Вращательный момент

Зависимости вращающего момента и мощности ДВС от частоты оборотов

В большинстве случаев зависимости величины крутящего момента и мощности двигателя от количества оборотов имеют такой вид, как на графике 1:

Из графика зависимости видно, что при малых оборотах крутящий момент небольшой, по мере их увеличения он достигает максимума 178 ньютон на метр при величине оборотов около 4500 в минуту, затем начинает падать. Вместе с тем мощность, пропорциональная произведению количества оборотов на крутящий момент до 5500 оборотов в минуту продолжает увеличиваться вплоть до 124 лошадиных сил, как на примере, затем после значительного уменьшения крутящего момента, также падает.

Физически это объяснить нетрудно. На малых оборотах в область сгорания в единицу времени поступает незначительное количество топливно-воздушной смеси, соответственно, сила, воздействующая на поршни, обеспечивающие крутящий момент, небольшие. При увеличении оборотов сгорание больше, крутящий момент увеличивается. Его уменьшение при дальнейшем увеличении оборотов связано с:

• увеличивающимися потерями мощности на трение механизмов двигателя;
• инерционными потерями;
• кислородным голоданием двигателя.

Современные двигатели с турбонаддувом обеспечивают поступление топливно-воздушной смеси в полном объеме и на малых оборотах, кроме этого имеют отлаженную систему электронного регулирования. За счет этого характеристика крутящего момента на различных оборотах более равномерная, как показано на графике 2:

Из графика видно, что высокий крутящий момент обеспечивается на низких оборотах вплоть до 2000 об./минуту и не сильно уменьшается до 5500 об./минуту.

Высокооборотные двигатели позволяют увеличить мощность за счет увеличения количества оборотов до 7.000 – 8.000 в минуту и более, как показано на графике 3:

Как видно из графиков, мощность двигателя является зависимой от крутящего момента и количества оборотов двигателя величиной. Приобретая автомобиль, желательно ознакомиться с динамическими характеристиками двигателя, зависимостью крутящего момента от величины оборотов.

Если вы желаете комфортно передвигаться в городском ритме движения, совершая уверенные обгоны и перестроения, лучше приобрести автомобиль с низкооборотным двигателем либо турбонаддувом. В том случае, если вы любитель погонять с ветерком на автобане, подходит вариант высокооборотного движка.

Видео — крутящий момент, мощность и обороты ДВС:

Как мощность двигателя и крутящий момент влияют на разгон автомобиля

Если перейти от теории к практике, большинству автолюбителей неважно, в чем измеряется крутящий момент и как он взаимосвязан с указанной мощностью. Более важной является информация о том, как эти характеристики влияют на удобство управления автомобилем и его производительность

Здесь также не все так просто, ведь сравнивать приходится не только заявленные технические характеристики, но также и многие другие параметры. Условия эксплуатации, максимальная нагрузка и другие важные критерии обычно не всегда соответствуют желаемым, поэтому в большинстве случаев приходится идти на компромисс и выбирать оптимальный вариант среди возможных.

Среди различных типов двигателей можно выделить многоцилиндровые, у которых крутящий момент достигается на минимальных оборотах. Также к ним относятся турбированные агрегаты и дизельные двигатели, особенно использующиеся для оснащения сельскохозяйственной техники. Здесь все просто: тяговая мощность предпочтительней, нежели высокая скорость, поэтому большинство тракторов и комбайнов способны провоцировать возникновение крутящего момента уже при 1000 об/мин.

Что касается легковых автомобилей, здесь в лидеры выбиваются именно дизельные двигатели. Выбирая себя подходящую модель, следует учитывать, что мощность двигателя фиксируется на максимальных оборотах, а вот скорость, при которой эта мощность будет достигнута, определяется именно крутящим моментом.

Подытожив, можно выделить несколько ключевых моментов:

• Оценивая эксплуатационные характеристики авто и сравнивая с техническими показателями, величина крутящего момента является более важным критерием выбора, нежели мощность двигателя.
• В процессе эксплуатации авто для достижения оптимальных показателей тяговой силы и скорости разгона, необходимо поддерживать режим вращения коленвала именно в тех значениях, когда величина крутящего момента достигает пика.
• Силовые агрегаты с приблизительно одинаковыми рабочими и техническими характеристиками, предпочтение стоит отдать тем моделям, где крутящий момент будет выше.
• Крутящий момент, который двигатель приобретает на более низких оборотах, позволяет успешней ускорять авто и обеспечивает большую производительность механизма.
• Максимальная скорость автомобиля напрямую зависит от мощности двигателя, причем крутящий момент на это практически не влияет.

Обычно споры вокруг мощности и крутящего момента двигателя возникают нечасто. Мы привыкли оперировать другими показателями, представляющими модель в самом выгодном свете. Такая маркетинговая хитрость позволяет позабыть, что мощность и крутящий момент двигателя — понятия взаимосвязанные и зачастую противоречивые. Более точное определение этих параметров, а также основные отличия и взаимосвязь рассмотрены в приведенной информации.

Как увеличить крутящий момент

Увеличение рабочего объема. Чтобы повышать КМ используются разные методы: замена установленного коленвала на вал с увеличенным эксцентриситетом (редко встречающаяся запчасть, которую трудно находить) или расточка цилиндров под больший диаметр поршней. Оба способа имеют свои плюсы и минусы. Первый требует много времени на подбор деталей и снижает долговечность двигателя. Второй, увеличение диаметра цилиндров с помощью расточки, более популярен. Это может сделать практически любой автосервис. Там же можно настроить карбюратор для повышения КМ.

Изменение величины наддува. Турбированные двигатели позволяют достичь более высокого показателя КМ благодаря особенностям конструкции – возможности отключить ограничения в блоке управления компрессором, который отвечает за наддув. Манипуляции с блоком позволят повысить объем давления выше максимума, указанного производителем при сборке автомобиля. Способ можно назвать опасным, поскольку у каждого двигателя есть лимитированный запас нагрузок. Кроме того, часто требуются дополнительные усовершенствования: увеличение камеры сгорания, приведение охлаждения в соответствие повышенной мощности. Иногда требуется отрегулировать впускной клапан, иногда – сменить распредвал. Может потребоваться замена чугунного коленвала на стальной, замена поршней.

Изменение газодинамики. Редко используемый вариант, поскольку двигатель – сложная конструкция, созданием которого занимаются профессионалы. Теоретически можно придумать, как убрать ограничения, заложенные конструкторами для увеличения срока эксплуатации двигателя и его деталей. Но на практике, если убрать ограничитель, результат не гарантирован, поскольку поменяются все характеристики: например, динамика вырастет, но шина не будет цепляться за дорогу. Чтобы усовершенствовать двигатель такие образом надо быть не просто автомобильным конструктором, но и математиком, физиком и т.д.

Значение крутящего момента

Крутящий момент (также называемый моментом — в основном инженерами) рассчитывается путем умножения силы и расстояния. Единицы измерения крутящего момента в СИ — ньютон-метры или Н * м (даже если эти единицы такие же, как в Джоулях, крутящий момент не является работой или энергией, поэтому должен быть просто ньютон-метром).

В расчетах крутящий момент представлен греческой буквой тау: τ .

Крутящий момент является векторной величиной, то есть имеет направление и величину. Это, честно говоря, одна из самых сложных частей работы с крутящим моментом, потому что он рассчитывается с использованием векторного произведения, что означает, что вы должны применять правило правой руки. В этом случае возьмите правую руку и согните пальцы в направлении вращения, вызванном силой. Большой палец правой руки теперь указывает в направлении вектора крутящего момента. (Иногда это может показаться немного глупым, когда вы держите руку и пантомимизируете, чтобы выяснить результат математического уравнения, но это лучший способ визуализировать направление вектора.)

Формула вектора, которая дает вектор крутящего момента τ является:

Простым языком о крутящем моменте

Если внимательно изучить основные характеристики двигателя авто, то можно столкнуться со следующими понятиями:

• уровень мощности мотора машины, который измеряется в лошадиных силах;
• крутящий момент мотора машины (измеряется в ньютонометрах);
• число оборотов, которые мотор машины делает в течение одной минуты.

Подавляющее большинство людей, которые видят значение в 100 или же в 200 л.с. считают, что это хорошо. И, по большому счету, это действительно так. 100 л.с. или же лошадиных сил являются очень хорошими показателями для городских кроссоверов, которые отличаются компактными размерами, или же для мощных хэтчбеков.

Однако такие характеристики как крутящий момент, число оборотов, которые мотор делает в течение одной минуты, являются не менее важными характеристиками мотора. Потому как уровень мощности в 200 л.с. может быть достигнут, только когда мотор автотранспортного средства работает на пределе. От крутящего момента и будет зависеть быстрота разгона транспортного средства.

Допустим, что вы едете на своей машине по автомобильной трассе на большой скорости, включив четвертую или же пятую передачу. Если вдруг дорога станет подниматься, то уровень мощности мотора вашего транспортного средства может просто оказаться недостаточно.

По этой причине вам придется переходить на низкие передачи, уровень мощности мотора, соответственно, от этого будет увеличиваться. Крутящий же момент обеспечивает увеличение уровня мощности мотора автотранспортного средства, помогая активизировать все его силы на то, чтобы преодолеть препятствие.

Это будет зависеть главным образом от конкретной марки транспортного средства. Что касается двигателей дизельного типа, то у них максимальный крутящий момент в подавляющем большинстве случаев наблюдается на трех-четырех тысячах оборотов в течение одной минуты.

Соответственно, у них гораздо лучше динамика разгона. Тем не менее, в плане максимального уровня мощности они очень сильного проигрывают двигателям, которые работают на бензине.

Ну и для того, чтобы читателям было совсем понятно, что представляет собой крутящий момент, расскажем о единицах, в которых он измеряется. Это метры и ньютоны. Это та сила, с которой мощность поступает от поршня на маховик через коленвал. И уже от него на трансмиссию (коробку передач). От скорости движения поршня будет непосредственным образом зависеть скорость движения маховика.

Хотя существуют и такие автотранспортные средства, мотор которых вырабатывает тягу даже при низких оборотах. К таким в частности, можно отнести различного рода трактора, самосвалы, а также внедорожники.

От чего зависит крутящий момент мотора автотранспортного средства

Само собой разумеется, что самые мощные моторы транспортных средств обладают достаточно крупными размерами. Соответственно, если ваше транспортное средство – это малолитражка или же компактный хэтчбек, то у вас не получится ни резко разогнаться, ни «стартануть» с места.

Исходя из этого, на малолитражках двигатель используется только лишь на половину своей максимальной мощности. В то время как мощные транспортные средства способны разгоняться практически с места. При этом отсутствует необходимость в быстром переключении передач.

Еще одним важным параметром, который оказывает самое непосредственное влияние на крутящий момент мотора автотранспортного средства, является его эластичность. Этот параметр показывает соотношение числа оборотов, которое делает мотор в течение одной минуты, и уровня мощности.

Даже на низкой передаче авто может ехать с достаточно высокой скоростью при двигателе, работающем на полную мощность. Это является особенно актуальным при езде по городским улицам, потому как там водителям приходится постоянно притормаживать, разгоняться, а потом снова притормаживать.

При езде по автомобильной трассе это тоже очень выгодно, потому как можно разогнать двигатель транспортного средства до необходимого количества оборотов всего одним нажатием на педаль.

Вплоскости xoz действуют силы:

плоскости
YOZ :

Направление
равнодействующих силF_Х1,
F_Y1
и сил F_Х2
, F_Y2
должно учитываться на расчетных схемах
(рис. 1,а
 и 1,б).

4.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ ОПОР В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ

И ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЯХ

Определение
реакций опор производится по формулам
теоретической механики с использованием
уравнений равновесия статики.

В
горизонтальной плоскости
XOZ:М_АХ = 0;

М_BХ= 0;

Производится
проверка правильности определения
реакции:

Аналогично
определяются реакции опор в вертикальной
плоскости:

5.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ  М_Х
В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И  М_Y
В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТЯХ, СУММАРНОГО,
КРУТЯЩЕГО И ЭКВИВАЛЕНТНОГО МОМЕНТОВ

Определение
величин
М_Х
и
М_Yв
различных сечениях по длине вала
производится по формулам сопротивления
материалов. Необходимо вычислить
величины изгибающих моментов в сечениях
вала, проходящих через середины колес
и опор (рис. 1)

Суммарный
изгибающий момент вi–м
сеченииМ_i,
Нм:

Эквивалентный
моментМ_экв,
Нм
4:

где
Т –вращающий момент, см. формулу (1), Нм;

К
– коэффициент, учитывающий разницу в
характере нагружения вала моментами М
и Т; для реверсивных передач К = 1,
нереверсивных – К = 0,6 1
.

Рис.
1. Составление расчётных схем

6.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ВАЛА, НАЗНАЧЕНИЕ
ТЕРМООБРАБОТКИ,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИЗГИБА

Основными
материалами для валов служат углеродистые
и легированные стали (табл. 1). Для
большинства валов применяют термически
обрабатываемые среднеуглеродистые и
легированные стали 20,30,45, 40Х подвергая
их нормализации или улучшению.
Тяжелонагруженные валы машин изготавливают
из легированных сталей 40Х, 40ХН, 20Х,12ХНЗА
и др., подвергнутых улучшению или закалке
ТВЧ.

При
предварительном определении размеров
вала величина допускаемых напряжений
изгиба _и,
МПа, может быть приближенно рассчитана
по формуле:

где
_-1
– предел выносливости при симметричном
цикле, МПа (табл.1);

S_R = 1,6…2
– запас прочности по усталостному
разрушению;

К_D = 2,8…3,5
– коэффициент, учитывающий конфигурацию,
размеры и шероховатость поверхности
вала.

Таблица
1

Механические
характеристики сталей, МПа 3

Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.

Постоянный вращающий момент

Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.

Переменный вращающий момент и мощность

«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.

Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.

Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.

Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.

Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.

В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.

Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.

Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.

На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.

Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:

Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.

В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.

Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.

Крутящий момент и лошадиная сила

Автолюбители нередко дискутируют друг с другом: чей двигатель мощнее. Но иногда и не представляют при этом, из чего складывается данный параметр. Общепринятый термин «лошадиная сила» был введён изобретателем Джеймсом Уаттом в XVIII веке.  Он придумал его, наблюдая за лошадью, которая была запряжена в поднимающий уголь из шахты механизм. Он рассчитал, что одна лошадь за минуту может поднять 150 кг угля на высоту 30-ти метров. Одна лошадиная сила эквивалентна 735,5 Ватт, или 1 кВт равен 1,36 л.с.

В первую очередь, мощность любого мотора оценивают в лошадиных силах, и лишь потом вспоминают о крутящем моменте. Но эта тяговая характеристика тоже даёт представление о конкретных тягово-динамических возможностях автомобиля. Крутящий момент является показателем работы силового агрегата, а мощность – основным параметром выполнения этой работы. Эти показатели тесно связаны друг с другом. Чем больше производится двигателем лошадиных сил, тем больше и потенциал крутящего момента. Реализуется этот потенциал в реальных условиях через трансмиссию и полуоси машины. Соединение этих элементов вместе и определяет, как именно мощность может переходить в крутящий момент.

Простейший пример – сравнение трактора с гоночной машиной. У гоночного болида лошадиных сил много, но крутящий момент требуется для увеличения скорости через редуктор. Чтобы такая машина двигалась вперёд, надо совсем немного работы, потому что основная часть мощности используется для развития скорости.

Что касается трактора, то у него может быть мотор с таким же рабочим объёмом, который вырабатывает столько же лошадиных сил. Но мощность в этом случае используется не для развития скорости, а для выработки тяги (См. тяговый класс). Для этого она пропускается через многоступенчатую трансмиссию. Поэтому трактор не развивает высоких скоростей, зато он может буксировать большие грузы, пахать и культивировать землю, и т.д.

В двигателях внутреннего сгорания сила передаётся от газов сгорающего топлива поршню, от поршня – передаётся на кривошипный механизм, и далее на коленчатый вал. А коленвал, через трансмиссию и приводы, раскручивает колёса.

Естественно, крутящий момент двигателя не постоянен. Он сильней, когда на плечо действует бо́льшая сила, и слабей – когда сила слабнет или перестаёт действовать. То есть, когда водитель давит на педаль газа, то сила, воздействующая на плечо, повышается, и, соответственно увеличивается крутящий момент двигателя.

Мощность обеспечивает преодоление всевозможных сил, которые мешают двигаться автомобилю. Это и сила трения в двигателе, трансмиссии и в приводах автомобиля, и аэродинамические силы, и силы качения колёс и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление сил машина сможет преодолеть и развить большую скорость. Однако мощность – сила не постоянная, а зависящая от оборотов мотора. На холостом ходу мощность одна, а на максимальных оборотах – совершенно другая. Многими автопроизводителями указывается, при каких оборотах достигается максимально возможная мощность автомобиля.

Необходимо учитывать, что максимальная мощность не развивается сразу. Автомобиль стартует с места практически при минимальных оборотах (немного выше холостого хода), и для того, чтобы отмобилизировать полную мощность, требуется время. Тут и вступает в дело крутящий момент двигателя. Именно от него и будет зависеть, за какой отрезок времени автомашина достигнет своей максимальной мощности – то есть, динамика её разгона.

Зачастую водитель сталкивается с такими ситуациями, когда требуется придать автомобилю значительное ускорение для выполнения необходимого маневра. Прижимая педаль акселератора в пол, он чувствует, что автомобиль ускоряется слабо. Для быстрого ускорения нужен мощный крутящий момент. Именно он и характеризует приёмистость автомобиля.

Основную силу в двигателе внутреннего сгорания вырабатывает камера сгорания, в которой воспламеняется топливно-воздушная смесь. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, а через него – коленчатый вал. Рычагом является длина кривошипа, то есть, если длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличится.

Однако увеличивать кривошипный рычаг до бесконечности невозможно. Ведь тогда придётся увеличивать рабочий ход поршня, а вместе с ним и размеры двигателя. При этом уменьшатся и обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма можно применить только лишь в крупномерных плавательных средствах. А в легковых автомашинах с небольшими размерами коленчатого вала не поэкспериментируешь.