Рисунок 5 – Максимальное напряжение двигателя указано в технических характеристиках, предоставленных производителями. Связь между рабочим напряжением и крутящим моментом.
Крутящий момент двигателя- Что это и от чего зависит
В паспорте автомобиля указаны данные о максимальной мощности силового агрегата. Но там не всегда можно увидеть значение крутящего момента. Не все водители могут точно ответить, что означает крутящий момент. Чтобы объяснить физический смысл, нужно обратиться к учебникам школьной программы и вспомнить основное определение этого понятия. Крутящий момент двигателя представляет собой расчетную величину, показывающую максимальное значение усилия, передаваемого на коленчатый вал. Единицей измерения является Нм (ньютон-метр).
Узлы, системы, сложные механизмы, входящие в состав автомобиля, играют важную роль в правильном функционировании автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания имеет основную функцию: обеспечивать энергией движение каждого элемента.
При его работе в результате сгорания топлива сила действует на поршень, а затем на кривошипно-шатунный механизм – коленчатый вал. Затем с выходного вала силового агрегата мощность передается элементами трансмиссии на шасси. За счет передаваемого крутящего момента колеса автомобиля приводятся в движение. Нажатие на педаль газа усиливает воздействие на плечо, что приводит к увеличению этого параметра.
Благодаря стабильной работе двигателя внутреннего сгорания автомобиль может:
- Быстро набрать заданную скорость.
- Сменить тягу.
- Вождение в различных дорожных условиях.
Крутящий момент является определяющим параметром для оценки производительности двигателя. С помощью этого показателя можно узнать, с каким усилием вращается коленчатый вал. Крутящий момент двигателя измеряется в единицах ньютон-метров, рассчитывается методом умножения: усилие умножается на расстояние от коленчатого вала до места крепления поршня.
Мощность двигателя зависит от Мкр. Расчет мощности ведется по формуле: Р = Мкр х н.
От чего зависит крутящий момент двигателя
Для определения параметров двигателя на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации устанавливаются требуемые характеристики.
Момент двигателя, формула расчета: Мкр = F х L (F — усилие, L — длина плеча).
Чем лучше и полнее сгорают топливные смеси в цилиндрах, тем большее значение имеет сила F, ход поршня здесь выступает как длина плеча L.
От точности расчета Мкр зависят характеристики двигателя:
- Динамика разгона.
- Изменение тяги.
- Возможность эксплуатации автомобиля в стрессовых условиях.
тип двигателя (дизель или бензин):
Максимальный крутящий момент двигателя отмечен на представленном графике до того, как он начнет уменьшаться при соответствующей частоте вращения коленчатого вала. Замечено, что при достижении максимального значения Мкр последующее увеличение скорости не приводит к увеличению крутящего момента силового агрегата. На графике это выглядит как перевернутая парабола.
Ну лошадиные силы нужны для другого. Они выражают способность двигателя автомобиля сопротивляться ветровым и другим нагрузкам. Высокая мощность в основном отражается на максимальной скорости машины.
Что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами
Крутящий момент и мощность двигателей ВАЗ. Как видно из графиков, максимальная мощность достигается только при максимальных оборотах, а максимальный крутящий момент находится между 3000 и 4500 об/мин.
Чтобы ответить на этот вопрос простыми словами, сначала нужно выяснить, что означают термины «мощность», «крутящий момент», а также количество оборотов. Первая из этих характеристик несколько проще, поскольку каждый, кто хорошо учился в средней школе, знает, что мощность — это работа, совершаемая в единицу времени.
Двигатель внутреннего сгорания при потреблении топлива преобразует тепловую энергию его сгорания в кинетическую энергию, совершая при этом работу. Он заключается во вращении коленчатого вала, и измеряется этот показатель в оборотах в минуту. Следовательно, частота, с которой происходит сгорание топливной смеси в цилиндрах ДВС, непосредственно влияет на производимую двигателем работу и его мощность. Эта зависимость прямо пропорциональна.
Что касается крутящего момента, то тут все не так очевидно, как с мощностью и количеством оборотов. На самом деле это величина, производная от них и являющаяся произведением силы, действующей на плечо рычага. Поскольку сила (в данном случае та, что возникает при сгорании топлива и действует на поршень) измеряется в физике в ньютонах, а длина (в данном случае длина плеча кривошипа) измеряется в метрах, то крутящий момент единица Нм.
Таким образом, получается, что крутящий момент – это сила, которую развивает двигатель. Именно его величина определяет тяговое усилие, обеспечивающее ускорение автомобиля и его движение. Следовательно, чем выше крутящий момент, тем «быстрее» автомобиль, а значит, тем лучше его динамика. Поскольку сила, действующая на поршень при сгорании топлива, увеличивается с увеличением объема двигателя, то чем она больше, тем больше крутящий момент.
Следует отметить, что в характеристиках двигателей внутреннего сгорания всегда указывается максимальная мощность, которую они способны развивать. Крутящий момент определяет скорость его достижения и поэтому указывается для определенного числа оборотов. Другими словами, он определяет, насколько быстро силовой агрегат «выбирает» тот силовой потенциал, который заложили в него конструкторы. Именно поэтому, например, при достаточно спокойной езде на низких оборотах (до 2500 об/мин) для быстрых ускорений наиболее предпочтительным мотором является тот, у которого в них максимальный крутящий момент.
От чего зависит величина крутящего момента двигателя
Крутящий момент двигателя зависит от ряда показателей, среди которых основными являются следующие:
- Объем двигателя;
- Рабочее давление, создаваемое в цилиндрах;
- площадь поршня;
- Радиус коленчатого вала.
С таким показателем, как рабочий объем двигателя, его крутящий момент, как уже отмечалось выше, при прочих равных условиях прямо пропорционален. Объясняется это чисто математически: с увеличением рабочего объема увеличивается сила, действующая на поршень, а, следовательно, и величина крутящего момента.
Такая же зависимость наблюдается и в отношении такого фактора, как радиус коленчатого вала. Правда, конструктивно современные двигатели внутреннего сгорания устроены таким образом, что значение этой величины может варьироваться лишь в очень ограниченных пределах, так что у разработчиков ДВС относительно мало возможностей для увеличения крутящего момента за счет этого показателя.
Величина крутящего момента двигателя также прямо пропорциональна рабочему давлению, создаваемому в камере сгорания. Это тоже вполне логично, так как чем он больше, тем больше сила, которая давит на поршень. От его площади обратно пропорционально зависит величина крутящего момента, так как с его ростом удельное давление падает, а сила, соответственно, уменьшается.
Читайте также: Роторный двигатель: принцип работы и устройство.
Если вы строите автомобиль и хотите, чтобы он разгонялся быстрее, вам потребуется больший крутящий момент от двигателей: в автомобиле сила, которая толкает его вперед, равна (приблизительно) крутящему моменту двигателя, деленному на радиус колеса.
От чего зависит крутящий момент
- Мощность двигателя.
- Давление в цилиндрах.
- Площадь поршня.
- Радиус коленчатого вала.
Основная механика образования ЦМ заключается в том, что чем больше объем двигателя, тем больше будет нагрузка на поршень. То есть значение КМ будет выше. Зависимость с радиусом коленчатого вала аналогична, но это вторично — в современных двигателях этот радиус нельзя сильно изменить.
Не менее важным фактором является давление в камере сгорания. Он напрямую влияет на силу, которая давит на поршень.
Триммер можно использовать для уменьшения потери крутящего момента, когда машину трясет во время резкого ускорения. Это специальный амортизатор (собирается вручную), компенсация которого позволит сохранить крутящий момент и увеличить срок службы деталей.
Так в чём же польза от большого крутящего момента
Можно сказать, что это факторы второго порядка, не влияющие напрямую на интенсивность разгона, который объективно нужен в первую очередь. Ну или способность преодолевать подъемы и сложные участки дороги.
Не всем водителям нравится работа двигателя на высоких оборотах. Они предпочли бы так называемый «тракторный» привод на пониженной передаче. Это субъективно, но многим это нравится и создается ложное впечатление, что такие двигатели более динамичны. Хотя обычно бывает наоборот, просто смотрите автомобильные гонки.
И второй фактор — у мощных форсированных двигателей максимальный КМ достигается в относительно узком диапазоне оборотов, близком к максимальной мощности. Под ним удручающе мало. Хотелось бы более равномерного распределения крутящего момента по оборотам. Это родом из тех времен, когда приходилось вручную управлять МКПП, да еще и с небольшим количеством ступеней. Сейчас коробки в основном автоматические, часто бесступенчатые (CVT), но кастомные остались.
Триммер можно использовать для уменьшения потери крутящего момента, когда машину трясет во время резкого ускорения. Это специальный амортизатор (собирается вручную), компенсация которого позволит сохранить крутящий момент и увеличить срок службы деталей.
Как изменение крутящего момента влияет на динамику машины
Для обеспечения максимально возможных динамических характеристик машины автопроизводители разрабатывают силовые агрегаты, обладающие максимальным крутящим моментом в более широком диапазоне оборотов двигателя. Высокий крутящий момент характерен для дизельных двигателей, а также многоцилиндровых двигателей и двигателей с турбонаддувом.
Чтобы реально оценить роль мощности и крутящего момента в формировании динамических характеристик машины, необходимо учитывать следующее:
- автомобиль с более мощным двигателем, но недостаточным крутящим моментом, будет уступать по динамике разгона автомобилю с меньшей мощностью, но большим крутящим моментом;
- высокий крутящий момент, который двигатель может «ловить» уже на низких оборотах, позволит автомобилю разгоняться гораздо эффективнее;
- максимальная скорость, которую может развить автомобиль, напрямую зависит от мощности его двигателя, а крутящий момент, в отличие от динамики разгона, на этот показатель не влияет. Максимальная скорость автомобиля с огромным крутящим моментом может быть невысокой. Например, мощные внедорожники имеют впечатляющий крутящий момент и низкую максимальную скорость, а гоночные автомобили могут иметь низкий крутящий момент на карданном валу, но высокую скорость.
Поэтому вне зависимости от мощности двигателя динамика разгона автомобиля, его способность без проблем преодолевать подъемы, полностью зависит от того, каков максимальный крутящий момент. Чем больший крутящий момент передается на ведущие колеса, и чем шире диапазон оборотов двигателя, в котором он достигается, тем увереннее автомобиль будет разгоняться и преодолевать сложные участки дороги.
Следует отметить, что прямое сравнение характеристик двигателей, конструктивно идентичных, но имеющих разные крутящие моменты, будет иметь смысл только при одинаковых параметрах и трансмиссии, когда коробки передач будут иметь аналогичные передаточные числа. Если эти параметры разные, то сравнивать крутящие моменты и мощности двигателей нецелесообразно.
Крутящий момент у бензиновых и дизельных моторов
Бензиновые двигатели не обладают самым высоким крутящим моментом. Максимального значения крутящий момент бензинового двигателя достигает при частоте вращения не менее 3-4 тыс об/мин. Однако бензиновый двигатель сможет быстро нарастить мощность и раскрутиться до 7-8 тысяч оборотов в минуту. На таких сверхвысоких скоростях мощность возрастает в разы.
Дизельный двигатель не имеет высоких оборотов. Обычно это от 3 до 5 тысяч оборотов максимум, и здесь он проигрывает бензиновым двигателям. Однако крутящий момент дизеля в разы выше и доступен очень быстро, практически с холостого хода.
В качестве конкретного примера можно вспомнить испытания двух двигателей Audi, одного дизельного: 2.0 TDI мощностью 140 л.с и крутящим моментом 320 Нм, а второго бензинового: 2.0 FSI мощностью 150 л.с и крутящим моментом 200 Нм. По результатам обкатки управления в различных режимах получается, что дизельный двигатель до 30-40 л.с мощнее бензинового в диапазоне от 1 до 4,5 тысяч оборотов. Так что не стоит смотреть только на лошадиные силы. Бывает, что двигатель с меньшим рабочим объемом, но с большим крутящим моментом показывает себя намного динамичнее, чем двигатель с большим рабочим объемом, но с низким крутящим моментом.
В спецификациях, данных для каждого автомобиля и его двигателя, максимальное значение крутящего момента всегда указывается вместе с числом оборотов в минуту, при которых этот крутящий момент может быть достигнут. При этом принято считать: если максимальный крутящий момент может быть достигнут при частоте вращения до 4,5 тыс об/мин, то такой двигатель можно назвать тихоходным; а если больше 4,5 тыс об/мин, то высокие обороты.
При малом числе оборотов в зону сгорания поступает незначительное количество топливовоздушной смеси в единицу времени, поэтому крутящий момент и мощность невелики. По мере увеличения скорости количество воздушно-топливной смеси (а позже и мощность, и крутящий момент) увеличивается. При достижении значительных параметров мощность начинает снижаться за счет механических потерь на трение механизмов; инерционные потери; из-за недостаточного нагнетания воздуха (известного как кислородное голодание).
Для обеспечения поступления максимального количества воздуха в камеру сгорания даже при низких оборотах двигателя используются системы наддува с электронным управлением. С помощью таких систем турбонаддува можно обеспечить равномерность характеристики крутящего момента в широком диапазоне частоты вращения двигателя.
Крутящий момент является определяющим параметром для оценки производительности двигателя. С помощью этого показателя можно узнать, с каким усилием вращается коленчатый вал. Крутящий момент двигателя измеряется в единицах ньютон-метров, рассчитывается методом умножения: усилие умножается на расстояние от коленчатого вала до места крепления поршня.
Откуда берутся «лошадиные силы»?
Знаменитый английский изобретатель Джеймс Уатт предложил измерять мощность двигателей в «лошадиных силах» в 1789 году. В начале промышленной революции в Англии шахты, порты и мельницы использовали лошадей в качестве источника энергии для подъемных машин. Их прицепляли к лебедке крана и водили по кругу.
Прицепленное к механизму животное массой около 500 кг, ходящее по кругу и протягивающее веревку через систему шкивов, могло обеспечить работу крана, эквивалентную подъему груза массой 90 кг со скоростью 1 метр в секунду. Груз поднимался в бочках или мешках массой от 140,9 до 190,9 кг каждый. Таким образом, за 8 часов работы лошадь, ковыляя вокруг лебедки со скоростью 3 км\ч, не утруждая себя, могла перегрузить 33 000 фунтов, а это почти 14 тонн. Эта работа была прописана как стандартная «лошадиная сила».
Паровые двигатели могли выполнять ту же работу намного быстрее, потому что их мощность составляла несколько лошадиных сил. Таким образом, в определении Джеймса Уатта мощность — это не спортивная динамика автомобиля и не приемистость, а работа, совершаемая в единицу времени.
А что же такое крутящий момент?
Тот же принцип применим и к двигателю внутреннего сгорания. Единственная сила, толкающая поршень, — это энергия взрывов бензино-воздушной смеси. Поршень похож на тот самый Ватт лошадиных сил. Он вращает коленчатый вал, а затем передает движение на колеса через систему карданных валов. Чем быстрее он вращается, тем больше мощность и тем большую работу будет выполнять двигатель.
Если силу давления поршней умножить на длину плеча коленвала, то получим крутящий момент, от которого зависит тяга двигателя. Выражается в ньютонметрах (1 Нм эквивалентен силе в 1 Ньютон для рычага в 1 метр). Чем длиннее рычаги, тем большую тягу производит двигатель.
Если двигатель имеет высокий крутящий момент, колеса вращаются быстрее в единицу времени. Автомобиль приобретает больше динамики.
В детстве многие пожилые люди собирали фантики «Турбо», на них почти всегда указывалась мощность и максимальная скорость автомобиля. Чем выше число, тем больше уважения к модели автомобиля. Похоже, это продолжается и сейчас: несколько лишних лошадиных сил зачастую становятся решающим аргументом «за» или «против» автомобиля.
График внешней характеристики двигателя
Собственно момент возникает, если как-то уменьшить скорость вращения коленчатого вала: гидротормозом, генератором или заставить машину тянуть. Вот как это измеряется: сам двигатель или колеса автомобиля тормозятся гидравлическим тормозом. Для двигателя обычно указывается максимальный крутящий момент, который двигатель развивает при полном нажатии на педаль акселератора, с помощью которого водитель лишь регулирует, какой момент может дать двигатель. Остается понять, как меняется этот самый момент. Крутящий момент зависит от значения скорости двигателя и сначала мал, затем растет до определенного значения, а затем падает. Почему?
Пики и спады на графике
В реальной эксплуатации максимальный крутящий момент нужен редко, только в тех случаях, когда вы нажимаете педаль акселератора до упора и ждете, пока двигатель «запустится», в остальное время он меньше максимального на этих оборотах. Но мы уже знаем, что момент меняется не только под воздействием нажатия на педаль газа (механическую или электронную), но и при оборотах. При разных скоростях процессы, происходящие в камере сгорания двигателя, различны. Дополнительные системы, такие как наддув, система синхронизации и другие, дополнительно изменяют наполнение камеры сгорания, количество топлива и угол опережения зажигания, в результате чего качество и сила хода зависят от частоты вращения двигателя нагревом масла в подшипниках и т.д.и т.п., а качество рабочего процесса не улучшается или даже начинает падать. В результате на высоких скоростях крутящий момент начинает снижаться из-за увеличения потерь. А в турбированном двигателе в какой-то момент производительность турбины перестает быть достаточной и момент тоже начинает падать. Теперь давайте посмотрим на график типичного безнаддувного (т.е без наддува) двигателя из 90-х, где есть кривые не только крутящего момента, но и мощности производительности турбины уже недостаточно и момент тоже начинает снижаться. Теперь давайте посмотрим на график типичного безнаддувного (т.е без наддува) двигателя из 90-х, где есть кривые не только крутящего момента, но и мощности производительности турбины уже недостаточно и момент тоже начинает снижаться. Теперь давайте посмотрим на график типичного безнаддувного (т.е без наддува) двигателя из 90-х, где есть кривые не только крутящего момента, но и мощности.
Но у турбомотора аналогичного объема его момент в зоне средних оборотов ограничен электроникой, часто на пределе сил цилиндро-поршневой группы, да и график мощности тоже очень «ровный». Хорошо видно, насколько выше его мощность в начале и в середине графика.
Обратите внимание на кривую мощности. Она круто поднимается там, где момент велик, и почти не растет там, где падает. Объяснение этому очень простое: мощность — это то, какую работу двигатель может совершить за одну секунду. Для двигателя внутреннего сгорания мощность в киловаттах в каждой точке графика можно получить, умножив крутящий момент в ньютонах на количество оборотов в минуту и разделив на 9549, то есть примерно так:
Следовательно, мощность двигателя на любой скорости зависит только от крутящего момента на этой скорости, а максимальная мощность получается в точке, где крутящий момент уже уменьшается, а произведение мощности на скорость еще увеличивается. А чтобы увеличить пиковую мощность, вы можете просто увеличить крутящий момент на высоких скоростях или уменьшить его менее быстро. Взгляните на типичную схему высокооборотистого двигателя Honda — японцы именно так и поступили.
Двигатель внутреннего сгорания развивает максимальную мощность при определенной скорости. Для бензиновых автомобилей это около 6 тысяч оборотов в минуту, для дизельных – менее 4 тысяч оборотов в минуту. Именно поэтому дизели, как правило, относятся к тихоходному классу, а бензиновые — к быстроходным.
Какие факторы влияют на крутящий момент двигателя
Когда речь идет о максимальном крутящем моменте двигателя, существуют три разных, но взаимосвязанных ограничивающих фактора.
Механические свойства материалов
Во-первых, это механические свойства материалов. Хорошим примером такого подхода к проектированию являются различные серводвигатели.
В более дешевых сервоприводах с меньшим крутящим моментом используются пластиковые шестерни, обычно изготовленные из нейлона. Пластиковые шестерни дешевы в изготовлении, что делает сервоприводы с нейлоновыми шестернями дешевле в изготовлении и, следовательно, дешевле в покупке. Нейлоновые шестерни также легче металлических, что важно для робототехники и самолетов. Однако если к этим нейлоновым шестерням приложить слишком большой крутящий момент, они сломаются.
Сервоприводы с более высоким крутящим моментом содержат металлические шестерни, поэтому они могут обеспечивать более высокий крутящий момент без поломок.
Материалы, используемые в конструкции двигателя, играют огромную роль в определении того, какой крутящий момент будет способен развивать двигатель.
Рисунок 4. Двигатели изготавливаются из различных материалов, но, как правило, металлические двигатели имеют более высокий крутящий момент, чем двигатели, изготовленные из нейлона или других пластиков.
Максимальное напряжение двигателя
Вторым фактором, влияющим на максимальный крутящий момент двигателя, является максимальное напряжение, на которое рассчитан двигатель. Если вы посмотрите на страницу спецификации любого сервопривода, вы найдете разные значения крутящего момента для разных напряжений. Более высокое напряжение дает двигателю большую мощность для обеспечения более высокого крутящего момента. Однако двигатель и его схема управления могут потреблять ограниченное напряжение из-за возможности перегрева и возгорания. Максимальное напряжение, которое двигатель может принять без сбоев, влияет на величину его максимального крутящего момента.
Рисунок 5 – Максимальное напряжение двигателя указано в технических характеристиках, предоставленных производителями. Связь между рабочим напряжением и крутящим моментом.
Тепловыделение двигателя
Это подводит нас к последнему фактору, который ограничивает максимальный крутящий момент двигателя. Когда двигатели работают, они выделяют ненужное тепло. Чем сильнее работает двигатель, тем больше тепла он выделяет.
Для большинства двигателей, используемых в хобби-проектах, от двигателей постоянного тока до сервоприводов и шаговых двигателей, выделяемое тепло просто излучается в воздух. У них нет активного охлаждения, как, например, в электромобиле. Таким образом, двигатель ограничен по крутящему моменту (а также по скорости), который он может генерировать без риска теплового отказа.
Измерьте крутящий момент двигателя сами
Мы обсудили, почему важно оставаться в пределах максимального крутящего момента двигателя. Так что же делать, если вы считаете, что ваш двигатель не справляется с поставленной задачей? Не бояться! У нас есть проект, который может показать вам, как измерить крутящий момент серводвигателя (в следующей статье).
Дважды проверьте крутящий момент серводвигателя, прежде чем добавлять его в свой проект. Это поможет вам избавиться от разочарования в строительстве и вернуться к работе.
