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扭矩

车友头条车友头条2015年01月01日 12:23

[车友头条-原创]  物理原理


对于家用轿车而言,扭矩越大加速性越好;对于越野车,扭矩越大其爬坡度越大;对于货车而言,扭矩越大车拉的重量越大。车子的扭矩越大就越好,在行驶的时候也是这样,在排量相同的情况下,扭矩越大说明发动机越好。在开车的时候就会感觉车子随心所欲,想加速就可加速,“贴背感”很好。扭矩是评价一款车性能的主要参数之一。评价一款车有一个重要数据,就是该车在0-100公里/小时的加速时间。而这个加速时间就取决于汽车发动机的扭矩。

一般来讲,扭矩的最高指数在发动机转速相对比较低的情况下能够达到,就说明这款车的发动机工艺较好,力量也好。有些汽车在5000/分的转速左右才达到该车扭矩的最高指数这说明“力量”就不是此车所长。可以这样说,我们追求的驾驶乐趣主要来自扭矩,也就是所谓的“推背感”如果某台车的发动机最大扭矩出现在我们经常使用的转速范围内,那么这样的车绝对可以带给你非凡的驾驶乐趣。对于家用轿车来说,完美的发动机最大扭矩应该在很低转速出现,而最大功率在相对比较高的转速出现。

发动机扭矩


发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系,转速越快扭矩越小,反之越大,它反映了汽车在一定范围内的负载能力。

在某些场合能真正反映出汽车的“本色”,例如启动时或在山区行驶时,扭矩越高汽车运行的反应便越好。以同类型发动机轿车做比较,扭矩输出愈大承载量愈大,加速性能愈好,爬坡力愈强,换挡次数愈少,对汽车的磨损也会相对减少。尤其在轿车零速启动时,更显示出扭矩高者提升速度快的优越性。

扭矩和功率一样,是汽车发动机的主要指数之一,它反映在汽车性能上,包括加速度、爬坡能力等。它的准确定义是位矢(L)和力(F)的叉乘(M),物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离,它能表示发动机所输出的力的大小(因为发动机中曲轴的半径一定)。通俗点讲,扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准,一辆车扭矩的大小与发动机的功率成正比。

计算方式

计算方法

将扭矩除以车轮半径即可由引擎马力-扭力输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢?答案很简单,就是除以一个长度,便可获得力的数据。举例而言,一部1.6升的引擎大约可发挥15.0kg·m的最大扭力,此时若直接连上185/60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6kg的力量(事实上千克并不是力量的单位,而是质量的单位,须乘以重力加速度9.8m/s²才是力的标准单位是牛顿)。

36kg的力量怎么推动一吨的车重呢?而且动辄数千转的引擎转速更不可能恰好成为轮胎转速,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的齿轮比。

举例说明

以小齿轮带动大齿轮,假设小齿轮的齿数为15齿,大齿轮的齿数为45齿。

当小齿轮以3000rpm的转速旋转,而扭矩为20kgm时,传递至大齿轮的转速便降低为1/3,变成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成为60kgm。这就是引擎扭矩经由变速箱可降低转速并放大扭矩的基本原理。

在汽车上,引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大,第一次由变速箱的档位作用而产生,第二次则导因于最终齿轮比(或称最终传动比)。扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与最终齿轮比的相乘倍数。举例来说,手排六代喜美的一档齿轮比为3.250,最终齿轮比为4.058,而引擎的最大扭矩为14.6kgm/5500rpm,于是我们可以算出第一档的最大扭矩经过放大后为14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此时再除以轮胎半径约0.41m,即可获得推力约为470kg。然而上述的数值并不是实际的推力,毕竟机械传输的过程中必定有磨耗损失,因此必须将机械效率的因素考虑在内。

若论及机械效率,每经过一个齿轮传输,都会产生一次动力损耗,手动变速箱的机械效率约在95%左右,自动变速箱较惨,约剩88%左右,而传动轴的万向节效率约为98%。整体而言,汽车的驱动力可由下列公式计算:扭矩×变速箱齿比×主减速器速比×机械效率/轮胎半径。

公式计算

公式

驱动力=扭矩×变速箱齿比×主减速器速比×机械效率÷轮胎半径(单位:米)

计算

为什么引擎的功率能由扭矩计算出来?

功率P=功W÷时间t功W=力F×距离s所以,P=F×s/t=F×速度v

这里的v是线速度,而在引擎里,曲轴的线速度=曲轴的角速度ω×曲轴半径r,代入上式得:功率P=力F×半径r×角速度ω;而力F×半径r=扭矩

得出:功率P=扭矩×角速度ω所以引擎的功率能从扭矩和转速中算出来

角速度的单位是弧度/秒,在弧度制中一个π代表180度

定义:φ-------截面间相对转角;

γ -------切应变;

τ --------切应力;

T----------扭矩;

r-----------半径;

l-----------材料长度。

切应变与相对转角的关系为:

 

切应变与切应力满足剪切胡克定律:

  

(G为材料的切变模量)

扭矩与切应力之间的关系为:

  

  

为点乘)

最大扭矩

最大扭矩一般出现在发动机的中、低转速的范围,随着转速的提高,扭矩反而会下降。扭矩的单位是牛顿·米(N·m)或公斤·米(kg·m)。

发动机的最大扭矩与发动机的进气系统、供油系统和点火系统的设计有关,在某一转速下,这些系统的性能匹配达到最佳,就可以达到最大扭矩。另外,发动机的功率、扭矩和转速是相关联的,具体关系为:功率=K×扭矩×转速,其中K是转换系数。选择发动机时也要权衡一下怎样合理使用、不浪费现有功能。比如,北京冬夏都有必要开空调,在选择发动机功率时就要考虑到不能太小;只是在城市环路上下班交通用车,就没有必要挑过大马力的发动机。尽量做到经济、合理选配发动机。

车尾标识

自2015年起,大众汽车品牌将在中国市场逐步启用全新“基于发动机扭矩”的车尾标识体系。启用“基于发动机扭矩”的车尾标识体系,是大众汽车品牌在中国市场的一次重要革新,不仅让大众汽车的扭矩性能一目了然,进而使消费者更加关注发动机的实际性能,而不是仅仅关注排量。 


为此,大众汽车品牌将其发动机的扭矩值(牛·米)划分为若干个“扭矩类别”,例如180、230、280、330和380牛·米。车尾标识体系将通过“以牛·米为单位的扭矩类别标记值”加“发动机技术类型”的形式,在搭载了TSI和TDI发动机的大众汽车品牌乘用车和轻型商用车的右后车尾呈现。例如,新标识“230TSI”所代表的意义是:该车型配备的发动机是扭矩类别为230牛·米的TSI发动机。

 


大众汽车品牌旗下逐步采用全新的车尾标识的车型将涵盖A0至B级乘用车、SUV以及MPV商用车。上海大众汽车的凌渡和一汽-大众新速腾成为了首批采用大众汽车品牌全新车尾标识的车型。 

数值及说明

奥拓的最大扭矩只有60.5,是在发动机为3000-4000转的范围,由于其排量只有0.8L,在国产微型车中,奥拓的最大扭矩也是相当小的,其他微车较高的能达到110-120;中高排量车的范围特别大,从110-700多,一般国产中档车多为200-350,其中迈巴赫exelero在轿车扭矩中登顶,达到1020/2500转。跑车则普遍较高,400、500是很常见的,现代酷派FX2.0的最大扭矩只能达到185/6000,越野车中,国产的一般在180-300之间(当然国产的排量也比较小),进口则高一些,欧美的一般为400/4800,路虎神行者2004只有240/3000,其卫士也只有400/1950。布加迪威龙16.4以1250/2200 的恐怖扭矩位列跑车扭矩第一位。

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