Связь мощности и крутящего момента: Что важнее — крутящий момент или лошадиные силы?

Содержание

Что важнее — крутящий момент или лошадиные силы?

Обычно при оценке характеристик того или иного автомобиля в первую очередь мы обращаем внимание на мощность двигателя или количество лошадиных сил. Но не менее важной характеристикой является крутящий момент. Давайте разберемся, в чем разница между ними.

Появившаяся задолго до первого механического транспортного средства «лошадиная сила» условна, так как определяет относительный уровень производительности среднестатистической лошади путем определения работы, необходимой для поднятия 75–килограммового груза на один метр за одну секунду.

Шотландский инженер Джеймс Уатт ввел новую единицу измерения мощности в лошадиную силу, но в системе СИ единицу мощности назвали уже в его честь — ватт (Вт). 1 киловатт (кВт) равен 1,36 л. с. Но в обычной жизни лошадиные силы оказались как-то ближе к народу, поэтому мы получаем письма с налогом за количество лошадиных сил в наших автомобилях, а не за киловатт и хвастаемся друзьям именно количеством«лошадей». Лошадиная сила остается очень популярной внесистемной единицей измерения мощности для транспортных средств. Кстати, типичная лошадь имеет предельную мощность порядка 13–15 лошадиных сил, как это ни забавно. Во всяком случае, на диностенде в режиме 5–минутной нагрузки она может выдать примерно столько. А тягловые тяжеловесы способны выдать даже в даже за 25 сил на такой отрезок времени.

А сам автомобиль тянет вперед не сама мощность, а крутящий момент, выдаваемый силовым агрегатом. И именно с ним мы сталкиваемся каждый день в обычной жизни чаще. Например, открывая крышку пластиковой бутылки, вы используете именно крутящий момент, именуемый также моментом силы или вращательным моментом. Ведь вряд ли вы проверяете, как быстро открутили крышку?

Крутящий момент измеряется в ньютон-метрах (Н·м). И он тесно связан с мощностью, ведь для двигателя с вращающимся валом мощность на любых оборотах легко рассчитать, зная момент. И наоборот, зная мощность, можно подсчитать момент. Упрощенная формула его расчета выглядит так:

P = M x 9549 x N

и, соответственно:

M = P х 9549 / N,

где P — это мощность двигателя в киловаттах (кВт), а N — это количество оборотов коленчатого вала в минуту.

Мощность демонстрирует количество работы, которое выполняет двигатель за промежуток времени, а крутящий момент отражает способность силового агрегата эту работу совершить. Например, ускорение машины в каждый момент времени при постоянном передаточном отношении трансмиссии пропорционально крутящему моменту. А вот время разгона с одной скорости до другой, именно мощности двигателя в этом диапазоне оборотов, иначе говоря, проделанной работе. В общем-то, всем изучавшим физику в школе это покажется очевидным, но, к сожалению, не все помнят или не соотносят знания теоретического курса и примеры из реальной жизни.

Уверен, многие автолюбители даже не обращают внимание на значение крутящего момента в списке технических характеристик автомобиля и на обороты, при которых он достигается. А ведь чем выше крутящий момент и с чем более низких оборотов он достигается, тем приятнее и «эластичнее» ощущается двигатель, тем выше его реальная мощность на промежуточных режимах. Именно поэтому дизельные двигатели с турбонаддувом зачастую кажутся более приятными в обращении, чем более форсированные атмосферные бензиновые, которые необходимо «крутить» в отсечку ради достижения максимальной динамики разгона. И именно по этой причине тот, кто вкусил радости хорошего двигателя с турбонаддувом, уже не очень хочет пересаживаться на атмосферные, которые даже при схожей мощности «едут» ощутимо хуже.

Почему же такое внимание уделяется именно максимальной мощности? Дело в том, что владельца машины редко волнует максимальное ускорение автомобиля на скорости 20 или 30 километров в час, как физическая величина. Его, скорее всего, интересует динамика разгона в диапазоне 0–100, 80–120 или 100–200, а не абстрактное ускорение. А в этом случае речь идет о приращении кинетической энергии автомобиля, а значит, о проделанной двигателем работе. Которая зависит именно от мощности. В случае с идеальной трансмиссией проделанная работа будет прямо пропорциональна максимальной мощности мотора.

Вот только машин с идеальными трансмиссиями не бывает, если это не карьерные самосвалы с электропередачей, а значит, важна не только максимальная мощность, но и мощность во всем диапазоне оборотов, в котором вынужденно будет работать двигатель при таком разгоне. Оценить ее можно по графику внешней скоростной характеристики автомобиля, так называемой ВСХ, зная передаточное отношение трансмиссии на каждой передаче и предельные обороты мотора. А косвенно понять, насколько мощным будет мотор на промежуточных оборотах, позволяют именно данные по максимальному крутящему моменту и оборотам, при которых он достигается. Ведь чем выше момент на всех оборотах ниже максимальной мощности, тем ближе мощность на этих оборотах к максимально возможной и тем большую работу сможет проделать двигатель. Сложно? Тогда просто используйте эмпирическое правило, упомянутое выше.

Главное, помните, что мощность и крутящий момент — зависящие друг от друга величины, поэтому всегда важно и то, и другое.

График мощности и крутящего момента

График мощности и крутящего момента — о чем он говорит?


Пример графика мощности и крутящего момента, полученный со стенда для испытания двигателей PowerTest.

Начнем с определений:

МОЩНОСТЬ (POWER, HORSEPOWER)  — это работа, проделанная за единицу времени. Речь идет в данном случае о механической мощности, которая при вращении вала вокруг своей оси описывается выражением:


Где

  • ω — угловая скорость вращения вала
  • M — крутящий момент
  • π — число ~ 3.1416
  • n — частота вращения, измеряемая в оборотах в единицу времени (в данном случае  одна минута).

Важно отметить что  мощность в этой формуле получается в ваттах, для получения результата   в  лошадиных силах мощность в кВт необходимо умножить на коэффициент 0,735499.

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ (TORQUE) — это произведение  силы в Н, которая приложена к валу не напрямую, а через рычаг (плечо)  длиной 1 м, прикрепленный к валу (точка измерения крутящего момента), отсюда и единица измерения Н*м. При такой нагрузке происходит деформация вала ,только не изгиб, который был бы при нулевой длине плеча, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга  на определённые углы, тем большие, чем больше   приложенная сила, или чем больше рычаг при одной и той же силе. По этой причине момент называют крутящим. Не следует ожидать, что вы увидите эту закрутку стального вала диаметром, например, 20 мм, нанеся перед нагрузкой на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных приборов, измерителей крутящего момента.


ОБОРОТЫ (RPM — Revolutions Per Minute) — здесь все еще проще, это число оборотов, которое совершает ВАЛ за одну минуту. Измеряется в об/мин.

Часто кажется, что люди не вполне понимают разницу между МОЩНОСТЬЮ и МОМЕНТОМ, тем более, последние связаны друг с другом через еще один ключевой параметр, как на стенде испытаний двигателя, так и в условиях реальной эксплуатации. Это угловая скорость вращения вала.


Ответить на этот вопрос можно, но это не гарантирует что заказчик получит желаемый результат. Потому что в вопросе отсутствует информация о скоростных режимах испытываемого на стенде двигателя.

И вопрос обычно задается так, как будто мощность и крутящий момент понятия  если не взаимоисключающие, то по меньшей мере не связанные друг с другом.


На самом деле, все наоборот, и необходимо принимать во внимание данные факты:
  • МОЩНОСТЬ (скорость выполнения РАБОТЫ) зависит от МОМЕНТА и СКОРОСТИ  ВАЛА(ОБОРОТОВ В МИНУТУ).
  • МОМЕНТ и ОБОРОТЫ В МИНУТУ — ИЗМЕРЕННЫЕ параметры, однозначно определяющие мощность двигателя.
  • Мощность рассчитывается из крутящего момента и оборотов, по следующей формуле:
  • МОЩНОСТЬ в Л.с. = КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ х ОБОРОТЫ ÷ 5252

Почему это важно?

При выборе нагружающего устройства это критически важно, так как одну и ту же мощность  двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об/мин (дизельный двигатель), так  и на 20 000 об/мин (двигатель гоночного мотоцикла). Для каждого типа двигателя необходимо подбирать соответствующее нагружающее устройство. А иногда даже не одно, а тандем из двух, первое из которых работает при низких оборотах, а второе при высоких. Если речь идет об испытаниях вновь создаваемых двигателей с широким скоростным диапазоном  вращения вала.

Дизельный двигатель и двигатель гоночного мотоцикла.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) превращает энергию, выделившуюся при сгорании топлива в работу движения поршня, тот в свою очередь передает ее на коленчатый вал, который может создавать определенный КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ при заданных оборотах. Величина крутящего момента, который может создать двигатель, обычно существенно зависит от оборотов. 

Для разных двигателей эти параметры будут разными в зависимости от геометрических параметров КШМ (кривошипно-шатунного механизма), типа топлива, массы деталей, формы распределительных валов, системы впрыска топлива и управления зажиганием и т.д.

Для маленьких и мощных двигателей необходимо использовать высокооборотистые гидротормоза и индуктивные тормоза

Ниже представлены графики различных гидротормозов для испытания двигателей.

Кривая нагружения для высокооборотистого гидротормоза.

А для больших дизельных двигателей используются гидротормоза, выдающие максимальное тормозное усилие и мощность на низких оборотах

Кривая нагружения гидротормоза для испытания мощных дизельных двигателей.

Что это означает на практике?

Если отойти от теории, то график мощности и крутящего момента — это основные характеристики двигателя. Когда вы въезжаете на своем автомобиле в горку и пытаетесь поддерживать одну и ту же скорость, вам приходится сильнее нажимать на педаль газа. Многим при этом кажется, что мощность останется та же, т.к. скорость не меняется. Но это не так!

При движении в горку двигатель выдает большую мощность при тех же оборотах.
(при неизменной передаче). Это легко проверить, взглянув на текущий расход топлива.

Также это объясняет, зачем двигателю нужна коробка передач, ведь для эффективного разгона  и преодоления подъёмов нам необходимо поддерживать обороты в диапазоне максимальной мощности двигателя.

А вот электромобили обходятся без нее. Кривая крутящего момента и мощности у электродвигателя намного более линейна, и  к тому же электродвигатель выдает куда большую мощность на низких оборотах.

Зачем измерять мощность и крутящий момент?

Во-первых это необходимая процедура при разработке и сертификации любого нового двигателя.

Во-вторых эти данные помогут  при дальнейшей настройке и доработке двигателя, чтобы добиться наилучших эксплуатационных характеристик.

В третьих кривая мощности и крутящего момента, если её сравнить с паспортной — это прямой показатель технического состояния любого двигателя.

Графики мощности дизельного двигателя до ремонта и после ремонта, полученные с испытательного стенда на базе гидротормоза, который можно приобрести в нашей компании.

Мощность и вращающий момент электродвигателя. Что это такое?


Мощность и вращающий момент электродвигателя

Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.

Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.



А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.



Вращающий момент (T) — это произведение силы на плечо силы. В Европе он измеряется в Ньютонах на метр (Нм).



Как видно из формулы, вращающий момент увеличивается, если возрастает сила или плечо силы — или и то и другое. Например, если мы приложим к валу силу в 10 Н, эквивалентную 1 кг, при длине рычага (плече силы) 1 м, в результате, вращающий момент будет 10 Нм. При увеличении силы до 20 Н или 2 кг, вращающий момент будет 20 Нм. Таким же образом, вращающий момент был бы 20 Нм, если бы рычаг увеличился до 2 м, а сила составляла 10 Н. Или при вращающем моменте в 10 Нм с плечом силы 0,5 м сила должна быть 20 Н.




Работа и мощность

Теперь остановимся на таком понятии как «работа», которое в данном контексте имеет особое значение. Работа совершается всякий раз, когда сила — любая сила — вызывает движение. Работа равна силе, умноженной на расстояние. Для линейного движения мощность выражается как работа в определённый момент времени.

Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).



Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.



Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.

Приведем единицы измерения к общему виду.



Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.



Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.



Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.



Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.

Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:



Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.




Потребляемая мощность электродвигателя

Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.



В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).

Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.

И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.


Момент электродвигателя

Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.

Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.



Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.



Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.

Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.

Блокировочный момент (Мблок): Максимальный вращающий момент — момент, который создаёт электродвигатель переменного тока с номинальным напряжением, подаваемым при номинальной частоте, без резких скачков скорости вращения. Его называют предельным перегрузочным моментом или максимальным вращающим моментом.

Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.


Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.



Постоянный вращающий момент

Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.



Переменный вращающий момент и мощность

«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.

Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.

Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.



Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.

Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.

В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.

Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.

Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.



На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.



Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:

Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.



В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.

Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.


Соответствие электродвигателя нагрузке

Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.

Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.



Если мы посмотрим на характеристику , то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.



Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.

Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.



Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.


Время пуска электрдвигателя

Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.



Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:



tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.

Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.



Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:







Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.


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.


Мощность и КПД (eta) электродвигателя

Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.

При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.



P1 (кВт) Входная электрическая мощность насосов — это мощность, которую электродвигатель насоса получает от источника электрического питания. Мощность P! равна мощности P2, разделённой на КПД электродвигателя.

P2 (кВт) Мощность на валу электродвигателя — это мощность, которую электродвигатель передает на вал насоса.

Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.

Р4 (кВт) Гидравлическая мощность насоса.

Что такое крутящий момент двигателя автомобиля: определение, формула

Автоликбез29 сентября 2019

Среди всех важных параметров двигателя авто наиболее показательным является мощность. Автолюбители часто оперируют «лошадиными силами» и забывают про еще один важный параметр, характеризующий машину – крутящий момент двигателя. Хотя данный показатель считается менее значимым, он определяет, насколько резким будет старт и дальнейшее ускорение авто.

Понятие крутящего момента двигателя

КМ можно представить как показатель силы вращения коленвала. Перед тем, как в нем разобраться, начнем с мощности и количества оборотов, а также разберем, почему все эти параметры взаимосвязаны. Первая характеристика подразумевает работу, которая производится за временную единицу. Под работой подразумевается преобразование энергии сгорания топлива в кинетическую. Вторая характеристика говорит о количестве оборотов вала в минуту. Ну, а крутящий момент можно назвать производной от этих характеристик величиной.

Учитывая принятую систему измерения силы в ньютонах (Н), а длины в метрах (м), крутящий момент измеряется в «Нм», поскольку речь о силе, прикладываемой к поршню и длине плеча коленчатого вала. Чем больше эта величина, тем выше динамика авто, соответственно, тем быстрее оно развивает заявленное количество «лошадок».

От чего зависит величина крутящего момента двигателя?

  • радиус кривошипа коленвала;
  • давление, создаваемое в цилиндре;
  • поршневая площадь;
  • объем.

По большей части, величина будет зависеть от объема ДВС: с его увеличением будет расти сила, которая воздействует на поршень. Конечно, немаловажную роль играет и радиус кривошипа, но учитывая конструктивные особенности современных двигателей, варьирование этой величины возможно только в небольших пределах. Также стоит сказать о зависимости от давления: чем оно больше, тем больше прикладываемая сила.

Формула расчета крутящего момента

Сначала посмотрим на формулу расчета мощности:

Р(мощность, кВт) = М(крутящий момент, Нм) х n (число оборотов в минуту) / 9550.

Расчет КМ выглядит следующим образом:

М(крутящий момент, Нм) = Р(мощность, кВт) x 9550 / n (число оборотов в минуту).

Дабы рассчитать нужные величины и не запутаться, достаточно воспользоваться конвертером, который доступен на многих автолюбительских сайтах.

Как измеряется крутящий момент?

Для этого достаточно взглянуть на техническую документацию своего авто. Но реальные измерения также доступны: необходимо использовать специальные датчики. Они позволят провести статические и динамические измерения.

Измерение заключается в создании ситуации, где двигатель набирает максимальные обороты, затем тормозится: в процессе создается график, демонстрирующий максимальный момент мотора в момент нажатия на тормоз. Сначала показатель будет небольшим, затем будет наблюдаться рост, достижение пика и падение.

СТО должны оснащаться профессиональными тензометрами: все измерения обрабатывает специальное ПО, а результаты отображаются в виде графиков. Основная сложность в измерении КМ – достичь высокой точности показаний. Устаревшие контактные, светотехнические или индукционные тензометры не обеспечивали должной эффективности, поэтому в настоящий момент используются измерители в виде компактного передатчика, закрепляемого на вал: он передает данные на прибор-приемник, предоставляющий данные, не нуждающиеся в обработке.

Мощность или крутящий момент – что важнее?

Для решения этой дилеммы необходимо понять несколько фактов:

  • мощность имеет линейную зависимость от частоты оборотов коленвала: быстрее вращение – больше показатель;
  • мощность – производная КМ;
  • до определенного значения рост КМ зависим от числа оборотов: быстрее вращение – выше КМ. Но преодолев пиковое значение, он снижается.

Отсюда можно прийти к выводу, что крутящий момент – приоритетный параметр, характеризующий возможности мотора. В то же время, нельзя пренебрегать мощностью: это значит, что производители автомобилей должны настроить работу агрегата таким образом, чтобы соблюдался баланс этих величин.

Как можно увеличить крутящий момент двигателя?

  1. Смена коленчатого вала. К недостатка метода можно отнести тот факт, что это редкая для многих марок авто деталь: часто ее делают на заказ. Кроме того, это снизит долговечность двигателя.
  2. Расточка цилиндров. Более популярный метод, основанный на увеличении объема цилиндра. Метод доступен в большинстве автосервисных мастерских.
  3. Настройка карбюратора. Зачастую используется в дополнение к расточке.
  4. Увеличение турбонаддува. Доступно в моделях с турбированным двигателем. Тем не менее, снимая ограничения в блоке, который отвечает за управление компрессором – достаточно опасный способ, снижающий запас нагрузок в моторе. Тем, кто на него решается, также приходится прибегать к увеличению камеры сгорания, улучшению охлаждения, регулировке впускного клапана и смене распредвала, коленвала и поршней.
  5. Изменение газодинамики. Еще один метод, который по плечу только профессионалам. К тому же, убирая ограничения можно столкнуться не только с выросшей динамикой, а и с ухудшением сцепления.
  6. Использование масляного фильтра. Простой способ, снижающий засорение двигателя и продлевающий срок эксплуатации его запчастей.

Как видно, мотор – это сложный агрегат. Он уже рассчитан с использованием сложных инженерных формул и технологий, а значит, увеличение характеристики крутящего момента нежелательно. Если желание все же есть, стоит обратить внимание на два первых пункта. Можно, конечно, попытаться устранить заводские дефекты: убрать в камерах сгорания непродуваемые зоны и убрать в стыках заостренные углы, а также, неровности на клапанах. Но придется доверить эти операции специалистам своего дела.

Отдельно стоит сказать о так называемых усилителях КМ: их принцип основан на отборе мощности уменьшением оборотов, что не лучшим способом сказывается на долговечности конструкции. Подобные решения не увеличивают КМ, а позволяют его плавно менять на постоянных оборотах.

Какому двигателю отдать предпочтение?

В настоящий момент к привычным ДВС на дизельном топливе или бензине добавились еще и электродвигатели. Во всех этих конструкциях крутящий момент двигателя может кардинально отличаться.

Бензиновый двигатель

Действие основано на впрыске и формировании воздушно-топливной смеси с последующим возгоранием от искры свечей зажигания. Процесс происходит при температуре в 500 градусов, а коэффициент сжатия находится в районе 10 единиц.

Дизельный двигатель

Здесь коэффициент сжатия достигает уже 25 единиц, а температура составляет 900 градусов. При таких условиях смесь воспламеняется без необходимости в использовании свечей.

Электродвигатель

Пожалуй, самый простой и прогрессивный вариант, который лучше вообще исключить из списка. Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель работает по другому принципу, кардинально отличающемуся от традиционных ДВС. Здесь пикового КМ в 600 Нм можно достичь на любой скорости. Если же говорить о «лошадях», у Теслы их количество составит 416.

Но пока электрокары не получили повсеместного распространения. И если этот вариант по каким-либо причинам недоступен, рассмотрим особенности бензиновых и дизельных агрегатов. При одинаковых объемах первый способен давать высокую скорость, второй – быстрый разгон.

В заключение

Как уже отмечалось, КМ требует внимания непосредственно при выборе авто. Зная ключевые особенности двигателей, теперь не составит труда определиться с выбором. Что до увеличения значений крутящего момента в имеющейся машине, не стоит забывать о балансе, заложенном производителем, и уж тем более нежелательно прибегать к кардинальным мерам. Увеличение динамики можно рекомендовать только в силовых агрегатах, причем КМ должен располагаться в диапазоне, где он может достигать пиковых значений. Как бы там ни было, планомерное распространение электрокаров вскоре может избавить от мук выбора. А пока, лучше быть осведомленным в технических деталях машины, как минимум, это позволит не теряться среди вопросов коллег-автолюбителей.

Мощность через момент и обороты формула

Мощность двигателя – это величина, показывающая, какую работу способен совершить мотор в единицу времени. То есть то количество энергии, которую двигатель передает на трансмиссию за определенный временной промежуток. Измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с.).

Как рассчитывается мощность двигателя?

Расчет мощности мотора проводится несколькими способами. Самый доступный способ – через крутящий момент. Умножаем крутящий момент на угловую скорость – получаем мощность двигателя.

N_дв=M∙ω=2∙π∙M∙n_дв

N_дв – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент, Нм;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/сек;

π – математическая постоянная, равная 3,14;

n_дв – частота вращения двигателя, мин-1.

Мощность рассчитывается и через среднее эффективное давление. Камера сгорания имеет определенный объем. Разогретые газы воздействуют на поршень в цилиндре с определенным давлением. Двигатель вращается с некоторой частотой. Произведение объема двигателя, среднего эффективного давления и частоты вращения, поделенное на 120, и даст теоретическую мощность двигателя в кВт.

N_дв=(V_дв∙P_эфф∙n_дв)/120

V_дв – объем двигателя, см3;

P_эфф – эффективное давление в цилиндрах, МПа;

120 – коэффициент, применяемый для расчета мощности четырехтактного двигателя (у двухтактных ДВС этот коэффициент равен 60).

Для расчета лошадиных сил киловатты умножаем на 0,74.

N_(дв л.с.)=N_дв∙0,74

N_дв л.с. – мощность двигателя в лошадиных силах, л. с.

Другие формулы мощности двигателя используются в реальных расчетах реже. Эти формулы включают в себя специфичные переменные. И чтобы измерить мощность двигателя по другим методикам, нужно знать производительность форсунок или массу потребленного двигателем воздуха.

На практике расчет мощности автопроизводители выполняют эмпирическим способом, то есть замеряют на стенде и строят график зависимости по факту, на основании полученных во время испытаний показателей.

Мощность двигателя – величина непостоянная. Для каждого мотора есть кривая, которая отображает на графике зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала. До определенного пика, примерно до 4-5 тысяч оборотов, мощность растет пропорционально оборотам. Далее идет плавное отставание роста мощности, кривая наклоняется. Примерно к 7-8 тысячам оборотов мощность идет на спад. Сказывается перекрытие клапанов на большой частоте вращения коленвала и падение КПД мотора из-за недостаточно интенсивного газообмена.

Чтобы узнать мощность двигателя, обратитесь к инструкции по эксплуатации авто. В разделе с техническими характеристиками мотора будет указана мощность и обороты, при которых она достигает пикового значения. Если мощность указана киловаттах, чтобы рассчитать лошадиные силы двигателя, воспользуйтесь приведенной выше формулой. В некоторых случаях автопроизводитель предоставляет график, на котором есть зависимость мощности двигателя и крутящего момента от частоты оборотов.

Видео: Простыми словами без сложных формул и расчетов, что такое мощность, крутящий момент и обороты двигателя.

Мощность ДВС определяет, насколько быстро автомобиль способен передвигаться или ускоряться (совершать работу). Полезная мощность двигателя рассчитывается с учетом потерь в трансмиссии, то есть указывает, сколько от изначальной мощности мотора по факту доходит до колес авто.

Что такое крутящий момент

Крутящий момент в двигателе автомобиля – это вращающая сила, которая численно равна произведению приложенной силы (давление раскаленных газов на поршень) на плечо (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала в проекции, перпендикулярной оси вращения коленвала). Измеряется крутящий момент в ньютонах на метр (Нм).

Крутящий момент ДВС зависит от силы давления на поршень и расстояния между коренными и шатунными шейками. Зависимость здесь прямая. Чем больше плечо и чем больше давление на поршень – тем больше крутящий момент двигателя.

У дизельных двигателей степень сжатия больше. Больше и ход поршня в цилиндре (при равном с бензиновым мотором диаметре цилиндров). А это значит, что и расстояние между коренными и шатунными шейками будет больше. То есть длиннее плечо. За счет большей степени сжатия при рабочем такте у дизелей выше сила, давящая на поршень. Крутящий момент в дизельных моторах при прочих равных больше, чем в бензиновых.

Крутящий момент влияет на то, сколько энергии отдает мотор в текущий момент времени. Крутящий момент есть та величина, которая определяет фактически передаваемую в данный момент времени энергию на трансмиссию. Чем больше момент, тем сильнее тяга двигателя при текущих оборотах.

Что лучше: мощность или крутящий момент

Мощность и крутящий момент двигателя – величины взаимосвязанные. Это хорошо видно в формуле из первого пункта.

Пик крутящего момента на графике зависимости от частоты вращения мотора появляется раньше, чем пик мощности. Это справедливо как для дизельных, так и для бензиновых моторов. Однако у дизелей крутящий момент достигается раньше, и плато (интервал частоты вращения при пиковом значении) длиннее. У бензиновых ДВС мощность выше, хотя для ее достижения нужно раскрутить мотор почти до максимальных оборотов.

Сказать определенно, что лучше: мощность или крутящий момент, нельзя. Все зависит от случая. Трансмиссия современного авто способна трансформировать эти величины под требуемые условия. Поясним на примерах.

Для тяжелой техники, которой важна тяга в широком диапазоне оборотов, важнее крутящий момент. Мотор должен хорошо тянуть. Раскручивать его до предельных оборотов не нужно. Отчасти поэтому почти вся коммерческая техника оснащается дизельными моторами.

В гоночных автомобилях важнее мощность. Моторы этих авто по оборотам пилоты во время заездов держат в красной зоне. Двигатель отдает максимальную мощность. А трансмиссия преобразовывает мощность в тягу.

Для гражданских авто важен стиль вождения. Для езды на автомате подойдут оба мотора. Автоматическая трансмиссия будет держать мотор в диапазоне оборотов, при которых двигатель отдает максимум своего потенциала.

Для агрессивной езды на механике с раскручиванием двигателя в красную зону тахометра лучше подойдет бензиновый мотор. Но в этом случае нужно понимать, что для получения максимальной производительности от мотора потребуется держать его на пике оборотов и часто переключать передачи. Пик мощности у бензинового ДВС имеет малый диапазон и находится около максимальных оборотов. Для уверенных обгонов и ускорений нужно будет понижать передачу и раскручивать двигатель.

Для размеренной езды, особенно в городе, больше подходит дизель. Для обгона на дизельном авто зачастую не потребуется переходить на пониженную передачу, а высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов позволит реже переключаться.

Материал подготовлен автором проекта АвтобурУм. Графики можно увидеть здесь: https://autoburum.com/user/stas90/blog/609-moshhnost-dvigate.

Большинство автолюбителей судят о ходовых характеристиках авто по мощности двигателя. Обычно ее измеряют в киловаттах или лошадиных силах. Чем она больше, тем солиднее. Максимальную мощность двигатель внутреннего сгорания развивает на определенных оборотах. Обычно для бензиновых автомобилей это около 6000 оборотов в минуту, для дизельных – около 4000 об./мин. Именно поэтому дизельные движки относятся к классу низкооборотных, бензиновые – высокооборотные. Однако и среди бензиновых двигателей есть низкооборотные, и наоборот – есть дизельные высокооборотные.

Часто водитель сталкивается с ситуацией, когда необходимо придать авто значительное ускорение для выполнения очередного маневра. Жмешь педалью акселератора в пол, а автомобиль практически не ускоряется. Вот тут-то и нужен мощный крутящий момент на тех оборотах, на которых работает в данный момент двигатель. Именно он характеризует приемистость автомобиля. Поэтому каждый автовладелец должен знать, на каких оборотах его авто имеет максимальный крутящий момент перед тем, как садить красивую девушку в свою машину и показывать чудеса пилотирования.

Крутящий момент двигателя, что это?

Из курса физики за 9 класс многие помнят, что крутящий момент М равен произведению силы F, прикладываемой к рычагу длиной плеча L. Формула:

Длина в системе СИ измеряется в метрах, сила – в ньютонах. Нетрудно определить, что момент измеряется в ньютон на метр.

Основная сила в двигателе внутреннего сгорания вырабатывается в камере сгорания в момент воспламенения смеси. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм коленвала. Рычагом здесь является длина кривошипа, то есть, если эта длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличивается. Однако, увеличивать кривошипный рычаг бесконечно нельзя. Во-первых, тогда надо увеличивать рабочий ход поршня, то есть размеры движка. Во-вторых, при этом уменьшаются обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма применяют в крупномерных плавательных средствах. В легковых авто с небольшими размерами коленвала не поэкспериментируешь.

В технических характеристиках, указанных на модель двигателя, параметр максимального крутящего момента указывается совместно с величиной оборотов (либо пределами величин оборотов), при которых такой крутящий момент может быть достигнут. Обычно считается: если максимальный крутящий момент может быть достигнут на оборотах до 4500 об./мин., то двигатель низкооборотный, более 4500 – высокооборотный.

От величины крутящего момента напрямую зависит характеристика мощности двигателя автомобиля. Почему считается, что бензиновые движки заведомо могут обеспечить большую, чем дизельные, мощность. Дело в том, что в силу конструктивных особенностей и управляемости системы зажигания бензиновые двигатели могут длительное время работать на оборотах 8000 об./мин и более. Дизельные движки достигают максимального крутящего момента на более низких оборотах. В городском ритме движения, когда нет необходимости развивать предельные обороты, дизельные авто нисколько не уступают бензиновым, наоборот, на малых и средних оборотах спокойно можно двигаться в ритме от 30 до 60 км/час, не переключая третью либо 4-ю передачу.

Пересчитать крутящий момент в мощность двигателя и наоборот можно, руководствуясь упрощенной физической формулой:

По этой формуле получится мощность Р в киловаттах. Вводить надо М – крутящий момент двигателя в ньютон на метр, n– величина оборотов двигателя. Здесь 9549 — число, которое получается после упрощения основной формулы в результате перемножения констант (ускорения свободного падения, числа Пи и т.п.).

Для перевода киловатт в лошадиные силы следует результат умножить на 1,36. В некоторых случаях в технических характеристиках указывается крутящий момент на холостых оборотах.

Зависимости мощности двигателя и крутящего момента от количества оборотов

Типовые характеристики зависимости мощности и крутящего момента от оборотов двигателя приведены на рис.1

Из графика видно, что крутящий момент стабильно увеличивается до 3000 оборотов, затем наступает относительно пологий участок. На оборотах около 4500 об/мин достигается максимум крутящего момента около 178 ньютон*метр. В то же время мощность двигателя продолжает расти до достижения оборотов около 5500 об/мин, и на этих оборотах достигает около 124 лошадиных сил. Это понятно, если обратиться к формуле, в которой видно, что мощность пропорциональна произведению крутящего момента на величину оборотов. После 5500 оборотов в минуту уменьшение крутящего момента превышает крутизну увеличения оборотов, и мощность начинает уменьшаться.

Как это объяснить физически, то есть, без формул. На малых оборотах в область сгорания поступает небольшое количество воздушно-топливной смеси в единицу времени, соответственно, крутящий момент и мощность небольшие. Увеличивая обороты, количество смеси (а вслед за ним и мощность, крутящий момент) возрастает. Достигая больших значений, мощность уменьшается по следующим причинам:

механические потери на трение механизмов;

недостаточное нагнетание воздуха (кислородное голодание).

Из соображений обеспечения максимального количества поступающего воздуха (кислорода) в камеру сгорания даже на небольших оборотах двигателя применяют системы турбонаддува с электронным регулированием. Используя такие системы можно обеспечить равномерность характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя, как показано на рис.2

Уровень максимального крутящего момента около 242 ньютон на метр поддерживается в пределах от 2000 до 5000 об/мин коленвала. Это значит, что можно без волнений начинать обгон, двигаясь на относительно низких оборотах двигателя.

Высокооборотные движки позволяют максимально увеличивать мощность за счет уверенной работы на предельно высоких оборотах вплоть да 8000 об/мин, как показано на рис.3

Если вы серьезно подходите к динамическим характеристикам своего или вновь приобретаемого автомобиля, знать характеристики крутящего момента и мощности двигателя в зависимости от оборотов просто необходимо. Их можно найти, покопавшись на различных форумах, сайтах автодилеров и производителей.

Для городского ритма движения лучше подойдут низкооборотные двигатели с турбонаддувом. Если вы любите попалить резину, посоперничать на трассе, лучше выбрать автомобиль с высокооборотным бензиновым движком.

Можно ли увеличить крутящий момент двигателя

Величину необходимого крутящего момента определяют конструкторы еще на предварительном этапе конструкторской разработки двигателя внутреннего сгорания. От нее зависят и другие элементы автомобиля: подвеска, тормозная и рулевая система, аэродинамика. Поэтому, прежде чем приступить к самостоятельному форсированию двигателя, убедитесь, что ваша машина не развалится или не улетит в космос на умощненном двигателе.

Способов увеличения крутящего момента и, соответственно, мощности много:

изменение геометрических свойств поршневой группы, увеличение компрессии;

замена форсунок или инжекторов;

внесение изменений в систему воздухозабора;

чип-тюнинг путем перепрограммирования топливной карты блока управления двигателя.

Опыт показывает, что принудительное увеличение крутящего момента и мощности двигателя на 20% уменьшает ресурс его работы приблизительно в два раза. Поэтому, если вы не фанат дрэг-рейсинга, дрифтинга и красивых девушек, лучше не экспериментировать.

Этот калькулятор позволяет перевести мощность и момент силы и обратно для заданной угловой скорости

Ниже два калькулятора, которые переводят мощность в момент силы (или крутящий момент) и наоборот для заданной угловой скорости. Формулы под калькулятором.

Момент силы и мощность

Мощность и момент силы

Несколько формул/
Для мощности:

где P — мощность (Ватты или килоВатты), τ — крутящий момент (Ньютон-метр), ω — угловая скорость (радиан в секунду), а точка обозначает скалярное произведение.
Для момента силы:

Угловая скорость в калькуляторе задается в оборотах в минуту, приведение ее к радианам в секунду тривиально:

что такое, формула и в чем измеряется

На чтение 9 мин. Просмотров 2.6k.

Мощность двигателя – важнейший его показатель. Как в плане эксплуатации, так и в плане начисления налогов на авто. Крутящий момент нередко путают с мощностью или упускают его из виду в процессе оценки ходовых качеств авто. Многие упрощают автомобиль, считая, что большое количество лошадиных сил – главное преимущество любого мотора. Однако, вращающий момент – более важный показатель. Особенно, если автомобиль не предполагается использовать в качестве спортивного.

Что такое крутящий момент

Крутящим моментом называют единицу силы, которая необходима для поворота коленчатого вала ДВС. Эта не «лошадиная сила», которой должна обозначаться мощность.

ДВС вырабатывает кинетическую энергию, вращая таким образом коленвал. Показатель мощности двигателя (сила давления) зависит от скорости сгорания топлива. Крутящий момент – результат от действия силы на рычаг. Эта сила в физике считается в ньютонах. Длина плеча коленвала считается в метрах. Поэтому обозначение крутящего момента – ньютон-метр.

Технически, крутящий момент – это усилие, которое должно осуществляться двигателем для разгона и движения машины. При этом сила, оказывающая действие на поршень, пропорциональна объему двигателя.

Маховик – одна из важнейших деталей, которая должна через редуктор передавать вращательный момент от мотора к коробке передач, от стартера на коленвал, от коленвала на нажимной диск. Собственно, крутящий момент – итог давления на шатун.

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

От чего зависит крутящий момент

На КМ будут влиять:

  • Объем двигателя.
  • Давление в цилиндрах.
  • Площадь поршней.
  • Радиус кривошипа коленвала.

Основная механика образования КМ заключается в том, что чем больше двигатель по объему, тем сильней он будет нагружать поршень. То есть – будет выше значение КМ. Аналогична взаимосвязь с радиусом кривошипа коленвала, но это вторично: в современных двигателях этот радиус сильно изменить нельзя.

Давление в камере сгорания – не менее важный фактор. От него напрямую зависит сила, давящая на поршень.

Для снижения потерь крутящего момента при тряске машины во время резкого газа можно использовать компенсатор. Это специальный (собранный вручную) демпфер, компенсация которого позволит сохранить вращающий момент и повысить срок эксплуатации деталей.

На что влияет крутящий момент

Главная цель КМ – набор мощности. Часто мощные моторы обладают низким показателем КМ, поэтому не способны разогнать машину достаточно быстро. Особенно это касается бензиновых двигателей.

ВАЖНО! При выборе авто стоит рассчитать оптимальное соотношение вращательного момента с количеством оборотов, на которых чаще всего мотор будет работать. Если держать вращательный момент на соответствующем уровне, это позволит оптимально реализовать потенциал двигателя.

Высокий КМ также может влиять на управляемость машины, поэтому при резком увеличении скорости не лишним будет использование системы TSC. Она позволяет точнее направлять авто при резком разгоне.

Широко распространенный 8-клапанный двигатель ВАЗ выдает вращательный момент 120 (при 2500-2700 оборотах). Ручная коробка или АКПП стоит на машине – не принципиально. При использовании КПП немаловажен опыт водителя, на автоматической коробке плавный старт обеспечивает преобразователь.

Как увеличить крутящий момент

Увеличение рабочего объема. Чтобы повышать КМ используются разные методы: замена установленного коленвала на вал с увеличенным эксцентриситетом (редко встречающаяся запчасть, которую трудно находить) или расточка цилиндров под больший диаметр поршней. Оба способа имеют свои плюсы и минусы. Первый требует много времени на подбор деталей и снижает долговечность двигателя. Второй, увеличение диаметра цилиндров с помощью расточки, более популярен. Это может сделать практически любой автосервис. Там же можно настроить карбюратор для повышения КМ.

Изменение величины наддува. Турбированные двигатели позволяют достичь более высокого показателя КМ благодаря особенностям конструкции – возможности отключить ограничения в блоке управления компрессором, который отвечает за наддув. Манипуляции с блоком позволят повысить объем давления выше максимума, указанного производителем при сборке автомобиля. Способ можно назвать опасным, поскольку у каждого двигателя есть лимитированный запас нагрузок. Кроме того, часто требуются дополнительные усовершенствования: увеличение камеры сгорания, приведение охлаждения в соответствие повышенной мощности. Иногда требуется отрегулировать впускной клапан, иногда – сменить распредвал. Может потребоваться замена чугунного коленвала на стальной, замена поршней.

Изменение газодинамики. Редко используемый вариант, поскольку двигатель – сложная конструкция, созданием которого занимаются профессионалы. Теоретически можно придумать, как убрать ограничения, заложенные конструкторами для увеличения срока эксплуатации двигателя и его деталей. Но на практике, если убрать ограничитель, результат не гарантирован, поскольку поменяются все характеристики: например, динамика вырастет, но шина не будет цепляться за дорогу. Чтобы усовершенствовать двигатель такие образом надо быть не просто автомобильным конструктором, но и математиком, физиком и т.д.

ВАЖНО! Простой способ повысить КМ – использовать масляный фильтр. Он снизит засорение двигателя и продлит срок эксплуатации всех деталей.

Определение крутящего момента на валу

Для измерения крутящего момента на валу автомобильного двигателя применяется множество методик. Это может быть показатель подачи топлива, температуры выхлопных газов и т.д. Такие методы не гарантируют высокой точности.

Распространенный метод повышенной точности – применение тензометрического моста. На вал крепятся тензометры, электрически соединенные по мостовой схеме. Сигнал передается на считывающее устройство.

Измеритель крутящего момента

Главная сложность в измерителе крутящего момента, использующего тензометры, является точность передачи данных. Применявшиеся ранее контактные, индукционные и светотехнические устройства не гарантировали необходимой эффективности. Сейчас данные передаются по цифровым радиоканалам. Измеритель представляет собой компактный радиопередатчик, который крепится на вал и передает данные на приемник.

Сейчас такие устройства доступны по стоимости и просты в эксплуатации. Применяются в основном в СТО.

Датчик крутящего момента

Аналогичные устройства, измеряющие КМ, в автомобиле могут быть установлены не только на коленвал, но и на рулевое колесо. Он ставится на модели машин с электроусилителем руля и позволяет отслеживать работу системы управление автомобилей. При выходе датчика из строя, усилитель, как правило, отключается.

Максимальный крутящий момент

Максимальным называется крутящий момент, представляющий пик, после которого момент не растет, несмотря на количество оборотов. На малых оборотах в цилиндре скапливается большой объем остаточных газов, в результате чего показатель КМ значительно ниже пикового. На средних оборотах в цилиндры поступает больше воздуха, процент газов снижается, крутящий момент продолжает расти.

При высоких оборотах растут потери эффективности: от трения поршней, инерционных потерь в ГРМ, разогрева масла и т.д. будет зависеть работа мотора. Поэтому рост качества работы двигателя прекращается или само качество начинает снижаться. Максимальный крутящий момент достигнут и начинает снижаться.

В электродвигателях максимальный вращательный момент называется «критический».

Таблица марок автомобилей с указанием крутящего момента:

Модели автомобиля ВАЗ Крутящий момент (Нм, разные марки двигателей)
2107 93 – 176
2108 79-186
2109 78-118
2110 104-196
2112 104-162
2114 115-145
2121 (Нива) 116-129
2115 103-132
2106 92-116
2101 85-92
2105 85-186
Двигатели ЗМЗ
406 181,5-230
409 230
Других популярные в России марки автомобилей
Ауди А6 500-750
БМВ 5 290-760
Бугатти Вейрон 1250-1500
Дэу Нексия 123-150
КАМАЗ ~650-2000+
Киа Рио 132-151
Лада Калина 127-148
Мазда 6 165-420
Мицубиси Лансер 143-343
УАЗ Патриот 217-235
Рено Логан 112-152
Рено Дастер 156-240
Тойота Королла 128-173
Хендай Акцент 106-235
Хендай Солярис 132-151
Шевроле Каптив 220-400
Шевроле Круз 118-200

Какому двигателю отдать предпочтение

Сегодня множество моделей производители оснащают разными типами моторов: бензиновым или дизельным. Эти модели идентичны только по цене и другим характеристикам.

Из-за разных типов мотора одна и та же модель может отличаться по показателям мощности мотора и крутящему моменту, при этом разница может быть значительной.

Бензиновый двигатель

Бензиновый двигатель формирует воздушно-топливную смесь, заполняющую цилиндр. Температура внутри него поднимается до примерно 500 градусов. У таких моторов номинальный коэффициент сжатия составляет порядка 9-10, реже 11 единиц. Поэтому, когда происходит впрыск необходимо использование свечей зажигания.

Дизельный двигатель

В цилиндрах работающего на дизеле движка коэффициент сжатия смеси может достигать показателя в 25 единиц, температура – 900 градусов. Поэтому смесь зажигается без использования свечи.

Электродвигатель

Автомобильный трехфазный асинхронный электродвигатель работает по совершенно другим законам, поэтому его мощность и КМ отличаются от традиционных кардинально. Электромотор состоит из ротора и статора, кратность которых позволяет выдавать пиковый КМ (600 Нм) на любой скорости. При этом мощность электродвигателя, например, у Теслы, составляет 416 л. с.

Чтобы ответить на вопрос – дизельный, бензиновый или электродвигатель лучше, надо сначала исключить третий вариант, поскольку электродвигатели пока не так распространены, как первые два типа.

ВАЖНО! Что касается выбора между бензиновым и дизельным двигателями, они в первую очередь отличаются мощностью и крутящим моментом. На практике это означает, что при одинаковом объеме двигателя дизельный быстрее разгоняется, а бензиновый позволяет давать более высокую скорость.


Кроме того, благодаря большему крутящему момент автомобиль, использующийся как грузовой, обладает большей грузоподъемностью за счет двигателя. Особенно если двигатель дизель-генераторный.

Улучшение разгона авто за счет изменения момента вращения

Чем выше показатель крутящего момента – тем быстрее двигатель набирает мощность. Таким образом, вырастет скорость движения. На практике это означает, что, например, во время разгона крутящий момент позволит быстрее обогнать едущий впереди автомобиль.

Чтобы улучшить разгон автомобиля за счет изменения момента вращения, достаточно повысить показатели последнего. Как это сделать – описано выше.

Зависимость мощности от крутящего момента

Крутящий момент, как говорилось выше, это показатель того, с какой скоростью двигатель может набирать обороты. По сути, мощность мотора – прямая производная от КМ на коленвале. Чем больше оборотов – тем выше показатель мощности.

Зависимость мощности от вращательного момента выражается формулой: Р = М*n (Р – мощность, М – крутящий момент, n – количество оборотов коленвала/мин).

Разница между крутящим моментом и мощностью …

Разница между крутящим моментом и мощностью — вопрос, который задают многие любопытные. И это понятно, поскольку эти две данные являются одними из наиболее изученных в технических паспортах наших автомобилей. Поэтому было бы интересно остановиться на этом, даже если это не обязательно будет самым очевидным …

Прежде всего, уточним, что пара выражает себя в Ньютон. Метр и сила в Лошадиные силы (когда мы говорим о машине, потому что наука и математика используют Ватт)

Неужели разница?

На самом деле разделить эти две переменные будет непросто, поскольку они связаны друг с другом. Это все равно, что спрашивать, в чем разница между хлебом и мукой. В этом нет особого смысла, потому что мука — это часть хлеба. Было бы лучше сравнивать ингредиенты друг с другом (например, воду против муки в крайнем случае), чем сравнивать ингредиент с готовым продуктом.

Попробуем объяснить все это, но при этом дать понять, что любая помощь с вашей стороны (через комментарии внизу страницы) будет приветствоваться. Чем больше будет разных способов его объяснения, тем больше интернет-пользователей будет приходить к пониманию связи между этими двумя концепциями.

Мощность — это результат соединения пары (немного тяжелая формулировка, я хорошо знаю…) скорости вращения.

Математически это дает следующее:

( π X  Крутящий момент в Нм X Режим ) / 1000 / 30 = Мощность в кВт (что переводится в лошадиные силы, если мы позже захотим иметь «более автомобильную концепцию»).

Здесь мы начинаем понимать, что сравнивать их почти нонсенс.

Изучение кривой крутящего момента / мощности

Нет ничего лучше, чем электродвигатель, чтобы полностью понять связь между крутящим моментом и мощностью, или, скорее, как существует взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью вращения.

Посмотрите, насколько логична кривая крутящего момента электродвигателя, которую гораздо легче понять, чем кривую теплового двигателя. Здесь мы видим, что мы обеспечиваем постоянный и максимальный крутящий момент в начале оборотов, что увеличивает кривую мощности. По логике вещей, чем больше я прикладываю силы к вращающейся оси, тем быстрее она будет вращаться (и, следовательно, увеличить мощность). С другой стороны, когда крутящий момент уменьшается (когда я все меньше и меньше нажимаю на вращающуюся ось, продолжая нажимать в любом случае), кривая мощности начинает уменьшаться (хотя скорость вращения продолжает уменьшаться). Увеличиваться). По сути, крутящий момент — это «сила ускорения», а мощность — сумма, которая объединяет эту силу и скорость вращения движущейся части (угловую скорость).

У пары все это получается?

Некоторые люди сравнивают двигатели только с их крутящим моментом или почти. На самом деле это заблуждение …

Например, если я сравниваю бензиновый двигатель, развивающий 350 Нм при 6000 об / мин, с дизелем, который развивает 400 Нм при 3000 об / мин, мы можем подумать, что именно дизель будет иметь большую силу ускорения. Ну нет, а мы вернемся к старту, главное — мощность! Для сравнения двигателей следует использовать только мощность (в идеале с кривыми… Потому что высокая пиковая мощность — это еще не все!).

В самом деле, в то время как крутящий момент указывает только на максимальный крутящий момент, мощность включает в себя крутящий момент и частоту вращения двигателя, поэтому у нас есть вся информация (только крутящий момент является лишь частичным показателем).

Если вернуться к своему примеру, то можно сказать, что дизель может гордиться, выдав 400 Нм при 3000 об / мин. Но не следует забывать, что при 6000 оборотах в минуту он определенно не сможет выдать более 100 Нм (давайте опустим тот факт, что масло не может достигать 6000 т), тогда как бензин все еще может выдавать 350 Нм на этой скорости. В этом примере мы сравниваем дизельный двигатель мощностью 200 л.с. с бензиновым двигателем 400 л.с. (цифры, полученные на основе указанных крутящих моментов), от одинарного до двойного.

Мы всегда помним, что чем быстрее объект поворачивается (или движется вперед), тем труднее заставить его даже набрать скорость. Таким образом, двигатель, развивающий значительный крутящий момент на высоких оборотах, показывает, что у него есть еще больше мощности и ресурсов!

Объяснение на примере

У меня была небольшая идея попытаться во всем этом разобраться, надеясь, что это не так уж и плохо. Вы когда-нибудь пытались остановить маломощный электродвигатель пальцами (маленький вентилятор, электродвигатель в комплекте Mecano, когда вы были маленьким, и т. Д.).

Он может вращаться быстро (скажем, 240 об / мин или 4 оборота в секунду), мы можем легко его остановить, не сильно повредив (он немного хлестает, если есть лопасти пропеллера). Это связано с тем, что его крутящий момент не очень важен, а, следовательно, и его мощность в ваттах (это относится к небольшим электродвигателям для игрушек и других небольших аксессуаров).

С другой стороны, если на той же скорости (240 об / мин) я не могу его остановить, это означает, что его крутящий момент будет больше, что также приведет к большей конечной мощности (оба математически связаны, это похоже на сообщающиеся сосуды). Но скорость осталась прежней. Итак, увеличивая крутящий момент двигателя, я увеличиваю его мощность, поскольку примерно

Пара

X

Скорость вращения

= Могущество. (произвольно упрощенная формула, чтобы помочь понять: Пи и некоторые переменные, видимые в верхней формуле, удалены)

Таким образом, для той же заданной мощности (скажем, 5 Вт, но кого это волнует) я могу получить либо:

  • Двигатель, который вращается медленно (например, 1 оборот в секунду) с высоким крутящим моментом, который будет немного сложнее остановить пальцами (он не работает быстро, но его высокий крутящий момент дает ему значительную силу)
  • Или двигатель, работающий со скоростью 4 об / мин, но с меньшим крутящим моментом. Здесь низкий крутящий момент компенсируется более высокой скоростью, что придает ему большую инерцию. Но останавливаться пальцами будет легче, несмотря на более высокую скорость.

В конце концов, два двигателя имеют одинаковую мощность, но не работают одинаково (мощность поступает по-разному, но пример не очень показателен для этого, поскольку он ограничен заданной скоростью. В автомобиле скорость меняется все время, что дает начало знаменитым кривым мощности и крутящего момента). Один поворачивается медленно, а другой быстро… Это небольшая разница между дизелем и бензином.

И именно поэтому грузовики работают на дизельном топливе, потому что крутящий момент у дизеля высокий, в ущерб его скорости вращения (максимальная скорость двигателя намного ниже). Действительно, необходимо иметь возможность двигаться вперед, несмотря на очень тяжелый прицеп, без необходимости ругать двигатель, как в случае с бензином (нужно было бы подниматься по вышкам и играть со сцеплением как сумасшедшие) . Дизель передает максимальный крутящий момент на низких оборотах, что упрощает буксировку и позволяет взлетать с неподвижного автомобиля.

Взаимосвязь между мощностью, крутящим моментом и частотой вращения двигателя

Вот технический вклад, которым поделился пользователь в разделе комментариев. Мне кажется разумным вставить его прямо в статью.

Чтобы не усложнять задачу с физическими величинами:

Мощность — это произведение крутящего момента на коленчатом валу на частоту вращения коленчатого вала в радианах / сек.

(помните, что на 2 оборот коленчатого вала на 6.28 ° приходится 1 * пи радиана = 360 радиана.

Donc P = M * W

P -> мощность в [Вт]

M -> крутящий момент в [Нм] (Ньютон-метр)

W (омега) — угловая скорость в радианах / сек W = 2 * Pi * F

При Pi = 3.14159 и F = частота вращения коленчатого вала в т / с.

Практический пример

Крутящий момент двигателя M: 210 Нм

Скорость двигателя: 3000 об / мин -> частота = 3000/60 = 50 об / мин

W = 2 * pi * F = 2 * 3.14159 * 50 т / сек = 314 радиан / сек

Конечное Au: P = M * W = 210 Нм * 314 рад / с = 65940 Вт = 65,94 кВт

Преобразование в CV (лошадиные силы) 1 л.с. = 736 Вт

В CV мы получаем 65940 Вт / 736 Вт = 89.6 CV.

(Напоминаем, что 1 лошадиная сила — это средняя мощность лошади, которая работает непрерывно без остановки (в механике это называется номинальной мощностью).

Таким образом, когда мы говорим об автомобиле с мощностью 150 л.с., необходимо увеличить частоту вращения двигателя до 6000 об / мин с крутящим моментом, который остается ограниченным или даже немного сниженным до 175 Нм.

Благодаря коробке передач, которая представляет собой преобразователь крутящего момента, и дифференциалу мы имеем увеличение крутящего момента примерно в 5 раз.

Например, на 1-й передаче крутящий момент двигателя на коленчатом валу 210 Нм даст 210 Нм * 5 = 1050 Нм на ободе спицевого колеса 30 см, это даст тяговое усилие 1050 Нм / 0.3 м = 3500 Нм.

В физике F = m * a = 1 кг * 9.81 м / с2 = 9.81 Н (a = ускорение Земли 9.81 м / с2 1G)

Таким образом, 1 Н соответствует 1 кг / 9.81 м / с2 = 0.102 кг силы.

3500 Н * 0.102 = сила 357 кг, которая толкает автомобиль на крутой склон.

Я надеюсь, что эти несколько объяснений укрепят ваши знания о концепциях мощности и механического крутящего момента.

Угловое движение — мощность и крутящий момент

  • Работа является результатом силы, действующей на некотором расстоянии. Работа измеряется в джоулях (Нм) или фут-фунтах.
  • Крутящий момент — это сила вращения, создаваемая коленчатым валом двигателя. Чем больший крутящий момент вырабатывает двигатель, тем выше его способность выполнять работу. Поскольку крутящий момент представляет собой вектор, действующий в определенном направлении, он обычно измеряется в единицах Н · м или фунт-фут.
  • Power — это то, насколько быстро выполняется работа — работа за определенный промежуток времени.Мощность измеряется в ваттах (Дж / с) или в лошадиных силах.

Мощность и крутящий момент тела при угловом движении

Мощность вращающегося тела может быть выражена как

P = T ω

= T 2 π n об / с

= T π n об / мин /30 (1)

где

P = мощность (Вт)

T = крутящий момент или момент (Нм)

ω = угловая скорость (рад / с)

π = 3.14 …

n об / мин = оборотов в секунду (об / мин, 1 / с)

n об / мин = оборотов в минуту (об / мин, 1 / мин)

  • 1 рад = 360 o /2 π = ~ 57.29578 .. o

Примечание! — объект, такой как электродвигатель, может иметь активный момент без вращения, но без вращения ( ω = 0 ) не вырабатывается энергия.

В британских единицах измерения

P = T n об / мин /5252 (1b)

, где

P = мощность (л.с.)

T = крутящий момент (фут-фунт f )

Пример — крутящий момент, создаваемый вращающимся двигателем

Электродвигатель работает со скоростью 3600 об / мин с измеренной потребляемой мощностью 2000 Вт .Крутящий момент, создаваемый двигателем (без потерь), можно рассчитать, переставив (1) на

T = 30 P / (π n об / мин )

= 30 (2000 Вт) / (π ( 3600 об / мин))

= 5,3 Нм

Калькулятор крутящего момента

P — мощность (Вт)

n m — обороты (об / мин)

Скачать и распечатать Motor — Torque vs График мощности и частоты вращения

Крутящий момент тела в угловом движении

T = I α (2)

, где

I = момент инерции (кг · м 2 , фунт f ft s 2 )

α = угловое ускорение (рад / с 2 )

Почему мощность и крутящий момент пересекаются при 5252 об / мин?

Мы уже говорили о взаимосвязи между мощностью и крутящим моментом.Они работают вместе, а для лошадиных сил нужен крутящий момент, чтобы вы и ваша машина были довольны. Однако есть одно магическое число, на которое не проливается много чернил, виртуальных или иных. Число 5252, и это точка в диапазоне оборотов, где мощность и крутящий момент всегда пересекаются. Почему? Обратимся к Джейсону Фенске из Engineering Explained для объяснения этого интересного факта.

Чтобы все это разобрать, Фенске обращается к своей чудесной доске. Там мы узнаем о мощности, крутящем моменте и скорости.Видите ли, мощность равна силе, умноженной на любую скорость. Под скоростью понимается заданное расстояние, деленное на время, необходимое для преодоления этого расстояния. Наконец, крутящий момент — это величина, создаваемая силой, умноженной на заданное значение радиуса.

Прежде чем мы выясним, почему мощность и крутящий момент пересекаются при 5252 об / мин, вам необходимо базовое понимание этих трех физических идей. Все сводится к математике мощности и крутящего момента. Это также сводится к небольшой истории. Джеймс Ватт, шотландский инженер, разработавший концепцию лошадиных сил, выяснил, что одна метрическая лошадиная сила необходима, чтобы поднять 75 килограммов на один метр за одну секунду.Это связано с тем, сколько работы будет выполнять лошадь, по сравнению с той же работой, которую выполняет паровой двигатель. Сегодня мы используем лошадиные силы как инструмент для хвастовства, чтобы побеждать в жимовых гонках.

Но вернемся к магическому числу 5252 и тому, почему здесь мистическим образом переплетаются мощность и крутящий момент. Вы должны глубже погрузиться в уравнения, используемые для определения тех трех областей, которые мы обсуждали в начале всего этого; мощность, крутящий момент и скорость. Одна лошадиная сила равна 33000 фут-фунтам работы в минуту.Добавьте к этому уравнения, относящиеся к крутящему моменту и скорости, и вы обнаружите, что мощность в лошадиных силах всегда равна крутящему моменту, умноженному на число оборотов в минуту, разделенному на 5 252.

Исключив равные переменные, вы получите мощность, равную крутящему моменту … при 5252 об / мин. Это много математики, но Джейсон довольно легко ее разбивает. Так что нажмите «Играть» и узнайте что-то новое сегодня.

Крутящий момент и мощность


Если вы какое-то время были рядом с моторизованными автомобилями, вы, вероятно, сталкивались с большим крутящим моментом vs.дебаты о власти в какой-то момент. В противном случае это выглядит так:

«Велосипед ускоряется крутящим моментом, а не мощностью».

«Неправильно».

Крутящий момент и мощность неизбежно связаны тем фактом, что мощность в лошадиных силах равна крутящему моменту (в футо-фунтах), умноженному на число оборотов в минуту, деленному на 5250, поэтому люди, которые говорят, как будто они независимы, полны этого. Если у вас есть заданная кривая крутящего момента для двигателя, у вас также есть кривая мощности. Знание того, как эти два числа взаимодействуют друг с другом, позволяет вам разобраться в некоторых BS, которые вы могли бы прочитать.

Сначала, как обычно, несколько определений.

Крутящий момент — это крутящая сила, приложенная к объекту, например, колесу или коленчатому валу. Учтите, что для существования крутящего момента движение не требуется! Если вы стоите на гаечном ключе, закрепленном на замороженном болте, вы прикладываете к этому болту крутящий момент, даже если движения нет. Для наших целей мы будем считать, что крутящий момент измеряется в фунт-сила-фут (фунт-сила-фут), что означает эквивалент заданной силы в фунтах, действующей на конец рычага длиной в футах.Например, стоя с весом тела 180 фунтов на гаечном ключе длиной один фут дает крутящий момент 180 фунт-сила-фут. Ребенок весом 90 фунтов, стоящий на двухфутовом гаечном ключе, применяет такой же крутящий момент.

Работа — это приложение силы на расстоянии. К сожалению, используются те же единицы измерения (фунты, умноженные на футы), но мы пишем это как фут-фунт, чтобы различать. Настоящая разница в том, что в этом случае часть «ступни» означает ступни движения. Если вы толкаете машину с силой 100 фунтов и выдерживаете ее 30 футов, вы проделали 3000 фут-фунтов работы.Более простой пример — поднятие веса (в фунтах) на заданное расстояние (в футах). Если вы воспользуетесь каким-либо механическим преимуществом, например лебедкой, вы выполните такой же объем работы, потому что, уменьшив вдвое необходимое усилие, вам придется вдвое увеличить расстояние, на которое вы прикладываете силу для достижения той же цели.

Power — это приложение работы за конечное время. 550 фут-фунтов работы за одну секунду — это одна лошадиная сила.

Итак, давайте сначала рассмотрим цифры, чтобы перейти от крутящего момента к лошадиным силам.При нажатии с 87,5 фунтами (усилием) на конец нашего гаечного ключа на 1 фут прикладывается крутящий момент 87,5 фунт-сила-фут. Пока нет движения, значит, нет работы и нет энергии. Но теперь предположим, что болт с проушиной немного ослабляется и начинает вращаться, но те же 87,5 фунтов силы необходимы, чтобы ключ продолжал вращаться. На каждый оборот гаечного ключа вы прикладываете 87,5 фунтов силы на расстоянии (2 * пи * 1 фут) или 6,28 фута, окружности круга, который образует ваша рука, в общей сложности 550 фут-фунтов. Работа. Работа выполняется только тогда, когда эта система действительно движется.Отсюда можно быстро сказать, что если вы работаете достаточно быстро, чтобы поворачивать гаечный ключ один раз в секунду, то вы выполняете 550 фунт-футов работы в секунду, что означает, что вы прикладываете одну лошадиную силу.

По определениям мы видим, что HP прямо пропорциональна крутящему моменту и оборотам. «Прямо пропорциональный» означает, что может быть задействован множитель, поэтому давайте найдем его, используя числа из нашего примера, помня, что 1 оборот в секунду составляет 60 об / мин:

 крутящий момент * об / мин * константа = л.с. 
 87.5 фунт-фут * 60 об / мин * X = 1 л.с. 
 X = 1 / (60 * 87,5) = 1/5250 
 крутящий момент * об / мин * 1/5250 = л.с. 
 л.с. = (крутящий момент * об / мин) / 5250 

Для двигателей внутреннего сгорания крутящий момент всегда задается при определенной частоте вращения, поскольку они не могут создавать крутящий момент, когда они не двигаются. Как только они будут работать достаточно быстро, чтобы поддерживать свою работу, можно измерить силу, которую они прилагают к нагрузке, а также скорость, с которой они вращаются, так что станут известны числа крутящего момента (и, следовательно, мощности).

Итак, если существует такая фиксированная взаимосвязь между крутящим моментом и мощностью, почему некоторые люди говорят, что определенный двигатель имеет большую мощность, но не крутящий момент? Помните, что связь между крутящим моментом и мощностью — это скорость вращения. Мотор спортбайка может генерировать 150 л.с. при 14 000 об / мин, но крутящий момент на этих оборотах очень мал; около 53 фунт-футов. Для сравнения, двухцилиндровый двигатель с большим рабочим объемом может достигать 100 л.с. при 7000 об / мин. Крутящий момент, прилагаемый к двойнику при 7000 об / мин, 75 фут-фунт, больше, чем крутящий момент, применяемый при 14000 об / мин спортивного мотоцикла, но спортивный байк компенсирует это гораздо большей частотой вращения двигателя и в итоге дает больше лошадиных сил.

Улица, однако, усложняет ситуацию, потому что спортивный мотоцикл, вероятно, не будет ездить со скоростью 14 000 об / мин. При 5000 об / мин у близнеца, вероятно, будет больше мощности. Это искусственный недостаток; спортивный мотоцикл не предназначался для езды на такой скорости, поскольку он генерирует свою мощность, передавая часть уравнения заоблачных оборотов в минуту. Для уличной езды на близнеце легче ездить, он менее склонен к срыву, когда вы отъезжаете от света, и вы получаете эту приятную «крутость», когда поворачиваете дроссельную заслонку.Но по мере увеличения оборотов близнец начинает задыхаться, и гоночный байк, хотя крутящий момент низкий и, вероятно, становится все ниже, продолжает вырабатывать все больше и больше мощности, пока не достигнет своего пика в 14000.

[Вставьте динамические диаграммы для сравнения, показывающие меньший крутящий момент, но большую мощность для спортивных мотоциклов при высоких оборотах]

Двигатели предназначены для использования по назначению. Наши близнецы спроектированы так, чтобы обеспечивать довольно высокие значения крутящего момента на низких оборотах, потому что это облегчает их повседневную жизнь, а крутящий момент Harley-Davidson сконцентрирован в диапазоне оборотов даже ниже, чем у BMW.Низкий крутящий момент достигается за счет нескольких конструктивных особенностей, одной из которых являются небольшие клапаны и впускные трубы, которые создают высокую скорость воздуха в цилиндре для хорошей топливной смеси на низкой скорости.

Эти эффекты имеют тенденцию становиться ограничением на высоких оборотах, что означает, что двигатели, предназначенные для высоких оборотов, в конечном итоге имеют более крупные клапаны, большие воздухозаборники, меньшие цилиндры и другие вещи, которые позволяют им продолжать дышать, когда другие двигатели начинают задыхаться. Двигатели гоночных мотоциклов имеют довольно небольшой рабочий объем, что ограничивает крутящий момент, который может быть создан на кривошипе.Они применяют этот крутящий момент на гораздо более высоких скоростях, чтобы получить большую мощность (и кто может возразить, что эти мотоциклы не ускоряются быстро?).

BMW в меньшей степени использует эти методы для разных мотоциклов. Серия GS имеет более узкие впускные трубы для более быстрого всасывания, лучшего смешивания топлива и воздуха и лучшего крутящего момента на низких оборотах. Поскольку это становится узким местом при более высоких оборотах, «мощный» двигатель в байках RS и RT имеет более крупные впускные трубы. Замена трубок GS на RS или RT — обычное дело дооснащения, так как это увеличивает крутящий момент мотоцикла на низких оборотах, на которых большинство из нас ездит.Новые технологии в автомобилях, такие как изменение фаз газораспределения и регулируемая длина впускного тракта, могут дать двигателям лучшее из обоих миров, увеличивая крутящий момент на более высоких оборотах, не отказываясь от них на низких оборотах. Кстати, у Хонды теперь на мотоцикле есть система изменения фаз газораспределения.

Но вернемся к главному: именно мощность движет нашими велосипедами по дороге. Да, крутящий момент обеспечивает толкающую силу через трансмиссию, но это должно происходить на некоторой заданной скорости, и эти два фактора определяют «мощность».«

Почему крутящий момент падает после определенного числа оборотов?

Крутящий момент начинает уменьшаться, потому что двигатель тоже не может дышать. Из-за скорости цилиндр тоже не заполняется воздухом. Дизайнер может обойти эту проблему с помощью «настроенного впуска», который создает резонанс для заполнения цилиндра воздухом, но это происходит только при определенных оборотах. Следующим этапом эволюции конструкции является создание регулируемой системы, которая заполняет цилиндры воздухом на всех оборотах; это обычно называется «регулируемые впускные направляющие» или что-то в этом роде и включает в себя клапаны, которые открываются и закрываются, чтобы создать другой размер для воздушной коробки и коллектора.

Почему мощность продолжает увеличиваться после уменьшения крутящего момента?

Помните, что мощность — это, по сути, произведение числа оборотов в минуту и ​​крутящего момента. Когда крутящий момент достигает пика при определенной частоте вращения и начинает падать, уменьшение является небольшим и недостаточным для компенсации увеличения числа оборотов в минуту, поэтому общий продукт все равно увеличивается. В конце концов, уменьшение крутящего момента становится достаточно большим, чтобы перевесить увеличение числа оборотов в минуту, и мы видим, что мощность начинает падать. Из-за этого пик мощности всегда будет после пика крутящего момента.

Другая хорошо написанная статья иллюстрирует эти концепции, хотя многие из них можно найти, введя «крутящий момент в лошадиных силах» в Google:

http://www.allpar.com/eek/hp-vs-torque.html

Связь между крутящим моментом и скоростью

Что такое крутящий момент?

В физике часто встречается слово крутящий момент. Вы точно знаете, что такое крутящий момент? Что ж, крутящий момент — это не что иное, как сила, приложенная к объекту, заставляющая его вращаться вокруг своей оси. Следовательно, любая сила, которая может вызвать это угловое ускорение в объекте, является крутящим моментом.

Как вы, вероятно, можете понять из этого определения, крутящий момент является векторной величиной, потому что здесь действуют как величина, так и направление силы. Направление вектора крутящего момента зависит от направления силы на оси.

Распространенный вопрос, который может возникнуть при изучении крутящего момента, — это его отношение к скорости. Поэтому ниже приведено уравнение, в котором крутящий момент зависит от скорости.

Крутящий момент (τ) = мощность / скорость

Это самая основная форма связи между крутящим моментом и скоростью.Если вы хотите узнать больше, вы должны сначала определить, что такое скорость.

Quick Exercise — 1

Q. Колесо движется со скоростью 0,3 м / с при подаче мощности 40 Вт. Определите крутящий момент, действующий на колесо, используя уравнение зависимости крутящего момента от скорости.

Решение —

Скорость колеса составляет 0,3 м / с

Мощность, приложенная к колесу, составляет 40 Вт

Таким образом, крутящий момент = мощность / скорость

Крутящий момент = 40 / 0,3

Крутящий момент равен 133,33 Ньютон- метр

Что такое скорость?

Чтобы правильно оценить крутящий момент в зависимости от скорости, вы должны сначала понять скорость в деталях.Скорость — это не что иное, как расстояние, пройденное объектом за единицу времени. Скорость — это скалярная величина. Вам не нужно устанавливать направление движения, чтобы определить скорость тела.

Это также то, что отличает скорость от скорости. Будучи векторной величиной, скорость — это скорость тела в определенном направлении.

Выведение формулы связи между крутящим моментом и скоростью

Поскольку крутящий момент является вращательным движением, мы можем легко вывести его отношение к мощности, сравнив линейный эквивалент.Чтобы определить линейное смещение, просто умножьте радиус движения на охватываемый угол. Имейте в виду, что линейное смещение относится к расстоянию, пройденному по окружности колеса.

Следовательно, мы можем сказать, что Линейное расстояние = Время x Угловая скорость x Радиус (уравнение 1)

Мы знаем, что Крутящий момент = Сила x Радиус

Сила = Крутящий момент / Радиус (уравнение 2)

Теперь, Мощность = Сила x Линейное расстояние / время

Интегрирование значения силы из ур.1 и уравнение 2, мы получаем

Мощность = (Крутящий момент / Радиус) x Время x Угловая скорость x Радиус / Время

Таким образом, Мощность = Крутящий момент x Угловая скорость

Следовательно, Крутящий момент = Мощность / Угловая скорость

Что такое взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью?

Математическая формула говорит нам, что эта сила вокруг оси обратно пропорциональна скорости (угловой скорости). Это означает, что увеличение скорости вызывает падение крутящего момента и наоборот.

Еще один важный фактор, который вам необходимо иметь в виду, заключается в том, что в этом уравнении скорость и скорость взаимозаменяемы.Это потому, что крутящий момент, будучи векторной величиной, всегда будет иметь скорость в определенном направлении. Теперь, когда вы знаете соотношение крутящего момента и скорости, ответьте на этот простой вопрос.

Верно или неверно — 1

Q. Крутящий момент прямо пропорционален радиусу вращения.

Отв. Истинный. Поскольку крутящий момент является произведением силы и радиуса вращения, увеличение этого радиуса также увеличивает результирующий крутящий момент. То же верно и для обратного.

Взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью в двигателе постоянного тока

В двигателе постоянного тока скорость вычисляется в виде числа оборотов в минуту.Таким образом, для такого двигателя вы можете определить крутящий момент, используя следующую формулу —

Крутящий момент = Мощность / (2π x Скорость вращения)

Наши онлайн-классы и широкий выбор книг в формате PDF помогут вам глубже понять крутящий момент. против скорости. У нас также есть сеансы по устранению сомнений, чтобы гарантировать правильное понимание каждой темы. Теперь вы даже можете загрузить наше приложение Vedantu, чтобы с легкостью получать доступ к онлайн-сессиям.

Как связаны объем двигателя и мощность / крутящий момент?

Я был вовлечен в дискуссию на эту тему в другом месте и хотел бы здесь также поделиться своим ответом.Это должно быть надежным объяснением в терминах непрофессионала для тех, кто не хочет нырять в большую кроличью нору с физикой и термодинамикой!

Хотя я инженер-автомобилестроитель, мне стыдно сказать, что я до сих пор не совсем понимаю взаимосвязь между рабочим объемом и производимой мощностью / крутящим моментом. Хотя я предполагаю, что разница между 8-литровым двигателем мощностью 1000+ л.

Оставим на мгновение вопросы эффективности, турбонаддува и многих других меньших факторов:

  • Крутящий момент наиболее пропорционален рабочему объему. В основном это вопрос того, сколько топлива вы можете сжечь за цикл двигателя. Крутящий момент — это сила, и она применяется к таким вопросам, как «с какой тяжелой машиной я могу подняться по этому склону?»
  • Мощность в лошадиных силах пропорциональна произведению крутящего момента и числа оборотов двигателя. В уравнении есть константа, но в остальном это прямая зависимость.Мощность относится к вопросу: «Как быстро я смогу подтолкнуть эту 4000-фунтовую машину вверх по этому склону?»

Все остальное — всего лишь фактор, изменяющий эти две переменные. Давайте возьмем стационарный пример грузовика, поднимающегося на устойчивый уклон с постоянной скоростью — это на самом деле проще для понимания, чем всеми любимый пример «дрэг-рейсинга». Хотите увеличить количество груза, которое вы можете нести в гору с заданной скоростью (увеличить мощность)? Вот как это можно сделать:

  • Сделайте двигатель больше.Если все пропорционально, так что ваша эффективность такая же, ваш крутящий момент также возрастет пропорционально, потому что вы потребляете больше кислорода и сжигаете больше топлива. Это означает, что ваша сила также будет пропорционально увеличиваться. Больший крутящий момент при той же скорости (больше мощности) означает, что вы можете тянуть более тяжелый груз в гору.
  • Прокрутите двигатель быстрее при той же скорости движения (об / мин). Вы по-прежнему создаете примерно такой же крутящий момент в двигателе, но для поддержания той же скорости движения вам придется изменить передачу оси / трансмиссии.Это дает вашему двигателю больше «рычагов воздействия» на дорогу. Этот пример показывает разницу между крутящим моментом и мощностью, а также показывает, почему именно мощность важна для подъема на холмы. Если посмотреть прямо на мощность, то вы действительно поймете, что ваш двигатель может делать при заданной скорости движения, если вы учли все передачи — это все упрощает (лучший инструмент для анализа такого типа работы).
  • «Подделка», увеличивающая размер двигателя. Вы можете сделать это с турбонаддувом, наддувом, закисью азота… на ваш выбор.В любом случае, вы используете внешний компонент, чтобы нагнетать дополнительный кислород и топливо в ваш двигатель, имитируя поведение большего смещения. Результат — больше мощности. Это решение почти всегда будет более эффективным для одних условий эксплуатации и менее эффективным для других, поэтому вы можете выбирать, где вы получаете и теряете экономию. Вам нужно выполнять больше работы, «набивая» лишний воздух, что снижает эффективность, но позволяет настроиться на лучшую эффективность, когда вам не нужна полная мощность. Ford Ecoboost — хороший пример этой идеи.
  • Повышение общей эффективности. Вы можете сделать это за счет увеличения компрессии, настройки момента зажигания, механических / фрикционных настроек, всего, что дает больше энергии от топлива вашим шинам, вместо того, чтобы выходить из выхлопной трубы и радиатора. Здесь вы, как правило, сильно ограничены качеством топлива по сравнению с первыми тремя вариантами.
  • Повысьте эффективность на той скорости вращения двигателя, на которой вы работаете. Измените фазы газораспределения. Здесь вы обменяете лучшую эффективность на нужном вам количестве оборотов в минуту на худшую эффективность в другом месте.Ваш предел здесь в том, что у вас все еще есть «пиковое» значение крутящего момента, пропорциональное рабочему объему, которое вы можете перемещать вместе с фазами газораспределения, но на самом деле не увеличивайте. Предполагая, что вы не измените свою передачу (об / мин) одновременно, как только вы дойдете до точки, где ваш максимальный крутящий момент будет на оборотах, при которых вы поднимаетесь на холм, вы получите все, что можете, с этой опцией.

Короче говоря, мощность — это все. Крутящий момент действительно имеет значение только в том случае, если вы хотите, чтобы большая его часть была «хорошо распределена» по оборотам двигателя, а не была сконцентрирована в узком диапазоне — это просто сделает ваш двигатель более универсальным и приятным в управлении.Однако при движении в гору и т. Д. Вопрос «недостаточного крутящего момента» всегда решается «большей передачей», потому что мощность в любом случае одинакова; Эта мощность на самом деле просто вопрос того, сколько кислорода вы можете набрать и сколько тепла вы оттуда теряете в шинах.

В качестве хорошего сравнительного примера рассмотрим разницу между двигателем 110ci в Miata и двигателем 300ci в Ford середины 90-х. У меня есть оба. Оба имеют примерно одинаковое количество HP, плюс-минус несколько — около 140.

Miata обладает высокой степенью сжатия, хорошей механической эффективностью, и все его переменные (фазы газораспределения и т. Д.) Настроены для максимизации доступного крутящего момента и мощности от 5000 до 7000 об / мин.Кривая крутящего момента у него очень резкая, максимальная составляет около 115 фунт-футов, а ниже 3000 он практически бесполезен. Это нормально для ускорения, потому что все легкое, и у автомобиля очень крутая передача оси (4,56: 1), чтобы попытаться сохранить ее там, где она дает некоторую мощность. Однако вы никогда не захотите буксировать что-либо с этим двигателем, потому что высокие обороты и сжатие действительно ограничивают надежность, если вам нужно было выработать полную мощность в 140 лошадиных сил, достаточную для того, чтобы, скажем, подняться на 10-мильный холм, что вам никогда не понадобится. в машине весом 2500 фунтов даже на полной скорости.Вам нужно как минимум пять (эффективных, механических) передач, чтобы держать этот маленький двигатель там, где он не будет мешать, а вы постоянно переключаетесь на холмистой местности и в движении.

В отличие от этого, 300 находится в фургоне 90-х годов с трехступенчатым автоматом, вероятно, самой надежной, но неэффективной трансмиссией, которую Форд когда-либо производил. Из-за сильного поглощения энергии трансмиссией на дорогу уходит значительно меньше мощности, чем у Miata. Он находится в автомобиле, который весит вдвое больше, чем Miata, и который с удовольствием буксирует собственный вес, поэтому этот двигатель с удовольствием перемещается в четыре раза больше, чем Miata.Почему? Вместо того, чтобы сосредотачиваться на узком «счастливом» месте, дизайн был сосредоточен на хорошем распределении крутящего момента. У него нигде нет ошеломляющего «движения», с пиковым крутящим моментом всего 260 фунт-сила-футов, ограниченным в значительной степени очень низкой степенью сжатия по сравнению с Miata; при этом то, что у него есть, есть везде (более 200 на практически весь рабочий диапазон). Он развивает максимальную мощность всего лишь при 3500 об / мин, что он с радостью будет развивать в течение всего дня, на плохом топливе, в паршивую, жаркую и влажную погоду. Из-за того, что кривая крутящего момента настолько плоская, вы почти никогда не поймете, что переключаетесь на любом холме, кроме самого экстремального.Он никогда не доберется до места так быстро, как Miata, но он будет везде с исключительной надежностью, выполняя в четыре раза больше реальной работы, шагая, как большая одурманенная упряжная лошадь.

Вы можете нырять в кроличью нору весь день с сотнями более мелких переменных, которые влияют на крутящий момент и мощность, но иногда основы лучше обобщать без математики и нескольких небольших примеров. По крайней мере, надеюсь, эта версия была интересной.

Уравнение крутящего момента и взаимосвязь с двигателями постоянного тока

Понимание уравнения крутящего момента и взаимосвязи между скоростью и крутящим моментом является важной частью выбора и эксплуатации двигателя постоянного тока.

Двигатели постоянного тока

— относительно простые машины: когда нагрузка на двигатель постоянна, скорость пропорциональна напряжению питания. А когда напряжение питания постоянно, скорость обратно пропорциональна нагрузке на двигатель. Это второе соотношение — между скоростью и нагрузкой (или крутящим моментом) — обычно отображается на кривой крутящего момента двигателя.

Изображение предоставлено: National Instruments Corporation

Обратное соотношение между скоростью и крутящим моментом означает, что увеличение нагрузки (крутящего момента) на двигатель приведет к снижению скорости.Это может быть продемонстрировано уравнением крутящего момента двигателя постоянного тока:

Где:

T = крутящий момент двигателя

В = напряжение питания

ω = частота вращения

k = постоянная двигателя

R = сопротивление

Конечно, постоянная двигателя (k) не меняется, а сопротивление (R) в обмотках двигателя постоянно. Следовательно, когда напряжение питания (V) постоянно, крутящий момент (T) обратно пропорционален скорости (ω).

Переставляя скорость, мы видим ту же обратную зависимость от крутящего момента:


Чтобы увидеть вывод уравнения крутящего момента двигателя постоянного тока, ознакомьтесь с этой статьей.


Обратное соотношение означает, что кривая крутящего момента — скорости является нисходящей линией с отрицательным наклоном. Кривая крутящего момента-скорости начинается на пересечении оси Y, где крутящий момент максимален, а скорость равна нулю. Это крутящий момент при остановке — максимальный крутящий момент, когда двигатель работает при номинальном напряжении.Кривая наклоняется вниз, пока не пересечет ось X, то есть нулевой крутящий момент и максимальную скорость. Эта точка известна как скорость холостого хода — скорость при работе при номинальном напряжении и нулевой нагрузке.

Поскольку кривая крутящего момента-скорости представляет собой прямую линию, легко найти крутящий момент, который двигатель может создать при заданной скорости, или, наоборот, найти скорость двигателя для заданной нагрузки (крутящего момента) на валу. Напомним уравнение прямой:

Где:

y = значение переменной оси y, подлежит определению

м = уклон линии; изменение y, деленное на изменение x

x = значение переменной оси x, учитывая

b = точка пересечения по оси y; точка, в которой линия пересекает ось y

Используя это уравнение для кривой крутящий момент-скорость, мы можем найти крутящий момент двигателя при заданной скорости.В этом случае переменные в линейном уравнении представляют следующее:

y = крутящий момент подлежит определению

м = изменение крутящего момента, деленное на изменение скорости

x = заданная скорость

b = крутящий момент при остановке (значение, где линия пересекает ось y)

Линейное уравнение также можно изменить, чтобы найти скорость двигателя при заданном крутящем моменте:


Завод Инжиниринг | Соотношение крутящего момента и размера вала

Вы когда-нибудь задумывались, почему различные типы электродвигателей с одинаковой мощностью в лошадиных силах / киловаттах имеют разный диаметр вала или почему валы некоторых насосов намного меньше валов двигателей, которые их приводят в движение? А что насчет двигателей с полым валом? Элементарное понимание того, как определяются размеры вала, может быть полезно любому, кто работает с насосами, вентиляторами, лифтами или любым другим оборудованием с приводом от двигателя.

Чем больше, тем лучше — или, по крайней мере, раньше было

Отчасти в силу традиции валы электродвигателей часто больше, чем валы оборудования, которым они управляют. Инженеры были очень консервативны сто лет назад, когда электродвигатели впервые получили широкое распространение в промышленности, поэтому при их проектировании обычно допускалась значительная погрешность. Сегодняшние инженеры в этом отношении не сильно изменились. Например, стандартные размеры рамы NEMA, которые были пересмотрены только один раз с 1950 года, по-прежнему определяют гораздо большие размеры вала, чем того требуют общепринятые принципы машиностроения.

Основы конструкции вала

Размер вала определяется крутящим моментом, а не мощностью. Но изменения мощности и скорости (об / мин) влияют на крутящий момент, как показывает следующее уравнение:

Крутящий момент (фунт-фут) = л.с. x 5,252 / об / мин

Соответственно, для увеличения мощности потребуется больший крутящий момент, как и для уменьшения частоты вращения. Например, для двигателя мощностью 100 л.с., рассчитанного на 900 об / мин, потребуется вдвое больше крутящего момента, чем для двигателя мощностью 100 л.с., рассчитанного на 1800 об / мин.Каждый вал должен быть рассчитан на предполагаемую крутящую нагрузку.

Для определения необходимого минимального размера вала для двигателей используются два основных подхода, оба из которых дают консервативные результаты. Один метод требует сделать вал достаточно большим (и, следовательно, достаточно прочным), чтобы выдерживать указанную нагрузку без поломки. Инженеры-механики определяют это как способность передавать требуемый крутящий момент без превышения максимально допустимого напряжения сдвига при кручении материала вала.На практике это обычно означает, что минимальный диаметр вала может выдерживать, по крайней мере, двукратный номинальный крутящий момент двигателя.

Другой способ спроектировать вал — это рассчитать минимальный диаметр, необходимый для контроля крутильного прогиба (скручивания) во время эксплуатации. Для инженеров это означает, что допустимый крутящий момент или крутящий момент является функцией допустимого напряжения сдвига при кручении (в фунтах на квадратный дюйм или кПа) и модуля упругости полярного сечения (функция площади поперечного сечения вала).

Справочник по машинному оборудованию предоставляет следующие уравнения для определения минимальных размеров вала с использованием обоих подходов к проектированию: сопротивления крутильному прогибу и передачи крутящего момента.Обе системы уравнений основаны на стандартных значениях для стали с допустимыми напряжениями 4000 фунтов на квадратный дюйм (2,86 кг / мм 2 ) для приводных валов и 6000 фунтов на квадратный дюйм (4,29 кг / мм 2 ) для трансмиссионных валов с шкивы (иногда называемые шкивами). Некоторые из уравнений также относятся к валам с шпонкой или без шпонки, что удобно для пользователей насосов, которым необходимо знать, как рассчитать валы с шпонкой и без шпонки.

Трансмиссия приближения крутящего момента

Большинство валов двигателей имеют шпонку, что увеличивает напряжение сдвига, действующее на вал.Учитывая это, конструкции вала двигателя обычно используют не более 75% максимального рекомендованного напряжения для вала без шпонки. Это еще одна причина, по которой валы электродвигателей часто больше, чем валы насосов, которые они приводят.

>> Уравнения 3-5 и примеры 1-4 см. На следующих страницах.

Пример 1

Рассмотрим двигатель мощностью 200 л.с. (150 кВт), 1800 об / мин. Для применения с прямым соединением стандартный размер рамы составляет 445TS с диаметром вала (шпоночного) 2.375 дюймов (60 мм). Используя уравнение [1], минимальный размер вала будет:

Или, в метрических единицах:

Чтобы увидеть, какой запас прочности учитывается в приведенных выше уравнениях, замените номинальную мощность 200 л.с. на 400 л.с.

Поскольку расчетный диаметр вала для двигателя мощностью 200 л.с. рассчитан на то, чтобы выдерживать удвоенный номинальный крутящий момент, диаметр вала 2,371 дюйма является абсолютным минимумом для номинальной мощности 400 л.с.

Устойчивость к скручиванию

Другой способ рассчитать минимальный размер вала двигателя — установить предел величины крутильного отклонения (скручивания), которое может произойти.Сопротивление скручивающим нагрузкам прямо пропорционально размеру вала: чем больше диаметр, тем больше сопротивление скручиванию.

Практическое правило при использовании этого метода заключается в том, что вал должен быть достаточно большим, чтобы он не отклонялся более чем на 1 градус на длине, в 20 раз превышающей его диаметр. Чтобы рассчитать минимальный размер вала, соответствующий этой спецификации, используйте следующее уравнение:

Пример 2

Для двигателя 200 л.с. (150 кВт), 1800 об / мин из Примера 1, минимальный размер вала для ограничения крутильного прогиба будет:

Или, в метрических единицах:

Минимальные диаметры вала, рассчитанные с помощью методов передачи крутящего момента и крутильного отклонения, по существу одинаковы для примеров 1 и 2.Тем не менее, хороший подход — рассчитать размер в обоих направлениях, а затем использовать большее значение в качестве абсолютного минимума.

>> Конструкции полого вала, уравнение 5 и примеры 3-4 см. На следующей странице.

Конструкции с полым валом

Непосредственно связанные нагрузки оказывают скручивающее усилие (кручение) на вал, вызывая наибольшую деформацию вблизи поверхности или радиуса и очень небольшую — на внутренней части. Это делает конструкцию с полым валом практичной для вертикальных двигателей.Эти конструкции позволяют валу насоса проходить через полый вал двигателя, что упрощает процесс соединения валов насоса, которые должны поддерживать столб тяжелой воды, связанный с глубокой скважиной.

Расчет диаметра вала для вертикального двигателя с полым валом не такой простой. Две переменные — внешний и внутренний диаметры полого вала — не стандартизированы, что делает невозможным упрощение расчета с помощью соотношения. По этой причине легче продемонстрировать, достаточно ли конкретного полого вала для данной номинальной мощности.

Пример 3

Двигатель с полым валом мощностью 200 л.с. (150 кВт), 1800 об / мин имеет внешний диаметр вала 3 дюйма (76 мм) и внутренний диаметр 2 дюйма (51 мм). Чтобы определить, достаточно ли этого размера вала для передачи необходимого крутящего момента, решите следующее уравнение для P :

В этом примере мощность P должна быть больше 200 л.с., чтобы вал был достаточно большим, чтобы выдерживать крутящий момент двигателя.

Теоретически этот вал способен передавать 1700 л.с., так что этого более чем достаточно для 200 л.с.

Пример 4

Величина крутящего момента, который может передать полый вал, зависит от толщины стенки между его внутренним и внешним диаметром. Более тонкая стена не может выдержать такой же крутящий момент, как более толстая. 3-дюйм. вал в Примере 3 был способен передавать 1700 л.с. и имел стенку толщиной ½ дюйма: (3 дюйма — 2 дюйма) / 2 дюйма = ½ дюйма. вал передачи, если бы стена была только ¼ дюйма толщиной?

Эффект от более тонкой стены впечатляет.Вал с диаметром 0,25 дюйма. стена может выдерживать менее 20% крутящего момента вала со стенкой ½ дюйма.

Подведение итогов

Инженеры

склонны проектировать с учетом достаточного запаса прочности, и, в частности, старое оборудование было спроектировано чрезмерно даже по сегодняшним стандартам. Конечно, это одна из причин, по которой многие из нас ценят устаревшую технику. Это было достаточно сложно, чтобы противостоять человеческим ошибкам, например, плохой центровке.

В любом случае имейте в виду, что добавление шпоночной канавки к существующему валу ослабляет вал.Аналогичным образом, увеличение диаметра отверстия полого вала снижает допустимый крутящий момент. Рассматривайте возможность модификации вала только при наличии хорошей инженерной поддержки. Даже в этом случае помните, что чем серьезнее последствия отказа, тем более значительным должен быть коэффициент безопасности. В конце концов, кто хочет использовать лифт, который был спроектирован и построен без учета запаса прочности?

Чак ​​Юнг (Chuck Yung) — старший специалист по технической поддержке Ассоциации обслуживания электроаппаратуры (EASA).

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *