Что такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя?

[VIC]

Что такое крутящий момент?


Среди автомобилистов немало разночтений по коренным вопросам: мощность двигателей и их крутящий момент, рабочий объем и степень сжатия. Чем 4-тактный д.в.с. отличается от 2-тактного, а двигатель Дизеля от Отто? Ради чего регулируют фазы газораспределения? Зачем применяется наддув и почему автомобильному д.в.с. нужна коробка передач? Что такое дифференциал — и т.п. Давайте поговорим – без спешки.

Какую мощность развивает конь в упряжке? Странно, но средняя лошадь выдает при длительной работе только 0,8 л.с.; во всяком случае, именно такой показатель закладывали (и закладывают) обычно в инженерные и экономические расчеты по гужевому транспорту и пр. Считается также, что мужчина средних лет и обычной физической подготовки развивает (опять же при длительной работе) около 0,1 л.с. Немного, но и человек, и лошадь способны напрячься и несколько секунд выдавать гораздо больше – в разы. Конь вытаскивает телегу, застрявшую в разбитой колее, а моторчик внутреннего сгорания мощностью в 2 (две!) л.с. просто глохнет. Крутящего момента не хватило…

Золотое правило механики
Так что же такое крутящий момент и как он связан с мощностью двигателя? Вспомните среднюю школу: мощность определяется произведением силы на скорость (с какими-то коэффициентами в зависимости от единиц измерения) – для поступательного движения. Допустим, тянете вы груз с усилием в 12 кг и со скоростью 1 м/сек. (3,6 км/ч); тогда ваша мощность – 12 кгм/сек. То есть, 0,16 л.с.[Европейская (парижская) лошадиная сила считается 75 кгм/сек. Англо-американская практика вся запутана футами и фунтами, так что британская лошадиная сила (bhp) равна 1,0139 л.с. по «континентальному» счету.]; неплохо. Космический ракетный двигатель развивает тягу в 100 т при скорости 12 км/сек., значит, его мощность – 16 млн л.с.!

Или же мощность определяется произведением крутящего момента [В свою очередь крутящий момент (он имеет смысл при вращательном движении) равен произведению силы на плечо ее действия. Когда к рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг (перпендикулярно плечу!), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. Или в 98 Нм – кому как нравится.] на частоту вращения вала – для вращательного движения. Вот и все, остальное – арифметика. Если на валу мотора при 6000 мин-1 (в просторечии оборотов в минуту) замерен крутящий момент в 10 килограммометров, то его мощность равна 83,775 л.с. Или 61,6 кВт – в других единицах измерения [Один кВт равен 1,36 «континентальной» л.с. – даже в Африке.]. Причем неважно, о каком именно двигателе идет речь – о паровой машине, газовой турбине, поршневом д.в.с. или электромоторе; арифметике без разницы.


Момент силы F на плече R; крутящий момент равен F x R


И что же нашему брату, автомобилистам, нужно – мощность двигателя или его крутящий момент? Вот притча: вынесли вы на рынок картошку и хотите сбыть ее по 35 руб. за кг. Вроде как главное для вас – хорошая цена. Продали пару кило – по 35, а больше не берут; дорого. Тут-то и выясняется, что для вас важна не столько цена – за кг, – сколько общая выручка от продажи 2 центнеров картошки.

Так и с моторами: нередко автомобилисты заявляют, что для них главное – момент, тяга, а мощность – дело десятое. Ровно наоборот – как в старом анекдоте: дай нам, Господи, мощность, а крутящий момент мы уж как-нибудь сами…

Пусть микролитражный моторчик развивает 10 л.с. при 6 тыс. оборотов. То есть, крутящий момент на его маховике – 1,2 кгм (11,7 Нм). Вам нужно 100 Нм? Ради Бога: ставим понижающий редуктор (с передаточным числом 8,55), – и вот вам 100 Нм на выходном валу [Забудем пока о (неизбежных) потерях мощности в редукторе.]. Причем мощность – за вычетом потерь – остается, естественно, той же. Хотите 1000 Нм? Пожалуйста, возьмите редуктор с передаточным числом 85,5; вопрос подбора шестеренных пар…

Но! При моменте в 100 Нм на выходном валу редуктора его обороты уже не 6000 мин-1, а только 700 с небольшим. Золотое правило механики: выигрывая в крутящем моменте (в силе), проигрываем в частоте вращения (в скорости). А 1000 Нм вы получите и вовсе при 70 мин-1; слишком медленно. Так вы хотите и крутящий момент, и обороты! И рыбку съесть, и не поцарапаться. Вам нужно продать по 35 руб. не 2-3 кг картошки, а много. Так и скажите: для меня главное – выручка. Для меня главное – мощность двигателя.

Мощность!

Допустим, катите вы в легковушке по ровной дороге с усовершенствованным покрытием; скорость постоянная – 100 км/ч. Тяга от двигателя в пятнах контакта ведущих колес с ходовой поверхностью в сумме как раз покрывает силы сопротивления воздуха и качения покрышек; для вашего авто (с его аэродинамикой, весом, шинами и давлением в них): положим 54 кг. То есть, крутящий момент на оси (при радиусе качения колес, скажем, 265 мм) равен 140 Нм, обороты колес – около 1000 мин-1, а расходуемая мощность – 1500 кгм/сек. или 20 л.с. С учетом потерь в трансмиссии – от маховика до пятна контакта – от мотора требуется мощность около 22,5 л.с.; легко.

А чтобы ехать на две «сотни»? При удвоении скорости, силы сопротивления возрастают примерно вчетверо – по квадрату. Иначе говоря, потребная мощность увеличивается в 8 раз (4 х 2) – по кубу скорости! От двигателя нужны теперь 170-180 л.с. на маховике, поэтому далеко не каждый автомобиль способен набрать скорость в 200 км/ч.

Это – при равномерном движении; а если вы хотите еще и разгоняться (или идти на подъем), необходима свободная мощность. Скажем, те же 22,5 л.с. на скорости 100 км/ч – плюс еще 10 л.с. на ускорение физического тела; II закон Ньютона. Или 50 л.с. – тогда разгон энергичнее.

Как видите, и скорость автомобиля, и динамика его разгона зависят от мощности двигателя; как же ее поднять? Держать крутящий момент до высокой частоты вращения вала. Скажем, довести обороты того же микролитражного моторчика до 12 тыс. – при неизменном моменте в 11,7 Нм. Значит, его мощность увеличивается ровно вдвое – до 20 л.с. В общем, тут такое соотношение:

P = 1/716,2 M x n,

где P – мощность двигателя (л.с.) при n мин-1, M – его крутящий момент (кгм) при тех же оборотах. А 1/716,2 – просто коэффициент размерности.


К сожалению, повышать частоту вращения вала поршневого двигателя очень непросто: силы инерции, нагрузки, трение. Ведь если раскрутить мотор от 6000 до 12000 мин-1, то силы инерции, которые нагружают детали конструкции, возрастают вчетверо. Нелинейно – по квадрату оборотов. И когда 2,4-литровые «восьмерки» в Формуле 1 развивают максимальную мощность при 19500 мин-1, то силы инерции при такой частоте выше, чем при 6 тыс. оборотов, вовсе не в 3,25 раза. А в 3,25 х 3,25 = 10,5 раз! Внутреннее трение нарастает еще быстрее (от 6 до 19,5 тыс. раз в 35); к тому же ухудшается наполнение цилиндров топливовоздушной смесью – и крутящий момент неотвратимо падает. Поэтому у каждого двигателя есть точка перегиба на кривой мощности по частоте вращения вала. У каждого своя, но после точки перегиба мощность по оборотам уже не повышается, а наоборот – падает. Не говоря уже об опасности перекрутить мотор и разрушить его стремительно нарастающими силами инерции.

Есть и другой путь: увеличивать крутящий момент. Тут главный прием – наддув: прокачивайте через ваш моторчик вдвое больше воздуха (и соответственно горючего), и крутящий момент повысится, грубо говоря, в 2 раза – при тех же оборотах. И всего делов. Правда, нарастают тепловые нагрузки, возникают другие головные боли…

Теперь забудем про редукторы; вы нередко видите графики крутящего момента и мощности двигателей по оборотам – так называемая внешняя скоростная (внешняя – потому что при полном «газе», а скоростная – поскольку по скорости вращения вала) характеристика. Так вот, вам достаточно видеть одну из кривых – либо момента, либо мощности; все равно. Другая восстанавливается из первой – и наоборот. Их приводят обе просто для удобства, – чтобы вам не заниматься сложнейшими арифметическими расчетами.


Скоростная характеристика бензиновой «шестерки» GS450h: наибольший крутящий момент при 4800 мин-1, влево он уменьшается. А ниже 1000 оборотов лучше вообще не опускаться



То есть, связь между крутящим моментом, оборотами вала и мощностью двигателя однозначная – как между длиной основания треугольника, его высотой и площадью. Независимо от того, прямоугольный он, косоугольный и какого цвета.


Скоростная характеристика тягового э-мотора Lexus GS450h: наибольший крутящий момент при 0 оборотов!


И забавно, когда фирменный пресс-релиз прокалывается по простейшему правилу, – скажем, на web-сайте новоявленной калифорнийской компании DiMora Motorcar. По проекту ультра-люкс-седана Natalia, максимальная мощность 16-цилиндрового(!) мотора Volcano превышает 1200 л.с. Наибольший крутящий момент – 1220 Нм (900 футо-фунтов); однако тут не сходится. По сведениям от DiMora же, «отсечка» срабатывает на 6500 мин-1; значит, максимальная мощность достигается при 6000-6250. Но тогда наибольший момент ну никак не меньше 1400 Нм, а вернее все 1500. Арифметика: 2 х 2 = 4 и в солнечной Калифорнии.

Эластичность двигателя

Взгляните еще раз на кривую крутящего момента: она дает ключевую характеристику двигателя – его эластичность. Надо сказать, у автомобильных д.в.с. кривая неблагоприятная – то ли дело у газовой турбины, паровой машины, электромотора. Они выдают наибольший крутящий момент при низких оборотах – и даже при полной остановке вала. То есть, как лошадь: замедляют ход, напрягаются – и вытаскивают повозку. А попробуйте остановить вал ВАЗовской «четверки» или 12-цилиндрового двигателя Rolls-Royce – они попросту заглохнут.

График крутящего момента у обычного д.в.с. левее 1000 мин-1 обычно и не рисуют; он не способен работать на оборотах ниже «холостого хода». Тогда как у э–мотора кривая поднимается к 0 оборотов – примерно по гиперболе; исключительная эластичность. При увеличении нагрузки (крутой подъем и т.п.) э–мотор теряет обороты – и увеличивает крутящий момент; сопротивляется до упора! А д.в.с. при падении частоты вращения (ниже «пиковых» по крутящему моменту) сопротивляется все слабее – и в конце концов останавливается. Две большие разницы, как говорят в Одессе.

Отсюда, кстати, идея «гибридных» бензин-электрических силовых агрегатов: тяговый э–мотор принимает на себя нагрузку именно там, где д.в.с. беспомощен. На самых «низах»; а обычно автомобильный двигатель выдает наибольший крутящий момент где-то при промежуточных частотах вращения вала. Причем у «остро» настроенного мотора пик момента сдвинут к высоким оборотам, а при низких он тянет слабо. Тогда и говорят о выраженном «подхвате»; ничего тут хорошего нет.

Так что же все-таки важнее – крутящий момент или мощность? Ответ: разумеется, нужен крутящий момент – в широком диапазоне оборотов! В том числе и при самой высокой частоте вращения вала, – то есть, мощность.

первоисточник

[VIC]

Рекламные ссылки:

ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ПРИ ПОМОЩИ ДАТЧИКА И ПК

Автор: руководитель калибровочной лаборатории
фирмы Lorenz Messtechnik GmbH (Германия), к.т.н.

Вильфрид Криммель

Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

Благодаря интеграции USB-интерфейса в цифровой датчик крутящего момента (см. рис. 1), удалось полностью отказаться от достаточно дорогих и сложных в управлении дополнительных измерительных усилителей. Кроме того, благодаря работающему по принципу Plug and Play USB-интерфейсу, датчик автоматически распознаётся компьютером, что позволяет начать измерения в течение нескольких секунд. Для отображения и анализа измерительного сигнала достаточно обычного компьютера. Перед началом эксплуатации необходимо лишь инсталлировать программное обеспечение и USB-драйвер на компьютере. Измеренные данные сохраняются в формате CSV и могут обрабатываться в любой программе табличной обработки (например, в MS Excel).
Диаграмма сигнала, отображённая на мониторе, может быть сохранена на компьютере как BMP-файл. Таким образом, данный [1] датчик идеален в тех случаях, когда крутящий момент нужно измерить быстро и просто, например, при конструировании, испытаниях, а так же при производстве, например, при проверке производственного оборудования. [1]
Устройство современного датчика крутящего момента.
Механическая конструкция.
Устройство современного датчика крутящего момента [2] представлено на рис. 2. На находящемся в корпусе валу имеется суженное место, где наклеены тензорезисторы. На валу так же находится электроника. На корпусе располагается дополнительная электроника и USB-разъем для электрического подключения датчика. Для передачи сигнала и энергии служат два вращающихся трансформатора. Такой трансформатор состоит из двух расположенных концентрически друг к друг катушек. Причём одна катушка закреплена на роторе, а другая — на статоре. При опции «частота вращения» или «угол поворота» присутствует генератор импульсов.

[3]

Принцип функционирования электроники
Как уже было показано выше, измерение крутящего момента происходит посредством тензорезисторов на вращающемся валу. Снятый сигнал тотчас же усиливается, оцифровывается и попадает в процессор, который обрабатывает его для передачи через трансформаторный транслятор в форме последовательного кода (рис. 3). Большое преимущество данного транслятора в его двухстороннем применении. Сигналы могут передаваться как от вращающегося ротора к статору, так и в противоположном направлении. Типичным примером передачи команд является контрольное включение для проверки датчика. Так же через трансформаторный транслятор происходит питание вращающейся электроники.
В статоре сигнал с данными измерения обрабатывается и преобразуется в процессоре в последовательный сигнал. Далее следует конвертер, который отвечает за конвертирование последовательных данных в USB-протокол. В заключение, данные передаются по USB-интерфейсу на компьютер.

[4]

Использование процессоров позволяет сохранить в датчике крутящего момента такие данные, как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дату калибровки и т.д. Эти данные считываются программным обеспечением для автоматической конфигурации, что ведёт к повышению надёжности работы измерительного устройства.Так как для питания датчика используется постоянное напряжение 5 В от USB-интефейса, нет необходимости в дополнительных источниках питания.
Измерение угла поворота и частоты вращения
Снятие значений угла и частоты вращения происходит двумя различными способами. При угле поворота у TTL-сигнала углового датчика обрабатываются только вертикальные фронты. Таким образом получается разрешение в ¼°. Информация о направлении вращения берётся из фазового смещения двух каналов угла. Датчик выдает не обычный TTL-сигнал, а уже подготовленный сигнал в градусах. Тем самым к измеренному моменту всегда выдаётся соответствующий угол.
Измерение частоты вращения происходит другим путём. Здесь проводится продолжительный замер периодов и отсюда определяется частота вращения. Также и в этом случае выдаётся не TTL-сигнал, а уже скорость вращения в мин-1. Как при измерении частоты вращения так и при измерении угла поворота результат выдаётся датчиком значением в 16 бит.
Передача данных через USB
USB – это вид интерфейсов для звёздоподобного подключения к компьютеру до 124 периферийных приборов, таких как принтер, цифровая камера, мышка, сканер, измерительные приборы и прочие. USB-приборы могут быть подключены и снова отключены во время работы. Таким образом они имеют hot-plugging и plug & play – качества. При наличии драйвера на на компьютере операционная система автоматически распознаёт подключение прибора. В противном случае запрашивается инсталляция драйвера. Через USB могут передаваться данные со скоростью до 480 Мбит/с, что для измерительных нужд вполне достаточно.
Коммуникация с датчиком происходит при помощи разработанного фирмой Лоренц протокола (рис. 4). Он содержит определённое число команд, которые служат для конфигурации датчика. Как пример тут можно назвать частоту измерений, которая устанавливается до значения 2500 измерений в секунду. Передача данных подстрахована контрольными суммами и обеспечивает наивысшую надёжность данных.
Протокол USB-интерфейса применяется при передаче данных между компьютером и датчиком. Поэтому команды протокола Лоренца с измерительными величинами формируются в пакеты данных и передаются по протоколу USB. Таким образом, такие элементы, как данные измерений, управляющие команды, контрольные суммы и т.д. туннелизируются шиной USB. Коммуникация между датчиком и проинсталлированным на компьютере программным обеспечением происходит как показано на рис. 4.

[VIC]

[5]
Последовательный сигнал после процессора соответствует протоколу интерфейса RS232. Этот сигнал преобразуется в конвертере в USB-подключение с соответствующим USB-протоколом. Драйвер, установленный на компьютере, перенимает на себя коммуникацию через USB-интерфейс и возвращает последовательный сигнал обратно. Таким образом, поставляемое с датчиком программное обеспечение видит не USB-интерфейс, а COM-порт (последовательный интерфейс), который виртуально представляется драйвером. Во время коммуникации компьютера с датчиком компьютер отправляет команды датчику, который их обрабатывает и исполняет. Так как внутри симулируется последовательный интерфейс, скорость передачи в бодах для передатчика и приёмника должна выставляться и быть идентичной. Это происходит, конечно же, автоматически, благодаря программному обеспечению.
Передача данных происходит как для измеренных значений крутящего момента, так и для угла и скорости вращения как 16-ти битное машинное слово. Таким образом через USB-интерфейс передаётся не больше 2 Мбит данных в секунду. И мы видим, что только малая часть возможной передачи используется датчиком крутящего момента. Даже у соединения USB 1.1 возможная ширина передачи в 12 Мбит/с только частично востребуется датчиком.
Коммуникационное программное обеспечение
Поставляемое вместе с датчиком коммуникационное программное обеспечение (рис. 5) инсталлируется вместе с драйвером на компьютере. После электрического подключения датчика программа распознаёт его и настраивает себя автоматически. В заключение можно тотчас же начинать измерения. Коммуникационное программное обеспечение записывает одновременно крутящий момент, угол и частоту вращения датчика соответственно, в зависимости от исполнения датчика. Из крутящего момента и скорости вращения программа высчитывает механическую мощность и показывает все измеренные и вычисленные значения. Единицы измерения выставляются индивидуально. Даже англо-американская система единиц может быть выбрана. Также можно выбрать триггерную схему функционирования через ручную настройку старта и стопа триггера. Само собой разумеется, можно установить скорость измерений, вид представления измеренных данных, вычисление среднего значения и т.д. Графическое отображение измеренных значений с различными возможностями конфигурации происходит в зоне диаграмм программного обеспечения.
[6]
Измеренные значения могут быть экспортированы в CSV-файл и обрабатываться дальше при помощи обычной программы табличной обработки данных. Сохранение графического отображения происходит в виде растровой графики в формате BMP. Кроме того возможна пользовательская настройка датчика. При этом через нулевой пункт и юстировочное значение прокладывается прямая и таким образом датчику присваивается новая юстировочная кривая. Это применяется, например, в том случае, когда датчик при калибровке нужно заново отъюстировать. Заводская юстировка в этом случае не активна, но через стирание пользовательской юстировки может быть снова активирована.
Применение в испытательных стендах

[7]Испытательные стенды [8] (рис. 6) состоят, как правило, из тормозного устройства и испытуемого образца, между которыми свободно встроен датчик с двумя половинчатыми муфтами. Муфты применяются для сглаживания неминуемого смещения валов, так как из-за смещения валов на датчик могут действовать неопределимо большие сторонние силы, ведущие к ошибкам в измерении момента. Испытуемый образец фиксируется в призматической направляющей при помощи зажима. Причём выравнивание образца происходит посредством смещения по осям Y и Z. Пружинные клеммы обеспечивают быстрое и надёжное электрическое подключение испытуемого образца.
[7]
© Copyright Lorenz Messtechnik GmbH
© Перевод и оформление АЛЬФА-СЕНСОР, 2010.
www.alfa-sensor.ru [9]
[email protected] [10]
Оригинал перевода статьи находится по адресу:
http://www.alfa-sensor.ru/alfa/unive.../sensor-and-pc [11]
Об Авторе:
Вильфрид Криммель работает в области измерительной техники крутящего момента более 20 лет. На фирме Lorenz Messtechnik GmbH (Германия) он руководит калибровочной лабораторией.
by Dr. Wilfried Krimmel Lorenz Messtechnik GmbH (Germany)
translated by ALFA-SENSOR
Dr. Krimmel has been active in the field of torque measurement technology since 1981.