соединённый с шейкой коленвала через шатун, то становится понятно, что КМ однозначно определяется давлением на поршень. Отсюда и несколько выводов:

  • чем больше площадь днища поршня и давление газов над ним, тем выше крутящий момент, значит надо увеличивать наполнение цилиндра полезной смесью или рабочий объём двигателя;
  • если смесь сильнее сжимается, то и давление будет больше, отсюда преимущество имеют моторы с высокой степенью сжатия;
  • объективными пределами для бесконечного роста момента станут прочность деталей и особенности горения, над этим и работают автомобильные инженеры.
Читайте также:  Как запустить асинхронный двигатель с фазным ротором

Естественно, поршневыми моторами создатели автомобилей не ограничиваются, но у пока единственного реального конкурента ДВС — электромотора проблема момента так остро не стоит, если его и указывают, то разве что в рекламных целях. Но в любом случае надо выяснить, на что влияет крутящий момент двигателя, и почему ему уделяется столько внимания. Не инженерами, для них он реально очень важен, а миром потребителей автомобилей.

Что интересует разных водителей

Каждый, кто оказывается за рулём, со временем начинает желать, чтобы автомобиль резво реагировал на нажатие педали акселератора в любой ситуации, не требуя дополнительных действий. Но возможности моторов ограничены, для хорошей отдачи им надо развить достаточное количество оборотов, как принято называть частоту вращения коленчатого вала. Только так можно зарядить цилиндры нужным количеством рабочей смеси.

Для раскрутки моторов на любой скорости существует трансмиссия. Находящаяся в её составе коробка передач может менять своё передаточное число, вручную или автоматически, позволяя двигателю работать на больших оборотах, а значит и со значительным моментом, даже на малых скоростях, например, при подъёме гружёного автомобиля в гору. Происходит это потому, что крутящий момент водителю нужен не на валу двигателя, а на ведущих колёсах.

Законы техники утверждают, что при повышении передаточного числа скорость падает, а КМ увеличивается. Причём пропорционально, фактически он умножается на величину общего передаточного числа от двигателя к колёсам. И уже именно там он ощущается водителем как сила, толкающая машину вперёд.

Момент и мощность

Возникает вопрос — если КМ так легко увеличить в разы, то что ограничивает его рост? Ответ даёт та же физика. Как бы не переключалась трансмиссия, есть основная характеристика двигателя, которую изменить она не в состоянии — это мощность.

Мощность двигателя простыми словами равна произведению момента на скорость вращения. То есть выигрывая в скорости, проигрываем в моменте и наоборот. Более того, это является основой для парадоксального многим заключения — значение момента вообще не должно интересовать водителя. Можно ведь просто раскрутить двигатель при увеличенном передаточном числе, сила на колёсах будет той же.

Так в чём же польза от большого крутящего момента

Можно сказать, что она в факторах второго порядка, не влияющих прямо на интенсивность разгона, которая объективно нужна в первую очередь. Ну или на способность преодолевать подъёмы и сложные участки дороги.

Далеко не всем водителям нравится, когда двигатель работает на высоких оборотах. Они бы предпочли так называемую «тракторную» тягу на низких. Это субъективно, но очень многим нравится и формирует ложное впечатление, что такие моторы более динамичны. Хотя обычно всё наоборот, достаточно понаблюдать за автогонками.

И второй фактор — у мощных форсированных двигателей максимальный КМ достигается в относительно узком диапазоне оборотов, близком к максимальной мощности. Ниже его угнетающе мало. Хотелось бы более равномерного распределения крутящего момента по оборотам. Это пришло с тех времён, когда приходилось вручную работать механической коробкой передач, да ещё и с небольшим количеством ступеней. Сейчас коробки в большинстве автоматические, часто вообще бесступенчатые (вариаторы), но привычка осталась.

Как это решается в современных автомобилях, и почему производители всё упрощают

Хороший двигатель сейчас немыслим без турбонаддува. Не вдаваясь в описание этого устройства, можно сказать, что наполнение цилиндров легко обеспечивается почти при любых оборотах, начиная практически с холостых. Отсюда ровная «полка» крутящего момента, который достигает своей максимальной величины при 1500–2000 об/мин и не меняется до максимальных , у подобных двигателей значительно меньших, чем у старых «атмосферников».

Казалось бы, проблема решена, но нельзя же без рекламного эффекта. И производители начинают соревнование — кто большую величину момента укажет в характеристиках новой модели. Зачем это знать водителю — непонятно, всё равно автоматическая коробка передач выберет нужный момент на колёсах, который в несколько раз выше, создаваемого мотором, каким бы он ни был. А разгон автомобиля и прочие его способности определяются исключительно максимальной мощностью. Обороты, при которых она достигается, у гражданских автомобилей примерно одинаковые. То есть надо упоминать равномерность распределения момента по оборотам, чтобы под нагрузкой момент не падал даже без переключений, но нет, указывается только абстрактное число Ньютон-метров.

Нам мощность не надо, момента давайте!

К сожалению, борьбу за момент всячески поддерживают автожурналисты и блоггеры, с гордостью сообщая Ньютон-метры рядом с лошадиными силами. Явно в большинстве своём не понимая вообще, что это такое. Доходит даже до озвучивания принципиального преимущества дизельных двигателей в моменте. Забывая при этом, что у дизелей обычно значительно меньше обороты максимальной мощности и дело всё равно остаётся за коробкой передач.

Простой пример, уточняющий что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами — чтобы уравнять возможности двигателей с моментом, допустим, 300 и 400 Н*м, достаточно бесступенчатой коробке чуть сдвинуть управляющие конусы вариатора — и момент на колёсах станет одинаковым. А именно он и придаёт автомобилю тот самый уверенный разгон. Поэтому не стоит внимательно относиться к заявленным численным величинам крутящего момента двигателя, достаточно знать его мощность.

Источник

Adblock
detector