Формула крутящего момента двигателя

Что такое крутящий момент двигателя и как его рассчитать?

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.

Механические и электрические характеристики асинхронных электродвигателей

В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных. Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся. Для примера рассмотрим АИР80В2У3.

Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя

На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.

Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.

Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.

Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.

Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.

Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.

Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.

Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:

Q = √( 3046 2 – 2650 2 ) = 1502 ВАР

Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.

Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.

Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя

На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.

Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду. Но поскольку двигатель асинхронный, то ротор вращается с отставанием на величину скольжения s.

Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:

s = ( ( n – n1 )/ n) *100%

Для нашего примера s = ( (3000 – 2870)/3000 ) *100% = 4,3%.

Угловая скорость асинхронного двигателя

Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.

Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.

Линейная скорость асинхронного электродвигателя

Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:

Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя

Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:

Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:

Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.

Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м.

Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.

Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.

Понятие крутящего момента двигателя машины

Такой разговор можно услышать везде – в автомастерской, в гаражах мечтающих парней, на специализированных форумах. На этой почве десятки людей теряют репутацию и даже жизни. А вот третий участник прав – эти понятия равнозначны. И всё благодаря физике.

Природа мифа о важности мощности

Миф о важности мощности зародился в эпоху наклеек с автомобилями «Турбо». На обороте или же под картинкой располагались сведения о производителе авто, модели и мощности двигателя в лошадиных силах. Ни один обзор не обходится без указания мощности двигателя. А крутящий момент остаётся в тени.

Но на самом деле от него эта самая мощность и зависит! Ведь согласно школьному курсу физики мощность показывает, сколько операций способен выполнить мотор за отрезок времени. А крутящий момент входит в формулу ее определения. Параметр умножают на количество оборотов двигателя за минуту и делят на странное число 9549.

Тёмная лошадка – крутящий момент

Максимальная скорость и расход топлива – основные критерии выбора автомобиля пользователями. Но при этом забывают важнейшую тяговую составляющую транспортного средства. Это и есть тот самый крутящий момент. Но не путайте его с аналогичной характеристикой на колёсах. В нашем случае речь идёт о силе, с которой на сам мотор давят сгоревшие газы топлива.

Крутящий момент зависит от ряда факторов. Самое важное значение имеет рабочий объём мотора в кубических сантиметрах. Чем больше эта характеристика, тем больше сила давления на поршень.

Не стоит умалять и радиус кривошипа коленчатого вала. Эта деталь равномерно распределяет нагрузку по всей плоскости. К сожалению, жёсткие стандарты двигателей лишили конструкторов вариативности радиуса.

Прямо пропорционально к крутящему моменту рабочее давление. Чем с большей силой газы воздействуют на поршень, тем лучше для владельца транспортного средства.

Как КМ влияет на характеристики автомобиля

Здесь уместно сравнить машину с человеческим организмом. Крутящий момент — это аналог силы, а мощность – выносливости. От него зависит интервал времени, за который авто наберёт максимально возможную скорость. Однако на практике величину характеристики определяет время разбега на промежутке от 0 до 100 километров в час. Именно его чаще всего указывают при публикации обзоров.

Но мощный двигатель ещё не означает достоинство в плане крутящего момента. Не все авто с производительными двигателями могут похвастаться динамикой разгона. И наоборот, наиболее динамичные машины не могут похвастаться мощностными характеристиками.

Постоянный ли крутящий момент автомобиля

Нет. Как уже отмечалось, КМ зависит от числа оборотов двигателя. Мотор выходит на пик мощности постепенно, наращивая ньютон-метры до пиковой точки, а затем снижается. Почему так происходит? Ответ кроется во взаимосвязи оборотов мотора и скорости движения.

На разных скоростях и при разных оборотах мотор выполняет отличные друг от друга процессы. Разнится число искровых зажиганий, расход топлива, количество остаточных газов в камере. Крутящий момент минимален на малых оборотах, когда существует угроза детонации.

На средних оборотах ситуация в корне меняется. От клапана впуска поступает больше воздуха, соответственно осадочных газов становится меньше. Опасность взрыва сокращается. Мотор как бы оживает, растёт КМ. Но с его увеличением возрастает и нагрузка на весь двигатель. Появляются значительные механические потери, расходы на разогрев горюче-смазочных материалов. По мере их накопления качество работы двигателя не улучшается, отражаясь на моменте.

Визуально это можно представить на графике. Рассмотрим пример кривой для автомобиля середины 1990-х годов.

Конструкторы стараются поднять крутящий момент двигателя за счёт изменения типа, дополнительных функций. Всё чаще применяется электронное управление. Новшество облегчило жизнь автомобилистам. Цифровые контроллеры сдерживают разгон авто и крутящего момента. А периодически возникает ситуация, когда турбонаддуву не хватает мощности или нагнетатель засоряется, что влияет на динамику. Это чётко видно на другом графике – Saab.

Выводы

Конечно, мощность автомобиля имеет большое значение. Но пренебрегать крутящим моментом тоже не стоит. Иначе можно опозориться перед лицом товарищей с динамичными авто.