Крутящий момент, что это и зачем он нужен?
Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.
Что же означает понятие крутящий момент?
Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.
Для наглядности. Если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тем самым силу приложения к баллонному ключу.
Так же если на рычаг метровой длины повесить груз равный 10 кг, то появится крутящий момент равный 10 кгм. В системе СИ это значение (перемножается на ускорение свободного падения — 9,81 м/см2) будет соответствовать 98,1 Нм.
Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.
Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге?
Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя. В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов (с низов) ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику.
Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 – сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть?
Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса.
Как создается крутящий момент в двигателе
В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топливо — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала).
Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень.
До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант – нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно. Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия.
Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.
Наиболее простое решение для увеличения крутящего момента, а следовательно и тяги, это применение турбо или механического наддува, либо применение их в комплексе. Тогда кртящий момент можно уже использовать с 800-1000 об/мин, т.е. практически сразу при нажатие на педаль акселератора. К тому же это закрывает такую проблему, как провалы при наборе скорости, так как величина крутящего момента становится практически одинакова во всем диапазоне оборотов двигателя. Достигается это различными путями:, увеличивают количество клапанов на цилиндр, делают управляемыми фазы газораспределения для оптимизации сгорания топлива, повышают степень сжатия, применяют выпускной коллектор по формуле 1-4 -2-3, в турбинах применяют крыльчатки с изменяемым и регулируемым углом атаки лопаток и т.д.
Мощность и крутящий момент – что это такое простыми словами
В Интернете куча статей, посвященных объяснению того, что такое мощность и крутящий момент автомобильного мотора. Зачем нам тогда писать еще одну? А дело в том, что имеющиеся очень сложные и непонятные. Формулы, расчеты, заумные слова – если подзабыл курс физики со школы, то понять все очень непросто. Поэтому мы решили осветить очень популярную тему и как говорится «на пальцах» рассказать, что и как. Сразу предупредим, определенное упрощение и аналогии, которые мы используем для наглядности, не являются строго научными, а призваны именно продемонстрировать понятия.
Автомобиль и лошадь
Предыстория
Любой мотор начинается с показателя его мощности – во всех рекламных проспектах и документах указана она, с нее же рассчитывается налог и коэффициент ОСАГО. Показатели крутящего момента же можно встретить только в специализированных справочниках, ими интересуется куда как меньшее количество человек. Но это не значит, что мощность важнее, просто так повелось – все считать в л.с.
Кстати, сама «лошадиная сила» это условное понятие, ее вычисляли как количество работы, которое нужно произвести, чтобы поднять 75 кг на 1 метр, способности лошадей тут ни причем. Более того, если загнать реальное животное на динамометрический стенд, то результат у среднестатистической лошади будет около 15 л.с., правда, пока она не устанет, потом ее «мощность» падает. Интересно также, что тип подсчета л.с. в разных странах отличается. В России, чтобы высчитать л.с., нужно мощность мотора в киловаттах умножить на 1,36, а, например, в Англии на 1,34.
На фото — показатели мощности двигателя V10 5.2 FSI
По-хорошему, мощность давно пора считать в киловаттах, как это и должно быть с точки зрения физики, но привычка и маркетинг непобедимы. Как рассказывать покупателям, что твой мотор в 100 кВт это лучше чем 120 л.с. у конкурентов, никто же не поймет. С крутящим моментом проще. Он никогда не был маркетинговым, поэтому всегда измерялся физическими величинами, а именно ньютоны умножить на метры.
1 КВТ — 1,36 л.с.
Определения
Давайте опишем интересующие нас понятия. Сначала скучные физические определения. Мощность – величина, характеризующая мгновенную скорость передачи энергии от одной физической системы к другой. Крутящий момент –величина, характеризующая действие силы на механический объект, которое может вызвать его вращательное движение.
Теперь рассказываем своими словами. Крутящий момент – то, с какой «силой» мотор может вращать колеса, мощность – как быстро он это может делать. «Силу» мы берем в кавычки, потому что используем как бытовое слово, а не как физический термин. Несмотря на то, что мы максимально упростили, все равно как-то не очень понятно, поэтому теперь прокомментируем, что все это значит для реальных водителей.
Крутящий момент
Когда мы жмем на газ чтобы тронуться, двигатель прикладывает «силу», чтобы преодолеть факторы, которые делают машину неподвижной, например, трение, гравитацию, сопротивление ветра и так далее. Для поддержания движения нужна «сила», для набора скорости тоже, да, в общем, для всего нужна, автомобиль же не в космосе, где можно дать импульс и потом лететь пока не затормозишь. Крутящий момент как раз и показывает как много этой условной «силы» двигатель может дать. Чем больше «силы», тем более тяжелые грузы машина может сдвинуть с места, лучше разгоняться, на более крутые горки заезжать, не вязнуть в сыпучих грунтах и так далее. Тут работает простой принцип «чем больше, тем лучше», но говорить об абсолютной цифре в отрыве от транспортного средства нет смысла – чтобы поднять на высокую гору легкий мопед и 20-тонную фуру нужны совершенно разные усилия.
На фото — Jaguar F-Type
Понятие «мощность» на этом плане немного теряется, ведь мы уже сказали, что «силу» мотора определяет крутящий момент, а что еще нужно? А еще нужна динамика, для реальной эксплуатации это, пожалуй, самый важный фактор. Когда мы представляем характеристики машины, то не думаем может ли она разогнаться до определенной скорости (хватит ли у нее для этого «силы»), а думаем сколько времени она тратит на разгон. Чем быстрее – тем комфортнее и безопаснее ездить. Но «крутящий момент» ничего не говорит про время, понятие времени есть только у «мощности».
Мощность мотора
Если очень грубо, то крутящий момент показывает насколько автомобиль может разогнаться, а мощность – как быстро это делает. Для характеристики максимального разгона на пределе, а именно это обычно интересует покупателей, понятие «мощность» оказывается предпочтительнее.
Братья навек
При этом противопоставлять «мощность» и «крутящий момент», что, мол, каждое отвечает за что-то одно неправильно, это мы просто сильно упростили – на самом деле оба понятия работают в паре, а сама мощность в киловаттах – это показатель крутящего момента, умноженный на количество оборотов и разделенный на 9549 (не спрашивайте почему именно это число, просто так считается). Распределение крутящего момента по оборотам – это особенность характеристик мотора, а вот мощность всегда зависит от оборотов. Неудивительно, что любое транспортное средство быстрее всего разгонится если крутить мотор до отсечки, ведь разгон – это мощность, а она живет именно на максимальных оборотах.
Инфографика — kolesa.ru
Но мы не на гоночной трассе, не ездим постоянно с педалью газа в полу. На комфортную езду в повседневном режиме на низких оборотах уже оказывает влияние показатель крутящего момента, ведь чем он выше, тем больше мощность на данных оборотах. Поэтому спор какой из показателей главнее непродуктивен: и «мощность», и «крутящий момент» важны для мотора, они показывают возможности двигателя в разных ситуациях, и оба пригождаются. Тем более, что отделить один показатель от другого весьма проблематично.
Но можно сравнивать показатели разных моторов. Если у двух двигателей одинаковый крутящий момент, но у первого выше мощность, то он гораздо предпочтительнее. В обратной ситуации тоже самое: если мощность одинаковая, но у второго момент выше, то берем второй. Чисто теоретически возможна ситуация, когда у первого мотора будет выше мощность, а у второго – крутящий момент (хотя на практике это очень редкая ситуация), тогда выбирать нужно исходя из задач. Для гоночных треков мотор, у которого больше мощность, для размеренной повседневной езды – мотор с большим крутящим моментом.
Что такое «Крутящий момент»? своими словами.
Представим, что нужно обогнать грузовик. Сейчас вам потребуются все 100 л. с. мотора. Но их нельзя вот так сразу собрать в единый табун. Только постепенно: сначала двигатель раскрутится до 4000 об/мин — и поголовье под капотом увеличится примерно до 70 л. с. Затем стрелка тахометра доберется до отметки 5000 об/мин — в вашем распоряжении окажутся 90 лошадей. И только когда мотор достигнет пика, скажем в 6000 об/мин, педаль акселератора будет повелевать полноценными, обещанными по паспорту 100 лошадиными силами.
В таких ситуациях и вступает в игру крутящий момент (КМ) . Это «пастух» , который на разгоне «сгоняет» в единую упряжку все лошадиные силы мотора. Чем больше КМ, тем быстрее двигатель набирает обороты. И тем скорее собирается в единый кулак вся мощь мотора. И соответственно, тем лучше ускоряется автомобиль.
Второй важный нюанс — обороты, на которых мотор развивает максимальный КМ. Скажем максимум выдается при 4000 об/мин. До них и нужно раскрутить двигатель, чтобы рассчитывать на приличное ускорение. А разгоняться придется с тех самых 2000–3000 об/мин, которые поддерживаются при нормальной езде. Здесь-то и теряется время, столь драгоценное при том же обгоне.
Другое дело, если максимальный КМ двигатель выдает, скажем, при 2000 об/мин. Тогда нет проблем. Вы просто давите на газ, и машина сразу напористо набирает ход, не теряя времени на раскрутку мотора. Теперь ясно, почему выгодно, чтобы двигатель выдавал много КМ на низких оборотах? И почему «…очень хорошо, что мотор развивает максимальные 200 Hм всего при 1750 об/мин» ? В последнем контексте упор делается не столько на КМ как таковой, сколько на завидно малые обороты, при которых он развивается. Такие двигатели называют «тяговитыми».
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.
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.