График крутящего момента и мощности – Nissan Primera SRi SHAMAN-cust0ms: 速い › Бортжурнал › Мощность и крутящий момент. Анализируем дино-графики. /Ликбез/

Nissan Primera SRi SHAMAN-cust0ms: 速い › Бортжурнал › Мощность и крутящий момент. Анализируем дино-графики. /Ликбез/

Некоторые «тюнинг-мастерские» иногда сделают что угодно, чтобы показать клиенту желанные цифры. Многим людям достаточно увидеть большие пиковые значения и они будут довольны, не обращая внимание на кривые графиков. Надеюсь, после прочтения этой записи Вы поймете как отличить хорошую мощностную кривую от плохой.

Сразу хотел бы уточнить, что все графики взяты с буржуйских сайтов. Они измеряют крутящий момент фунтами силы на фут, а не метрическими ньютон-метрами. В формулах я старался перевести всё в систему Си.

Соотношения мощности и крутящего момента

1 л.с. = 745.7 Нм в секунду.

Л.с. напрямую связаны с крутящим моментом по времени. В наших условиях можно перевести время в обороты коленвала двигателя.

Таким образом, конечное соотношение будет иметь примерно вот такой вид:

Мощность = (Крут. момент * RPM) / 7120.756, где
Мощность — л.с.
Крутящий момент — Нм
RPM — обороты коленвала, об/мин

Запомните это соотношение. Имейте в виду, что динамометры меряют только крутящий момент, они не меряют мощность. Кривая мощности полностью вычисляется с помощью вышеприведенного соотношения.

Изменения кривой крутящего момента (желтая кривая) очень сильно отражаются на изменении кривой мощности (синяя кривая). И не смотря на то, что кривая момента может быть ровной или даже слегка спадать, мощность двигателя может расти из-за растущих оборотов двигателя. Конечно, такое может продолжаться лишь до тех пор, пока вдоль диапазона оборотов кривая момента не начнет спадать быстрее, чем могут вырасти обороты двигателя, что в результате сказывается на падении мощности в данном диапазоне.

Кривые крутящего момента и мощности тут находятся на одной оси. Обманный трюк дино-стендов — когда кривые момента и мощности находятся на разных осях. Потому что когда эти кривые находятся на одном графике — соотношение между ними гораздо нагляднее.

В целом, есть только два способа повысить мощность — повысить крутящий момент или повысить обороты. Сейчас многие двигатели с небольшим крутящим моментом могут добиться больших значений мощности благодаря способности сохранять уровень момента близкий к пиковому на высоких оборотах двигателя.

Теперь, когда основы вроде как изучили, перейдем к вопросу, почему максимальные значения мощности не всегда всё решают…

Пиковая мощность против Средней мощности

Максимальная мощность: 142 л.с.
Средняя мощность: 117,2 л.с.

Это пример дино-графика стоковой Хонды Integra GS-R. Многие сразу же обращают внимание на значение максимальной мощности, не утруждая себя подсчетами средней мощности. Сильный диапазон мощности определяется «зоной под кривой». Автомобиль, у которого площадь фигуры созданной кривой будет самой большой, окажется самым быстрым в реальной жизни. Многие «серьезные тюнеры» разочаровываются из-за того, что в реальной жизни авто оказывается не таким быстрым, как обещали пиковые значения максимальной мощности по графикам. Но такие люди преимущественно предпочитают мериться письками, демонстрируя распечатки дино-графиков, а не при помощи реальных соревнований. Средняя мощность крутящий момент дают лучшее представление о «зоне под кривой» и насколько хороший у автомобиля диапазон мощности.

Стоковая GS-R: Макс. мощность = 142 л.с. Средняя мощность = 117.2 л.с.
GS-R 1: Макс. мощность = 160 л.с. Средняя мощность = 112.4 л.с.
GS-R 2: Макс. мощность = 152 л.с. Средняя мощность = 125.8 л.с.

Машина, которая выдает «больше всех мощности» на самом деле выдает меньше всех мощности из-за диапазона, который еще меньше, чем у стока. В реальных условиях 160-сильная GS-R с большим трудом могла бы держаться за стоковой GS-R как только выходила бы за пределы своего узенького диапазона высокой мощности.

Максимальная мощность играет небольшую роль в общей картине мощности, которую выдает двигатель, но по какой-то причине — это любимая вещь для определения, у кого гениталии больше) Вот интересно, почему же на дино-графиках не показывают значения средней мощности двигателей, не смотря на то, что это очень просто можно посчитать? Наверно потому что это помешает продаже моднявых тюнячек, которые прибавляют «дофигища мощи», но при этом лишь в очень узеньком диапазоне оборотов…

Дальше рассмотрим графики двух GS-R, которые демонстрируют одинаковую пиковую мощность. Как же определить, какая из них быстрее, без наложения графиков?

Анализируем мощностные кривые

С какой стороны посмотреть на графики? Что делать, если у нас нет базового графика, с которым можно было бы сравнивать?

Двое разных людей достигли планки в 200 л.с. на своих GS-R. В одиночку без сравнения этих графиков между собой будет трудно понять, у кого эти 200 л.с. круче.

Фишка крепкого рабочего диапазона — достичь пика крутящего момента в сравнительно ранней точке и удержать его уровень для получения хороших уровней мощности. Это почти всегда компромисс — получить большую пиковую мощность или достичь максимума момента на низших оборотах.

Таким образом, секрет кроется в кривых крутящего момента, поскольку мы уже знаем, что мощность и крутящий момент имеют прямую пропорцию по оборотам коленвала. Если глянуть отдельно на каждый из двух графиков показанных выше, первый достигает пикового крутящего момента раньше и держит его, пока второй достигает пикового момента гораздо позже.

Попробуем наложить эти два графика один на другой и посмотрим, что получится.

Хотя было сказано, что обе машины выдают 200 л.с., GSR1 будет гораздо быстрее. Заметьте, что пиковый крутящий момент у GSR1 тоже больше.

На высоких оборотах не нужно много крутящего момента чтобы сделать много мощности, поэтому когда рассматриваются двигатели с близкими значениями пиковой мощности, можно быть уверенным, что двигатель с большим крутящим моментом будет иметь лучший рабочий диапазон.

Таким образом стало понятно, что важна не максимальная мощность, а форма кривой момента в определенных диапазонах, которая позволит получить наилучшую производительность.

Надеюсь, теперь Вы понимаете, как анализировать дино-графики и как отличить хороший график от плохого.
Надеюсь, Вам это пригодится 🙂

Как говорится, «Лошадиные силы продают автомобиль, а гонки выигрывает крутящий момент»

Дочитал до конца? Спасибо за внимание, мой друг!
А теперь не жадничай! Подкинь овердрайва! 🙂

www.drive2.ru

Мощность двигателя и крутящий момент — DRIVE2

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) это устройство, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Возгорание топлива в цилиндре (6) приводит к перемещению поршня (7), что, в свою очередь, приводит к проворачиванию коленчатого вала.

Циклы расширения и сжатия в цилиндрах приводят в действие кривошипно-шатунный механизм, который, в свою очередь, преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Из чего состоит двигатель и как он работает:

Итак, важнейшими характеристиками двигателя являются его мощность, крутящий момент и обороты, при которых эта мощность и крутящий момент достигаются.

Обороты двигателя

Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).

И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:

Производители двигателей борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке.

Мощность двигателя

Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто

Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.

Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.

Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.

График мощности для дизельного двигателя:

Крутящий момент

Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия

Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.

Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.

На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.

Еще примеры

Для большего практического понимания важности крутящего момента приведем несколько примеров на гипотетическом двигателе.

Даже без учета максимальной мощности, по графику, отражающему крутящий момент, можно сделать некоторые выводы. Разделим количество оборотов коленчатого вала на три части — это будут низкие обороты, средние и высокие.

На графике слева представлен вариант двигателя, который имеет высокий крутящий момент на низких оборотах (что равносильно высокому крутящему моменту на малых скоростях) — с таким двигателем хорошо ездить по бездорожью — он «вытянет» из любой трясины. На графике справа — двигатель, у которого высокий крутящий момент на средних оборотах (средних скоростях) — этот двигатель рассчитан для использования в городе — он позволяет достаточно резво ускоряться от светофора до светофора.

Следующий график характеризует двигатель, который обеспечивает хорошее ускорение даже на высоких скоростях — с таким двигателем комфортно на трассе. Замыкает графики универсальный двигатель — с широкой полкой — такой двигатель и из болота вытянет, и в городе позволяет хорошо ускоряться, и на трассе.

Итог

Крутящий момент отвечает за способность ускоряться и преодолевать препятствия,
мощность ответственна за максимальную скорость автомобиля,
а обороты двигателя все усложняют, так как каждому значению оборотов соответствует свое значение мощности и крутящего момента.

А вцелом все выглядит так:

— высокий крутящий момент на низких оборотах дает автомобилю тягу для передвижения по бездорожью (таким распределением сил могут похвастать дизельные двигатели). При этом мощность может стать уже вторичным параметром — вспомним, хотя бы, трактор Т25 с его 25 л.с.;

— высокий крутящий момент (а лучше — «полка крутящего момента) на средних и высоких оборотах дает возможность резко ускоряться в городском потоке или на трассе;

— высокая мощность двигателя обеспечивает высокую максимальную скорость;

— низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.

По материалам АвтоПортал

www.drive2.ru

Мощность момент — Энциклопедия журнала «За рулем»

Может ли бульдозер обогнать «формулу 1»? Может, но только на очень короткой дистанции

Часто эксперты автомобильных изданий, рассказывая о выдающейся динамике машины, в первую очередь превозносит огромный крутящий момент двигателя, оставляя мощности роль второго плана. Мол, благодаря именно моменту машина ровно и напористо разгоняется в широком диапазоне оборотов и скоростей. Особенно востребовано это качество на высших передачах, – ведь тяговые силы и ускорения на них в любом случае не столь велики, как на первой или второй передаче. А для безаварийного движения в потоке транспорта возможность быстро прибавить скорость зачастую играет судьбоносную роль. Ездить на таком автомобиле даже психологически легче. И все же, когда нужно быстрей разогнаться, что важней – мощность или крутящий момент?
Сразу отметим: чаще всего эти два параметра «конфликтуют»… в головах журналистов, охотно повторяющих признанные публикой «истины» без какого-либо их анализа. На самом же деле смешно рассматривать мощность в отрыве от крутящего момента и наоборот. Первая показывает энергию, ежесекундно вырабатываемую двигателем, тогда как крутящий момент – всего лишь силовой фактор, показывающий, как нагружен при работе коленчатый вал. Крутящий момент может существовать и сам по себе, без мощности. Например, при неожиданной остановке перегруженного двигателя на крутом подъеме, в песке, при буксировке тяжелого прицепа в какой-то миг момент еще есть, а движения уже нет. А в некоторых механизмах можно обнаружить и длительно действующий на какой-нибудь вал момент, удерживающий его от поворота. Например, в рулевом механизме, когда мы лишь удерживаем управляемые колеса в нужных положениях, тогда как дорога пытается их нарушить. А самый типичный пример: пытаясь открутить «прикипевший» болт, ключ удлинили метровой трубой, – а болт ни с места. Момент огромный, а работа не идет. А коли нет работы – то нет и мощности.

Тут впору вспомнить школьную физику. Нарисуйте круг радиуса R – это будет сечение вала – и приложите к нему «касательную» силу F. Крутящий момент этой силы М = F • R. За один оборот вала сила F пройдет путь 2πR – и выполнит работу: А = F • R • 2π = М • 2π. А работа за n оборотов: А = М • 2π • n. Если n – число оборотов в минуту, то работа за одну секунду – то есть, мощность – составит N = М • 2πn /60.
Выражение 2π n /60 = 0,1047 n = ω – угловая скорость вала. Итак, N = М • 0,1047 n (Формула [1]).
Но мы имеем дело не только с вращающимися деталями, но и движущимися линейно. В этом случае в формуле (1) момент М заменим силой F, а угловую скорость ω – линейной v. Получим: N = F • v (Формула [2]).
Эти формулы равноправны. Замерив, например, тяговую силу колес, умножим на достигнутую машиной скорость – и найдем затрачиваемую мощность. Но если крутящий момент на ведущей оси умножить на угловую скорость колес, получим то же самое.
Итак, мощность – это работа (или энергия) израсходованная или произведенная за 1 секунду. Конечно, о «законе сохранения энергии» знает каждый. Говоря по пионерски, она «не возникает из ничего», но и не исчезает, не оставив следа. Так, лишь около четверти тепловой энергии, получаемой двигателем от сгорания топлива, превращается в механическую, соответствующая мощность (эффективная) тратится на движение машины. Большая же часть полученной в цилиндрах двигателя теплоты идет на «обогрев» окружающего нас мира.
Эффективная мощность тоже доходит до ведущих колес не вся – до 15 % ее может рассеять в виде тепла трение в узлах и агрегатах трансмиссии. Но для нас важней другое: если при открытом дросселе (или при полной подаче топлива в дизель) двигатель выдает на колеса сколько-то киловатт, то это – его «потолок». Никакими простыми механизмами вроде коробок передач, редукторов и т. п. превысить эту величину невозможно – этого «закон сохранения» не допустит.
Итак, крутящий момент – это удобный для нас «инструмент», связывающий процессы в двигателе с трансмиссией машины и ведущими колесами. Но не более того! Ракетчики, например, запрягают пламя напрямую, получают гигантские тяги и мощности, но о крутящих моментах вспоминают лишь в расчетах турбонасосных агрегатов, – да и то, если двигатели не твердотопливные!
Из формулы (1) видно, что для получения достаточной мощности вовсе не обязателен огромный крутящий момент, ведь в произведении два сомножителя. Почему бы, например, не увеличивать мощность при постоянном моменте, наращивая угловую скорость в каком-то диапазоне оборотов? При этом мощность растет по оборотам линейно. А постоянство момента в заданном диапазоне – не чудо, которым некоторые почему-то восторгаются, а всего лишь признак постоянства тяговых сил. Если пренебречь сопротивлением воздуха (к примеру, на первой передаче оно невелико), то и ускорение машины в этом диапазоне постоянное. Это довольно удобно для водителя. Но спросим себя: если бы в начале диапазона момент был таким же, а ближе к пресловутым «верхам» стал больше, стал бы с таким «подхватом» автомобиль хуже? – Вряд ли. Разве только что-нибудь нарушилось бы в смысле экологии.
Мощность можно менять и при постоянных оборотах. Пример: мы ехали со скоростью 90 км/ч по горизонтальному шоссе, а с началом подъема, дабы сохранить скорость, пришлось больше открыть дроссель. Это увеличение момента в чистом виде.
Итак, имеем дело с формулой (1). К примеру, перед нами скромный двигатель грузовика с моментом 35 кгм при оборотах 3000 в минуту. Какова мощность? Тут отметим, что в расчетах всегда важен правильный выбор единиц измерений параметров. Угловую скорость измеряют в 1/сек. А момент? – В старых единицах это кгм. Получаем: N = 35 кгм . 0,1047 . 3000 1/сек = 10993 кгм/сек ≈ 146,6 л.с. А в современной системе СИ: 35 кгм = 343,35 Нм. Тогда N = 343,45 Нм • 0,1047 • 3000 1/сек ≈ 107846 Вт.
На всякий случай напомним, что 1 лс = 75 кгм/сек = 75 • 9,81 Нм/сек = 735,75 Вт. Поэтому 107846 Вт ≈ 146,6 л.с.
А теперь прикинем мощность «формульного» двигателя с таким же скромным моментом, но при оборотах 18 тысяч! Результат – 880 л.с. (647 кВт), которые обеспечивают машине роскошную динамику. Никакого чуда нет: чем больше циклов совершит наш «моментик» за одну секунду, тем больше и совершенная им работа. Еще пример. В авиатехнике ныне практически господствуют газотрубинные двигатели. Повторив наш расчет для небольшого двигателя, с оборотами свободной турбины 40 тысяч в минуту, получим мощность около 1950 л.с. или 1438 кВт. Момент турбины невелик, но ведь воздушный винт приводится от нее не напрямую, а через редуктор, – а уж «мощи» ему хватает!
Но вернемся к автомобилю. Как уже сказано, любому комфортней ездить на машине, у которой под капотом достаточно и мощности, и момента. Но многим приходится ездить на скромных авто, возможности коих, как нынче говорят, «очень бюджетные»! Всякий, кто не умеет вовремя переключать передачи, с ними испытывает неприятности. Значит, надо учиться, друзья. Ну а что делать владельцу авто с АКП? На смену недовольству двигателем зачастую приходят претензии к автомату. Нередко – справедливые, ведь у АКПП тоже случаются специфические болячки, требующие ремонта. Но часто они оказываются не обоснованными: современный автомобиль, насыщенный электроникой и настроенный изготовителем на строгое выполнение жестких экологических норм, вовсе не обязан подстраиваться под любую российскую лихость!
Гусеничному трактору дернуться и оборвать сцепку – плевое дело. Это похоже на выстрел из ружья – можно на миг и «формулу I» опередить. А дольше – никак. Ружье от ракеты отличается принципиально: последняя сохраняет нужное ускорение достаточно долго. В свое время, при стартах к Луне гигант «Сатурн 5» массой свыше 3100 т отделялся от пускового устройства мягко, как пассажирский поезд, – с ускорением чуть больше 1 м/сек². А минут через пять, по мере выгорания топлива, настолько «терял в весе», что его скорость перед выключением первой ступени составляла 3 км/сек.
Низшая передача бульдозера крайне «коротка»: чуть «перекрутил» – тяга упала. А другие не лучше, – вон и «формула» уже растворилась за горизонтом, так что для серьезных игрищ «мощи» на гусеницах маловато.
Если пренебречь разницей в КПД передач (она невелика), то на любой передаче машину движут одни и те же киловатты. Но движут по-разному. Момент и тяговая сила на ведущих колесах подчиняются «золотому правилу»: сколько процентов выиграешь в скорости, столько потеряешь в силе. Это показывают рис. 1 и 2. Если двигатель заведомо слаб, с ним сильно не разгонишься.

Рис. 1. Величины мощности N1 … N5 на ведущей оси не зависят от включенной передачи. Точки пересечения кривой Nсопр с кривыми N3, N4 и N5 дают информацию о максимальных скоростях автомобиля на этих передачах. Здесь самая скоростная на горизонтальной дороге в безветрие – четвертая.

Вся история современной транспортной техники – это непрерывная борьба за большие мощности. У наиболее знаменитых ракетоносителей они давно превысили 100 миллионов кВт. Это не ошибка — именно 100 000 000 000 Вт, или 100 ГигаВатт. И хотя притязания автомобилиста не столь велики, «прохватить» на динамичной машине всякий не прочь.
Главные враги любителя скорости – не гаишники, а силы, тормозящие движение, – от этих не откупишься! Мощность сопротивления воздуха вкупе с мощностью шинных потерь показаны на рис. 1 линией Nсопр.
(Желающие посчитать, могут воспользоваться следующими формулами. N_сопр. = N_w + N_f. Мощность аэродинамических потерь N_w для автомобиля весом 15000 Н при плотности воздуха 1,25 кг/м³, С_х = 0,3 и лобовой площади S = 2 • м² составляет: N_w = (0,3 • 2 • 1,25)/2 • v³ = 0,375 v³ Вт. А мощность шинных потерь N_f = 0,015 • 15000 • v = 225 v Вт. При 100 км/ч N_сопр составляет лишь 14,5 кВт. А при 200 км/ч – 77 кВт. Разница впечатляет?)
Колеса автомобиля, борясь с мощностями сил сопротивления, при максимальной скорости полностью расходуют мощность, получаемую от двигателя. Но ее характеристика (например, показанная кривой N₄ на рис.1) при полностью открытом дросселе похожа на гору с округлой макушкой, тогда как характеристика мощности сопротивлений N_сопр. поднимается как крутая парабола. Чтобы полностью использовать арсенал мощности двигателя – и получить максимум скорости V₄ (на горизонтальной трассе, без ветра), передаточное число трансмиссии и размер шин подбирают так, чтобы кривая N_сопр пересекла кривую N₄ возле вершины. Максимальные скорости на третьей и пятой передачах (V₃ и V₅) существенно ниже. Но на спуске или с ветром вдогон выгодней может стать пятая передача, а на подъеме или с ветром в лоб – третья.
Другие враги скорости – подъем дороги и встречный ветер. Подъем с углом всего 1,5% добавит к потерям в шинах еще столько же. Но еще коварней ветер. Его скорость сложится со скоростью машины относительно дороги, – и уже эту сумму в расчете затрат мощности надо возвести в куб! При скорости по спидометру 36 км/ч (10 м/сек) и ровном встречном ветре 5 м/сек мощность N_сопр вырастет лишь на 0,9 кВт, а вот при 180 км/ч (50 м/сек) – аж на 15,5 кВт. Но придуманный нами автомобиль так ехать не может… Маловато мощи! Максимальная скорость снизится почти на 20 км/ч.

Рис. 2 — Так зависит крутящий момент (М1….М5) или тяговая сила (F_{тяг 1} …F_{тяг 5}) на ведущей оси от включенной передачи. При коэффициенте сцепления шин с дорогой 0,7 ведущая ось, нагруженная половиной веса машины (G_автом = 15000 н), может создать реальную тяговую силу не больше F_{макс. доп.} = 5250 Н.

На рис.2 величины крутящего момента М₁…М₅, а заодно и теоретические тяговые силы F₁…F₅ на ведущей оси, показаны одними и теми же кривыми, – ведь тяговые силы пропорциональны моментам. Величины сил – на вертикальной оси справа. Но тут важно учесть следующее.
Разгоняет машину не вся тяговая сила, а лишь избыточная – то есть разница между полной тяговой силой колес и сопротивлением воздуха. Отношение этой силы к весу машины академик Чудаков назвал динамическим фактором D. На первой передаче сопротивление воздуха мало, его можно не учитывать – считать, что машину разгоняет полная сила F_тяг.1. Но отталкиваться от дороги сильней, чем позволяет сцепление шин, невозможно! Если, например, ведущая ось несет половину веса машины – 7500 Н, то при коэффициенте сцепления φ = 0,7 тяговая сила не может превысить 35% ее веса. Это неплохо согласуется с такой официальной характеристикой любого автомобиля как предельно возможный угол подъема. С «моноприводом» трудно получить больше. Правда, у машины с задним приводом на подъемах ведущие колеса несколько догружаются весом машины, а вот передний тут невыгоден. Лучшая схема, но сложная и дорогая, – полный привод (конечно, не с такой скромной мощностью, как у «Нивы» или УАЗа!).
Если избыточная сила (на первой передаче, например) слишком велика, машина «шлифует» дорогу. Дело нелепое, нужно перейти на следующую передачу. А вот при разработке нового авто конструктор учитывает высокую мощность двигателя и ее следствие – тяговые силы в передаточных числах трансмиссии. Передачи проектируются как достаточно «длинные», расширяющие диапазон скоростей при достаточных ускорениях. А это значит, что и при более высоких скоростях действуют нужные тяговые силы (или моменты) на колесах. Иначе говоря, реализуется весь арсенал мощности! Значит, она все же важнее.

Споры на тему влияния мощности-момента ведутся давно, и конца им не видно. Вроде бы сто раз уже объясняли самыми разными способами, что тут к чему, а воз и ныне там. Вызывает неподдельный интерес, откуда все же берется заблуждение и почему оно такое устойчивое?
Причин видится две. Одна из них в том, что мощность есть функция от момента. Зависимость мощности от момента стоит барьером, который преодолеть оказывается непросто. Что странно. Поскольку очевидность того, что мощность есть функция не только от момента, но и от оборотов, не оспаривается, и тот факт, что у разных двигателей бывает весьма большой разброс по соотношению мощности к моменту, также не подвергается сомнению. То есть существует молчаливое согласие с тем, что мощность есть функция от двух аргументов — оборотов и момента, но при этом зависимость от оборотов как бы игнорируется. Почему?
А в этом и есть вторая, главная причина заблуждения. И ключевая фраза здесь: «Человек совершенно может не иметь понятие про мощность.А вот разницу в ускорении на 3 и 4 передаче он вполне способен почувствовать.» Ясно, что на динамику автомобиля оказывают большое влияние и передаточные числа КПП. На графике 1 видны кривые мощности двигателя, смещенные в зависимости от разных передаточных чисел и кривая сопротивлений. Видно, что с ростом передаточного числа динамика резко возрастает. Это очевидно и вопросов не вызывает. Странно, что не менее очевидный факт, что бОльшая часть времени при разгоне приходится вовсе не на 1 и 2 передачи, а на 3-4, при этом упускается из виду.
При разгоне здравомыслящий водитель пользуется всеми четырьмя передачами и весьма широким диапазоном частот вращения двигателя. При этом редко задумывается о том, что динамика разгона на высокой скорости мала и плохо ощущается, но именно на нее и приходится львиная доля времени разгона (по той простой причине, повторю, что на высших передачах динамика хуже и потому занимает больше времени). Хорошо ощущается динамика разгона на низших передачах, в диапазоне низких и средних оборотов (дальше водитель двигатель раскручивает редко). И что выходит? А выходит, что «низовой», моментный двигатель дает ощущение уверенного и бодрого разгона по той простой причине, что легко и весело страгивает и начинает разгонять автомобиль. А по достижении скорости ощущения становятся слабыми, и оценить разницу в разгоне 100- и 120 сильного моторов на 4-5 передачах, способен не каждый. Потому и кажется, что момент определяет динамику. По ощущениям. А ощущениям человек склонен верить очень сильно, даже вопреки логике и здравому смыслу.

Проповедующие формулировку «скорость определяется мощностью, а динамика разгона — моментом двигателя» могут убедиться в своем заблуждении, решив простую задачу.
Вводные
1. Равномерный подъем на некоторую высоту равносилен равномерному ускорению, поскольку увеличивает потенциальную энергию тела mgh*. (что можно объяснить — чем с большей высоты упадет, тем сильней ударится).
2. Поднимаем равномерно груз весом 75 кг на высоту 1 м за 1 с.
3. Имеется черный ящик, в котором спрятан мотор неизвестной природы и, возможно, редуктор с КПД=1.
Вопросы.
1. Какая мощность должна быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?
2. Какой момент должен быть в моторе, спрятанном внутри черного ящика?

Подъем указанного груз на нужную высоту за время аналогичен разгону по горизонтали той же массы с ускорением g^0.5.
Если ускорение определяется моментом — просто назовите цифру
Если ускорение определяется мощностью — тоже просто назовите цифру
Если цифру назвать не удается, значит параметр может быть самым разным и роли не играет.
Вы можете разгонять тело с заданным ускорением (или поднимать его вверх), меняя крутящий момент по своей прихоти (и устанавливая каждый раз соответствующий редуктор). Вы можете отталкиваться от параметров редуктора, и всякий раз требуемый момент будет меняться и зависеть от передаточного отношения этого редуктора. Но всегда мощность будет оставаться одной и той же, неизменной величиной — для подъема груза 75 кг на 1 м за 1с понадобится ровно одна лошадиная сила или 0,73549875 кВт

Можно поступить и следующим образом.
Берите любой момент, который причина разгона, берите любой редуктор и разгоните тело 75 кг до скорости 3.13 м/c за 1 с.
Ограничение только по мощности — она не должна превышать 0.9 л.с.
Есть ли решение у этой задачи? Если нет — то почему?
Ответ.
Задача не имеет решения по той простой причине, потому что невозможно обеспечить заданную динамику — для нее не хватит мощности. Каким бы ни был момент.
Вывод. Момент двигателя для разгонной динамики не имеет значения, все решает мощность.

* Пояснение Вы поднимаете 75 кг получаете от этого энергию mgh. Она преобразуется так:
поскольку a = V² / 2h, а ускорение а у нас равно g, то V = (2hg)^0.5.
Кинетическая энергия тела E = mV²/2 = m2hg/2 = mgh.

Смотри также главу Как движется автомобиль

wiki.zr.ru

Неразлучная парочка – мощность и крутящий момент — DRIVE2

Как-то давно интересовался разницей мощности и крутящего момента и что важнее для разгона, а что для максимальной скорости и вот снова наткнулся на эту хорошую и подробную(на мой взгляд) статейку из журнала Автоцентр

Что интересует людей, изучающих технические характеристики того или иного автомобиля? В первую очередь мощность, затем расход топлива и максимальная скорость. О крутящем моменте вспоминают редко. А зря.

Тяговые возможности моторов еще с момента рождения самоходных колясок принято оценивать по мощности, которая выражается в лошадиных силах. Из-за отсутствия в те далекие времена методики расчета и определения мощности до 1906/1907 годов эта характеристика двигателя имела не вполне четкое обозначение – она показывала приблизительную мощность – «от» и «до», например, от 15 до 20 л.с.

С 1907 года этот неточный показатель мощности разделили на два значения, например, 6/22 л.с. В первую цифру заложили значение налоговой ставки, а во вторую – мощность. Введенная налоговая лошадиная сила соответствовала определенному значению рабочего объема двигателя: 261,8 куб. см для четырехтактных моторов и 174,5 куб. см – для двухтактных. Появление такого способа установления налоговых ставок было обусловлено зависимостью рабочего объема двигателя от количества вырабатываемой им энергии и потребления топлива. Обозначать мощность в киловаттах (кВт), согласно международной системе измерений СИ, начали значительно позже.

На самом деле «мощность» отражает тяговые возможности двигателя лишь косвенно. С этим согласятся те, кто ездил на автомобилях-одноклассниках с двигателями приблизительно равной мощности и объема. Они наверняка заметили, что одни автомобили достаточно резвы начиная с низких оборотов, другие любят только высокие обороты, а на малых ведут себя достаточно вяло.

Много вопросов возникает у тех, кто после легковушки с 110-120-сильным бензиновым мотором пересел за руль такой же машины, но с дизельным двигателем мощностью всего 70-80 л.с. По динамике разгона, не используя спортивный режим (высокие обороты), на первый взгляд маломощный «дизель» с легкостью обойдет своего бензинового брата. В чем же здесь дело?

Вся эта неразбериха вызвана тем, что в каждом случае такая величина как сила тяги (FT, Н), приложенная к ведущим колесам, будет разной. Объяснение этому легко найти из формулы: FT=Мкр•i•h/r, где Мкр-крутящий момент двигателя, i-передаточное число трансмиссии, h – КПД трансмиссии (при продольном расположении двигателя h=0,88-0,92, при поперечном – h=0,91-0,95), r – радиус качения колеса. Из формулы видно, что чем больше крутящий момент двигателя и передаточное число, и чем меньше потери в трансмиссии (т.е. чем выше ее КПД) и радиус ведущих колес, тем больше сила тяги. Радиус колес, передаточное число и КПД трансмиссии у автомобилей-одноклассников очень схожи, поэтому на силу тяги они влияют не в такой степени как крутящий момент двигателя.

Если в формулу подставить реальные цифры, то сила тяги на каждом ведущем колесе, например, автомобиля Volkswagen Golf IV с 75-сильным мотором, развивающим крутящий момент 128 Н•м, будет равна 441 Н или 45 кГ•с. Правда, эти значения действительны, когда частота вращения коленчатого вала двигателя (3300 об/мин) соответствует максимальному крутящему моменту.

Что такое крутящий момент

Разобраться, что такое крутящий момент, можно на простом примере. Возьмем палку и один ее конец зажмем в тисках. Если надавить на другой конец палки, на нее начнет воздействовать крутящий момент (Мкр). Он равен силе, приложенной к рычагу, умноженной на длину плеча силы. В цифрах это выглядит так: если на рычаг длиной один метр подвесить 10-килограммовый груз, появится крутящий момент величиной 10 кг•м. В общепринятой системе измерения СИ этот показатель (умножается на значение ускорения свободного падения – 9,81 м/с2) будет равен 98,1 Н•м. Из этого следует, что получить больший крутящий момент можно двумя путями – увеличив длину рычага или вес груза.

В двигателе внутреннего сгорания нет палок и грузов, а вместо них имеется кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент здесь получают благодаря сгоранию горючей смеси, которая при этом расширяется и толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун давит на «колено» коленчатого вала. Хотя в описании характеристик двигателей длину плеча не указывают, об этом позволяет судить величина хода поршня (удвоенное значение радиуса кривошипа).

Примерный расчет крутящего момента двигателя выглядит так. Когда поршень толкает шатун с усилием 200 кг на плечо 5 см возникает крутящий момент 10 кГ•с, или 98,1 Н•м. Чтобы этот показатель стал больше, радиус кривошипа следует увеличить или сделать так, чтобы поршень давил на шатунную шейку с большей силой. Увеличивать радиус кривошипа до бесконечности нельзя, так как размер двигателя тоже придется увеличивать в ширину и в высоту. Возрастают и силы инерции, требующие упрочения конструкции или уменьшения максимальных оборотов. Появляются при этом и другие негативные факторы. В такой ситуации у конструкторов двигателей остался только один выход – увеличить силу, с которой поршень приводит в движение коленчатый вал. Для этого топливно-воздушную смесь в камере сгорания необходимо сжечь более качественно и большее количество. Достигают этого путем увеличения рабочего объема, диаметра цилиндров и их количества, а также улучшения степени наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью, оптимизации процесса сгорания, повышения степени сжатия. Подтверждает это и расчетная формула крутящего момента: Мкр=VH •pe / 0,12566 (для четырехтактного двигателя), где VH – рабочий объем двигателя (л), pe – среднее эффективное давление в камере сгорания (бар).

Получить на коленчатом валу двигателя максимальный крутящий момент удается не на всех оборотах. У разных двигателей пик максимального крутящего момента достигается на различных режимах – у одних он больше на малых оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других – на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Объясняется это тем, что в зависимости от конструкции впускного тракта и фаз газораспределения эффективное наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью происходит только при определенных оборотах.

Кто сильнейший?

Большим крутящим моментом обладают многоцилиндровые двигатели, моторы с турбо- и механическим наддувом. А чемпионами по величине крутящего момента являются «дизели». Многие из них обеспечивают автомобилю высокую динамику уже при 800-1000 об/мин. Если же стать обладателем «дизеля», нет возможности, то подбирать машину лучше с двигателем, у которого максимальный крутящий момент развивается при более низких оборотах. Такой автомобиль легче разгонять. В противном случае двигатель придется «насиловать» высокими оборотами, при которых и расход топлива выше и детали изнашиваются более интенсивно.

Те, кто следит за тенденциями развития автомобилестроения, могли заметить, что создатели двигателей стремятся «выровнять» кривую крутящего момента, т.е. сделать его практически одинаковым во всем диапазоне оборотов. Делается это для того, чтобы исключить провалы на режимах, когда величина крутящего момента еще или уже не позволяет передать на колеса большую силу тяги.

Один из таких моторов – 2,7-литровый V-образный шестицилиндровый турбированный двигатель Audi. Этот 250-сильный двигатель развивает огромный крутящий момент 350 Н•м в широком диапазоне оборотов – от 1800 до 4500. Другой подобный, хотя и менее мощный двигатель предлагает концерн Volkswagen. Его 1,8-литровый 180-сильный турбированный мотор развивает крутящий момент 228 Н•м в диапазоне оборотов от 2000 до 5000. Ездить на машинах с такими двигателями сплошное удовольствие – независимо от оборотов при нажатии на педаль «газа» автомобиль одинаково динамичен (приемист) и не только позволяет любителям спортивной езды полностью реализовать свои желания, но и при спокойной езде способствует уверенным обгонам, перестроениям и движению при полной загрузке.

Повышение и «выравнивание» крутящего момента в современных двигателях обеспечивают различными путями: устанавливают по три, четыре и даже пять клапанов на цилиндр, механизмы изменений фаз газораспределения, впускные тракты делают с изменяемой длиной, крыльчатки турбин делают керамическими и регулируемыми с изменяемым углом наклона лопаток и т.д. Вся эта модернизация направлена на совершенствование процессов наполнения цилиндров свежим зарядом. Наибольшего результата в этом деле добились инженеры SAAB. В свой пока еще экспериментальный двигатель SAAB Variable Compression объемом всего 1,6 л они умудрились заложить мощность, равную 225 л.с. и крутящий момент 305 Н•м. Добиться столь высоких показателей шведским моторостроителям удалось благодаря возможности изменения объема камеры сгорания и соответственно степени сжатия (от 14:1 до 8:1) в зависимости от режимов работы двигателя. Получению этих характеристик способствует и система наддува воздуха под высоким давлением – 2,8 атм., четыре клапана на цилиндр и система промежуточного охлаждения воздуха (Intercooler) (см. «Автоцентр» №14 ‘2000).

Мощность

А как же обстоит дело с таким популярным показателем как мощность? Здесь ситуация складывается следующим образом. Наверное, многие замечали, что рядом с указываемой в характеристике мощностью всегда стоит значение оборотов коленчатого вала, при которых двигатель развивает эту мощность. Как правило, эти обороты приближены к максимальным. Во всех других режимах двигатель выдает только некоторую часть указанной мощности.

Почему так происходит, хорошо видно из формулы для вычисления мощности двигателя (кВт) – N=Mкрn/9549, где Mкр – средний крутящий момент двигателя (Н.м), n – обороты коленчатого вала двигателя (об/мин). Из формулы следует, что на значение мощности влияют величины крутящего момента и обороты двигателя. Но так как численные значения оборотов двигателя в десятки раз превышают величину крутящего момента (например, 3000 об/мин и 120 Н.м), то и на изменение мощности они будут влиять в большей степени. Это еще одно доказательство того, что силу мотора мощность отражает косвенно.

Вышесказанное подтверждается следующим примером. Когда мы едем по трассе с постоянной скоростью, приложенная к ведущим колесам автомобиля сила тяги расходуется на преодоление всевозможных сил сопротивления движению (аэродинамическую, качению колес и т.д.) и трение в различных механизмах. Но когда возникает потребность резко ускориться для обгона, сделать это удается не всегда, так как появляется необходимость преодолевать появившиеся силы инерции. В этом случае говорят, что у двигателя не хватает мощности. Но мощность здесь ни при чем, так как со всеми силами сопротивления движению борется сила тяги, зависящая от величины крутящего момента двигателя. Чтобы увеличить силу тяги, необходим запас крутящего момента. Величина этого запаса и влияет на то, как быстро сможет ускориться автомобиль.

Для получения более резкого ускорения можно, конечно, и переключиться на пониженную передачу, когда передаточное число трансмиссии станет большим и сила тяги на колесах увеличится. Однако при этом есть опасность «перекрутить» двигатель, да и дальнейшего ускорения мы можем не получить, так как режим работы двигателя может быть приближен к экстремальному. Аналогичная ситуация складывается и на подъе

www.drive2.ru

Крутящий момент и лошадиные силы . — DRIVE2

Интересная познaвательная статья для любителей ездить на автомобилях с дизельным двигателем.

Лошадиные силы решают всё – такой вывод можно сделать, читая иные автомобильные издания, а также рекламные буклеты и техпаспорта. Так ли это? Зачем тогда в технических характеристиках указывают еще и крутящий момент?
Что определяют ньютон-метры? Что важнее – «лошади» или «ньютоны»?

ТЕОРИЯ
Для начала стоит разобраться с определениями. Вспоминаем школьный учебник физики. Крутящий момент
– это произведение силы на плечо рычага, к которому она приложена, Мкр = F х L. Сила измеряется в ньютонах, рычаг – в метрах. 1 Нм – крутящий момент, который создает сила в 1 Н, приложенная к концу рычага длиной 1 м.
В двигателе внутреннего сгорания роль рычага исполняет кривошип коленвала. Сила, рождаемая при сгорании топлива, действует на поршень, через который и создает крутящий момент. Выходит, что главная характеристика двигателя – величина крутящего момента на коленчатом валу. Понятно, что момент создается не постоянно, а только в период действия силы – то есть, только во время рабочего хода.
Разберемся теперь с мощностью. Все там же – в школьном пособии и про нее сказано предельно ясно. Мощность – это работа, совершенная в единицу времени. Формула банальная – Р = A/t. А так как работу в двигателе совершает именно та сила, которая создает крутящий момент, то мощность, говоря простыми словами, показывает, сколько раз в единицу времени двигатель создает крутящий момент. Не надо быть семи пядей во лбу, чтобы понять – количество «крутящих моментов», то есть мощность, зависит от количества оборотов двигателя. Чтобы нам было уже совсем просто, физики-математики напряглись и вывели наглядную формулу: P = Mкр*n/9549, где Mкр – крутящий момент двигателя (Нм), n – обороты коленвала двигателя (об./мин.). (Мощность получается в киловаттах. Чтобы преобразить ее в «скакунов», умножаем результат на 1,36).
Вроде бы с печкой все понятно. Попробуем от нее станцевать. На что влияет мощность, а на что – крутящий момент? Начнем с мощности. Мощность двигателя при движении автомобиля расходуется на преодоление различных сил сопротивления – это силы трения в трансмиссии и качения колес, силы аэродинамического сопротивления и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление автомобиль может преодолеть и большей скорости достичь. Повторимся, мощность мотора – величина не постоянная, а зависящая, прежде всего, от оборотов двигателя. Рядом со значениями максимальной мощности всегда указываются обороты, на которых она достигается. На других оборотах мощность иная – более низкая. Какая именно – можно узнать, взглянув на график внешних скоростных характеристик того или иного мотора. Важно другое – при разгоне двигатель не развивает оборотов максимальной мощности сразу (во всяком случае в обычных условиях). Машина стартует обычно с оборотов чуть выше холостого хода. Поэтому, чтобы мобилизовать весь «табун», мотору нужно время на раскрутку. Вот здесь-то и играет решающую роль крутящий момент. Именно от него зависит время достижения двигателем максимальной мощности, а значит и вожделенная динамика разгона. И получается, что забытые некоторыми ньютон-метры значат не меньше, чем хваленые лошадиные силы.
Противостояние «л.с. – Нм»
логично выливается в противостояние «бензин – дизель». Серийные бензиновые двигатели развивают не самый большой крутящий момент. К тому же максимального значения он достигает только на средних оборотах (обычно 3000-4000). Зато эти моторы могут раскручиваться до 7-8 тыс. об./мин., что позволяет им развивать довольно большую мощность. Ведь согласно приведенной выше формуле, мощность численно от оборотов зависит гораздо больше, чем от момента.
По этой же причине тихоходные дизели (развивают не более 5 000 об./мин.), обладая внушительным моментом, доступным практически с самых «низов», в максимальной мощности проигрывают бензиновым.
Однако мощность важна не только максимальная. Как уже было сказано, мощность, которую развивает двигатель на оборотах ниже предельных, как правило, так же далека от максимальной заявленной. Ключом к пониманию характера любого мотора являются кривые его характеристик: мощности и момента.
Приводим графики двух двигателей марки Mercedes-Benz. Один – объемом 1,8 л, дизельный (с турбонаддувом). Другой – двухлитровый бензиновый. Заявленные мощности – 109 л.с. и 136 л.с. соответственно. Моменты – 250 и 185 Нм. Мы сравнили мощность этих моторов во всем диапазоне оборотов, а не только максимальную. И получилось, что от 1000 до 4000 об./мин. (а это практически весь «городской» спектр) дизель мощнее «бензина» максимум на 34 л.с., а в среднем – на 17. О превосходстве в моменте даже говорить не стоит.
Ради интереса мы сравнили также характеристики аналогичных двухлитровых моторов Volkswagen: 2,0 TDI (140 л.с. и 320 Нм) и 2,0 FSI (150 л.с. и 200 Нм). Результат тот же – выигрыш в максимальной мощности оборачивается проигрышем до отметки в 4 500 об./мин. Интересная картина.

Конь-огонь

Измерение мощности в лошадиных силах широко распространено только в автомобильной сфере. Причина – неоднозначное определение этой единицы. Мерить мощь моторов по поголовью рысаков впервые предложил Джеймс Уатт (в специальной литературе для этих целей используют его фамилию). Он предположил, что лошадь может поднимать 33 000 фунтов груза (14 968,55 кг) со скоростью 1 фут (30 см) в минуту, что равняется 745,7 Вт. Именно эту единицу до сих пор применяют в Англии (обозначение BHP). В остальных европейских странах лошадиная сила определяется как 735,49875 Вт и обозначается pferdestarke – PS (нем.), cheval – ch (фр.) или просто – л.с.

Цель и средства

Наращивать мощность моторов можно по-разному. Самый «примитивный» способ – увеличение рабочего объема – слава богу, свое, похоже, отжил. Теперь в чести более продвинутые методы.
Увеличение максимального числа оборотов позволяет поднять мощность без серьезного изменения крутящего момента. Пример – BMW M5/M6, двигатель которых крутится до 8250 об./мин.
Турбо- и механический наддув резко повышают крутящий момент мотора. К примеру, двигатель 2,0 FSI (VW, Audi) выдает 150 л.с. и 200 Нм. Он же, но с турбиной (2,0 TFSI) – 200 л.с., 280 Нм.
Изменение фаз газораспределения (VTEC, VVTi, bi-VANOS) позволяет поднять момент и сдвинуть его в зону «нужных» оборотов. Самый изощренный способ – возможность изменения степени сжатия. Так, на 1,6-литровом турбо-двигателе SAAB, благодаря подвижной головке блока, она варьируется от 8:1 до 14:1. Результат – 308 Нм и 225 л.с.

ПРАКТИКА

Понять, что значат на практике «лишние» ньютон-метры и лошадиные силы, мы решили на примере двух новейших Volkswagen Passat с упомянутыми двухлитровыми моторами – турбо-дизелем и бензиновым атмосферником. У первого – 140 л.с. и 320 Нм, у второго – 150 л.с. и 200 Нм. Для кристальной чистоты эксперимента обе машины были с шестиступенчатыми механическими коробками (разницу передаточных отношений главной пары в данном случае считаем несущественной).
На дизельном Passat мы уже ездили, а потому хорошо знакомы с его неординарной натурой. На холостых и малых оборотах мотор не проявляет особого энтузиазма, но по достижении 1750 об./мин. (уже с этой отметки водителю доступны все 320 Нм момента) в корне преображается. На кривой хорошо видно, что амплитуда крутящего момента составляет 110 Нм, больше трети максимального значения! Эту разницу двигатель успевает преодолеть в промежутке между 1000 и 2000 об./мин. Уже под конец второй тысячи мотор мощно бросает Passat вперед. Ускорение не ослабевает вплоть до максимальных 4500 об./мин., следует переключение – и вновь изобилие тяги до самого верха. Еще переключение – все повторяется. Словно невидимый силач-великан тащит машину тросом, потом перехватывает руки и тащит снова – бурный разгон идет на каждой передаче, даже на пятой и шестой он остается впечатляющим. Если не мешкать при переключениях и не выпадать из диапазона 2000-4000 оборотов (а это не сложно благодаря исключительно точному приводу переключения), то дизельный Passat позволяет перемещаться в пространстве очень и очень интенсивно. Спортивно. Единственный минус, он же плюс – при разгоне «в пол» стрелка тахометра в мгновения пролетает короткую шкалу. Только успевай работать ручкой КПП.
Пора пересаживаться в бензиновую машину. Ее характер спокойнее. Passat реагирует на действия акселератора точно и отзывчиво. Мотор тянет уверенно с самого низа и до максимальных оборотов, но без подхватов и волнующих ускорений. Посмотрите, разница между моментом на холостом ходу и максимальным – всего 50 Нм, так что подхватам взяться просто неоткуда. Но управляться с такой динамикой удобнее – передачи длинные, с прогнозируемой тягой во всем рабочем диапазоне. Пока мотор перегоняет стрелку тахометра из левого нижнего угла в правый нижний, можно немного передохнуть, не надо строчить рычагом коробки. Ага, есть 6 500 – переключаемся. Но эмоции, эмоции от разгона: Они есть, но не такие, как в случае с дизелем. Здесь уже не чудо-силач тянет машину, а какой-то механический робот-ускоритель, с постоянным, точно тарированным усилием. Теперь самое сладкое. Машины стоят бок о бок на одной линии. Напомним, что у бензинового Passat превосходство в максимальной мощности на 10 л.с. Но проявляется оно только после 4 500 оборотов. А у дизеля превосходство в моменте, которое проявляется во всем диапазоне. Ну, любители дрэг-рэйсинга, ваши ставки?
Синхронный старт. Первые секунды машины идут ноздря в ноздрю. Затем дизель уступает четверть корпуса – мотор быстро выкрутился, надо менять передачу. Из-за более редких переключений бензиновый Passat выходит вперед почти на корпус. С набором скорости этот отрыв уменьшается. По паспорту в упражнении «до сотни» дизель проигрывает своему противнику всего 0,4 секунды. Это разница в пределах водительской погрешности. И максимальная скорость меньше лишь чуть-чуть – 209 км/ч против 213.
Но это на зачетной прямой. Там водители бросают сцепление, уже раскрутив моторы. А в городе, чтобы угнаться за дизелем, «бензину» приходится постоянно держать обороты близко к красной зоне. Вспомните графики – там, где дизельный двигатель уже почти набрал свои 140 л.с. (3500 об./мин.), у бензинового под педалью пока только сотня. Чтобы набрать столько же, ему нужно еще 1 500 оборотов. При этом первый набирает обороты максимальной мощности почти моментально (вот оно, превосходство момента!), а второй – значительно дольше. И на шоссе, двигаясь со скоростью 120 км/ч, «дизелю» для ускорения не потребуется переключение, а бензиновый Passat попросит передачу пониже.
В общем, на практике все получилось так, как предсказывала теория. Максимальная мощность двигателя прежде всего определяет максимальную скорость автомобиля. А крутящий момент – быстроту достижения мотором этой максимальной мощности. Таким образом, при сопоставимой мощности пресловутый разгон до «сотни» будет даваться более «моментному» двигателю меньшей кровью – он требует меньшей раскрутки перед стартом машины. В «мирных» условиях повседневного вождения это весомый фактор. Но и мощность крайне важна: момент не может разгонять автом

www.drive2.ru

Действительно ли крутящий момент важнее мощности

Крутящий момент более важен, чем лошадиные силы.

 

На что только не идут автопроизводители, пытаясь заставить нас приобретать свою продукцию. Один из примеров маркетинговых хитростей, это информация о мощности автомобиля, которая традиционно выражается в лошадиных силах. Откройте любую брошюру в автосалоне, или описание того или иного транспортного средства на официальном сайте автопроизводителя, и вы сразу увидите мощность машины. И, как правило, эта информация всегда выносится маркетологами на первый план.

 

Таким образом, нас за долгие годы приучили, что чем больше лошадиных сил (л.с.), тем лучше. Но на самом деле мощность автомобиля не играет главной роли в его характере. Пришло время развеять все мифы, которые создали автопроизводители. Давайте наконец узнаем окончательно, что важней лошадиная сила (л.с.) или крутящий момент (НМ)?

 

Давайте для начала поймем, что же это за такой критерий оценки характеристики, который работает по принципу «чем больше, тем лучше». Такое сравнение вещей пришло к нам еще с ранней истории человечества. Подобное сравнение, например, использовалось в древние времена, когда основной деятельностью человека являлась охота. То есть в те далекие времена люди считали, чем больше добыча или любая другая пища, тем она лучше. С тех пор эта привычка отпечаталась в нашем подсознании так глубоко, что в современном мире люди, до сих пор, приобретая что-то новое, хотят купить все самое большое.

 

К примеру, многие из вас горят желанием приобрести фотоаппарат или видео камеру с самым большим количеством мегапикселей, хотя в этом нет смысла. Или мы мечтаем купить самый мощный смартфон, большинство функций которого нам не нужны.

 

То же самое касается коробки передач и двигателя. Ведь многие мечтают купить автомобиля с максимальным количеством цилиндров и количеством передач в трансмиссии, считая, что с такими агрегатами транспортное средство будет лучшим во всем. 

 

То же самое касается и показателя мощности автомобиля, которая выражается традиционно в лошадиных силах. 90 процентов людей при ознакомлении с автомобилем почти всегда в первую очередь интересуются его мощностью. Дело в том, что все мы знаем, что мощность вносит свой вклад в динамику ускорения, влияет на максимальную скорость и на многие другие показатели автомобиля. В итоге автопроизводители стараются делать акцент именно на этот показатель в своей продукции, заставляя нас думать, что лошадиные силы это самое главное в автомобиле. 

 

На что только не идут автомобильные компании, чтобы убедить нас, что именно мощность важна в любом автомобиле. Вы обратили внимание что, как правило, чем больше лошадиных сил, тем дороже стоит машина? Самое удивительное, что часто одна эта же модель с одним и тем же двигателем, за счет разницы в мощности стоит значительно дороже. Хотя на деле мощность была увеличена лишь только за счет другого программного обеспечения работы двигателя и впрыска топлива. Фактически переплатив за более мощный автомобиль, мы часто получаем ту же машину, за исключением показателя лошадиных сил. 

 

Так почему же многие автомобили, представленные на авторынке, имеющие фактические одинаковые силовые агрегаты и одинаковую мощность, ведут себя на дороге по-разному? Вы когда-нибудь задумывались над этим? Действительно, если вы протестируете несколько схожих по характеристикам автомобилей с одинаковым количеством лошадиных сил, вы почти всегда заметите разницу в мощности. Не редко когда автомобиль, например, с мощностью 75 л.с. ведет себя гораздо уверенней на дороге, чем скажем, машина мощностью 110 л.с. И это, несмотря на то, что оба автомобиля могут иметь одинаковый вес, размеры и т.п. О чем это говорит? Конечно, о том, что мощность это не главный показатель в характеристиках транспортных средств. 

 

График по оси Y указан в киловаттах (кВт)

 

Перед тем как продолжить наш подробный рассказ, мы должны отметить важный момент. В нашей статье не идет речь о мощных дорогих суперкарах, двигатели которых имеют большую мощность даже на холостом ходу, что позволяет за рулем этих автомобилей в мгновение ока оказаться на орбите земли, как только вы слегка прикоснетесь к педали газа. Сегодня речь об обычных автомобилях, которыми пользуются большинство людей во всем мире для ежедневных поездок. Именно в этой категории автомобилей разница от 10 до 15 л.с. считается значительной и ощутимой для динамики машины. 

 

И так давайте представим, что вы собрались приобретать новый автомобиль, с которым не знакомы и не имеете опыта его вождения. Как вы перед покупкой узнаете характер двигателя автомобиля?

 

Определенно вы не должны смотреть на его показатель мощности, выраженный в лошадиных силах, который указывается в рекламных брошюрах автосалона. Помните, что этот показатель конечно не бесполезен, но, тем не менее, количество лошадиных сил в двигателе, этот лишь один из факторов который влияет на конечную мощность и динамику машины. 

 

Во-первых, как правило, автопроизводители в рекламных материалах к любому автомобилю указывают пиковое значение мощности, доступное в определенном диапазоне оборотов двигателя. То есть количество лошадиных сил означает общий потенциал двигателя. Производитель, указывая в технических характеристиках мощность, имеют в виду, что эта мощность доступна только при определенных оборотах силового агрегата, а также при условии, что педаль газа нажата в пол. 

 

Смотрите также: Что важнее, крутящий момент или лошадиные силы

 

Давайте посмотрим на типичный 1,6 литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель (в данном случае не имеет значение, какой он марки и кто его произвёл).

Этот двигатель имеет мощность в 110 л.с., которые согласно техническим характеристикам, доступны при 5800 оборотах двигателя в минуту. Заметьте что это количество оборотов двигателя уже близко к критичному значению, перейдя за рамки которого двигатель выйдет из строя (как правило, в двигателях объемом 1,6 литра красная зона оборотов двигателя расположена около 6,000-6,500 об/мин). 

 

О чем это говорит? О том, что для того чтобы выжать из машины все 110 л.с. вам необходимо будет раскрутить двигатель как минимум до 5800 об/мин. На практике эти обороты вам будут доступны только при максимальном обгоне на дороге или если разогнаться на скоростном шоссе, выше максимально разрешенной.

Но даже если вы раскрутите машину до указанных оборотов двигателя, для того чтобы получить максимальную мощность, вам будет не комфортно в салоне, поскольку ваш 1,6 литровый мотор будет издавать очень громкий шум и неприятный рев, даже если ваша машина имеет качественную шумоизоляцию.

 

То есть, фактически, раскручивая машину до максимальных оборотов, вы заставите двигатель работать на пределе. Вот пример графика замера мощности 1,6 литрового четырехцилиндрового не турбированного бензинового двигателя при определенных оборотах силового агрегата:

 

График по оси Y указан в киловаттах (кВт)

 

Да, двигатель на низких оборотах звучит более менее нормально. Но в маломощных моторах, на низких оборотах не доступно большое количество лошадиных сил. Например, на примере вышеуказанного графика, при 1500 оборотах двигателя в минуту доступно только 26 л.с., при 2000 об/мин только 38 л.с. и при 3000 об/мин только лишь 61 л.с. Что это означает на примере 1,6 литрового четырехцилиндрового не турбированного мотора?

 

По сути, если вы используете машину в городе, то это означает, что в большинстве случаев вы управляете машиной мощностью не более 70-80 л.с., поскольку, как правило, при эксплуатации машины в городе обороты двигателя не превышают более 3000-3500 об/мин. А судя по графику при таких оборотах двигателя ждать от машиной большой мощности не стоит. 

 

Теперь давайте возьмем для примера другой более маленький двигатель. Например, бензиновый двигатель объемом 1,2 литра с турбиной. Теоретически силовой агрегат имеет мощность в 105 л.с. Этот мотор по сравнению с 1,6 литровым не турбированным чувствует себя намного более живым и динамичным для повседневной езды в городе.

 

Например, при 1500 оборотах двигателя в минуту 1,2 литровый мотор выдает мощность в 38 л.с., при 2000 об/мин уже 51 л.с., а при 3000 об/мин силовой агрегат может выдавать мощность в 74 л.с.

Видите разницу между мощностью двух двигателей? И это с условием сравнения обычного мотора объемом 1,6 литра и маленького 1,2 литра. Удивительно, не правда ли?

 

График по оси Y указан в киловаттах (кВт)

 

Вы заметили, что на наших графиках есть не только показатель мощности и оборотов двигателя? На всех графиках есть еще один показатель — крутящий момент, который обязательно должен присутствовать для замера мощности и возможностей двигателя. Без этого показателя вы никогда не сможете узнать о характере и потенциале силового агрегата той или иной машины. 

 

Для того чтобы понимать такие графики не надо быть ученым и специалистом. Здесь все просто. Вот что вы должны знать, чтобы уметь интерпретировать подобные графики. 

 

На горизонтальной оси (Х) указаны обороты двигателя (которые увеличиваются слева направо). По вертикальной оси (Y) слева обозначение мощности. Справа сила крутящего момента двигателя. 

Как видите в итоге с помощью замеров специальным оборудованием можно увидеть, на что способен любой двигатель. Дело в том, что замеряя как работает двигатель, специальное оборудование строит график изменения мощности и крутящего момента двигателя по мере повышения оборотов работы мотора. 

 

На графике можно увидеть, как взаимосвязаны показатели лошадиных сил и крутящего момента между собой. Диаграмма замера крутящего момента дает вам более полное представление о характере двигателя автомобиля. График также дает вам визуальное представление, в каком диапазоне ваш двигатель является достаточно мощным, а в каком он слабее. 

 

Правда с научной точки зрения, если вы хотите более подробнее узнать на что способен ваш автомобиля, то помимо исследования мощности и крутящего момента необходимо также сопоставлять замеры с текущей передачей, включенной на трансмиссии. Дело в том, что любой крутящий момент доступный в автомобиле, передается в итоге на колеса. Но правда крутящий момент проходит через коробку и передач и ряд других элементов автомобиля. В итоге, как правило, крутящий момент теряется из-за силы трения деталей.

 

В среднем этот показатель составляет около 2-3%. То есть сила крутящего момента падает от двух до трех процентов в момент ее передачи на колеса. Количество теряемой силы, конечно, зависит от того какая передача включена на коробке передач и от его конструкции и типа используемого масла.

 

Если вы хотите узнать истинный характер и способности вашего двигателя посмотрите на кривую крутящего момента на графике. Если кривая крутящего момента начинается слишком низко и достигает максимальной силы в середине диапазона оборотов двигателя, то автомобиль не будет тянуть на низких оборотах.

Это означает, что для увеличения скорости, чтобы машина начала ехать быстрее, двигателю будет не хватать силы это сделать быстро. Если же линия крутящего момента начинается на графике достаточно высоко на маленьких оборотах двигателя, то это означает что в вашей машине доступен большой крутящий момент на низких оборотах мотора. В этом случае на низких оборотах автомобиль будет быстро разгоняться, не напрягаясь.

 

Большой крутящий момент, доступный на низких оборотах двигателя, правда еще не говорит о том, что ваш автомобиль будет использовать всю силу для разгона или обгона. Помните, что динамика машины определяется не только графиком крутящего момента, но, а также зависит от передаточных чисел коробки передач. 

Как правило, автопроизводители оснащают маломощные автомобили трансмиссиями с короткими соотношениями передач. В таких автомобилях вы должны чаще переключать коробку для максимально быстрого разгона. Таким образом, автомобильные компании компенсируют маломощность моторов, заставляя машину разгоняться немного быстрее на более низких оборотах двигателя, где, как правило, не хватает мощности и крутящего момента. 

 

Смотрите также: Автомобили с самым большим крутящим моментом в мире

 

В этом отношении идеальны дизельные двигатели, в сочетании с трансмиссиями с короткими передачами. Дело в том, что дизельные моторы отличаются хорошим показателями максимального крутящего момента на низких оборотах двигателя. Благодаря этому дизельные автомобили легче преобразуют энергетический потенциал в максимальную динамику на дороге на низких оборотах. 

 

 

Если вы знаете передаточные отношения трансмиссии автомобиля и технические характеристики двигателя (крутящий момент, мощность и т.п.) вы можете получить довольно хорошее представление о фактической движущейся силе, которая передается на колеса автомобиля. Правда, для этого необходимы более сложные вычисления, чем простой обзор графика, на котором изображено соотношение мощности, крутящего момента к оборотам двигателя. Как правило, более сложные показатели крутящего момента доступного на ведущих колесах автомобиля вычисляются инженерами, которые умеют более точно отвечать на вопрос, какой на самом деле реальный крутящий момент доступен в том или ином автомобиле. 

 

К сожалению графики автопроизводителей, не расскажут вам всю правду о потенциале автомобиля, который вас интересует. Ведь все официальные графики построены при условии максимальной нагрузки на двигатель. Так что вы не узнаете, какой потенциал машины при половине используемой мощности двигателя. 

 

Также есть еще немало факторов, которые влияют на реальную динамику машины на дороге. Например, помимо мощности и крутящего момента не маловажную роль играет отзывчивость педали газа. Ведь не секрет, что между нажатием педали газа и реагированием двигателя есть определенная задержка. Именно длина задержки и влияет на отзывчивость педали газа в современных автомобилях.

 

К сожалению, многие современные транспортные средства имеют отвратительный показатель отзывчивости педали газа. Все это связано с современной электроникой, которой напичканы все автомобили нашего времени. Электроника, как правило, применяется, для того чтобы снизить уровень выхлопных газов в процессе работы двигателя внутреннего сгорания.

 

Так к в мире постоянно ужесточаются экологические нормы, автопроизводители вынуждены подстраиваться к экологическим требованиям, производя автомобили, оснащенные различными электронными системами, отвечающими за экологичность. Это в конечном итоге влияет на их надежность, качество и динамичность.

 

К сожалению, все автопроизводители стараются скрыть от нас полные технические характеристики автомобилей, демонстрируя нам лишь только часть данных о машине. Тем не менее, в сети вы найдете немало графиков с замерами крутящего момента и мощности множества автомобилей. Если учесть что количество двигателей в мире существенно меньше количества моделей автомобилей, то вам не составит большого труда узнать реальный потенциал практического любого современного автомобиля, который вы собираетесь приобрести или уже купили. 

 

Так что перед принятием решения о покупке определенной модели автомобиля обязательно посмотрите график исследования мощности и крутящего момента двигателя машины, сопоставив данные друг с другом. Также перед покупкой обязательно закажите длительный тест-драйв машины.

 

Ни в коем случае не довольствуйтесь коротким тест-драйвом в течение 15-30 минут. 

Ваша задача протестовать машину в течение как минимум 12 часов, для того чтобы понять, на что способен автомобиль. За это время вы реально сможете узнать фактически все плюсы и минусы модели. Протестировав автомобиля в том режиме и на тех дорогах, где вы чаще всего будете его эксплуатировать, вы поймете, стоит ли вам тратить деньги именно на это транспортное средство. 

 

Так что если технические характеристики автомобиля вам подходят и графики крутящего момента и мощности вас также устраивают, но при тестировании машины на реальной дороге вы начинаете понимать, что вам не нравится что-либо (например, динамика автомобиля или рычащий неприятный звук двигателя), то советуем вам выбрать другую модель или марку.

 

Ни в коем случае не приобретайте автомобиль, который вам не нравится в душе. Помните, что транспортное средство приобретается надолго, и вряд вы стоит покупать машину, которая будет портить вам настроение и расстраивать. Ведь настроение за рулем это залог вашей безопасности. 

 

И конечно ни в коем случае не смотрите только на мощность, считая, что это самое главное в автомобиле. Также помните, что большой крутящий момент еще не означает, что машина будет иметь динамичный характер. Все зависит от того, на каком диапазоне работы двигателя доступны эти показатели. Также помните, что конечная мощность и крутящий момент, которые поступают на колеса, существенно отличаются, от заявленных в технических характеристиках.

 

Не забывайте, что сила трения в коробке передач, и в других элементах автомобиля, через которые проходит крутящий момент, существенно его снижают. 

www.1gai.ru

Мощность и вращающий момент электродвигателя. Что это такое?

Мощность и вращающий момент электродвигателя

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

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

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

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

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

Работа и мощность

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

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

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

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

Приведем единицы измерения к общему виду.

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

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

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

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

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

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

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

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

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

Потребляемая мощность электродвигателя

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

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

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

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

Момент электродвигателя

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

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

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

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

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

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

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

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

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

Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

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

Постоянный вращающий момент

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

Переменный вращающий момент и мощность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соответствие электродвигателя нагрузке

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

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

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

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

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

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.

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

Время пуска электрдвигателя

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

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

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

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

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

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

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

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:

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

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Мощность и КПД (eta) электродвигателя

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

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

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

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

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

Р4 (кВт) Гидравлическая мощность насоса.

www.eti.su