Мощность <-> крутящий момент
В общем, соотношение между мощностью и крутящим моментом представляет собой простую формулу:
Power[kW] = Torque[Nm] * RPM * π / 30,000
Это означает, что вы всегда можете рассчитать одну кривую из другой на диаграммах крутящего момента / мощности (это также делает динамометр)
Итак, почему всегда строятся обе кривые, если они более или менее одинаковы?
Эта диаграмма показывает несколько кривых пяти теоретических двигателей:
Каждый двигатель имеет крутящий момент 350 Нм при 8000 об / мин (и, следовательно, одинаковую пиковую мощность при этих оборотах), а каждый двигатель имеет пиковый крутящий момент 450 Нм.
Нормальный водитель использует диапазон до 3000 об / мин на улице, поэтому его лучший выбор - двигатель № 2, а затем № 1. Это дало бы лучшее ускорение при умеренных оборотах.
В гонке, где двигатель работает на очень высоких оборотах, лучше выбрать №5.
Эту оценку можно выполнить с помощью обеих кривых - мощности и крутящего момента, поскольку они показывают более или менее одинаковое количество. НО кривые крутящего момента показывают различия, намного более четкие, чем кривые мощности!
Однако кривые мощности (могут) показывают некоторые интересные детали. Мощность № 4 уменьшается от 4000 до 5000 об / мин. Другой момент заключается в том, что, как правило, максимальная мощность не соответствует максимальным оборотам, и вы хотите знать, на каких оборотах он находится, и как он ведет себя на этих оборотах.
Почему мощность все еще увеличивается, хотя в какой-то момент крутящий момент уже уменьшается с об / мин?
Представьте, что у вас есть вес 50 кг, который вы поднимаете, натягивая веревку, которая проходит через шкив в потолке. Сила, которую вы должны приложить, - это сила тяжести веса, когда вы тянете его с постоянной скоростью. Так как 50 кг довольно тяжелые, вы поднимаете их очень медленно. Если вес меньше, вам нужно меньше усилий, и вы сможете быстрее его поднимать. Допустим, вы поднимаете 25 кг за 1/3 времени. Это означает, что в то же время, когда вы поднимаете тяжелый вес в 50 кг, вы также можете поднять в общей сложности 3x25 кг = 75 кг. Поскольку мощность - это работа, выполняемая за раз, и вы можете одновременно поднять 75 кг вместо 50 кг, то мощность на 50% выше, хотя вы вкладываете только половину силы.
Это примерно то же самое для двигателя: при высоких оборотах он может иметь меньший крутящий момент (силу) во время оборота, но, поскольку он делает больше оборотов в одно и то же время, он может выдавать больше мощности.
Что происходит в коробке передач?
Как сказано, сила - это работа, выполненная за один раз. Поскольку мощность сохраняется, мощность на валу двигателя равна мощности на колесах. Из приведенной выше формулы можно рассчитать, что происходит, когда отношение двигателя к колесу отличается (без учета каких-либо потерь):
Wheel_torque = Motor_torque * Motor_RPM / Wheel_RPM
На следующей диаграмме я изобразил крутящий момент на колесе в зависимости от оборотов двигателя для шести передач BMW M3 (365 Нм при 4900 об / мин; 252 кВт при 7900 об / мин):
Но также можно нарисовать мощность и крутящий момент в зависимости от скорости:
Да, 365 Нм двигателя на первой передаче превращается в почти 6000 Нм (4400 фунт футов). Это показывает огромное влияние передаточных чисел и размеров колес. С другой стороны, мощность всегда одинакова на заданных оборотах.
Обратите внимание, что когда вы переключаетесь на вторую передачу со скоростью 4900 об / мин (максимальный крутящий момент), вы уменьшаете крутящий момент колеса примерно на 50%. (И когда вы переходите на 3-й позже, вы снова теряете около 50%).
Это означает, что в гонке вы будете переключаться как можно позже, даже если мощность уже падает, потому что переключение означает значительную потерю мощности / крутящего момента. (Красная область на моем графике просто обозначает диапазон оборотов от 4900 до максимума на первой передаче, чтобы прояснить это). Тем не менее, в соревновании по ускорению, где вы начинаете с нуля, высокий крутящий момент при низких оборотах поможет, потому что важно как можно быстрее достичь высокой скорости, и это не имеет большого значения, если вы по-прежнему немного ускоряетесь на последней метров.
Конечно, в действительности есть сопротивление, которое увеличивается со скоростью, и единственный способ преодолеть его - это еще больше силы. Таким образом, мощность, конечно, определяет максимальную скорость, но этот пример показывает, что мощность уже играет роль в диапазоне 50 км / ч / 30 миль в час, что не очень быстро.
Так сравнивать разные машины по мощности или крутящему моменту?
Вы видели огромное влияние коэффициентов оборотов из-за трансмиссии, и окружность колеса также играет роль. Таким образом, невозможно сравнить две машины, просто посмотрев на кривую крутящего момента двигателя. Это работает только для автомобилей с несколькими вариантами двигателя, но той же коробкой передач. Власть немного (!) Лучше. Обратите внимание, что BMW M3 обеспечивает более или менее постоянную максимальную мощность свыше 125 км / ч на 3-й передаче, когда вы переключаетесь поздно.
Экономия топлива
Крутящий момент также является мерой работы двигателя за один оборот. Точнее:
Work_per_rev[J]= torque[Nm] * 2π
Если учесть, что двигатель сгорает всегда одинаковое количество топлива на оборот (не полностью реалистично, но нормально), то есть выделяется одна и та же химическая энергия (работа), соотношение химическая / механическая работа является наилучшим, когда крутящий момент максимален. , Таким образом, машина работает наиболее эффективно при высоком крутящем моменте.
Но имейте в виду, лучшая топливная эффективность не равна лучшему пробегу! В случае BMW M3: движение с 2000 об / мин вместо 4000 об / мин означает снижение крутящего момента с 340 до 290 Нм, что составляет потерю всего 15%, а расход топлива снижается на 50%.
Вот почему рекомендуется ездить на очень низких оборотах для лучшего пробега, хотя эффективность использования топлива там не самая лучшая. Однако: высокий крутящий момент при более низких оборотах наверняка означает лучший пробег.
Вывод
В общем, мощность и крутящий момент - это две меры одного и того же: сила двигателя. Если у вас есть одна кривая, вы можете рассчитать другую.
Мощность определяет гоночную способность и максимальную скорость автомобиля, а также ускорение, когда двигатель достигает более высоких оборотов.
Крутящий момент показывает гораздо яснее, какие возможности ускорения имеет двигатель при низких оборотах, но крутящий момент на колесе зависит от передаточных чисел и габаритов колеса, поэтому сравнивать его не так просто. Нормальный водитель хотел бы иметь высокий крутящий момент на низких оборотах.
И, пожалуйста, обратите внимание, что я сделал несколько предположений и упрощений здесь.
О моих данных
Я получил кривые двигателя от пресс-сайта BMW . И на этом (к сожалению, немецком) сайте измеряются размеры шин, набор оборотов в минуту и модель BMW для передаточных чисел (или пользовательских соотношений) и рассчитывается скорость на оборотах в передачах. В моем случае окружность колеса составляет ~ 2 м, а скорость составляет 7,5; 12,9; 19,3; 25,6; 30,1 и 35,1 км / ч на передачах 1-6. Это позволяет рассчитать обороты колеса для заданного числа оборотов двигателя в заданной передаче.