初探發動機的馬力和扭矩(扭矩篇)
上一篇文章,探討了發動機馬力,這次探討下發動機扭矩。
什麼是發動機的扭矩(也有其它的叫法:轉矩,轉勁,扭力?)?
扭矩是力矩的一個特例, 所以要先搞清楚什麼是力矩,
物理學上的定義:力矩是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。
力矩等於轉動半徑與切向作用力的乘積。
M=F*L
M為力矩(矢量),單位:N*M (牛頓*米) ; F是作用力(矢量),單位:N (牛頓); L稱為力臂(矢量,方向由支點指向力的作用線),單位:M (米)
由定義可知力矩的幾個關鍵點:1,力矩用於描述和分析轉動物體。
研究轉動物體的物理規律,單純用力來描述和分析,不方便。 引入力矩這個物理量,能更方便的研究轉動物體的物理規律。
類似於,當人們掌握了加法計算方法,但為了方便計算,引入乘法計算方法,雖然乘法都能用加法來完成。
2,力矩是一種“轉動趨向”,兩個矢量的積,所以它也是個矢量(有大小,且有方向的量,叫矢量)。它的數值等於“轉動半徑與切向作用力的乘積”,因此,這種趨向的強弱,與兩個物理量相關:“轉動半徑”和“作用力”。
3,“轉動軸,支點”。 力矩既然是為研究轉動物體的物理規律而設立的物理量。那麼轉動物體必然有轉動軸或支點, 不同的轉動軸或支點,將決定不同的轉動半徑。也就決定不同的力矩。
如圖1。 F1, F2是作用力,L1 ,L2為力臂 ,O為支點。
其中F1為動力, L1為動力臂, F2為阻力 , L2為阻力臂。
槓桿原理:
當F1 X L1 = F2 X L2 時,
槓桿處於靜止狀態或者勻速轉動的狀態。
省力槓桿:
L1>L2時 ,F1 如拔釘子用的羊角錘、鍘刀,開瓶器,軋刀,動滑輪,手推車 剪鐵皮的剪刀及剪鋼筋用的剪刀等。 費力槓桿: L1 如釣魚竿、鑷子,筷子,船槳裁縫用的剪刀 理髮師用的剪刀等。 等臂槓桿 L1=L2時 ,F1=F2,既不省力也不費力,又不多移動距離, 如天平、定滑輪等。
我們常說的發動機的扭矩,是力矩的一個特例。
力矩與扭矩的區別:二者所涵蓋的範圍不同,力矩的範圍更寬泛,一切力乘以力臂的結果
都可以稱之為力矩。
但是扭矩一般指旋轉的物體所受到的力矩,
舉例來說,活塞推動曲軸旋轉,可稱為扭矩。
扳手扭動螺母,可稱之為扭矩。它們都是力矩的一種。
而用瓶起子開啤酒瓶,一般稱之為力矩,而不能說是扭矩。
發動機曲軸輸出的力矩,我們稱之為發動機的扭矩。
下面看看發動機扭矩從何而來。
發動機曲軸連桿機構裡,同樣遵守這些物理定律,如圖:
圖2中,曲柄兩個中心點的距離“R”就是力臂長度。
作用力由爆炸力對連桿產生的分力傳遞過來。
發動機中,力的傳遞如下:
混合氣在氣缸內燃燒爆炸,產生推動活塞下行的力FG, FG的部分分力,通過連桿,傳遞到曲軸曲柄上的連桿軸頸上,這樣,主軸頸和連桿軸頸之間就形成一個槓桿,支點是主軸頸,動力臂就是R(曲柄兩個中心點的距離)。
假設爆炸力通過連桿軸頸產生的旋轉切向分力為Ft
發動機此時此缸的扭矩T = Ft*R (注意,是此時。每個瞬間,扭矩值T都是不同的,是變化的)
多缸發動機若此時N個缸同時做功,扭矩就是T=N* F
t*R看完以上的介紹,可以發現,發動機扭矩(單位:牛頓*米 ,N*M)是力矩的特例, 是表示發動機曲軸旋轉輸出的力矩, 這個力矩的大小由爆炸力和曲柄長度決定。曲軸旋轉輸出的力矩就是發動機扭矩,這個力矩越大,代表轉動趨向越強,最終輸出到車輪,產生的牽引力就越大。
扭矩和馬力的區別在於,馬力表示的是發動機功率大小,是發動機單位時間內能做多少功。 而發動機要做功,是通過扭矩來完成的。 發動機扭矩,通過各種變速機構,最終輸出到車輪,產生牽引力,使汽車前進。
馬力和扭矩,一個是度量功率的單位,一個是物理名詞,表示轉動趨向的強度。
那麼,馬力和扭矩的關係是什麼呢?
扭矩作用在物體上,使物體發生了轉動,我們就說,扭矩做了“功”。單位時間做功的多少用“馬力”來表示。
有扭矩是做功的前提,但是,有扭矩不一定做功。兩頭牛一起拉磨,如果方向相反,磨就拉不動了,這時是光有扭矩沒做功。
扭矩大是不是功率(馬力)就大呢?不一定。
大車的行駛阻力比較大,小車的行駛阻力比較小,顯然大車需要更大的扭矩,但是大車走100公里用了兩小時,小車走同樣的路程只要半小時,小車的功率就可能比大車大。
想一想用軲轆打井水,用大吊桶,需要的扭矩大,用小吊桶,需要的扭矩小。
但是,如果用小吊桶的人,轉動軲轆的速度快,在同樣的時間裡,小吊桶打上來的水的總量也可以超過用大吊桶的。
所以,對於發動機來說,不能單純的說,馬力大,扭矩就大或者說扭矩大,馬力就大。
要有個附加條件,才能這樣說,這個條件就是:在相同轉速下。
只有在同樣轉速下,才能說扭矩大的發動機, 它的馬力就大。 反過來說也一樣,同樣轉速下,馬力大的的發動機,扭矩就大。
類似於上面軲轆打井水,只有在軲轆轉速相同情況下,才可以說,同樣時間內,大桶打的水比小桶多。
不限定軲轆轉速的話,就不能這樣說,因為用小吊桶的人,如果轉動軲轆的速度快,在同樣的時間裡,小吊桶打上來的水的總量也可以超過大吊桶。
發動機的扭矩和功率,遵循以下的公式:
T=9550P/n
(T為扭矩,單位:牛*米 ;P為功率,單位: 千瓦; n為轉速,單位:轉/分鐘. 可見,轉速一定時,功率和扭矩成正比,功率越大,扭矩越大,反之亦然。)
汽車參數表裡,通常標註 某轉速下的最大扭矩,如下圖:
從表裡可知,此車在3500轉時,能達到最大扭矩110 N*m。
由上面的公式,我們可以算一算,在最大扭矩時,功率是多少?
T=9550P/n =》
P=T*n / 9550 = 110*3500/9550≈40.31 千瓦
上表可見該車最大功率是63千瓦。 當轉速超過最大扭矩轉速3500轉後,功率還在增加,但扭矩卻在下降了。
下一篇文章將探討,為何發動機超過最大扭矩轉速後(上表是3500轉),馬力(功率)在升高, 而扭矩反而開始下降。
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