теоретичні аспекти
Все, звичайно, чули про кінську силу. Майже в кожній розмові про машини згадують цю одиницю потужності. Але що означає кінська сила з точки зору потужності і навіщо в технічних характеристиках вказують ще й крутний момент? Що важливіше - "коні" або "ньютонометров"? Спробуємо розібратися. Поняття кінська сила ввів Джеймс Ватт. Той самий Ватт, ім'ям якого зараз вимірюється потужність, наприклад лампочки. Він жив з 1736 по 1819 роки.
Якщо вірити історії, то на відкриття Ватта підштовхнули поні, з якими Джеймс працював на вугільних шахтах. Він зауважив, що один кінь в середньому може піднімати 150 кг вугілля з глибини 30 м за 1 хв. або 15 кг з 300 м за 1 хв. або 1500 кг з 3 м за 1 хв.
У більшості європейських країн кінська сила визначається як 75 кгс м / с, тобто, як сила, достатня для підняття вантажу масою в 75 кг на висоту 1 м за 1 с. У точних та інженерних науках дуже рідко користуються "кінської силою" через її неоднозначного визначення. Стандартної одиницею для вимірювання потужності є ват. На честь все того ж Джеймса Ватта. Одна кінська сила - це 736 ват (735,49875). Грубо кажучи, якщо взяти одного коня потужністю 1 л. с. і змусити її вирощують щось на зразок динамо-машини, щоб можна було приводити в дію генератор, то 1 л. с. буде виробляти 736 ват, які дорівнюють все тим же 75 кгс м / с. Існує формула для перекладу ват в "коні" і навпаки. Щоб не обтяжувати складними математичними розрахунками, є більш простий шлях - досить кіловати (1кВт = 1000Вт) помножити на коефіцієнт 1,36 і отримати ту ж потужність, але вже в кінських силах.
У США і Японії використовують свої стандарти визначення кінських сил двигуна, але вони вже давно практично повністю уніфіковані з іншими. І в Америці, і в Японії існують два види показників:
bph - Брутто (Brutto, або Gross)
Двигун не обладнаний усіма додатковими, необхідними для експлуатації транспортного засобу агрегатами - двигун потрапляє на стенд без додаткового обладнання на зразок генератора і насоса системи охолодження. Виходить «чиста» потужність, яка може бути вище потужності «нетто» на 10-20 відсотків. Як правило, позначається така потужність bhp.
hp - Нетто (Netto, або Net)
Випробовуваний двигун обладнаний усіма допоміжними, необхідними для експлуатації транспортного засобу агрегатами - генератором, кондиціонером, ГУР-ом і т.д ..
1 кВт = 1.36 л.с.
1 к.с. = 0.736 кВт
1 к.с. = 75 кгм / c
Потужність двигуна - це енергія, що виробляється двигуном. Еенергія перетворюється в крутний момент на колінному валу двигуна, змінюється в його коробці і редукторі ведучого моста (якщо він є) і потрапляє на колеса. Таким чином, крутний момент - це те, що насправді штовхає машину вперед, а потужність - це те, що цей крутний момент виробляє. При цьому слід чітко розрізняти потужність на колінчастому валу і потужність на колесах, в більшості випадків нас цікавить саме справжня потужність тобто та яка доходить від двигуна до коліс. Нижче буде описано як це все можна собі уявити і порахувати.
Розібратися, що таке крутний момент, можна на простому прикладі. Візьмемо палицю і один її кінець затиснемо в лещатах. Якщо натиснути на інший кінець палиці, на неї почне впливати крутний момент (Мкр). Він дорівнює силі, яка додається до важеля, помноженої на довжину плеча сили. Таким чином 1 Нм (Ньютона метр) - це сила, з якою 0,1 кг тиснуть на кінець важеля довжиною 1 м.
У цифрах це виглядає так: якщо на важіль довжиною один метр підвісити 10-кілограмовий вантаж, з'явиться крутний момент величиною 10 кг / м. У загальноприйнятій системі вимірювання СІ цей показник множиться на значення прискорення вільного падіння (9,81 м / с2) тобто буде дорівнює 98,1 Н / м (Ньютона метрів). З цього випливає, що отримати більший крутний момент можна двома шляхами - збільшивши довжину важеля або вага вантажу.
У двигуні внутрішнього згоряння немає палиць і вантажів, а замість них є кривошипно-шатунний механізм. Крутний момент тут отримують завдяки згорянню пальної суміші, яка при цьому розширюється і штовхає поршень. Поршень в свою чергу через шатун тисне на кривошип. Хоча в описі характеристик двигунів довжину плеча не вказують, про це дозволяє судити величина ходу поршня (подвоєне значення радіуса кривошипа). В результаті, маємо силу тиску поршня, прикладену до ведучого колеса (коленвалу) через плече. Фізична величина, момент сили (крутний момент), є твір сили на плече, до якого вона прикладена. І саме, крутний момент на колесі, поділений на радіус колеса, дає нам значення сили тяги. Сила тяги (за вирахуванням протидіючих сил тертя) і є та сама сила, яка, впливаючи на тіло (автомобіль), забезпечує йому прискорення.
Приблизний розрахунок крутного моменту двигуна виглядає так. Коли поршень штовхає шатун із зусиллям 200 кг на плече 5 см (хід поршня буде 10 см) на колінчастому валу виникає крутний момент 10 кг / м, або 98,1 Н / м.
Мкр = F x R
1м. 5 см = 20 або 0.2м
200кг х 0.20м = 10 кг / м
9,81м / с2 х 10кг / м = 98,1Нм
У такому випадку для збільшення крутного моменту є кілька способів:
- Збільшити радіус кривошипа
Крутний момент зросте. При цьому зросте і робочий об'єм двигуна, так як збільшиться хід поршня. Отже збільшувати радіус кривошипа до нескінченності не можна, так як розмір двигуна теж доведеться збільшувати в ширину і в висоту. Зростають і сили інерції, що вимагають зміцнення конструкції або зменшення максимальних обертів.
- Збільшити тиск, щоб поршень тиснув на шатунних шийку з більшою силою. Для цього паливно-повітряну суміш в камері згоряння необхідно спалити ефективніше і в більшій кількості. Тут є кілька шляхів: найочевидніший - шляхом збільшення робочого об'єму тобто діаметра циліндрів і їх кількості (4, 6, 8, 12 циліндрів), тим самим ми знову збільшуємо розмір двигуна.
Другий шлях полягає в поліпшенні ступеня наповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю (змінити впуск і випуск), оптимізації процесу згоряння (кути запалювання, упорскування палива), збільшити початковий тиск в циліндрі (ступінь стиснення). Можна вчинити радикальніше і встановити механічний нагнітач (турбіну, компресор).
Формула розрахунку потужності в залежності від крутного моменту і оборотів двигуна:
P = Mкр х N. 9549, де:
Р - потужність в кВт (кіло Ватах)
Mкр - крутний момент в Hм (Ньютона метрах)
N - обороти мотора об / хв
9549 - це коефіцієнт, що б не возиться з косинусами альфа і обороти підставляти в об / хв.
Наприклад, якщо мотор видає 357 Нм моменту при 4400 об / хв, його потужність в кіловатах:
357 x 4400. 9549 = 164,5 (кВт) або 164,5 х 1.36 = 223,72 к.с.
Виходячи з формули вище можна також розрахувати момент з потужності.
Мкр = P х 9549. N
Мкр = 164,5 х 9549. 4400; Мкр = 357Нм
В інструкціях зазвичай вказується ефективна потужність мотора. Але до коліс доходить далеко не вся ця потужність, втрати в трансмісії, раздатке і паразитні споживачі такі як кондиціонер, генератор, ГУР і т.д. - всі вони відбирають у мотора, що видається їм потужність.
Спрощено сила тяги, прикладена до коліс розраховується наступним чином:
FT = Мкр х I х H. R. де
FT - сила тяги (прикладена до коліс, в Ньютона метрах)
Мкр-крутний момент двигуна (в Ньютона метрах),
I-передавальне число трансмісії,
H - ККД трансмісії (при поздовжньому розташуванні двигуна h = 0,88-0,92, при поперечному - h = 0,91-0,95),
R - радіус кочення колеса.
З формули видно, що чим більше крутний момент двигуна і передавальне число і чим менше втрати в трансмісії (тобто чим вище її ККД) і менше радіус ведучих коліс, тим більше сила тяги прикладена до коліс. Радіус коліс, передавальне число і ККД трансмісії у автомобілів-однокласників дуже схожі, тому на силу тяги вони впливають не в такій мірі як крутний момент двигуна.
Передавальне відношення це кількість обертів двигуна, до одного обороту колеса. Вважається воно так: передавальне мостів (ведена / ведуча) Х передавальне головної пари (спур / дзвін) = то що нам і потрібно: 1 (до одного обороту колеса).
практичні моменти
Якщо при повністю відкритому дросель виміряти потужність і крутний момент двигуна, то отримаємо криву залежності потужності та / або крутного моменту, від числа обертів. Це так звана зовнішня швидкісна характеристика двигуна для обраного положення дроселя. Таких часткових характеристик можна побудувати скільки завгодно, - для різних положень дроселя.
Зовнішня швидкісна характеристика двигуна показує, якими характеристиками потужності ресурсами наявними документами тому відповідні потужність і крутний момент називають розташовуються. Далі нас буде цікавити потрібна потужність, тобто потужність, необхідна мотору для роботи в реальних умовах. Цей параметр, цілком залежить від сил опору руху тобто має залежність від швидкості руху, маси траспортного засобу, опору коченню і т.д. Отже порахуємо сили, які віднімають у мотора його располагаемую потужність.
Перш за все - це сила опору повітря тому що вона росте пропорційно квадрату швидкості. У автомобіля є параметр, що залежить від його форми - коефіцієнт аеродинамічного опору, наприклад для Mitsubishi Eclipse G2 він становить 0.29.
Цей коефіцієнт входить в формулу розрахунку сили опору повітря:
Pw = Сх х S х P х (V2). 2
Cx - коефіцієнт аеродинамічного опору
S -лобовая площа транспортного засобу.
P - щільність повітря, яку для стандартних розрахунків приймають рівною 0,125 кг см2
V - швидкість руху в м / сек,
V2 - швидкість в квадраті
Інша сила, постійно діюча теж як опору, це сила опору коченню коліс. Обчислюється просто, як твір повного ваги машини на коефіцієнт опору коченню. Цей коефіцієнт, строго кажучи, змінюється в залежності від типу і стану шини, тиску в ній, швидкості кочення, навантаження, стану дороги, температури середовища при випробуванні. Він збільшується при зниженні тиску в шині, причому в цьому випадку він більш чутливий до величини швидкості і може істотно збільшуватися вже при швидкостях 90-100 км / год, не кажучи про великі. Навпаки, шина, кілька "перекаченние", легше котиться при досить високих швидкостях.
При простих, що не вимагають високої точності, розрахунках коефіцієнт приймають постійним, рівним 0,015. Коефіцієнт може змінюватися в значних межах, зростаючи, наприклад, на бруківці до 0,03, на ґрунтовій дорозі до 0,05-0,15, а на пухкому піщаному - до 0,2-0,3 і навіть більше.
Наприклад для автомобіля Mitsubishi Eclipse G2 масою 1330 кг сила опору коченню, при русі на гладкому асфальті складе:
Pf = 1330 x 0.015; Pf = 19.95 кг
На підйомі дороги - з'являється ще одна сила - опір підйому, обчислити яку нескладно, - множимо повний вага машини на синус кута підйому. На реальних дорогах кути спуску або підйому, як правило, відносяться до малих, для яких справедливо правило: синус кута дорівнює його тангенсу і самому кутку, виміряного в частках радіана.Т.е.для кута підйому в 5%, зазначеного на дорожньому знаку, синус або тангенс рівні 0,05. Для кута в 3% - відповідно 0,03. І так далі.
Таким чином вишеопісаних автомобіль на підйомі в 5 ° втрачатиме:
1330 х 0,05 = 66,5 кг
Знаючи сили, можна, при необхідності, визначити величини потрібних потужностей, - при цьому потужності, що витрачаються на подолання опору коченню і підйому, обчислюються як твори відповідних сил на швидкість, а значить, вони пропорційні швидкості. Інакше поводиться по відношенню до швидкості потужність, потрібна на подолання повітряного опору, - якщо сила опору пропорційна квадрату швидкості, то потужність - вже кубу. Тобто припустимо мотор потужністю в 20 л.с. дозволить розвинути швидкість 100 км / год. Для подвоєння цієї швидкості потрібно при збереженні всіх інших умов завдання підвищити потужність в 8 разів, тобто до 160 к.с. Так як на ділі при такому двигуні автомобіль неминуче потяжелеет, то реально ми стикаємося з ще більш потужними моторами.
Якщо якимось чином зменшити потрібну силу тяги, наприклад їзда при попутному вітрі або їзда під ухил, то дані заходи дадуть непоганий результат, але в середньому ККД такого роду бонусів буде в районі 50%. Таким чином найефективніший спосіб зменшення потрібної сили тяги полягає в полегшенні автомобіля, тобто чим краще буде соотвношеніе к.с на кілограм ваги авто, тим швидше поїде автомобіль.
Порахуємо силу тяги на колесах для Mitsubishi Eclipse G2 GST, потужністю 220 к.с. при 6500 об / хв, максимальний крутний момент 357 Нм при 4400 об / хв, з 17 дюймовими колесами (205/50 / R17) зовнішній діаметр колеса: 637мм, внутрішній 2,54х17 = 432мм. Передавальне число в коробці (W5M31-2) на 5-й передачі буде 5.208.
Розрахуємо крутний момент на колесах, при потужності 220 к.с. при 6500 об / хв:
Обороти колінчастого вала 6500 об / хв.
Обороти на колесі 6500: 5.208 = 1248 об / хв
Наявний крутний момент, знаючи располагаемую потужність, також можна порахувати за формулою:
M = 716,2 x Nрасп. N. де
N - число оборотів провідного колеса в хвилину, а
Nрасп. - наявна потужність в л.с.
M = 716.2 х 220. 1248; M = 126.25 кгм
Наявна потужність на колесах:
Діаметр колеса - 637мм, тоді радіус 0,32м
Pрасп. = 126,25. 0,32 = 394,53 кгм
Максимум крутного моменту відповідає ситуації, коли середнє ефективне тиск в циліндрі найбільше, - воно залежить від якості продувки циллиндра, наповнення його свіжим зарядом суміші, від повноти згоряння, теплових втрат. Потужність з ростом оборотів збільшується не безмежно, вона теж має точку максимуму, але обороти, їй відповідні, не ті, що біля максимуму моменти: потужність і момент (відповідно в л.с. і кгм) пов'язані формулою:
P = Мкр х n / 716,2. де
P - потужність двигуна (к.с.) при n хв-1,
M - його крутний момент (кгм) при тих же оборотах.
Тоді швидкість автомобіля при оборотах колеса 1248 об / хв складе: 1248х2 = 2496 м / хв або 149.7 км / ч
Навіть при малопотужному двигуні, ми зможемо рушити і вести вантаж за рахунок підбору передавального відносини в коробці передач на малій швидкості. Але потім нам захочеться їхати швидше, а для цього потрібно, щоб був достатній крутний момент у всьому діапазоні швидкостей, що досягається підбором шестерень на всіх передачах в коробці передач і запасом потужності двигуна. Крутний момент - це сила, помножена на плече її застосування, яку може "надати" двигун автомобілю для подолання тих чи інших опорів руху.
Отримати на колінчастому валу двигуна максимальний крутний момент вдається не на всіх оборотах. У різних двигунів пік максимального крутного моменту досягається на різних режимах - у одних він більше на малих обертах (в діапазоні 1800-3000 об / хв), у інших - на більш високих (в діапазоні 3000-4500 об / хв). Пояснюється це тим, що в залежності від конструкції впускного тракту і фаз газорозподілу ефективне наповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю відбувається тільки за певних оборотах. Для того щоб більш рівномірно розподілити крутний момент по оборотам використовують такі технології як MIVEC, VTEC, GDI і т.д.
Хоча чим вище обороти, при яких досягається максимальний момент, тим вище потужність двигуна. При цьому покупці дуже цінують, щоб момент досягався на низьких оборотах, а виробники дуже стараються побудувати такі двигуни. На двигуні, у якого досить високий момент присутній при низьких оборотах, зручніше їздити. Чи не ганяти наввипередки, а саме їздити. Максимальна потужність двигуна насамперед визначає максимальну швидкість автомобіля. А крутний момент - швидкість досягнення мотором цієї максимальної потужності.
Золоте правило механіки - виграючи в моменті, що крутить, програємо в частоті обертання.
Вищенаведені приклади стосуються тільки двигунів внутрішнього згоряння. У електродвигунів або, скажімо, парових все з точністю до навпаки: чим менше крутний момент, тим вище потужність. Тому в наш час популярністю користуються гібридні, бензиново-електричні силові установки: там де двигун внутрішнього згоряння безсилий, в роботу включається електромотор і навпаки.
Провівши розрахунки по вищеописаним даними, можна зробити висновок: щоб збільшити максимальну швидкість необхідно якось зменшити потрібну силу, в це нам може допомогти як попутний вітер, так і рельєф дороги, тобто в разі, коли автомобіль буде рухатися під ухил він зможе розвинути велику швидкість. На жаль попутний вітер і спуск дають меншу надбавку, ніж забирає такий же зустрічний вітер і підйом. Все це також справедливо і для ваги транспортного засобу. Таким чином, зіставлення тягових сил ведучого колеса, що розташовується і потрібної потужністю - дає нам можливість оцінки динамічних можливостей машини.
Дата останнього редагування: 20.03.17 в 7:08