Сообщение от владим11
нарыл поучительную статейку в интернете,как раз по теме.на пальцах обьясняется,что есть крутящий момент,а что мощность двс.оригинал.перевод-„ Мне 52 года. На протяжении более
чем 36 лет я читаю журналы об
автомобилях и мотоциклах и
постоянно вижу статьи о Крутящем
моменте и Мощности. Но я ни разу не
встречал ни одной статьи, где суть вещей была бы раскрыта должным
образом. Так что я попытаюсь
рассказать Вам, что есть Крутящий
момент, и что есть Мощность.
Добавлю, что не собираюсь
углубляться в высшую математику и ракетостроение, например, как
можно было бы подвесить паука в
воздухе с помощью сильного
магнитного поля. Я собираюсь
поговорить о вещах так, как это
сделал бы любой механик в своём гараже – с помощью простой
математики и с хорошим пониманием
законов физики. Кое-что я немного
упрощу. Я не буду подробно
объяснять каждое моё слово. Вам
нужно будет просто довериться мне, честно. Крутящий момент двигателя – это
мера НАГРУЗКИ на вращающуюся
деталь. Поскольку мы говорим о
мотоциклах, то это нагрузка,
приложенная к primary drive’s drive
gear, которая прикреплена к коленчатому валу. Если Вы
приложите слишком большое
усилие к головке болта, Вы свернёте
её и сломаете болт. Если бы Вы
сконструировали двигатель с
огромным крутящим моментом, Вы сломали бы коленчатый вал, или
зубья ведущей шестерни (или другую
более слабую деталь drive train).
Когда Вы увеличиваете крутящий
момент двигателя готового (pre
made) мотоцикла, Вы повышаете нагрузку на сцепление, шестерни
трансмиссии, ведущую цепь, ремень
или карданный вал, и, конечно же,
на заднюю шину. Но когда Вы
проектируете двигатель from the
scratch, передаточные числа неизвестны, и Вы, зная только
крутящий момент двигателя, не
можете даже вычислить нагрузку на
сцепление, потому что нагрузка на
сцеплении равняется произведению
крутящего момента двигателя и передаточного отношения Primary
Gear.
В качестве примера давайте сделаем
тестовый мотоцикл: primary ratio
1.5:1, первая передача 3.0:1, final
drive ratio 3.0:1. Допустим, наш тестовый двигатель выдаёт 80 ft lbs
(108.465 Нм). Сцепление в таком
случае должно выдерживать 120 ft
lbs (162.698 Нм), т.е. 80 ft lbs (108.465
Нм), умноженные на 1.5
(передаточное число primary drive). На первой передаче трансмиссия
развивает 120*3.0 = 360 ft lbs
(488.094 Нм). Далее крутящий момент
умножается на передаточное число
final drive: 360*3.0 = 1080 ft lbs
(1464.283 Нм). Допустим, 20% крутящего момента теряется в
трансмиссии. Тогда на заднем колесе
остаётся 864 ft lbs (1171.427 Нм). Это
максимальное значение крутящего
момента на заднем колесе у нашего
тестового мотоцикла, полученное на первой передаче и при одном
определённом значении оборотов
двигателя – обороты наибольшего
крутящего момента. На других
оборотах крутящий момент будет
меньше. В действительности, когда Вы раскручиваете двигатель при
выжатом сцеплении, а потом
отпускаете сцепление, то Вы
получаете значительно больше
крутящего момента (который можно
было бы использовать в драг- рейсинге). Причина этому -
высвобождение энергии
вращающегося коленчатого вала,
маховика, сцепления и пр. при их
замедлении. Чем массивнее эти
детали, тем большая нагрузка передаётся на сцепление,
трансмиссию, цепь, ремень или
карданный вал, спицы заднего
колеса и заднюю шину. Создаётся
ощущение повышенной мощности,
но на самом деле Вы просто запасли много энергии во вращающихся
деталях, а потом в один момент
передали её мотоциклу. После того,
как обороты двигателя и заднего
колеса сравняются, только крутящий
момент двигателя будет ускорять Вас, в то время как дополнительная масса
маховика будет Вас замедлять.
Невозможно определить разницу
между крутящим моментом на низких
оборотах и эффектом тяжёлого
маховика, когда вы раскручиваете двигатель и трогаетесь с места,
отпуская сцепление.
А теперь, чтобы можно было
использовать крутящий момент на
заднем колесе для вычисления
ускорения, мы должны перевести его в усилие, которое создаётся в
области контакта задней шины с
дорогой. Для этого разделим
крутящий момент на заднем колесе
на радиус шины. Итак, делим 864 ft
lbs (1171.427 Нм) на 1.0425 ft (0.318 м) (радиус 12.5 дюйма при диаметре
шины 25 дюймов) и получаем 829 lbs
(3687.576 Н) тяги на заднем колесе.
Наш мотоцикл весит, к примеру, 500
lbs (226.796 кг). Прибавим 200 lb
(90.719 кг) – вес топлива и водителя. Получаем 700 lbs (317.515 кг) веса.
Один из законов движения Ньютона
гласит: f = m*a. Откуда a = f/m.
Подставляем значения и получаем: a
= 829/700 = 1.18 g. Это значит, что,
если бы задняя шина имела бы постоянный контакт с дорогой при
ускорении на первой передаче, то
мотоцикл развил бы ускорение чуть
более 1g, что сравнимо с падением с
крыши здания. Страшно, не правда
ли? Если на пятой передаче передаточное отношение составляет
1:1, то наше максимальное ускорение
будет: 80 * 1.5 * 1 * 3.0 / 1.042 *
80% / 700 = 0.39g. Или если словами:
Крутящий момент двигателя * Primary
gear ration * transmission ratio * Final gear ration / радиус шины * потери в
трансмиссии / вес. На остальных
передачах (2, 3 и 4) ускорение будет
где-то между этими значениями. Но в
реальном мире максимальное
ускорение намного меньше – из-за сопротивления воздуха. В
действительности мы получим
примерно 0.8g на первой и от 0.15 до
0.20 g на высшей передаче в
зависимости от того, при каких
оборотах (и, следовательно, скорости ветра) двигатель выдаёт
наибольший крутящий момент.
Фактически, максимальное ускорение
происходит при оборотах, чуть
меньших, чем обороты
максимального крутящего момента, т.к. снижение оборотов лишь
немного уменьшает крутящий
момент, но из-за снижения скорости
значительно уменьшается
сопротивление воздуха.
А теперь рассмотрим ускорение из-за Крутящего момента двигателя более
подробно. Представим, что у нас есть
два одинаковых круизера с двумя
водителями равного веса. При
скорости 60 mph (96.561 км/ч) оба
мотоцикла выдают 75 ft lbs (101.686 Нм), и оба одновременно начинают
обгонять грузовик с прицепом. Один
из мотоциклистов уверен, что
ускорение происходит за счёт
крутящего момента. Чем больше
крутящий момент – тем лучше. Ещё этот мотоциклист замечает, что
двигатель выдаёт больше крутящего
момента при ускорении с 2500 об/мин
на пятой передаче. Другой
мотоциклист (это я), что мощность, а
не крутящий момент, ускоряют мотоцикл. Этот мотоциклист
переключается вниз на третью
передачу, раскручивая двигатель до
3900 об/мин. При этом он знает, что
во время ускорения крутящий момент
будет уменьшаться. Первый мотоцикл разгоняется при почти
постоянных 0.2g и далее при 0.16g, в
то время как второй мотоцикл
разгоняется сначала при 0.3g и далее
при 0.2g при приближении к
максимально возможной скорости на третьей передаче. Этот второй
мотоцикл разгоняется значительно
быстрее, хотя его крутящий момент
снижается, а крутящий момент
другого мотоцикла увеличивается. В
чём дело? Те, кто уверены, что Крутящий момент ускоряет мотоцикл,
забыли о передаточных числах. Сила
на заднем колесе – а вовсе не
крутящий момент двигателя –
ускоряет мотоцикл. А сила на заднем
колесе – это произведение крутящего момента двигателя и всех
передаточных чисел КПП, да ещё с
учётом диаметра заднего колеса.
Крутящий момент двигателя всего
лишь определяет нагрузку на primary
drive’s drive gear. И эту характеристика двигателя
неправильно понимают чаще всего.
Крутящий момент двигателя говорит
Вам только о рабочем объёме этого
двигателя, но не ускорении
мотоцикла, которое Вы можете вычислить, зная передаточные числа
и диаметр задней шины. Да, вот ещё
что. В нашем примере с обгоном
грузовика второй мотоцикл смог
опередить грузовик и вернуться в
свою полосу, обогнав соперника на 100 футов. А у первого мотоциклиста,
к сожалению, не было этих
дополнительных 100 футов, и он
оказался на встречной с другим
грузовиком.
Журнальные статьи, в которых написано, что они измерили
крутящий момент на заднем колесе и
получили от 45 до 125 ft lbs (от
61.012 до 169.477 Нм), обманывают
Вас. Диапазон значений крутящего
момента на заднем колесе начинается с 200 ft lbs (271.164 Нм) и уходит
далеко за 1000 ft lbs (1355.818 Нм) –
в зависимости от того, на какой
передаче проходили измерения.
Такой крутящий момент не может
быть измерен на динамометрическом стенде для заднего колеса. Такие
стенды измеряют мощность, а не
крутящий момент. Крутящий момент
двигателя вычисляется по формуле:
Мощность = крутящий момент *
обороты / 5252, либо: Крутящий момент = Мощность * 5252 / обороты.
Люди, заявляющие, что мощность –
лишь результат вычислений,
ошибаются. Математическое
выражение описывает связь
различных характеристик двигателя: крутящий момент, обороты и
мощность. Если Вы знаете два
значения, Вы можете вычислить
третье. К примеру, если Вы знаете
Мощность и Крутящий момент, то Вы
можете рассчитать обороты, но это не значит, что обороты – всего лишь
вычисляемая величина. Мы
используем математику для
вычисления того, чего не знаем. На
инерционном дино-стенде (стенд для
заднего колеса) мы знаем обороты и мощность и вычисляем Крутящий
момент Двигателя, а НЕ крутящий
момент на заднем колесе.
Крутящий момент двигателя как
характеристика двигателя настолько
бесполезен, насколько это возможно. Два равных по весу
мотоцикла, оба выдают
максимальные 70 ft lbs (94.907 Нм)
крутящего момента. Который из них
разгоняется быстрее? Ну, наверное,
тот, у кого больше мощности! 70 ft lbs крутящего момента на 5000 об/
мин могут «побить» те же 70 ft lbs
крутящего момента при 10000об/
мин. Почему? Потому что крутящий
момент, помноженный на обороты,
равняется мощности. И это та мощность, которая перемещает Ваш
мотоцикл по дороге. По сравнению с
двигетелем на 5000 об/мин, с
двигателем на 10000 об/мин можно
ехать на гораздо более низкой
передаче, таким образом удвоив Крутящий момент на заднем колесе и,
следовательно, силу в области
контакта колеса с дорогой.
Крутящий момент, необходимый для
движения с определённой
скоростью, возрастает пропорционально квадрату скорости.
Поэтому для скорости 100 mph
потребуется в четыре раза больше
крутящего момента, чем для скорости
50 mph. Но и обороты двигателя при
этом потребуются в два раза выше. А четырёхкратный прирост крутящего
момента при удвоенных оборотах
приводит к восьмикратному
увеличению мощности. Таким
образом, для движения со скоростью
100 mph требуется в восемь раз больше мощности, чем для скорости
50 mph. Итак, для вычисления
мощности, необходимой для
преодоления сопротивления ветра
движущимся мотоциклом размером с
Харлей, надо умножить корень третьей степени из мощности на 30.2.
Это приблизительная константа, и
она меняется в зависимости от
размера мотоцикла.
Формула: максимальная скорость =
константа * (мощность ^ 1/3), где константа =
30.2 – для большого круизера
31.79 – для среднего спортивного
мотоцикла
32.99 – для небольшого спортивного
мотоцикла Примеры:
Мощность(л.с.)
Макс.скорость Harley (mph)
Макс.скорость VFR750 (mph)
20 82
86 60 118
124
100 140
148
150 160
169 200 177
186 Как Вы могли заметить, для
вычисления возможной
максимальной скорости при
использовании данной мощности мне
не нужно знать обороты и передачу.
Когда вы строите мотоцикл, Вам необходимо испытать его на дино-
стенде, чтобы определить, при каких
оборотах достигается максимальная
мощность. А затем Вы настраиваете
передачи соответствующим образом.
Если бы я использовал крутящий момент двигателя, то для
вычисления максимальной скорости
мне пришлось бы использовать
крутящий момент, созданный
двигателем при максимальной
мощности, и обороты на максимальной мощности.
Мощность двигателя – это
показатель способности двигателя
совершать работу за единицу
времени. Работа за единицу времени
– это перемещение некоторой массы на определённое расстояние за
заданное время. Единица измерения
мощности – фут-фунт в секунду. 1320
футов умножить на 815 lbs и
разделить на 13.6 секунды равняется
мощности. Увеличение массы или расстояния при неизменном
затраченном времени означает
бОльшую мощность. При постоянных
расстоянии и весе и меньшем
времени мощность также выше.
Естественно, необходимо учитывать сопротивление ветра, которое
увеличивается с ростом скорости.
Поэтому, круизер мощностью 60 л.с. и
весом 815 lb (стоковый Харлей 88)
проходит четверть мили за 13.6
секунды и развивает максимальную скорость 98 mph, а мотоцикл с тем
же двигателем, но с 83 л.с., «делает»
четверть мили за 12.9 секунды с
максимальной скоростью 108.8 mph.
Оба мотоцикла располагают
одинаковым крутящим моментом двигателя, но у более быстрого
мотоцикла больше мощности.
Мощность не имеет отношения к
рабочему объёму двигателя, а вот
крутящий момент двигателя – имеет.
Мощность связана с поршнями двигателя, (?) или квадрат диаметра
цилиндра, умноженный на
количество цилиндров. Это легко
видно из выражения: Мощность =
Крутящий момент * обороты, где
вместо крутящего момента можно подставить рабочий объём (здесь и
далее я буду убирать константы, т.к.
константы используются только для
пересчёта единиц измерения). Я не
буду объяснять, что и как. Поверьте
на слово. При удвоении рабочего объёма двигателя удваивается его
крутящий момент.
Далее, вместо оборотов можно
подставить 1/ход поршня, т.к. в
наших двигателях мы хотим, чтобы
средняя скорость поршня была одна и та же. Скорость поршня
ограничивает диапазон оборотов
двигателя. В наших расчётах мы
будем использовать скорость поршня
4000 ft/min. Это значит, что красная
зона для двигателя Харлей 88 с ходом поршня 4 дюйма начинается с
6000 об/мин, а для Honda VFR750 с
ходом поршня 1.9 дюйма красная
зона с 12500 об/мин. Оба двигателя
выдают примерно одинаковую
мощность, 90 с чем-то, но у Харлея почти вдвое бОльший крутящий
момент и более низкие обороты.
Теперь сделаем подстановки в
формулу:
Мощность = рабочий объём * 1 / ход
поршня Но
Рабочий объём = квадрат диаметра
цилиндра * количество цилиндров *
ход поршня,
Поэтому
Мощность = квадрат диаметра цилиндра * количество цилиндров Что имеет отношение к поршням
двигателя. Ход поршня не влияет на
мощность, он просто определяет
красную зону для двигателя. Удвойте
ход поршня – и Вы полУчите вдвое
бОльший крутящий момент, но при этом придётся в два раза уменьшить
диапазон оборотов до красной зоны,
чтобы скорость поршня не
превысила скорость поршня при
стандартном ходе поршня.
Удвоенный крутящий момент и вполовину меньшие обороты – и мы
получаем ту же мощность. Если бы
рабочий объём двигателя (а,
следовательно, и крутящий момент)
определял ускорение, то мотоциклы
с большими V-образными двойками были бы самыми быстрыми
мотоциклами на планете, но они
одни из самых медленных. Текущий
рекорд в драг-рейсинге для
мотоциклов-круизеров с V-
образными двухцилиндровыми двигателями составляет 9.8 секунды
при 133 mph. Рекорд установлен
сильно модифицированным
двухцилиндровым круизером
YamahaRoadWarrior. Однако, 20 лет
назад такие же результаты продемонстрировал YamahaVMax со
стандартным двигателем. Почему
так? Потому что область поршней (?
камера сгорания) у v-twin’а почти
такая же, как у
четырёхцилиндрового VMax.”
|