Что такое крутящий момент двигателя автомобиля

Откуда берутся «лошадиные силы»?

Измерять мощность моторов в «лошадиных силах» предложил знаменитый английский изобретатель Джеймс Уатт в 1789 году. Во времена начала промышленной революции в Англии на рудниках, в портах и мельницах в качестве источника силы для подъемных машин использовались лошади. Их запрягали в лебедку крана и гоняли по кругу.

Запряженное в механизм животное весом около 500 кг, вышагивая по кругу и натягивая канат через систему блоков, могло обеспечить работу крана, равную подъему груза в 90 кг со скоростью 1 метр в секунду. Груз поднимали бочками или кулями весом от 140,9 до 190,9 кг каждый. Тем самым, за 8 часов работы лошадь, ковыляя вокруг лебедки со скоростью в 3 км\\ч, не утруждаясь могла перегрузить 33 000 фунтов, что равняется почти 14 тоннам. Эту работу и прописали как эталон «лошадиной силы».

Паровые машины могли совершать такую же работу гораздо быстрее, потому как имели мощность в несколько лошадиных сил. Тем самым, в определении Джеймса Уатта, мощность — это не спортивная динамика машины, не приемистость, а работа, совершенная в единицу времени.

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.

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.

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.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля

Большинство автовладельцев и водителей оценивают ходовые качества своих автотранспортных средств мощностью двигателя. В процессе эксплуатации транспортных средств часто возникают ситуации необходимости намеренного обгона сопутствующих машин в процессе движения. Находясь в определенном ритме движения, водитель «давит» на педаль акселератора и не получает желаемого ускорения обгона. В этом случае более информативной характеристикой приемистости двигателя является крутящий момент на определенных оборотах двигателя.

Максимальная мощность, указываемая в технических характеристиках двигателя, приводится на соответствующих оборотах. Для бензиновых ДВС обычно эта величина соответствует 5000 – 6000 оборотов в минуту, дизельных – приблизительно 3500 – 4500 об/мин. Поэтому считается, что все бензиновые движки являются высокооборотными, дизельные – низкооборотными. Это не всегда так.

Каждый автовладелец, особенно тот, который желает показать мастерство пилотирования симпатичным девушкам, должен знать характеристики крутящего момента своего авто.

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Что важнее – мощность или крутящий момент?

При сравнении двух основных характеристик двигателя, становятся ясны следующие моменты:

• Крутящий момент – главная характеристика силового агрегата;
• Мощность – вторичная характеристика, являющаяся производной крутящего момента;
• Мощность двигателя прямо зависит от крутящего момента, что можно выразить формулой: Р=M*n, где

Р – мощность, М – крут. момент, n – кол-во оборотов вала в минуту;

• Мощность двигателя находится в зависимости от его частоты вращения: с ростом числа оборотов растет и его мощность (до определенного предела);
• При увеличении числа оборотов растет и крутящий момент, но при достижении максимального значения (при определенном показателе частоты вращения), показатель снижается даже при дальнейшем его увеличении.

На основе сравнительной оценки можно сделать выводы:

• При оценке рабочих характеристик силового агрегата и эксплуатационных свойств автомобиля характеристика крутящего момента более приоритетна, чем мощность;
• Среди сходных двигателей по рабочим и конструктивным параметрам более предпочтительны те, где выше крутящий момент;
• Наилучшая динамика разгона транспортного средства и оптимальная тяга двигателя будет в определенном промежутке частоты вращения вала, которую нужно поддерживать при движении.

Формула расчета крутящего момента

Показатель КМ рассчитывается так: мощность (в л. с.) равно крутящий момент (в Нм) умножить на обороты в минуту и разделить на 5,252. При меньших чем 5,252 значениях крутящий момент будет выше мощности, при больших – ниже.

В пересчете на принятую в России систему (кгм – килограмм на метр) – 1кг = 10Н, 1 см = 0,01м. Таким образом 1 кг х см = 0,1 Н х м. Посчитать вращательный момент в разных системах измерений ньютоны/килограммы и т.д. поможет конвертер – в практически неизменном виде он доступен на множестве сайтов, с его помощью можно определять данные по практически любому мотору.

График:

На графике изображена зависимость крутящего момента двигателя от его оборотов

Доступная для понимания расшифровка

Чтобы разобраться, что такое крутящий момент двигателя автомобиля простыми словами, важно дифференцировать для себя его и обозначение мощности. В последнем случае под мощностью принято понимать работу, получаемую в минуту, что знают все из курса физики. Силовая бензиновая или дизельная установка потребляет жидкое топливо и преобразовывает после сгорания полученную тепловую энергию в кинетический вид

Во время процесса совершается работа, в результате которой обеспечивается вращение коленчатого вала. Возникает новый показатель, характеризующий частоту вращения коленвала в единицу времени, например, обороты в минуту

Силовая бензиновая или дизельная установка потребляет жидкое топливо и преобразовывает после сгорания полученную тепловую энергию в кинетический вид. Во время процесса совершается работа, в результате которой обеспечивается вращение коленчатого вала. Возникает новый показатель, характеризующий частоту вращения коленвала в единицу времени, например, обороты в минуту.

В случае с крутящим моментом соотношения между основными показателями процессов оказываются несколько отличными. Получаемое значение в большей степени проявляется в качестве произведения между имеющимся рычагом плеча и генерируемой мотором силой. Последняя формируется в процессе сгорания топлива и обеспечения нагрузки на рабочую часть поршня, толкающую колено вала. Силу традиционно мерят Ньютонами, а размеры принято мерить в метрах, в расчете принимает участие длина от оси до точки нагрузки на кривошипном узле коленвала, что позволяет измерять крутящий момент в «ньютоно-метрах (Н*м)».

Фактически под понятием крутящего момента понимается усилие, способное развиваться конкретным мотором. Благодаря этому удается определить тяговитость авто, способствующую быстрому набору скорости и дальнейшему движению. Рассматривая закономерность, где на графике изображена зависимость крутящего момента двигателя, необходимо отметить, что искомый параметр отвечает за «резвость» ТС и динамические характеристики

Важно отметить, что образуемая при сгорании бензина сила будет повышаться при росте объема цилиндров, соответственно этот параметр находится в прямой зависимости с КМ

Как правило, среди основных характеристик силовой установки присутствует наибольшая развиваемая мощность транспортным средством. Благодаря крутящему моменту удается понять, насколько быстро автомобиль сможет достигнуть установленного значения. В подобном случае будет уместно демонстрировать связку крутящий момент/достигаемые обороты.

Говоря простыми словами, автомобилисту будет просто узнать, как скоро ДВС достигает пиковых мощностных показателей, заложенных конструкционно. В большинстве случаев при относительно небольшом по современным меркам значении в 2500 об/мин и спокойной езде наиболее предпочтительным является транспорт, который развивает наибольший крутящий момент при описанных условиях.

Соответственно как понять максимальный крутящий момент Нм при об/мин, что это? В итоге – это способность реализовывать ускорение и динамику. Среди силовых установок примерно с равными конструкционными характеристиками стоит отдавать предпочтение тем, которые наделены увеличенным крутящим моментом.

Пример решения задачи на кручение стержня круглого сечения

Кручение стержня круглого сечения – условие задачи

К стальному валу постоянного поперечного сечения (рис. 3.8) приложены четыре внешних скручивающих момента: кН·м; кН·м; кН·м; кН·м. Длины участков стержня: м; м, м, м. Требуется: построить эпюру крутящих моментов, определить диаметр вала при кН/см2 и построить эпюру углов закручивания поперечных сечений стержня.

Определяем реактивный момент, возникающий в жесткой заделке

Обозначим момент в заделке и направим его, например, против хода часовой стрелки (при взгляде навстречу оси z).

Запишем уравнение равновесия вала. При этом будем пользоваться следующим правилом знаков: внешние скручивающие моменты (активные моменты, а также реактивный момент в заделке), вращающие вал против хода часовой стрелки (при взгляде на него навстречу оси z), считаем положительными.

Тогда

кН·м.

Знак «плюс» в полученном нами выражении говорит о том, что мы угадали направление реактивного момента , возникающего в заделке.

Строим эпюру крутящих моментов

Напомним, что внутренний крутящий момент , возникающий в некотором поперечном сечении стержня, равен алгебраической сумме внешних скручивающих моментов, приложенных к любой из рассматриваемых частей стержня (то есть действующих левее или правее сделанного сечения). При этом внешний скручивающий момент, вращающий рассматриваемую часть стержня против хода часовой стрелки (при взгляде на поперечное сечение), входит в эту алгебраическую сумму со знаком «плюс», а по ходу – со знаком «минус».

Соответственно, положительный внутренний крутящий момент, противодействующий внешним скручивающим моментам, направлен по ходу часовой стрелки (при взгляде на поперечное сечение), а отрицательный – против ее хода.

Разбиваем длину стержня на четыре участка (рис. 3.8, а). Границами участков являются те сечения, в которых приложены внешние моменты.

Делаем по одному сечению в произвольном месте каждого из четырех участков стержня.

Cечение 1 – 1. Мысленно отбросим (или закроем листком бумаги) левую часть стержня. Чтобы уравновесить скручивающий момент кН·м, в поперечном сечении стержня должен возникнуть равный ему и противоположно направленный крутящий момент . С учетом упомянутого выше правила знаков

кН·м.

Сечения 2 – 2 и 3 – 3:

кН·м;

кН·м.

Сечение 4 – 4. Чтобы определить крутящий момент, в сечении 4 – 4 отбросим правую часть стержня. Тогда

кН·м.

Легко убедиться в том, что полученный результат не изменится, если мы отбросим теперь не правую, а левую часть стержня. Получим

кН·м.

Для построения эпюры крутящих моментов проводим тонкой линией ось, параллельную оси стержня z (рис. 3.8, б). Вычисленные значения крутящих моментов в выбранном масштабе и с учетом их знака откладываем от этой оси. В пределах каждого из участков стержня крутящий момент постоянен, поэтому мы как бы «заштриховываем» вертикальными линиями соответствующий участок. Напомним, что каждый отрезок «штриховки» (ордината эпюры) дает в принятом масштабе значение крутящего момента в соответствующем поперечном сечении стержня. Полученную эпюру обводим жирной линией.

Отметим, что в местах приложения внешних скручивающих моментов на эпюре мы получили скачкообразное изменение внутреннего крутящего момента на величину соответствующего внешнего момента.

Определяем диаметр вала из условия прочности

Условие прочности при кручении имеет вид

,

где – полярный момент сопротивления (момент сопротивления при кручении).

Наибольший по абсолютному значению крутящий момент возникает на втором участке вала: кН·см.

Тогда требуемый диаметр вала определяется по формуле

см.

Округляя полученное значение до стандартного, принимаем диаметр вала равным мм.

Какому двигателю отдать предпочтение

Опытные автомобилисты считают, что при выборе между двух двигателей, обладающих схожими мощностными характеристиками, лучше приобрести авто с мотором, имеющим более высокий крутящий момент. В большей степени это касается транспортных средств, оснащенных механической коробкой передач.

Машина нуждается в достаточной мощности не только при максимальных оборотах двигателя, но и при равномерном движении. Данный показатель определяется величиной Мкр.

Сравнении основных показателей по мощности и моменту вращения:

• момент– это базовый параметр, по которому оценивается работа;
• мощность зависит как от Мкр, так и от числа оборотов коленчатого вала (до определенных пределов);
• Мкр тоже возрастает при увеличении оборотов, однако, при достижении пиковых значений, он начинает снижаться, даже при усилении оборотов.

Что означает понятие крутящий момент детально

Многие ли из нас понимают в мощности автомобилей и что означают лошадиные силы? Никогда не приходила мысль сравнить автомобиль мощностью 100 л.с. с повозкой со ста скакунами, и что как-то странно сравнивать движок в 1,6 литра с сотней лошадей, которые и танк с места сдвинут а не только малолитражную машину?

Это ошибочное сравнение и вот почему.

Итак, давайте разберемся что есть мощность двигателя. В научном определении под мощностью понимается скорость преобразования и передачи энергии. Для двигателя это работа, которую он проделывает за единицу времени. Мощность двигателя измеряется в Ваттах, хотя нам более привычно измерять в лошадиных силах.

Единицу измерения в одну лошадиную силу получили опытным путем и определяется она как способность лошади поднять 75 кг на один метр в секунду, т.е. лошадиная сила равняется 735 Ваттам. Вместо переносимого веса используют крутящий момент, который равен силе, возникающей на определенном радиусе.

Крутящий момент — это механическая энергия от воспламеняющейся смеси в цилиндре, которая передается на коленчатый вал, трансмиссию, раздаточную передачу, колеса, и толкает, заставляя автомобиль двигаться. Обороты двигателя оказывают самое прямое влияние на крутящий момент.

Для примера возьмем мотор от Форд Фокуса объемом 1,6 л., который развивает мощность 100 л.с. и обладает крутящим моментом 150 Н*м.

Если учесть, что в килограмме десять ньютон, и если приделать к валу двигателя прут длиной 1 метр, то для того, чтобы не дать двигателю вращаться, достаточно повесить на этот прут всего 15 кг. 150 Н*м — это максимальный крутящий момент который развивается при оборотах двигателя близким к 4000 оборотам в минуту.

Так почему же двигатель, который можно удержать одной рукой, имеет характеристики 100 л.с.? Все это потому, что мощность зависит не только от силы, развиваемой на валу двигателя, но и от скорости вращения этого вала. Чем больше оборотов способен развивать двигатель, тем он мощнее.

С увеличением рабочего объема возрастает сила, которая действует на поршень и на крутящий момент. Также, чем сильнее давление в камере сгорания цилиндра, тем сила, давящая на поршень, больше. Чем больше площадь поршня тем меньше сила и удельное давление.

К примеру, 2-х литровых двигатель СкайЭктив от Мазды, развивающий 150 л.с., будет существенно шустрее разгонять автомобиль, чем 2-х литровый бензиновый двигатель Киа или Хёндэ и не только потому, что первый развивает больше крутящий момент, а потому, что он развивается раньше и полка крутящего момента у него шире за счёт большей компрессии в цилиндрах.

Высокий крутящий момент помогает автомобилю быстрее ускориться на разгоне при небольших оборотах коленвала, улучшаются тяговые свойства силового механизма, например, грузоподъемность машины и ее проходимость.

Максимальный показатель крутящего момента достигается мотором при конкретных оборотах. Бензиновые моторы имеют более высокое значение, нежели дизельные двигатели.

Наибольший крутящий момент у четырех цилиндрованного бензинового мотора достигается при 4000 оборотах (примерно 192 н*м), у турбированного 4х цилиндрового при 4500 оборотах (265 н*м), а у дизельного 4-х цилиндрового движка — при 2750 оборотах (400 н*м).

Какой двигатель лучше исходя из крутящего момента? Это спорный вопрос — все зависит от назначения. Если вы ездите на микроавтобусе либо занимаетесь грузоперевозками, то для вас важна тяга с нижних оборотов — тогда подойдет дизель с его низко оборотистым двигателем и высоким крутящим моментом (т.е. он тянуть будет просто бешено). Когда необходима высокая скорость — вы любите раскручивать двигатель до 6000-6500 оборотов в минуту, то здесь необходим бензин.

Автоконцерны придумывают разные способы чтобы увеличить крутящий момент, используя турбонаддув, управляемых фаз газораспределения, увеличения степени сжатия, благодаря конструктивных инновациям ДВС и т.д.

Некоторые выводы

• При оценке эксплуатационных параметров автомобиля и непосредственно рабочих характеристик его двигателя, величина крутящего момента обладает большим приоритетом, чем мощность.
• Среди силовых агрегатов, имеющих схожие конструктивные и рабочие параметры, предпочтительнее выглядят те, у которых крутящий момент больше.
• Для обеспечения наилучшей динамики разгона автомобиля и обеспечения оптимальных тяговых свойств двигателя, частоту вращения коленчатого вала нужно поддерживать в том диапазоне значений, при которых крутящий момент достигает своих пиковых показателей.