Максимальный крутящий момент: крутящий момент или мощность двигателя?

Содержание

крутящий момент или мощность двигателя?

Так уж повелось, что любого автолюбителя при оценке способностей машины в первую очередь интересует такой показатель, как мощность. Но не менее важной характеристикой является крутящий момент. И вот почему

Евгений Яблоков

Несмотря на то, что гужевой транспорт давно «канул в Лету» и «л. с.» является персоной нон-грата в международной системе классификации, «лошадиная» единица измерения мощности продолжает пользоваться спросом. Причем не только у простого люда, но и на государственном уровне. Для этого достаточно взглянуть на квитанцию об уплате транспортного налога.

Между тем, появившаяся в период промышленной революции «л. с.» весьма условна. А все потому, что она определяет относительный уровень производительности среднестатистической лошади путем определения усилий, необходимых для подъема 75-килограммового груза на один метр за одну секунду. Новая единица измерения, взятая на вооружение фабрикантами для оценки превосходства стационарных механизмов над животными, со временем перекочевала в мир подвижного состава.

Позже шотландский инженер Джеймс Уатт ввел в обращение официальную единицу измерения мощности своего имени – «Вт», которую для удобства использования укрупнили до «кВт». Ватт, синхронизированный с л. с. в соотношении 1 кВт = 1,36 л. с., так и не добился всеобщей любви, оставив пальму первенства конской силе. Однако мощность мощностью, но, как говорится, двигает машину не она, а крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах (Н∙м).

Что такое крутящий момент?

У многих автомобилистов нет адекватного представления о том, что это за «зверь». О нем, впрочем, как и о мощности, бытует расхожее мнение: чем больше, тем лучше. По сути, это тесно связанные характеристики. Мощность в ваттах не что иное, как крутящий момент в ньютон-метрах, умноженный на число оборотов и на 0,1047. Другими словами, мощность демонстрирует количество работы, выполняемой двигателем за определенный промежуток времени, а крутящий момент отражает способность силового агрегата эту работу совершить. Если, скажем, автомобиль завяз в глинистом грунте и обездвижился, то производимая им мощность будет равняться нулю. Ведь работа не совершается. А вот момент, хотя его и не хватает для движения, присутствует. Крутящий момент без мощности существовать может, а мощность без момента — нет.

Главным достижением работающего мотора при превращении тепловой энергии в механическую является момент, или тяга. Высокие моментные значения характерны для дизельных двигателей, конструктивная особенность которых – большой (больше диаметра цилиндра) ход поршня. Большой крутящий момент у дизеля нивелируется относительно низким допустимым числом оборотов, которые ограничивают для увеличения ресурса. Высокооборотистым бензиновым моторам свойствен «крен» в сторону мощности, ведь их детали отличаются меньшим весом. И степень сжатия тоже ниже. Правда, современные силовые агрегаты – и дизельные, и бензиновые – совершенствуясь, становятся ближе и конструктивно, и по показателям. Но пока банальное правило рычага сохраняется: выигрывая в силе, проигрываешь в скорости. И, соответственно, в расстоянии.

Лучшие черты двигателя определяются совокупностью оптимальных значений мощности и тяги. Чем раньше наступает максимум крутящего момента и чем позже пик мощности, тем шире диапазон возможностей силового агрегата. Близкие к оптимальным характеристики имеют электрические двигатели. Они располагают тягой, близкой к максимальной, практически с начала движения. В то же время значение мощности прогрессивно возрастает. Существенным фактором в вопросах определения мощности и крутящего момента являются обороты двигателя. Чем они выше, тем большую мощность можно снять.

В этом контексте уместно упомянуть о гоночных моторах. Из-за относительно скромных объемов они не блещут умопомрачительным крутящим моментом. Однако способны раскручиваться до 15–20 тыс. оборотов в минуту (мин-1), что позволяет им выдавать супермощность. Так, если рядовой силовой агрегат при 4000 об/мин генерирует 250 Н∙м и порядка 140 л. с., то при 18 000 мин-1 он мог бы выдать в районе 640 л. с.

К сожалению, повышать частоту вращения довольно сложно. Мешают силы инерции, нагрузки, трение. Скажем, если раскрутить мотор от 6000 до 12 000 мин-1, то силы инерции возрастут вчетверо, что потенциально грозит опасностью перекрутить мотор. Повысить величину крутящего момента можно с помощью турбонаддува, но в этом случае негативную роль начинают играть тепловые нагрузки.

Принцип максимальной отдачи мощности красноречиво иллюстрируют моторы болидов «Формулы-1», имеющие весьма скромный объем (1,6 литра) и относительно невысокий показатель тяги. Но за счет наддува и способности раскручиваться до высоких оборотов выдают порядка 600 л. с. Плюс к тому, конструкция у «Ф1» – гибридная, и электродвигатель, дополняющий основной мотор, при необходимости добавляет еще 160 «лошадей».

Важной характеристикой, отражающей возможности мотора, является диапазон оборотов, при котором доступна максимальная тяга. Но еще важнее эластичность двигателя, то есть способность набирать обороты под нагрузкой. Другими словами, это соотношение между числами оборотов для максимальной мощности и оборотов для максимального крутящего момента. Оно определяет возможность снижения и увеличения скорости за счет работы педалью газа без переключения передач. Или возможность езды на высоких передачах с малой скоростью. Эластичность, к примеру, выражается способностью автомобиля разгоняться на пятой передаче с 80 до 120 км/ч на пятой. Чем меньше времени займет этот разгон, тем эластичнее двигатель. Из двух двигателей одинакового объема и мощности предпочтителен тот, у которого выше эластичность. При прочих равных условиях такой мотор будет меньше изнашиваться, работать с меньшим шумом и меньше расходовать топливо, а также облегчит работу трансмиссии.

А если все-таки задаться вопросом о том, что важнее – крутящий момент или мощность, деля мир на черное и белое, ответ будет предельно прост: так как это зависимые величины, важно и то и другое.

Хочу получать самые интересные статьи

Мощность и крутящий момент — что это?

ЧТО ТАКОЕ ЛОШАДИНАЯ СИЛА?

— У тебя сколько сил? — такой вопрос слышал любой, кто хоть немного касался мира автомобилей. Никому даже пояснять не надо, какие силы на самом деле имеются в виду — лошадиные. Именно в них мы привыкли оценивать мощность мотора, одну из важнейших потребительских характеристик машины.

Уже и гужевого транспорта практически не осталось даже в деревнях, а эта единица измерения живёт и здравствует больше ста лет. А ведь лошадиная сила — величина, по сути, нелегальная. Она не входит в международную систему единиц (полагаю, многие со школы помнят, что называется она СИ) и потому не имеет официального статуса. Более того, Международная организация законодательной метрологии требует как можно скорее изъять лошадиную силу из обращения, а директива ЕС 80/181/EEC от 1 января 2010 прямо обязует автопроизводителей использовать традиционные «л.с.» только как вспомогательную величину для обозначения мощности.

Но не зря считается, что привычка — вторая натура. Ведь говорим же мы в обиходе «ксерокс» вместо копир и обзываем клейкую ленту «скотчем». Вот и непризнанные «л.с.» сейчас используют не только обыватели, но и едва ли не все автомобильные компании. Какое им дело до рекомендательных директив? Раз покупателю удобнее — пусть так и будет. Да что там производители — даже государство на поводу идёт. Если кто забыл, в России транспортный налог и тариф ОСАГО именно от лошадиных сил высчитываются, как и стоимость эвакуации неправильно припаркованного транспорта в Москве.

Лошадиная сила родилась в эпоху промышленной революции, когда потребовалось оценить, насколько эффективно механизмы заменяют животную тягу. По наследству от стационарных двигателей эта условная единица измерения мощности со временем перешла и на автомобили

И никто бы к этому не придирался, если не одно весомое «но». Задуманная, чтобы упростить нам жизнь, лошадиная сила на самом деле вносит путаницу. Ведь появилась она в эпоху промышленной революции как совершенно условная величина, которая не то что к автомобильному мотору, даже к лошади имеет достаточно опосредованное отношение. Смысл этой единицы в следующем — 1 л.с. достаточно, чтобы поднять груз массой 75 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. Фактически, это сильно усреднённый показатель производительности одной кобылы. И не более того.

Иными словами, новая единица измерения очень пригодилась промышленникам, добывавшим, к примеру, уголь из шахт, и производителям соответствующего оборудования. С её помощью было проще оценить преимущество механизмов над животной силой. А поскольку приводились станки уже паровыми, а позднее и керосиновыми двигателями, то «л.с.» перешли по наследству и к  самобеглым экипажам.

Джеймс Уатт — шотландский инженер, изобретатель, учёный, живший в XVIII — начале XIX века. Именно он ввёл в обращение как «нелегальную» сейчас лошадиную силу, так и официальную единицу измерения мощности, которую назвали его именем

По иронии судьбы изобрёл лошадиную силу человек, именем которого названа официальная единица измерения мощности — Джеймс Уатт. А поскольку ватт (а точнее, применительно к могучим машинам, киловатт — кВт) к началу XIX века тоже активно входил в оборот, пришлось две величины как-то приводить друг к другу. Вот здесь-то и возникли ключевые разногласия. Например, в России и большинстве других европейских стран приняли так называемую метрическую лошадиную силу, которая равна 735,49875 Вт или, что сейчас нам более привычно, 1 кВт = 1,36 л.с. Такие «л.с.» чаще всего обозначают PS (от немецкого Pferdestärke), но есть и другие варианты — cv, hk, pk, ks, ch… При этом в Великобритании и ряде её бывших колоний решили пойти своим путём, организовав «имперскую» систему измерений с её фунтами, футами и прочими прелестями, в которой механическая (или, по-другому, индикаторная) лошадиная сила составляла уже 745,69987158227022 Вт. А дальше — пошло-поехало. К примеру, в США придумали даже электрическую (746 Вт) и котловую (9809,5 Вт) лошадиные силы.

Вот и получается, что один и тот же автомобиль с одним и тем же двигателем в разных странах на бумаге может иметь разную мощность. Возьмём, например, популярный у нас кроссовер Kia Sportage — в России или Германии по паспорту его двухлитровый турбодизель в двух вариантах развивает 136 или 184 л. с., а в Англии — 134 и 181 «лошадку». Хотя на самом деле отдача мотора в международных единицах составляет ровно 100 и 135 кВт — причём в любой точке земного шара. Но, согласитесь, звучит непривычно. Да и цифры уже не такие впечатляющие. Поэтому автопроизводители и не спешат переходить на официальную единицу измерения, объясняя это маркетингом и традициями. Это как же? У конкурентов будет 136 сил, а у нас всего 100 каких-то кВт? Нет, так не пойдёт…

КАК ИЗМЕРЯЮТ МОЩНОСТЬ?

Впрочем, «мощностные» хитрости игрой с единицами измерения не ограничиваются. До последнего времени её не только обозначали, но даже измеряли по-разному. В частности, в Америке долгое время (до начала 1970-х годов) автопроизводители практиковали стендовые испытания двигателей, раздетых догола — без навески вроде генератора, компрессора кондиционера, насоса системы охлаждения и с прямоточной трубой вместо многочисленных глушителей. Само собой, сбросивший оковы мотор легко выдавал процентов на 10-20 больше «л. с.», так необходимых менеджерам по продажам. Ведь в тонкости методики испытаний мало кто из покупателей вдавался.

Другая крайность (но гораздо более приближенная к реальности) — снятие показателей прямо с колёс автомобиля, на беговых барабанах. Так поступают гоночные команды, тюнинговые мастерские и прочие коллективы, которым важно знать отдачу мотора с учётом всех возможных потерь, и трансмиссионных в том числе.

Мощность также зависит от того, как её измерять. Одно дело крутить на стенде «голый» мотор без навесного оборудования и совсем другое — снимать показания с колёс, на беговых барабанах, с учётом трансмиссионных потерь. Современные методики предлагают компромиссный вариант — стендовые испытания двигателя с необходимой для его автономной работы навеской

Но в итоге за образец в различных методиках вроде европейских ECE, DIN или американских SAE приняли компромиссный вариант. Когда двигатель устанавливают на стенде, но со всей необходимой для бесперебойного функционирования навеской, включая стандартный выпускной тракт. Снять можно только оборудование, относящееся к другим системам машины (к примеру, компрессор пневмоподвески или насос гидроусилителя руля). То есть тестируют мотор ровно в том виде, в котором он фактически стоит под капотом автомобиля. Это позволяет исключить из финального результата «качество» трансмиссии и определить мощность на коленвале с учётом потерь на привод основных навесных агрегатов. Так, если говорить о Европе, то эту процедуру регламентирует директива 80/1269/EEC, впервые принятая ещё в 1980 году и с тех пор регулярно обновляемая.

ЧТО ТАКОЕ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ?

Но если мощность, как говорят в Америке, помогает автомобили продавать, то двигает их вперёд крутящий момент. Измеряют его в ньютон-метрах (Н∙м), однако у большинства водителей до сих пор нет чёткого представления об этой характеристике мотора. В лучшем случае обыватели знают одно — чем выше крутящий момент, тем лучше. Почти как с мощностью, не правда ли? Вот только чем тогда «Н∙м» отличаются от «л. с.».?

На самом деле, это связанные величины. Более того, мощность — производная от крутящего момента и оборотов мотора. И рассматривать их по отдельности просто нельзя. Знайте — чтобы получить мощность в ваттах необходимо крутящий момент в ньютон-метрах умножить на текущее число оборотов коленвала и коэффициент 0,1047. Хотите привычные лошадиные силы? Нет проблем! Делите результат на 1000 (таким образом получатся киловатты) и умножайте на коэффициент 1,36.

Чтобы обеспечить дизелю (на фото слева) высокую степень сжатия, инженеры вынуждены делать его длинноходным (это когда ход поршня превышает диаметр цилиндра). Поэтому у таких моторов крутящий момент конструктивно получается большим, но предельное число оборотов приходится ограничивать ради повышения ресурса. Разработчикам бензиновых агрегатов, наоборот, проще получить высокую мощность — детали здесь не такие массивные, степень сжатия меньше, так что двигатель можно сделать короткоходным и высокооборотным. Впрочем, в последнее время различие между дизелями и бензиновыми агрегатами постепенно стирается — они становятся всё более похожими как по конструкции, так и по характеристикам

Выражаясь техническим языком, мощность показывает, сколько работы способен выполнить мотор за единицу времени. А вот крутящий момент характеризует потенциал двигателя к совершению этой самой работы. Показывает сопротивление, которое он может преодолеть. Например, если машина упрётся колёсами в высокий бордюр и не сможет тронуться с места, мощность будет нулевой, так как никакой работы мотор не совершает — движения нет, но крутящий момент при этом развивается. Ведь за то мгновение, пока движок не заглохнет от натуги, в цилиндрах сгорает рабочая смесь, газы давят на поршни, а шатуны стараются привести во вращение коленвал. Иными словами, момент без мощности существовать может, а мощность без момента — нет. То есть именно «Н∙м» являются основной «продукцией» двигателя, которую он производит, превращая тепловую энергию в механическую.

Если проводить аналогии с человеком, «Н∙м» отражают его силу, а «л.с.» — выносливость. Именно поэтому тихоходные дизельные двигатели в силу своих конструктивных особенностей у нас, как правило, тяжелоатлеты — при прочих равных условиях они могут тащить на себе больше и легче преодолевают сопротивление на колёсах, пусть и не так проворно. А вот быстроходные бензиновые моторы скорее относятся к бегунам — нагрузку держат хуже, зато перемещаются быстрее. В общем, действует простое правило рычага — выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии или скорости. И наоборот.

Так называемая внешняя скоростная характеристика двигателя отражает зависимость мощности и крутящего момента от оборотов коленвала при полностью открытом дросселе. По идее, чем раньше наступает пик тяги и позже — мощности, тем проще мотору адаптироваться к нагрузкам, его рабочий диапазон увеличивается, что позволяет водителю или электронике реже переключать передачи и почём зря не жечь топливо. На этих графиках видно, что бензиновый двухлитровый турбомотор (справа) выигрывает по этому показателю у турбодизеля аналогичного объёма, но уступает ему в абсолютной величине крутящего момента

Как это выражается на практике? В первую очередь, надо понять, что именно кривые крутящего момента и мощности (вместе, а не по отдельности!) на так называемой внешней скоростной характеристике двигателя будут раскрывать его истинные возможности. Чем раньше достигается пик тяги и позже пик мощности, тем лучше мотор приспособлен к своим задачам. Возьмём простой пример — автомобиль движется по ровной дороге и вдруг начинается подъём. Сопротивление на колёсах возрастает, так что при неизменной подаче топлива обороты станут падать. Но если характеристика двигателя грамотная, крутящий момент при этом наоборот начнёт расти. То есть мотор сам приспособится к увеличению нагрузки и не потребует от водителя или электроники перейти на передачу пониже. Перевал пройден, начинается спуск. Машина пошла на разгон — высокая тяга здесь уже не так важна, критичным становится другой фактор — мотор должен успевать её вырабатывать. То есть на первый план выходит мощность. Которую можно регулировать не только передаточными числами в трансмиссии, а повышением оборотов двигателя.

Здесь уместно вспомнить гоночные автомобильные или мотоциклетные моторы. В силу относительно небольших рабочих объёмов, они не могут развить рекордный крутящий момент, зато способность раскручиваться до 15 тысяч об/мин и выше позволяет им выдавать фантастическую мощность. К примеру, если условный двигатель при 4000 об/мин обеспечивает 250 Н∙м и, соответственно, примерно 143 л.с., то при 18000 об/мин он мог бы выдать уже 640,76 л.с. Впечатляет, не правда ли? Другое дело, что «гражданскими» технологиями это не всегда получается добиться.

И, кстати, в этом плане близкую к идеальной характеристику имеют электродвигатели. Они развивают максимальные «ньютон-метры» прямо со старта, а потом кривая крутящего момента плавно падает с ростом оборотов. График мощности при этом прогрессивно возрастает.

Современные моторы «Формулы 1» имеют скромный объём 1,6 л и относительно невысокий крутящий момент. Но за счёт турбонаддува, а главное — способности раскручиваться до 15000 об/мин, выдают порядка 600 л.с. Кроме того, инженеры грамотно интегрировали в силовой агрегат электродвигатель, который в определённых режимах может добавлять ещё 160 «лошадок». Так что гибридные технологии могут работать не только на экономичность

Думаю, вы уже поняли — в характеристиках автомобиля важны не только максимальные значения мощности и крутящего момента, но и их зависимость от оборотов. Вот почему журналисты так любят повторять слово «полка» — когда, допустим, мотор выдаёт пик тяги не в одной точке, а в диапазоне от 1500 до 4500 об/мин. Ведь если есть запас крутящего момента, мощности тоже, скорее всего, будет хватать.

Но всё же лучший показатель «качества» (назовём его так) отдачи автомобильного двигателя — его эластичность, то есть способность набирать обороты под нагрузкой. Она выражается, например, в разгоне от 60 до 100 км/ч на четвёртой передаче или с 80 до 120 км/ч на пятой — это стандартные тесты в автомобильной индустрии. И может случиться так, что какой-нибудь современный турбомотор с высокой тягой на малых оборотах и широченной полкой момента даёт ощущение отличной динамики в городе, но на трассе при обгоне окажется хуже древнего атмосферника с более выгодной характеристикой не только момента, но и мощности…

Так что пусть в последнее время разница между дизельными и бензиновыми агрегатами становится всё более расплывчатой, пусть развиваются альтернативные моторы, но извечный союз мощности, крутящего момента и оборотов двигателя останется актуальным. Всегда.

Что такое крутящий момент

Очень многие автомобилисты не знают, что такое крутящий момент двигателя. На самом деле ответ на этот вопрос содержится еще в школьном курсе физики, но в свете того, что не все ее учили, а те, кто учил, не все поняли, а остальные просто забыли понятое, нет ничего удивительного, что этот вопрос остается открытым. Итак, что же такое крутящий момент двигателя?

Крутящий момент

Начать следует все же с физики. Крутящий момент двигателя является произведением силы на плечо рычага, к которому она прикладывается. Стоит напомнить, что сила измеряется в Ньютонах (Н), а плечо рычага в метрах (м). То есть один Нм равняется одному Ньютону (1Н), который приложен к метровому рычагу (1м).

В двигателе внутреннего сгорания сила передается от воспламеняющегося топлива поршню, от него к кривошипному механизму, а от него к коленвалу. Последний через систему трансмиссии и приводов и приводит колеса во вращение.

Разумеется, он не является постоянным и увеличивается, когда на плечо действует большая сила, и слабеет при ее уменьшении. Иными словами, когда водитель давит на «газ», то действующая на плечо сила возрастает и, соответственно, возрастает и крутящий момент.

Мощность двигателя

Крутящий момент имеет непосредственное отношение к мощности двигателя. Последняя, если говорить предельно просто, является совершенной за некоторую единицу времени работой. А поскольку работой двигателя и является тот самый крутящий момент, то мощность указывает на то, сколько раз за единицу времени двигателем был совершен крутящий момент.

Физиками была создана формула, связывающая оба этих показателя:

Мощность (P) = момент крутящий (Мкр) * измеряемые в об./мин обороты двигателя (N)/9549.

Хотя мощность измеряется в киловаттах, в нашей стране они довольно сложны для автомобилистов, поэтому ее, как правило, измеряют в лошадиных силах (л. с.). Ничего сложного здесь нет, просто чтобы киловатты стали «лошадями», количество киловатт умножается на 1,36.

Крутящий момент и мощность

С каждым из этих компонентов вроде бы понятно, но на что влияет каждый из них? Мощность оказывает влияние на преодоление всевозможных сил, которые оказывают автомобилю противодействие. Таковыми являются силы качения колес, аэродинамические силы, и, конечно же, сила трения в трансмиссии, приводах машины, в самом двигателе и не только. И чем выше мощность двигателя, тем большее сопротивление машина в состоянии преодолеть и, соответственно, тем большую скорость разовьет. Однако мощность не является постоянной силой и сильно зависит от оборотов двигателя. Мощность на холостом ходу и на максимальных оборотах неодинакова. Поэтому многие автопроизводители указывают в технических характеристиках при каких оборотах достигается максимум мощности.

Здесь следует помнить, что максимальная мощность развивается не одномоментно, и с места машина стартует при минимальных оборотах, которые едва превышают холостой ход. Для того же чтобы мобилизировать максимум мощности необходим некоторый отрезок времени и именно здесь на сцену выходит крутящий момент. Именно он «решает» за какой временной промежуток автомобилем будет достигнута максимальная мощность. Проще говоря, динамика разгона автомобиля зависит именно от крутящего момента.

Бензиновые и дизельные двигатели

У бензиновых двигателей показатели не самые высокие. Своих почти максимальных значений бензиновый двигатель может достичь при оборотах, в среднем, 3-4 тысячи. Однако бензиновый двигатель способен быстро увеличивать мощность, и раскручиваться до семи и даже восьми тысяч оборотов. И если принять во внимание вышеприведенные формулы, то становится ясно, что при таких оборотах мощность может возрасти в несколько раз.

Что касается дизельных двигателей, то высокими оборотами они не обладают и как правило, их максимум составляет пять, а то и всего три тысячи оборотов. В этом отношении «дизель» однозначно проигрывает бензиновому двигателю. Но зато крутящий момент у дизельного двигателя в несколько раз превышает аналогичный показатель бензинового собрата и вдобавок он доступен почти с холостого хода.

Что важнее: крутящий момент или мощность?

Чтобы разобраться с этой задачей, можно привести несложный пример. Скажем, можно взять два двигателя от фирмы AUDI, один бензиновый 2.0 FSI (крутящий момент – 200 Нм, мощность – 150 л.с.), а другой дизельный (мощностью 140 л.с. и с крутящим моментом 320 Нм). После проведения тестирования в различных режимах оказывается, что дизельный двигатель мощнее бензинового двигателя в диапазоне от 1 до 4,5 тысяч оборотов. Причем мощность будет выше на 30, а то и на 40 «лошадей», что не мало.

Из этого следует, что обращать внимание исключительно на мощность не стоит, поскольку нередко менее объемный двигатель, имеющий более высокий крутящий момент, оказывается гораздо динамичнее, чем двигатель с низким крутящим моментом (пусть даже большого объема).

Подводя итоги можно сказать, что в корне неверно классифицировать автомобили ориентируясь исключительно на мощность (л.с.) двигателя. Кроме мощности необходимо учитывать еще и крутящий момент (Нм) поскольку если последний показатель будет намного выше, чем у другого автомобиля, то и двигатель у него будет значительно динамичнее.

Крутящий момент, что это и зачем он нужен?

Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.

Что же означает понятие крутящий момент? Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.

Для наглядности: если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тем самым силу приложения к баллонному ключу. Так же если на рычаг метровой длины повесить груз равный 10 кг, то появится крутящий момент равный 10 кгм. В системе СИ это значение (перемножается на ускорение свободного падениям) будет соответствовать 98,1 Нм. Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.

Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге? Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя.

В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику. Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 – сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть? Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса. Как создается крутящий момент в двигателе. В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями.

Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топлива — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала). Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень. До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант – нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно.

Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия. Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.

Наиболее простое решение для увеличения крутящего момента, а следовательно и тяги, это применение турбо или механического наддува, либо применение их в комплексе. Тогда крутящий момент можно уже использовать с 800-1000 об/мин, т.е. практически сразу. К тому же это закрывает такую проблему, как провалы при наборе скорости, так как величина крутящего момента становится практически одинакова во всем диапазоне оборотов двигателя. Достигается это различными путями: увеличивают количество клапанов на цилиндр, делают управляемыми фазы газораспределения для оптимизации сгорания топлива, повышают степень сжатия, применяют выпускной коллектор по формуле 1-4 -2-3, в турбинах применяют крыльчатки с изменяемым и регулируемым углом атаки лопаток и т. д.

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.

Как выбрать максимальная и номинальная мощность двигателей

В 2010 году европейские и американские производители двигателей прекратили указывать их мощность, ограничившись лишь показателями объема и крутящего момента, выраженного либо в Ньютонах на метр (Н/м) либо в американской системе – футов на фунт (Ft/Lbs). Во втором случае, чтобы получить более привычные для нас единицы, достаточно умножить значение на 1,356. Впрочем, полученные данные все равно не столь очевидны, чтобы сразу сориентироваться в мощности устройства.

Мощность измеряется по формуле P (Вт) = Момент (Н·м) *Частоту вращения (Об/мин) / 9.5492.

Нужно иметь в виду, что максимальная мощность и максимальный момент достигаются при разных оборотах двигателя. Так максимальный момент, как видно из графика, будет на оборотах примерно 2400-2600, а максимальная мощность – при 3600 об/мин. Поэтому, для того, чтобы все-таки узнать на какой мощности у вас работает двигатель, нужно знать, на какие рабочие обороты он настроен, что не все производители указывают. Серьезные компании двигателей указывают для этого график, аналогичный представленному внизу, или конкретные значения мощности, зависящие оборотов. Если у вас есть регулятор оборотов двигателя, значит, максимальная мощность будет на максимальных оборотах.

Этим различием и пользовались производители двигателей: указывая мощность, которую можно получить при завышенных оборотах (например, 5.0 л.с., которую можно достичь при 4500 об/мин), при этом сам двигатель при постоянной работе был настроен на обороты 3600, выдавая всего 3.5 л.с. Численно мощность от оборотов зависит гораздо больше, чем от момента. Надо также понимать, что при завышении оборотов мощность растет, а крутящий момент падает.

Практически это означает, что для косилки, чем больше мощность, тем на большие обороты можно раскрутить нож или на те же обороты, но более длинный/тяжелый нож. Но при этом, если задрать обороты и соответственно уменьшить крутящий момент, то нож сможет преодолевать все меньшее сопротивление. То есть наступает ситуация, что при последующем увеличении оборотов, будет уменьшаться крутящий момент, и двигатель будет раньше глохнуть при увеличении сопротивления (нагрузки) и, значит, хуже будет косить густую траву.

Поэтому с 2010 года чаще всего указывается мощность двигателя, работающего в конкретной технике с учетом ее использования и установленным рабочим числом оборотов.   На двигателях же указывается только максимальный крутящий момент, на который и стоит ориентироваться, ведь чем он больше, тем лучше устройство будет справляться со своей задачей.

Все это касается нормальных (брендовых) производителей техники. Сейчас все больше и больше появляется двигателей из Китая, как и от европейских производителей (MTD, Emak, Stiga, Al-Ko и т.д.), так и собственно китайских брендов Zongshen, Loncin, Rato, Lifan и других. Также существует большое количество «заказных» марок сделанных на основе аутсорсинга, то есть владелец бренда заказывает двигатели под собственным названием на заводах в Китае. А тут уже все зависит от добросовестности заказчика/поставщика этих агрегатов. По вашей просьбе и за ваши деньги в Китае вам напечатают любой паспорт и наклейки с любыми цифрами. Поэтому, покупая культиватор/косилку с гордой надписью 7-8 л.с. с китайским мотором, вы можете получить двигатель реальной мощности 4-5 л.с. Но так как в России потребитель в первую очередь выбирает технику по мощности, то наша компания, по возможности, указывает для бензиновой техники с четырехтактными двигателями две мощности: максимальную — завышенная мощность, которую указывали до 2010 года и продолжают указывать некоторые производители/продавцы для увеличения привлекательности своего товара, и номинальную (реальную). Но номинальную мощность, к сожалению, указывают не все производители или указывают завышенную, выдавая ее за номинальную. При этом этот параметр можно замерить только в заводских условиях, поэтому не во всех товарах есть возможность указать данную характеристику.

Также мы рекомендуем в первую очередь обращать внимание на крутящий момент и объем двигателя. Учитывая, что двигатели на садовой технике сконструированы достаточно просто (нет никакого турбо наддува, форсажа и т.д.), то с одного объема невозможно снять больше мощности на 30-50%.

Что такое крутящий момент двигателя?

Дата: 6 марта 2018 г.

Автолюбителям хорошо известно понятие как мощность двигателя и что измеряется она в «лошадиных силах» (л.с. или просто в «лошадях» и даже в «кобылах»). Отлично понимают, что 100 лошадей прекрасно подойдут для небольшого хэтчбека, но конечно будет мало для чего-то более большого и тяжелого, например, седана или внедорожника. Ну а 600 лошадей конечно многовато для любого авто.

Основной показатель двигателя, это мощность. Мощность показывает на сколько силен мотор. Но сила, а точнее запас сил двигателя напрямую зависит от оборотов. Когда обороты двигателя в 6 000 т.е. при средних, современный двигатель выдаст наибольшую мощность, но на таких оборотах мы по городу не ездим. Для городской езды вполне хватает примерно 3 000 об/мин на нашем тахометре. Выходит, если двигатель нашей машины выдает примерно 100 лошадей на предельном режиме и если мы будем двигаться в городе на средних оборотах, то будем иметь в запасе 50 лошадей.

А кто из автомобилистов знает, что за «зверь» такой крутящий момент двигателя и в чем он измеряется?

Измеряется крутящий момент двигателя в «ньютон метрах» (Нм). Сколько это 100 Нм, плохо это или хорошо, мало это или много? И как понять фразу, что у двигателя целых 200 Нм всего при 1 750 оборотах в минуту. Так что-же это за крутящий момент такой?

Допустим нам понадобилось обогнать кого-либо, 50 лошадей нам уже не хватает и нам нужны все наши 100 лошадей. Набрать недостающих «лошадок» наш мотор сможет только постепенно. C 3 000 оборотов наш мотор раскрутиться до 4 000 и «лошадок» прибавится примерно на 20 и того имеем уже 70 лошадей. Далее раскручиваемся до 5 000 оборотов и вот уже 90 лошадей. Отсюда следует, что достигнуть наших 100 лошадиных сил по паспорту нам необходимо набрать 6 000 об/мин.

В этом примере, как раз проявляет себя крутящий момент, сосредотачивающий всех «лошадей» нашего мотора в один «лошадиный табун». Скорость набора оборотов зависит прямо пропорционально от крутящего момента двигателя. Чем больше крутящий момент, тем быстрее собирается вся мощь двигателя в единый вектор силы и как следствие ускорение вашей машины значительно увеличится.

На каких оборотах двигатель развивает крутящий момент в полную силу? Предположим максимальный крутящий момент будет выдаваться при 4 000 об/мин, именно до такой величины и нужно раскрутить двигатель, чтобы достичь максимального ускорения автомобиля. А разгонятся до 4 000 об/мин мотору придется с 2 000 об/мин т.е. с оборотов, поддерживаемых при нормальном движении. На это двигателю нужно время, время которое так иногда не хватает и которое так нужно при обгоне.

Картина меняется если мотор будет выдавать максимальный крутящий момент при 2 000 об/мин. В этом случае вам достаточно просто давить на газ и автомобиль, драгоценное время не будет теряться на раскручивание двигателя и автомобиль легко наберет ускорение.

Крутящий момент также напрямую зависит от объема двигателя. Малолитражки как следствие менее тяговиты. Для примера, на Жигулях с объемом двигателя 1,5 литров или ниже мы хороший крутящий момент конечно не получим. И придется часто переключатся на низкую передачу для искусственного поддержания высоких оборотов. Иначе мотор не будет, как говорят «тянуть».

Вывод: Максимальный крутящий момент двигателя должен быть на низких оборотах. Получается, что всего при 1 750 об/мин мотор развивает максимальные 200 Нм. Акцент делается именно на малые обороты при которых и развивается такой крутящий момент. Этот параметр называется «тяговитостью» двигателя.

Всё об устройстве двигателя Вам всегда расскажут и покажут наши опытные мастера. В нашем автосервисе отличный ремонт и диагностика двигателя, по отличным ценам. Обращайтесь, звоните и записывайтесь! Будем Вам рады!

Крутящий момент в токовой петле: двигатели и счетчики

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите, как работают двигатели и измерители с точки зрения крутящего момента в токовой петле.
  • Рассчитайте крутящий момент токоведущей петли в магнитном поле.

Двигатели — наиболее распространенное приложение магнитной силы к токоведущим проводам. Двигатели имеют проволочные петли в магнитном поле.Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. (См. Рисунок 1.)

Рисунок 1. Крутящий момент в токовой петле. Токопроводящая петля из проволоки, прикрепленная к вертикально вращающемуся валу, испытывает магнитные силы, которые создают вращающий момент по часовой стрелке, если смотреть сверху.

Давайте исследуем силу на каждом сегменте петли на рисунке 1, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала.(Это приведет к полезному уравнению для крутящего момента на петле.) Мы считаем магнитное поле однородным по прямоугольной петле, которая имеет ширину × и высоту × . Во-первых, отметим, что силы на верхнем и нижнем сегментах вертикальны и, следовательно, параллельны валу, не создавая крутящего момента. Эти вертикальные силы равны по величине и противоположны по направлению, так что они также не создают результирующей силы на петле. На рис. 2 показаны виды петли сверху. Крутящий момент определяется как τ = rF sin θ , где F — сила, r — расстояние от оси, на которую прикладывается сила, а θ — угол между r и F . Как видно на рисунке 2 (а), правило правой руки 1 дает силам по бокам равными по величине и противоположными по направлению, так что результирующая сила снова равна нулю. Однако каждая сила производит вращающий момент по часовой стрелке. Поскольку r = w /2, крутящий момент на каждом вертикальном сегменте равен ( w /2) F sin θ , и эти два суммируются, чтобы получить общий крутящий момент.

[латекс] \ tau = \ frac {w} {2} F \ sin \ theta + \ frac {w} {2} F \ sin \ theta = wF \ sin \ theta \\ [/ latex]

Рисунок 2.Вид сверху токоведущей петли в магнитном поле. (а) Уравнение для крутящего момента выводится с использованием этого представления. Обратите внимание, что перпендикуляр к петле образует угол θ с полем, которое совпадает с углом между w / 2 и F. (b) Максимальный крутящий момент возникает, когда θ является прямым углом, а sin θ = 1. (c) Нулевой (минимальный) крутящий момент возникает, когда θ равно нулю и sin θ = 0. (d) Крутящий момент меняется на противоположный, когда контур вращается дальше θ = 0.

Теперь каждый вертикальный сегмент имеет длину l , которая перпендикулярна B , так что сила на каждом из них составляет [латекс] F = IlB \ [/ латекс].Ввод F в выражение для крутящего момента дает

[латекс] \ тау = wIlB \ sin \ theta \\ [/ латекс].

Если у нас есть многократный контур из Н, витков, мы получаем Н, в раз превышающие крутящий момент одного контура. Наконец, обратите внимание, что площадь петли составляет A = wl ; выражение для крутящего момента становится

[латекс] \ тау = НИАБ \ грех \ тета \\ [/ латекс].

Это крутящий момент на токоведущей петле в однородном магнитном поле. Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.Петля несет ток I , имеет N витков, каждый из которых имеет площадь A, , а перпендикуляр к петле составляет угол θ с полем B . Чистая сила на петле равна нулю.

Пример 1. Расчет крутящего момента на токопроводящей петле в сильном магнитном поле

Найдите максимальный крутящий момент на 100-витковой квадратной петле провода длиной 10,0 см на стороне, по которой проходит ток 15,0 А в поле 2,00 Тл.

Стратегия

Крутящий момент на петле можно найти с помощью [latex] \ tau = NIAB \ sin \ theta \\ [/ latex].{2} \ right) \ left (2.00 \ text {T} \ right) \\ & = & 30.0 \ text {N} \ cdot \ text {m} \ end {array} \\ [/ latex].

Обсуждение

Этот крутящий момент достаточно велик, чтобы его можно было использовать в двигателе.

Крутящий момент, указанный в предыдущем примере, является максимальным. По мере вращения катушки крутящий момент уменьшается до нуля при θ = 0. Затем крутящий момент меняет направление на , когда катушка вращается дальше θ = 0. (См. Рисунок 2 (d)). Это означает, что, если только мы что-то делаем, катушка будет колебаться взад и вперед относительно равновесия при θ = 0. Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, мы можем обратить ток, когда он проходит через θ = 0, с помощью автоматических переключателей, называемых щетками . (См. Рисунок 3.)

Рис. 3. (a) Поскольку угловой момент катушки передает его через θ = 0, щетки меняют направление тока, чтобы поддерживать крутящий момент по часовой стрелке. (b) Катушка будет непрерывно вращаться по часовой стрелке, при этом ток будет реверсировать каждую половину оборота, чтобы поддерживать вращающий момент по часовой стрелке.

Измерители , например, в аналоговых датчиках уровня топлива в автомобиле, являются еще одним распространенным приложением магнитного момента к токоведущей петле. На рисунке 4 показано, что счетчик по конструкции очень похож на двигатель. Измеритель на рисунке имеет форму магнитов, ограничивающую влияние θ , делая B перпендикулярно петле в большом диапазоне углов. Таким образом, крутящий момент пропорционален I , а не θ . Линейная пружина создает противодействующий крутящий момент, который уравновешивает текущий крутящий момент.Это делает отклонение иглы пропорциональным I . Если точная пропорциональность не может быть достигнута, показания манометра можно откалибровать. Чтобы создать гальванометр для использования в аналоговых вольтметрах и амперметрах, которые имеют низкое сопротивление и реагируют на небольшие токи, мы используем большую площадь контура A , сильное магнитное поле B и катушки с низким сопротивлением.

Рис. 4. Счетчики очень похожи на двигатели, но вращаются только на часть оборота. Магнитные полюса этого измерителя имеют такую ​​форму, чтобы компонент B был перпендикулярен контуру, так что крутящий момент не зависит от θ , а отклонение от возвратной пружины пропорционально только току I .

Сводка раздела

  • Крутящий момент τ на токоведущей петле любой формы в однородном магнитном поле. является

    [латекс] \ tau = NIAB \ sin \ theta \\ [/ latex],

    , где N — количество витков, I — ток, A — площадь контура, B — напряженность магнитного поля, а θ — угол между перпендикуляром к контуру. и магнитное поле.

Концептуальные вопросы

1.Нарисуйте диаграмму и используйте RHR-1, чтобы показать, что силы на верхнем и нижнем сегментах токовой петли двигателя на Рисунке 1 являются вертикальными и не создают крутящего момента вокруг оси вращения.

Задачи и упражнения

1. (a) На сколько процентов уменьшается крутящий момент двигателя, если его постоянные магниты теряют 5,0% своей силы? (b) На сколько процентов необходимо увеличить ток, чтобы вернуть крутящий момент к исходным значениям?

2. (a) Каков максимальный крутящий момент на прямоугольной петле на 150 витков провода 18.0 см на стороне, по которой проходит ток 50,0 А в поле 1,60 Тл? (b) Каков крутящий момент, когда θ составляет 10,9º?

3. Найдите ток через петлю, необходимый для создания максимального крутящего момента 9,00 Н. Петля имеет 50 квадратных витков со стороной 15,0 см и находится в однородном магнитном поле 0,800 Тл.

4. Рассчитайте напряженность магнитного поля, необходимую для квадратного контура с 200 витками 20,0 см на стороне, чтобы создать максимальный крутящий момент 300 Н · м, если контур выдерживает 25,0 А.

5.Поскольку уравнение для крутящего момента в токоведущей петле имеет вид [латекс] \ tau = NIAB \ sin \ theta \\ [/ latex], единицы N ⋅ m должны равняться единицам A ⋅ m 2 T. Проверьте это .

6. (a) При каком угле θ крутящий момент в токовой петле составляет 90,0% от максимума? (b) 50,0% от максимума? (c) 10,0% от максимума?

7. Протон имеет магнитное поле из-за его спина на своей оси. Поле аналогично полю, создаваемому круговой токовой петлей радиусом 0,650 × 10 −15 м с током 1.05 × 10 4 А (без шуток). Найдите максимальный крутящий момент на протоне в поле 2,50 Тл. (Это значительный крутящий момент для маленькой частицы.)

8. (a) Круговая петля из 200 витков радиусом 50,0 см является вертикальной с осью на линии восток-запад. Ток в 100 А циркулирует в контуре по часовой стрелке, если смотреть с востока. Поле Земли здесь направлено на север, параллельно земле, с напряженностью 3,00 × 10 −5 Т. Каковы направление и величина крутящего момента на петле? (б) Имеет ли это устройство какое-либо практическое применение в качестве двигателя?

Глоссарий

двигатель:
петля из проволоки в магнитном поле; когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает крутящий момент на петли, который вращает вал; в процессе электрическая энергия преобразуется в механическую работу
метр:
обычное приложение магнитного момента к токоведущей петле, которая по конструкции очень похожа на двигатель; по конструкции крутящий момент пропорционален I , а не θ , поэтому отклонение иглы пропорционально току

Упражнения

1. {2} \ left (\ frac {\ text {N}} {\ text {A} \ cdot \ text {m}} \ right) = \ text {N} \ cdot \ text {m} \\ [/ latex ]

7. 3,48 × 10 −26 Н м

Что такое крутящий момент? Все о крутящем моменте: определение, уравнения и единицы измерения

«Крутящий момент» — это слово, которое свободно обсуждают производители автомобилей, рекламодатели и обозреватели, и оно не менее важно, чем другие цифры в заголовках, с которыми вы столкнетесь, например, лошадиные силы. Однако реклама крутящего момента не всегда была данностью — посмотрите на рекламу автомобилей 1980-х годов, и вы обнаружите, что о ней почти не упоминалось.

Это в основном из-за лишнего веса новых автомобилей. Современные двигатели настолько загружены технологиями, комфортом и безопасностью, что весят намного больше, чем их аналоги десятилетней давности. Это означает, что этим автомобилям требуется больше силы или крутящего момента, чтобы заставить их двигаться.

Крутящий момент определяется как сила вращения двигателя. Вы можете заметить, что крутящий момент — как и мощность — всегда выражается при определенной частоте вращения двигателя. Например, Ford Fiesta Ecoboost развивает максимальный крутящий момент в диапазоне от 1400 до 4000 об / мин.Вообще говоря, автомобиль будет чувствовать себя более отзывчивым, когда максимальный крутящий момент будет развиваться на низком уровне в диапазоне оборотов, но многим людям нравятся высоконагруженные двигатели, которые необходимо резко увеличить, прежде чем они разовьют максимальный крутящий момент.

Крутящий момент становится более важным по мере того, как автомобили становятся больше и тяжелее. Крошечный городской автомобиль может легко путешествовать с очень небольшим крутящим моментом, в то время как большой внедорожник или фургон требует много усилий, чтобы заставить его двигаться. Вот почему более крупные автомобили, как правило, оснащаются дизельными двигателями — дизели обеспечивают больший крутящий момент на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели.

Что такое крутящий момент?

Проще говоря, крутящий момент — это сила вращения двигателя. Он отличается от лошадиных сил, поскольку относится к количеству работы, которую может выполнить двигатель, в то время как лошадиные силы определяют, насколько быстро эта работа может быть выполнена. Вот почему крутящий момент в простонародье часто называют «тяговое усилие», «сила» или «ворчание».

Крутящий момент обычно измеряется в ньютон-метрах (Нм) или фунт-фут (фунт-фут) — последнее не следует путать с фут-фунтом (фут-фунт), поскольку один фут-фунт относится не к крутящей силе, а до количества энергии, необходимого для поднятия 1 фунта веса на расстояние 1 фут.

В частности, крутящий момент фактически измеряет величину силы, необходимой для поворота объекта (например, при затягивании крышки бутылки с газированной водой, гайки колеса или болта головки блока цилиндров). Или, в случае двигателя, он измеряет, сколько крутящего усилия доступно на коленчатом валу при любых заданных оборотах двигателя (RPM).

• Автомобили Cat D и Cat C: объяснение списаний по страховке

В автомобиле мощность — это мера того, насколько быстро двигатель может развивать тот же крутящий момент с течением времени, поэтому чем больше (обоих) у вас есть, тем быстрее ты сможешь ускориться.Одна лошадиная сила (HP) — это абсолютно произвольная единица, придуманная инженером Джеймсом Ваттом. Это эквивалентно тому, что одна лошадь поднимает вес 33 000 фунтов на высоту 12 дюймов за одну минуту — или 33 000 фунт-футов в минуту. Метрический эквивалент (PS) равен 4500 кгм в минуту или 0,97 л.с.

Тормозная мощность (л.с.) немного ниже, чем л.с., но, возможно, является более точным показателем, поскольку учитывает мощность, потерянную на внутреннее трение двигателя.

Основные уравнения крутящего момента

Допустим, мы используем 0.Ключ длиной 5 м, чтобы затянуть колесную гайку, и нам нужно опереться на дальний конец ключа с силой 50 Ньютонов, чтобы затянуть гайку. Простое умножение этих двух чисел дает нам необходимое значение крутящего момента в Ньютон-метрах:

50 (Н) x 0,5 (м) x = 25 Нм крутящего момента

Если вы хотите сохранить старый класс, вы можете измерить расстояние в футах, и сила в фунтах. На этот раз наш гаечный ключ может быть 18 дюймов (1½ фута), и мы прикладываем 20 фунтов силы на дальнем конце:

20 (фунт) x 1½ (фут) = 30 фунт-фут крутящего момента

Итак, что значит двигатель крутящий момент похож?

Если двигатель развивает крутящий момент 500 Нм, мы можем использовать аналогичную визуализацию в обратном направлении, чтобы помочь понять задействованные силы.Чтобы такой двигатель не вращался, потребуется гаечный ключ длиной один метр, прикрепленный к коленчатому валу, с приложением силы 500 Ньютон на другом конце. Поскольку один килограмм создает силу притяжения Земли примерно в 9,8 Ньютона, это означает, что вам понадобится 50-килограммовый жокей, чтобы стоять на конце. Или Аллан Макниш.

• Автосинхронизация: разрешена ли корректировка пробега?

Если это не кажется большим усилием, чтобы остановить двигатель, развивающий тяжелые 500 Нм, не забывайте, что крутящий момент на колесах значительно увеличивается за счет снижения оборотов двигателя. Значит, жокей мог заглушить двигатель, но не мог остановить машину!

Что лучше: крутящий момент или мощность?

Крутящий момент и мощность очень тесно связаны, потому что в двигателе внутреннего сгорания одно без другого не может быть. Снова дело в математике, поскольку л.с. рассчитывается следующим образом:

л.с. = крутящий момент x об / мин ÷ 5252

Это означает, что если вы сравните два двигателя с разным выходным крутящим моментом, двигатель с более высоким крутящим моментом всегда будет вырабатывать больше лошадиных сил на любом данном двигателе. скорость.

Однако многие двигатели с высоким крутящим моментом не рассчитаны на такие высокие обороты (подумайте о мощном дизельном двигателе), поэтому показатели конечной мощности часто оказываются под угрозой. Напротив, спортивный бензиновый автомобиль с высокими оборотами может быть спроектирован так, чтобы иметь более низкий крутящий момент, но его исключительная мощность на высоких оборотах двигателя позволяет ему двигаться быстрее.

• Как сдать экзамен по теории вождения

Вот почему для повседневного вождения мощность и гибкость двигателя с высоким крутящим моментом часто более полезны — и это жизненно важно, когда вам нужен автомобиль для буксировки больших прицепов или перевозки тяжелых грузов.

При обычном вождении крутящий момент часто более важен, чем мощность, поэтому мы уделяем ему так много внимания в наших обзорах автомобилей.

Можете ли вы объяснить крутящий момент не более 25 слов? Перейдите в раздел комментариев ниже …

Разработка модели

и применение к нижней конечности

Разработка модели

Крутящий момент сустава — это сумма пассивного и активного крутящих моментов. Пассивные крутящие моменты создаются напряжением, возникающим при растяжении мышечной ткани, сухожилий и связок.Связь между пассивным крутящим моментом и углом ранее моделировалась с использованием экспоненциальных уравнений (Юн и Мансур, 1982; Хоанг и др. , 2005), и в этом случае пассивный крутящий момент в суставе моделировался как:

TPASSIVE = B1ek1θ + B2ek2θ

(1)

Два члена в этом уравнении представляют собой крутящий момент пассивного соединения на любом конце диапазона движения. Поскольку функция пассивного крутящего момента не зависит от активации мышц, одинаковые пассивные крутящие моменты присутствуют в обоих направлениях нагрузки (например,грамм. разгибание и сгибание колена).

Существует два основных способа зависимости активного крутящего момента от угла сустава: изменение длины плеча момента с углом (Ито, Акима и Фукунага, 2000; Маганарис, 2001; Креволин, 2004) и соотношение FL мышцы, поскольку длина мышцы зависит от угол сустава. In vivo , активный крутящий момент в суставе создается множественными мышцами-агонистами и антагонистами, действующими на руки, специфичные для мышц, вокруг оси сустава. При разработке модели активного крутящего момента предполагалось, что активные крутящие моменты создаются одной репрезентативной мышечной силой F , действующей вокруг плеча момента r . Таким образом, изометрический активный крутящий момент будет иметь вид:

TISO (θ) = r (θ) ⋅F (θ)

(2)

Однако, если и плечо момента, и сила мышцы являются независимыми функциями угла, модель переопределена, что приведет к несогласованным значениям параметров. Кроме того, кривые крутящий момент-угол имеют профиль, аналогичный кривым F-L, что можно увидеть у Kulig et al. (1984). Таким образом, модель была упрощена за счет ограничения угловой зависимости мышечной силой, сделав плечо момента постоянным.

Измеренные вариации силы в зависимости от угла сустава ведут себя одним из трех основных способов: восходящий, нисходящий и восходящий-нисходящий (Кулиг, Эндрюс и Хэй, 1984). Теоретически соотношение FL для активной мышечной силы достигает пиков при оптимальной длине саркомера. с уменьшением силы до нуля при увеличении и уменьшении длины (Gordon, Huxley, and Julian 1966; Winter 2005).Для описания этой связи использовались различные математические модели, включая квадратное уравнение (Chow et al. , 1999), нормальную кривую (Audu, 1985), комбинацию синус-экспоненциального уравнения (Hatze, 1977) и интерполяцию кубическим сплайном (Lloyd and Besier 2003). К сожалению, единой окончательной модели отношения F-L не возникло. Однако при создании функции угла, которая могла бы моделировать все три поведения, отмеченные выше, синусоидальная функция казалась естественной формой для изучения. На основе этого была создана следующая модель изометрического крутящего момента:

TISO (θ) = r⋅FMAX⋅cos (πθ − θ0θMAX − θMIN)

(3)

где F MAX — максимальная мышечная сила, θ 0 — угол сустава, при котором возникает максимальный крутящий момент, а θ MAX и θ MIN — углы суставов, где косинус функция переходит в ноль.

Зависимость активного крутящего момента от угловой скорости возникает из соотношения F-V мышцы. Концентрическое соотношение F-V мышцы указывает на уменьшение мышечной силы по мере увеличения скорости сокращения мышцы. Гиперболическое уравнение Хилла (Hill 1938), пожалуй, является наиболее широко используемым выражением для этого соотношения:

где F ISO представляет собой изометрическую мышечную силу, а a и b — константы, определяющие кривизну гиперболы.Изменение формы этого уравнения дает:

F (V) = FISO2V1V2 + V (V2−3V1) 2V1V2 + V (2V2−4V1)

(5)

где константы V 1 и V 2 представляют скорости мышц, при которых мышечная сила составляет 75% и 50% от F ISO , соответственно.

В общем, скорость мышц может зависеть как от угла, так и от угловой скорости. Однако из предыдущего предположения о плече с постоянным моментом следует, что длина мышцы является линейной функцией угла.Следовательно, скорость мышц зависит только от угловой скорости:

Это означает, что форма кривой крутящего момента и угловой скорости не зависит от угла. Ранее отмечалось, что величина кривых крутящего момента-скорости изменяется с изменением угла сочленения, в то время как форма кривых остается аналогичной (Westing and Seger 1989; Abbott and Wilkie 1953).

Теперь мы можем построить функцию крутящего момента, угла и угловой скорости для концентрических движений. Подстановка уравнения 6 в уравнение 5 определяет силу как функцию угловой скорости.Кроме того, умножение изометрической мышечной силы F ISO на плечо момента r дает T ISO , изометрический крутящий момент сустава, который определен в уравнении 3. Объединение уравнений 3, 5 и 6 дает:

TCON (θ, θ˙) = r⋅FMAX⋅cos (πθ − θ0θMAX − θMIN) ⋅ (2ω1ω2 + θ˙ (ω2−3ω1) 2ω1ω2 + θ˙ (2ω2−4ω1))

(7)

где ω 1 и ω 2 — аналоги угловых скоростей V 1 и V 2 .

Эксцентрический крутящий момент был определен путем масштабирования концентрического крутящего момента. Дадли (1990) показал, что соотношение эксцентрических и концентрических моментов разгибателей коленного сустава постоянно увеличивается с угловой скоростью. Таким образом, коэффициент масштабирования был сделан линейной функцией скорости, в результате чего:

TECC (θ, θ˙) = TCON (θ, −θ˙) ⋅ (1 − Eθ˙)

(8)

где E — постоянная. Основным преимуществом этого подхода является то, что для определения эксцентрического крутящего момента требуется только один дополнительный параметр.

Объединяя константы в независимые параметры, окончательная модель для активного мышечного момента:

ТАКТИВНЫЙ (θ, θ˙) = {C1cos (C2 (θ − C3)) (2C4C5 + θ˙ (C5−3C4) 2C4C5 + θ˙ (2C5−4C4)) θ˙≥0C1cos (C2 (θ − C3 )) (2C4C5 − θ˙ (C5−3C4) 2C4C5 − θ˙ (2C5−4C4)) (1 − C6θ˙) θ˙ <0

(9)

где положительная скорость указывает на концентрическое движение, а отрицательная скорость указывает на эксцентрическое движение. Эта модель создает поверхность в пространстве крутящий момент-угол-угловая скорость, которая представляет собой максимальный произвольный крутящий момент.описывает шесть параметров в модели активного крутящего момента. Общий крутящий момент в шарнире представляет собой сумму активного (уравнение 9) и пассивного (уравнение 1) крутящих моментов.

Таблица 1

Описание шести параметров в уравнении активного крутящего момента

Параметр Интерпретация
C 1 = F Макс.
C 2 = π / (θ MAX MIN ) π, деленное на (теоретический) диапазон углов суставов, в котором присутствует активная мышечная сила.
C 3 = θ 0 Угол шарнира при максимальном изометрическом крутящем моменте (рад)
C 4 = ω 1 Угловая скорость при крутящем моменте 75% от изометрического крутящего момента (рад / с)
C 5 = ω 2 Угловая скорость, когда крутящий момент составляет 50% от изометрического крутящего момента (рад / с)
C 6 = E Определяет эксцентричный крутящий момент относительно концентрического крутящего момента.Положительное значение означает эксцентрический> концентрический.

Применение к нижней конечности

Всего из университетского населения и местного сообщества было набрано 34 здоровых, активных взрослых, включая 14 субъектов в возрасте 18-25 лет, 14 человек в возрасте 55-65 лет и 6 человек старше 65 лет () . В каждой возрастной группе было равное количество мужчин и женщин. Критериями включения в исследование были отсутствие травм или заболеваний, которые могли бы исказить результаты или поставить под угрозу испытуемого, и участие в физических упражнениях (аэробных или силовых) 2–4 раза в неделю.Кроме того, перед участием пожилые люди должны были пройти медицинский осмотр, проводимый врачом. Медицинский скрининг использовался для исключения субъектов с любыми неврологическими, сердечными, респираторными, отологическими или опорно-двигательными расстройствами. Исследование было одобрено Наблюдательным советом Технологического института Вирджинии, и все субъекты предоставили информированное согласие до участия.

Таблица 2

Сводка средних (СО) характеристик испытуемых.

905 Возраст (лет) 87,7 (13,2)
Возрастная группа 18-25 55-65> 65
Пол M F M F M 19.6 (1,1) 19,6 (1,3) 61,3 (3,3) 58,1 (3,3) 71,7 (2,3) 68,3 (2,5)
Высота (см) 174,8 (5,2) 160,6 (5,0) 174,7 (4,9) 1,9 (162,6) 174,3 (8,6) 4,7 (4,7)
Масса (кг) 72,8 (7,2) 62,158 (6,3) 66,0 (10,6) 86,2 (11,4) 64,5 (2,9)

Протокол измерения максимальной произвольной силы мышц включал изометрические и изокинетические (концентрические и эксцентрические) максимальные произвольные сокращения (MVC) , каждое выполняется в шести направлениях нагрузки: HE, HF, KE, KF, PF и DF.Все испытания проводились на правой ноге с помощью динамометра Biodex System 3 (Biodex Medical Systems, Inc., Ширли, Нью-Йорк, США). Испытуемым велели приложить максимум усилий, и их устно поощряли на протяжении всего протокола.

Протокол был одинаковым для каждого сустава и направления нагрузки. Профиль пассивного крутящего момента был сначала зарегистрирован путем медленного перемещения динамометра (5 град / с) по всему диапазону движений, когда испытуемый был расслаблен. Затем изометрический MVC был записан для каждого из шести углов суставов, равномерно разнесенных по всему диапазону движения конкретного объекта, переходя от одного конца диапазона движения к другому (например,грамм. сгибание через разгибание). Все шесть изометрических упражнений MVC сначала выполнялись для одного направления (например, разгибание), а затем — шесть для другого направления (например, сгибание). После этого был сделан пятиминутный отдых. Четыре изокинетических концентрических MVC были зарегистрированы для обоих направлений движения на каждой из двух скоростей (60 и 120 град / с для голеностопного сустава и бедра и 75 и 150 град / с для колена). Затем был сделан второй пятиминутный отдых. Также были зарегистрированы четыре высокоскоростных концентрических MVC для обоих направлений движения.В этих тестах использовалась максимальная изокинетическая скорость Biodex (500 град / с), эффективно минимизирующая сопротивление, и субъекту предлагалось двигаться как можно быстрее. После высокоскоростных движений были выполнены четыре изокинетических эксцентрических MVC с одной скоростью (60 град / с для голеностопного сустава и бедра и 75 град / с для колена) для обоих направлений движения. Затем наблюдали последний пятиминутный период отдыха. Наконец, был взят второй набор изометрических MVC. Эта процедура была идентична первой серии изометрических измерений, за исключением того, что порядок измерения углов был изменен на обратный (например,грамм. разгибание за счет сгибания).

Во время тестов все испытуемые располагались одинаково. Тестирование голеностопного и коленного суставов проводилось с использованием стандартных приспособлений производителя в сидячем положении. Тестирование голеностопного сустава проводилось при сгибании бедра на 80 градусов и коленного сустава на 50 градусов. Коленный тест проводился с бедром, согнутым примерно на 70 градусов. Тестирование бедра проводилось в положении стоя с жесткой рамой, изготовленной по индивидуальному заказу, аналогично методике Dean et al. (2004). Колено удерживалось в слегка согнутом положении с помощью коленного иммобилайзера.

Угол, угловая скорость и крутящий момент измерялись с частотой 200 Гц во время всех нагрузок. Необработанные данные подвергались фильтрации нижних частот с частотой 5 Гц (фильтр Баттерворта четвертого порядка). Были определены изокинетические части данных о движении, где ускорение было незначительным. Крутящий момент из-за веса конечности и устройства может вызвать значительные ошибки в данных динамометра (Herzog 1988). Этот гравитационный крутящий момент был оценен (вместе с крутящими моментами пассивных соединений) методом наименьших квадратов профиля пассивного крутящего момента и вычтен из данных.Произвольное количество углов суставов (10 для бедра и колена, 8 для голеностопного сустава), равномерно распределенных по диапазону движения, определяло точки данных, используемые при подборе модели. Изометрические крутящие моменты были найдены для этих углов соединения с использованием интерполяции кубическим сплайном, а максимальные изокинетические крутящие моменты для этих углов были взяты непосредственно из данных. Из высокоскоростного движения была включена точка максимальной достигнутой скорости (т. Е. Когда угловое ускорение было нулевым).

Параметры для пассивной функции крутящего момента соединения были оценены (вместе с гравитационным крутящим моментом) из профиля пассивного крутящего момента с использованием аппроксимации методом наименьших квадратов.Когда колено сгибалось, считалось, что зарегистрированный пассивный крутящий момент в значительной степени связан с сжатием седла Biodex, поэтому эта часть не была включена в качестве пассивного крутящего момента сустава. При подошвенном сгибании лодыжки Biodex обычно ограничивал диапазон движений, а не объект. Для большинства более молодых испытуемых пассивные крутящие моменты в суставах в этом положении были слишком малы для надежного определения параметров.

Для расчета параметров функции активного крутящего момента для каждого объекта был использован алгоритм моделирования отжига, в значительной степени основанный на алгоритме, подробно описанном Corana et al.(1987), был создан в Matlab (The MathWorks Inc., Натик, Массачусетс, США). Параметры модели для каждого испытуемого были найдены путем минимизации суммы квадратов остатков. Первые пять параметров функции были определены с использованием только изометрических и концентрических точек данных. Остатки были взвешены так, чтобы четыре скорости (изометрическая, две изокинетические и высокая скорость) вносили равный вклад в подгонку. Шестой параметр был определен во втором прогоне моделирования отжига, в который были включены эксцентрические данные, а первые пять параметров оставались постоянными.

Хотя изначально предполагалось, что шесть параметров в модели независимы, было обнаружено, что два параметра, определяющие соотношение скоростей, C4 и C5, были линейно связаны в пределах каждого направления нагрузки. Таким образом, соотношение C5 / C4 было установлено постоянным для каждого направления нагрузки. Значение этого отношения составляло 2,020 для HE, 2,037 для HF, 2,606 для KE, 2,605 для KF, 3,602 для PF и 2,777 для DF. Окончательные параметры модели были рассчитаны с учетом этого ограничения, и, таким образом, индивидуальные подгонки активного крутящего момента имели только пять независимых параметров, причем шестой зависел от направления усилия.

Момент нагрузки — обзор

11.4.1 Нагрузка с постоянным крутящим моментом

Нагрузка с постоянным крутящим моментом подразумевает, что крутящий момент, необходимый для поддержания работы нагрузки, одинаков на всех скоростях. Хорошим примером является подъемник барабанного типа, в котором требуемый крутящий момент зависит от нагрузки на крюк, но не от скорости подъема. Пример показан на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Таль с приводом от двигателя — нагрузка с постоянным крутящим моментом.

Диаметр барабана составляет 0,5 м, поэтому, если максимальная нагрузка (включая трос) составляет, скажем, 1000 кг, натяжение троса (мг) будет 9810 Н, а крутящий момент, приложенный нагрузкой на барабан, будет задан. на Сила × радиус = 9810 × 0.25 ≈ 2500 Нм. Когда скорость постоянна (т. Е. Нагрузка не ускоряется), крутящий момент, создаваемый двигателем на барабане, должен быть равен и противоположен крутящему моменту, создаваемому на барабане нагрузкой. (Слово «противоположный» в последнем предложении часто опускается, при этом подразумевается, что установившийся двигатель и момент нагрузки обязательно должны действовать противоположно.)

Предположим, что скорость подъема должна контролироваться при любом значении вплоть до максимального. 0,5 м / с, и мы хотим, чтобы это соответствовало максимальной скорости двигателя около 1500 об / мин, что является разумной скоростью для широкого диапазона двигателей.Скорость подъема 0,5 м / с соответствует скорости барабана 19 об / мин, поэтому подходящее передаточное число будет, скажем, 80: 1, что дает максимальную скорость двигателя 1520 об / мин.

Нагрузочный момент со стороны двигателя редуктора будет уменьшен в 80 раз, с 2500 Нм до 31 Нм на двигателе. Мы также должны учитывать трение в коробке передач, эквивалентное, возможно, 20% крутящего момента при полной нагрузке, поэтому максимальный крутящий момент двигателя, необходимый для подъема, будет составлять 37 Нм, и этот крутящий момент должен быть доступен на всех скоростях вплоть до 1520 об / мин. / мин.

Теперь мы можем нарисовать установившуюся кривую крутящего момента-скорости нагрузки, видимой двигателем, как показано на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Требования к крутящему моменту для двигателя в подъемном устройстве (рис. 11.7).

Мощность двигателя в установившемся режиме получается как произведение крутящего момента (Нм) и угловой скорости (рад / с). Таким образом, максимальная продолжительная мощность двигателя для подъема равна

(11,1) Pmax = 37 × 1520 × 2π60 = 5,9 кВт

На этом этапе всегда полезно проверить, что мы получим примерно такой же ответ для мощности. с учетом работы, выполняемой в секунду при нагрузке.Сила ( F ) на нагрузке составляет 9810 Н, скорость ( v ) составляет 0,5 м / с, поэтому мощность (Fv) составляет 4,9 кВт. Это на 20% меньше, чем мы получили выше, потому что здесь мы проигнорировали потерю мощности в коробке передач.

На данный момент мы установили, что нам нужен двигатель, способный непрерывно выдавать 5,9 кВт при 1520 об / мин, чтобы поднимать самый тяжелый груз с максимальной необходимой скоростью. Однако мы еще не рассмотрели вопрос о том, как груз ускоряется из состояния покоя и доводится до максимальной скорости.Во время фазы ускорения двигатель должен создавать крутящий момент, превышающий крутящий момент нагрузки, иначе нагрузка снизится, как только будет снят тормоз. Чем больше разница между крутящим моментом двигателя и крутящим моментом нагрузки, тем выше ускорение. Предположим, мы хотим, чтобы самый тяжелый груз достиг полной скорости из состояния покоя, скажем, за 1 секунду, и предположим, что мы решили, что ускорение должно быть постоянным. Мы можем рассчитать необходимый ускоряющий момент из уравнения движения, т.е.

(11.2) TorqueNm = Inertiakgm2 × Angularaccelerationradsec2.

Обычно мы считаем, что лучше всего работать с переменными, видимыми двигателем, и поэтому нам сначала нужно найти эффективную полную инерцию, видимую на валу двигателя, затем рассчитать ускорение двигателя и, наконец, использовать уравнение. (11.2) для получения ускоряющего момента.

Эффективная инерция складывается из инерции самого двигателя, указанной инерции барабана и редуктора и указанной инерции груза на крюке. Термин «приведенная инерция» означает кажущуюся инерцию, если смотреть на редуктор со стороны двигателя.Если коробка передач имеет передаточное число n : 1 (где n больше 1), инерция J на ​​стороне низкой скорости представляется инерцией J / n 2 на высокой скорости боковая сторона. В этом примере нагрузка на самом деле движется по прямой линии, поэтому нам нужно спросить, какова эффективная инерция груза, «видимая» на барабане. Геометрия здесь проста, и нетрудно увидеть, что с точки зрения инерции, наблюдаемой барабаном, груз кажется прикрепленным к поверхности барабана.Затем инерция нагрузки на барабане получается с использованием формулы для инерции массы m, расположенной на радиусе r , т. Е. J = mr 2 , что дает эффективную инерцию нагрузки на барабане как 1000 кг × ( 0,25 м) 2 = 62,5 кгм 2 .

Эффективная инерция нагрузки со стороны двигателя составляет 1 / (80) 2 × 62,5 ≈ 0,01 кгм 2 . К этому нужно сначала добавить инерцию двигателя, которую мы можем получить, проконсультировавшись с каталогом производителя для 5.Двигатель 9 кВт, 1520 об / мин. Это будет просто для постоянного тока. мотор, но переменный ток каталоги двигателей, как правило, дают номинальные значения только для рабочих частот, и здесь необходимо выбрать двигатель с правильным крутящим моментом и возможную кривую крутящего момента и скорости для рассматриваемого типа привода. Для простоты предположим, что мы нашли двигатель точно требуемой мощности с инерцией ротора 0,02 кгм 2 . Приведенная инерция барабана и коробки передач должна быть добавлена, и мы снова должны вычислить или найти.Предположим, это дает дополнительные 0,02 кгм 2 . Таким образом, общая эффективная инерция составляет 0,05 кгм 2 , из которых 40% приходится на сам двигатель.

Ускорение получить просто, поскольку мы знаем, что скорость двигателя должна повыситься с нуля до 1520 об / мин за 1 с. Угловое ускорение определяется увеличением скорости, деленным на затраченное время, то есть

1520 × 2π60 ÷ 1 = 160рад / сек2

Теперь мы можем рассчитать ускоряющий момент по формуле. (11.2) как

T = 0,05 × 160 = 8 Нм

Следовательно, чтобы удовлетворить требованиям как установившегося, так и динамического крутящего момента, привод, способный обеспечивать крутящий момент 45 Нм (= 37 + 8) на всех скоростях до Требуется 1520 об / мин, как показано на рис. 11.8.

В случае подъемника ожидаемый режим работы может быть неизвестен, но вполне вероятно, что двигатель будет проводить большую часть своего времени подъема, а не ускорения. Следовательно, хотя пиковый крутящий момент 45 Нм должен быть доступен на всех скоростях, это не будет постоянным требованием и, вероятно, будет в пределах кратковременной перегрузочной способности привода, постоянно рассчитанного на 5.9 кВт.

Мы также должны учитывать, что произойдет, если необходимо опустить полностью загруженный крюк. Мы учли трение в 20% от момента нагрузки (31 Нм), поэтому во время спуска можно ожидать, что трение создаст тормозной момент, эквивалентный 6,2 Нм. Но чтобы крюк не соскочил с места, нам понадобится общий крутящий момент 31 Нм, поэтому для сдерживания нагрузки двигатель должен будет развивать крутящий момент 24,8 Нм. Мы, естественно, будем называть это тормозным моментом, потому что это необходимо для предотвращения разрыва груза на крюке, но на самом деле крутящий момент остается в том же направлении, что и при подъеме.Однако скорость отрицательна, и с точки зрения «четырехквадрантной» диаграммы (например, рис. 3.12) мы переместились из квадранта 1 в квадрант 4, и, таким образом, поток мощности меняется на противоположный, и двигатель регенерирует, потеря потенциала энергия нисходящей нагрузки преобразуется обратно в электрическую форму (и потери). Следовательно, если мы хотим удовлетворить эту ситуацию, мы должны выбрать привод, способный к непрерывной регенерации: такой привод также будет иметь возможность работать в квадранте 3, чтобы создавать отрицательный крутящий момент для опускания пустого крюка, если его вес был недостаточным. спуститься.

В этом примере в крутящем моменте преобладает требование установившегося режима, а инерционно-зависимый ускоряющий крутящий момент сравнительно невелик. Конечно, если бы мы указали, что нагрузка должна быть ускорена за одну пятую секунды, а не за 1 секунду, нам потребуется ускоряющий крутящий момент 40 Нм, а не 8 Нм, и что касается требований к крутящему моменту, то ускоряющий крутящий момент будет быть более или менее таким же, как установившийся рабочий момент. В этом случае необходимо проконсультироваться с производителем привода, чтобы определить номинальные параметры привода, которые будут зависеть от частоты последовательности пуска / останова.

Вопрос о том, как оценить двигатель при прерывистой нагрузке, будет рассмотрен более подробно позже, но стоит отметить, что, если инерция заметна, накопленная кинетическая энергия вращения (12 Джω2) может стать очень значительной, особенно когда привод требуется для остановки груза. Любая накопленная энергия должна либо рассеиваться в двигателе и самом приводе, либо возвращаться в источник питания. Все двигатели по своей природе способны к регенерации, поэтому устройство, при котором кинетическая энергия рекуперируется и сбрасывается в виде тепла в резисторе внутри корпуса привода, является более дешевым вариантом, но практически осуществимо только в том случае, если потребляемая энергия невелика.Если накопленная кинетическая энергия велика, привод должен иметь возможность возвращать энергию источнику питания, а это неизбежно увеличивает стоимость преобразователя.

В случае нашего подъемника накопленная кинетическая энергия составляет всего

12 × 0,051520 × 2π602 = 633Дж

или около 1% энергии, необходимой для нагрева кружки воды для чашки кофе. Такая скромная энергия может быть легко поглощена резистором, но, учитывая, что в этом случае мы обеспечиваем рекуперативный привод, эта энергия также будет возвращена источнику питания.

Что такое крутящий момент в автомобилях

Крутящий момент — это крутящая сила, которая связана с силой вращения двигателя и измеряет, какая часть этой крутящей силы доступна, когда двигатель работает.

Крутящий момент присутствует в повседневных делах, таких как управление дверной ручкой, открытие бутылки с содовой, использование гаечного ключа или крушение педали велосипеда. Именно крутящий момент выполняет свою работу!

Давайте разберемся дальше. Представьте, что вы затягиваете болт гаечным ключом.Вы приложите некоторое усилие к концу гаечного ключа, которое передается на болт на другом конце. При этом к болту прилагается крутящий момент или скручивающая сила.

В то время как мощность измеряется просто в лошадиных силах, крутящий момент обычно измеряется в фунтах-футах (фунт-фут).

Вот как это работает: если мы продолжим наш пример с гаечным ключом, и вы представите, что используете специальный гаечный ключ длиной один фут для затягивания болта. Приложение одного фунта силы к концу этого гаечного ключа длиной в один фут вызывает один фунт.-фут крутящего момента на болте. Увеличить крутящий момент можно, добавив больше веса или используя более длинный гаечный ключ.

Проушные гайки, которыми колеса крепятся к вашему автомобилю, обычно необходимо затягивать с крутящим моментом примерно 100 фунт-фут — это означает, что оператор должен приложить силу 100 фунтов к концу гаечного ключа длиной в фут.

Как работает крутящий момент в автомобиле

Все двигатели, будь то бензиновые или гибридные, вырабатывают определенную мощность и крутящий момент. Они связаны друг с другом и по-разному выражают мощность двигателя.Крутящий момент даже используется при расчете мощности двигателя. И мощность, и крутящий момент измеряются, чтобы дать покупателям представление о производительности, которую они могут ожидать от своего автомобиля.

Двигатели обычных легковых и грузовых автомобилей обычно развивают крутящий момент от 100 до 400 фунт-фут. Этот крутящий момент создается поршнями внутри двигателя, когда они совершают возвратно-поступательное движение вверх и вниз на коленчатом валу двигателя, заставляя его непрерывно вращаться (или скручиваться). Затем этот крутящий момент передается на колеса автомобиля через трансмиссию и трансмиссию.

Выходной крутящий момент является результатом многих переменных, включая размер двигателя и то, как он предназначен для работы.

Проще говоря, чем больше крутящий момент у двигателя, тем лучше он подходит для тяжелых работ, таких как буксировка, буксировка или подъем на крутые склоны. Вот почему крутящий момент часто имеет первостепенное значение при перемещении чего-то большого и тяжелого, например, грузовика с прицепом.

Крутящий момент и мощность в лошадиных силах — в чем разница

Лошадиная сила и крутящий момент — разные способы выражения производительности двигателя транспортного средства.

Что такое мощность в лошадиных силах? Мощность в лошадиных силах отражает общую мощность двигателя в любых условиях. И наоборот, выходной крутящий момент отражает пиковую мощность, доступную для этого двигателя в определенный момент, когда он выполняет свою самую тяжелую работу.

Для иллюстрации представим, что вы покупаете новую стереосистему. Вы можете подумать о том, насколько громко идет стерео. Максимальная громкость, возможная для длительного воспроизведения, подобна мощности двигателя: это хороший показатель того, сколько мощности у стереосистемы.

Теперь рассмотрим басы стерео. Бас — это часть впечатления от прослушивания, которая воспроизводится на максимальной громкости (лошадиных силах), хотя басы, скорее всего, будут оцениваться по пиковому уровню «удара», создаваемому на короткое время.

Таким образом, мощность в лошадиных силах похожа на громкость стереосистемы, а крутящий момент — на низкие частоты: стоит знать оба атрибута, и для определенных типов музыки (или транспортных средств) один может быть важнее другого.

Ключевые различия между мощностью в лошадиных силах и крутящим моментом

лошадиных сил позволяет измерить общую производительность двигателя.Крутящий момент обеспечивает простое измерение максимальной крутящей силы, которую может создать двигатель при напряженной работе.

Вот почему у пикапов есть двигатели с высоким крутящим моментом, которые развивают больший крутящий момент, чем небольшой автомобиль.

Например, 5,7-литровый двигатель i-FORCE V8 Toyota Tundra имеет мощность 381 л.с. и мощный крутящий момент в 401 фунт-фут. Такой высокий уровень крутящего момента предоставляет водителям множество возможностей для выполнения сложной работы, такой как буксировка, буксировка и подъем на крутые подъемы.

И наоборот, Toyota Corolla Hatchback поставляется с четырехцилиндровым двигателем Dynamic Force , мощностью 168 лошадиных сил и 151 фунт-фут крутящего момента. В этом автомобиле нет необходимости в высоком крутящем моменте, а экономия топлива является приоритетом, поэтому инженеры устанавливают мощность и крутящий момент, чтобы сбалансировать приятные характеристики с отличной топливной экономичностью.

Наконец, рассмотрим гибридный автомобиль, в котором используется бензиновый двигатель, усиленный электродвигателем.

Электродвигатели

— суперзвезды крутящего момента, поскольку они мгновенно обеспечивают полный выходной крутящий момент. Вы увидите это в следующий раз, когда воспользуетесь своим блендером: в тот момент, когда вы включите его, его электродвигатель мгновенно и без ожидания приложит максимальный крутящий момент к вращающимся лопастям.

Тот же самый мгновенный и мощный выходной крутящий момент помогает гибридным автомобилям, таким как Toyota Prius , Corolla Hybrid и RAV4 Hybrid , снизить расход топлива и повысить производительность.

Найдите и создайте свою следующую Toyota

Максимальный крутящий момент | Yamaha Motor Australia

Максимальный крутящий момент | Yamaha Motor Australia
МТ-10СП

MT-10 Специальная серия

Основные характеристики
  • Двигатель CP4, настроенный для максимального удовольствия от крутящего момента
  • Двойные передние диски 320 мм с ABS
  • Муфта вспомогательного механизма и скольжения
  • Агрессивный стиль массового движения вперед
МТ-10

гипер голый

Основные характеристики
  • Двигатель CP4, настроенный для максимального удовольствия от крутящего момента
  • Легкая алюминиевая рама Deltabox
  • Агрессивный стиль массового движения вперед
  • Подвеска на основе YZF-R1 с измененными настройками
МТ-09СП

MT-09 Специальная серия

Основные характеристики
  • 889cc двигатель CP3
  • Литой под давлением алюминий Deltabox
  • Передняя подвеска Premium KYB
  • Амортизатор задний Öhlins
МТ-09

Тройное веселье

Основные характеристики
  • 889cc двигатель CP3
  • Литой под давлением алюминий Deltabox
  • 6-осевой IMU
  • Новые системы впуска и выпуска
MT-07HO

689 куб. См, высокая производительность

Основные характеристики
  • 689 куб.см параллельный твин
  • Передние тормоза большего размера
  • Дизайн нового поколения
  • Светодиодное освещение для проектора
MT-07LA

Одобрено учащимся 655cc

Основные характеристики
  • 655 куб.см параллельный твин
  • Передние тормоза увеличенного размера
  • Дизайн нового поколения
  • Светодиодное освещение для проектора
МТ-03

MT начального уровня

Основные характеристики
  • 321 куб.см параллельный твин
  • Агрессивный дизайн MT
  • Вилка передняя перевернутая
  • Маневренный и легкий

Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра этого сайта.

Контроль максимального крутящего момента на ампер для системы тяги IPMSM на основе метода подачи сигнала угла тока

  • 1.

    Miyajima T, Fujimoto H, Fujitsuna M (2013) Конструкция контроллера фазы напряжения для IPMSM на основе точной модели. IEEE Trans Power Electron 28 (12): 5655–5664

    Статья Google Scholar

  • 2.

    Bolognani S, Calligaro S, Petrella R (2014) Адаптивный регулятор ослабления магнитного потока для внутренних приводов синхронных двигателей с постоянными магнитами.IEEEJ Emerg Sel Topics Power Electron 2 (2): 236–248

    Статья Google Scholar

  • 3.

    Wallmark O, Lundberg S, Bongiorno M (2012) Выражения входной проводимости для полевых управляемых приводов PMSM. IEEE Trans Power Electron 27 (3): 1514–1520

    Статья Google Scholar

  • 4.

    Rang G, Lim J, Nam K et al (2004) Схема управления MTPA для синхронного двигателя IPM с учетом изменения магнитного потока магнита, вызванного температурой.В: Материалы девятнадцатой ежегодной конференции и выставки IEEE по прикладной силовой электронике, Анахайм, Калифорния, США

  • 5.

    Kim H-S et al (2019) Управление IPMSM в режиме онлайн MTPA на основе надежной методики численной оптимизации. IEEE Trans Ind Appl 53 (4): 3752–3767

    Google Scholar

  • 6.

    Kim H, Lee Y, Sul S, Yu J et al (2018) Online MTPA Управление IPMSM для автомобильных приложений на основе надежной методики численной оптимизации.В: Материалы конференции и выставки по электрификации транспорта IEEE 2018 (ITEC), Лонг-Бич, Калифорния

  • 7.

    Уддин М.Н., Радван Т.С., Рахамн М.А. (2002) Характеристики внутреннего привода с постоянными магнитами в широком диапазоне скоростей. IEEE Trans Energy Convers 17 (1): 79–84

    Статья Google Scholar

  • 8.

    Pan CT, Sue SM (2005) Максимальный линейный крутящий момент на управление для приводов IPMSM в полном диапазоне скоростей. IEEE Trans Energy Convers 20 (2): 359–366

    Статья Google Scholar

  • 9.

    Consoli A, Scarcella G, Scelba G et al (2008) Управление моделированием синхронных двигателей IPM. в Протоколе общего собрания электроэнергетического общества IEEE 2008 г. — преобразование и поставка электроэнергии в 21 веке, Питтсбург, Пенсильвания

  • 10.

    Ян Н.Ф., Луо Г.З., Лю В.Г. и др. (2012) Внутренний синхронный двигатель с постоянными магнитами управление электромобилем с помощью справочной таблицы. В: Материалы 7-й международной конференции по силовой электронике и управлению движением, Харбин

  • 11.

    Jung S, Hong J, Nam K (2013) Управление током с минимальным крутящим моментом IPMSM с использованием метода Феррари. IEEE Trans Power Electron 28 (12): 5603–5617

    Статья Google Scholar

  • 12.

    Ли К., Ли С.Б. (2010) Схема управления отслеживанием рабочей точки MTPA для приводов PMSM с векторным управлением. In: Proceeding of SPEEDAM 2010, Pisa

  • 13.

    Ahmed A, Sozer Y, Hamdan M (2014) Контроль максимального крутящего момента на ампер для внутренних двигателей с постоянными магнитами с использованием измерения мощности промежуточного контура.В: Материалы конференции и выставки по прикладной силовой электронике IEEE 2014 г., Форт-Уэрт, Техас

  • 14.

    Сато Т., Араки Н., Кониши Йи и др. (2010) Управление весовым дозатором с дискретным временем с использованием метода поиска экстремума. В: Материалы международной конференции IEEE 2010 г. по приложениям управления, Иокогама

  • 15.

    Tang Q, Wang P (2019) Бессенсорное управление MTPA IPMSMs на основе виртуальной индуктивности оси Q с использованием виртуального ввода высокочастотного сигнала. IEEE Trans Ind Electron 63 (11): 6862–6874

    Google Scholar

  • 16.

    Chen Q, Liu R et al (2019) Расширение управления MTPA на основе виртуального сигнала для пятифазного IPMSM в отказоустойчивую работу. IEEE Trans Ind Electron 66 (2): 944–955

    Статья Google Scholar

  • 17.

    Li K, Wang Y (2019) Контроль максимального крутящего момента на ампер (MTPA) для приводов IPMSM с использованием инжекции сигнала и закона управления MTPA. IEEE Trans Ind Info 71 (11): 5718–5729

    Google Scholar

  • 18.

    Bolognani S, Peretti L, Zigliotto M (2011) Онлайн-стратегия управления MTPA для приводов с синхронным реактивным двигателем DTC. IEEE Trans Power Electron 26 (1): 20–28

    Статья Google Scholar

  • 19.

    Bolognani S, Petrella R, Prearo A. et al (2011) Автоматическое отслеживание траектории MTPA в двигателях IPM на основе подачи переменного тока. IEEE Trans Ind Appl 47 (1): 105–114

    Статья Google Scholar

  • 20.

    Kim S, Yoon Y, Sul S et al (2013) Управление максимальным крутящим моментом на ампер (MTPA) машины IPM на основе инжекции сигнала с учетом насыщения индуктивности. IEEE Trans Power Electron 28 (1): 488–497

    Статья Google Scholar

  • 21.

    Чи М., Уддин М.Н. (2007) Анализ управления потоком для работы привода IPMSM в широком диапазоне скоростей. В: Материалы конференции по большим инженерным системам по энергетике 2007 г., Монреаль, Que

  • 22.

    Liu Q, Hameyre K (2017) Высокопроизводительное адаптивное управление крутящим моментом для IPMSM с работой MTPA в реальном времени. IEEE Trans Energy Convers 32 (2): 571–581

    Статья Google Scholar

  • 23.

    Bi YB, Luo XG, Ruan LT и др. (2014) Исследование MTPA-прогнозирующего управления синхронным двигателем с постоянными магнитами.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.