В чём разница между крутящим моментом и мощностью?

Соотношение мощности <-> крутящего момента

В целом соотношение между мощностью и крутящим моментом выражается простой формулой:

Power[kW] = Torque[Nm] * RPM * π / 30,000

Это означает, что вы всегда можете рассчитать одну кривую по другой на диаграммах крутящего момента/мощности (это же делает динамометр)

Итак, почему всегда строятся обе кривые, если они более или менее одинаковы?

На этой диаграмме показаны несколько кривых для пяти теоретических двигателей:

Крутящий момент каждого двигателя составляет 350 Нм при 8000 об/мин (и, соответственно, такая же пиковая мощность при этих оборотах), а максимальный крутящий момент каждого двигателя составляет 450 Нм.

Обычный водитель использует диапазон до 3000 об/мин на дорогах общего пользования, поэтому ему лучше всего подойдёт двигатель № 2, а затем № 1. Они обеспечат наилучшее ускорение при умеренных оборотах.

В гонке, где двигатель работает на очень высоких оборотах, лучше выбрать вариант № 5.

Эту оценку можно провести по обеим кривым — мощности и крутящего момента, потому что они показывают более или менее одинаковые величины. НО кривые крутящего момента показывают различия гораздо чётче, чем кривые мощности!

Однако кривые мощности (могут) показать некоторые интересные детали. Мощность #4 снижается в диапазоне от 4000 до 5000 об/мин. Ещё один момент: обычно максимальная мощность достигается не на максимальных оборотах, и вам нужно знать, на каких оборотах она достигается и как ведёт себя двигатель на этих оборотах.

Почему мощность продолжает расти, хотя крутящий момент в какой-то момент уже начинает снижаться с увеличением числа оборотов?

Представьте, что у вас есть груз весом 50 кг, который вы поднимаете, потянув за верёвку, закреплённую на блоке под потолком. Сила, которую вам нужно приложить, — это просто сила тяжести, с которой груз падает, когда вы поднимаете его с постоянной скоростью. Поскольку 50 кг — это довольно много, вы будете поднимать груз очень медленно. Если груз легче, вам нужно приложить меньше силы, и вы сможете поднять его быстрее. Допустим, вы поднимаете 25 кг за 1/3 времени. Это значит, что за то же время, за которое вы поднимаете тяжёлый вес в 50 кг, вы можете поднять в общей сложности 3 × 25 кг = 75 кг.
Поскольку мощность — это работа, совершаемая за определённый промежуток времени, и вы можете поднять 75 кг вместо 50 кг за то же время, мощность будет на 50 % выше, хотя вы прикладываете вдвое меньше усилий.

С двигателем происходит примерно то же самое: на высоких оборотах крутящий момент (сила) может быть меньше, но поскольку за то же время совершается больше оборотов, двигатель может выдавать больше мощности.

Что происходит в коробке передач (коробках передач)?

Как уже было сказано, мощность — это работа, совершаемая за определённый промежуток времени. Поскольку мощность сохраняется, мощность на валу двигателя равна мощности на колёсах. Из приведённой выше формулы можно вычислить, что происходит, когда передаточное число двигателя и колёс различается (без учёта каких-либо потерь):

Wheel_torque = Motor_torque * Motor_RPM / Wheel_RPM

На следующей диаграмме я построил график зависимости крутящего момента на колесе от частоты вращения двигателя для шести передач BMW M3 (365 Нм при 4900 об/мин; 252 кВт при 7900 об/мин):

Но также можно построить график зависимости мощности и крутящего момента от скорости:

Да, крутящий момент двигателя 365 Н·м преобразуется почти в 6000 Н·м (4400 фунт-футов) на первой передаче. Это показывает, насколько сильно влияют передаточные числа и размеры колёс. С другой стороны, мощность всегда одинакова при заданных оборотах.

Обратите внимание, что при переключении на вторую передачу на скорости 4900 об/мин (максимальный крутящий момент) или около неё крутящий момент на колесе снижается примерно на 50 %. (А при последующем переключении на третью передачу вы снова теряете около 50 %).

Это значит, что в гонке вы будете переключаться как можно позже, даже если мощность уже падает, потому что переключение означает значительную потерю мощности/крутящего момента. (Красная область на моём графике обозначает диапазон оборотов от 4900 до максимума на первой передаче, чтобы было понятнее). Однако в соревнованиях по разгону, где вы стартуете с нуля, высокий крутящий момент на низких оборотах будет преимуществом, потому что важно как можно быстрее набрать высокую скорость, и не так важно, если на последних метрах вы немного ускоритесь.

Конечно, в реальности существует сопротивление воздуха, которое увеличивается с ростом скорости, и единственный способ его преодолеть — увеличить мощность. Таким образом, мощность, конечно, определяет максимальную скорость, но этот пример показывает, что мощность уже играет роль на скорости 50 км/ч / 30 миль в час, что не так уж и быстро.

Итак, сравним разные автомобили по мощности или крутящему моменту?

Вы видели, какое огромное влияние оказывают передаточные числа трансмиссии, а также окружность колес. Поэтому невозможно сравнить два автомобиля, просто взглянув на кривую крутящего момента их двигателей. Это работает только для автомобилей с несколькими вариантами двигателей, но с одинаковой трансмиссией. Мощность немного (!) выше. Обратите внимание, что BMW M3 выдает более или менее постоянную максимальную мощность на скорости выше 125 км/ч на третьей передаче, если переключиться позже.

Экономия топлива

Крутящий момент — это также показатель работы двигателя за один оборот. Если точнее:

Work_per_rev[J]= torque[Nm] * 2π

Если предположить, что двигатель сжигает одинаковое количество топлива на один оборот (не совсем реалистично, но допустим), то есть высвобождается одинаковое количество химической энергии (работы), то соотношение химической и механической работы будет оптимальным при максимальном крутящем моменте. Таким образом, машина работает наиболее эффективно при высоком крутящем моменте.

Но имейте в виду, что максимальная топливная экономичность не означает максимальный пробег! В случае с BMW M3: движение при 2000 об/мин вместо 4000 об/мин означает снижение крутящего момента с 340 Н·м до 290 Н·м, то есть потерю всего 15 %, но при этом расход топлива снижается на 50 %.

Вот почему для экономии топлива рекомендуется ездить на очень низких оборотах, хотя топливная эффективность в этом случае не самая высокая. Однако высокий крутящий момент на низких оборотах, безусловно, означает экономию топлива.

Заключение

В целом мощность и крутящий момент — это два показателя одного и того же: силы двигателя. Если у вас есть одна кривая, вы можете рассчитать вторую.

Мощность определяет гоночные характеристики и максимальную скорость автомобиля, а также его способность к ускорению после достижения двигателем более высоких оборотов

Крутящий момент гораздо яснее показывает, какой способностью к ускорению обладает двигатель на низких оборотах, но крутящий момент на колесе зависит от передаточного числа и размера колеса, поэтому сравнивать их не так просто. Обычному водителю хотелось бы иметь высокий крутящий момент на низких оборотах.

Пожалуйста, обратите внимание, что я сделал несколько допущений и упрощений.

О моих данных

Кривые мощности двигателя я взял с сайта BMW для прессы. А этот (к сожалению, на немецком) сайт берёт размер шины, набор оборотов в минуту и модель BMW для расчёта передаточных чисел (или пользовательских передаточных чисел) и вычисляет скорость на оборотах в минуту для каждой передачи. В моём случае окружность колеса составляет ~2 м, а скорость — 7,5; 12,9; 19,3; 25,6; 30,1 и 35,1 км/ч на передачах с 1-й по 6-ю. Это позволяет рассчитать частоту вращения колеса при заданной частоте вращения двигателя на данной передаче.

Говоря максимально простым языком:

Крутящий момент = фунты/фут. Конкретное, реальное измерение крутящего момента, создаваемого двигателем.

Лошадиная сила = произвольная, условная единица работы. Единица измерения лошадиной силы основана на предположении, что лошадь может тянуть груз весом чуть более 180 фунтов.

Ошибка, которую совершает большинство людей, участвуя в этом споре, заключается в том, что они рассматривают мощность и крутящий момент по отдельности. Почти все спорят так, как будто это разные, не связанные между собой величины. Это не так.

Лошадиная сила = (крутящий момент x число оборотов в минуту) / 5252

Это уравнение — второе по важности на этой странице, и именно поэтому любой, кто говорит вам, что лошадиные силы и крутящий момент следует рассматривать одинаково и отдельно друг от друга, сильно ошибается. Дело в том, что лошадиные силы — это произведение крутящего момента и ещё одного значения — числа оборотов в минуту (разделенного на 5252). Они не связаны между собой, не являются отдельными величинами и не отличаются друг от друга.

На самом деле не существует ни одного прибора, который измерял бы мощность автомобиля. Это число, придуманное человеком. При тестировании автомобиля его крутящий момент измеряется с помощью динамометра. Показателем мощности двигателя является крутящий момент. Лошадиные силы — это дополнительное число, которое получается при умножении крутящего момента на число оборотов в минуту.

Взаимосвязь между мощностью, крутящим моментом и ускорением

Лошадиные силы — это показатель мощности двигателя (сколько работы он может выполнить за определённое время), а крутящий момент — это показатель силы, с которой он может вращаться (сколько работы он может выполнить). Эти два показателя тесно связаны, поэтому один без другого невозможен.

Вам нужно будет вспомнить несколько физических уравнений:

Сила = Масса × Ускорение

Мощность = проделанная работа (крутящий момент) / время

Чтобы вычислить одно значение по другому, можно использовать подстановку с некоторыми уравнениями вращательного движения:

Л. с. = (2 x пи x крутящий момент x число оборотов в минуту)/33 000 = (крутящий момент * число оборотов в минуту)/5252

В целом двигатель наиболее эффективен, когда он работает с максимальным крутящим моментом (поэтому промышленные дизельные двигатели работают очень медленно). Крутящий момент в большей степени влияет на скорость разгона автомобиля, особенно на низких скоростях. Лошадиные силы более полезны на высоких скоростях, так как они показывают, насколько автомобиль способен развивать и поддерживать высокую скорость.

Для примера сравните двигатель корабля, который вырабатывает огромный крутящий момент (для медленного перемещения очень тяжёлого объекта) при очень низких оборотах (всего несколько сотен), с двигателем гоночного мотоцикла, который вырабатывает большую мощность (для очень быстрого перемещения лёгкого объекта) при высоких оборотах (10–12 тысяч)

Типичная аналогия:
Потенциальная энергия: Крутящий момент:: Кинетическая энергия: Лошадиные силы

Крутящий момент может существовать без движения. Это способность совершать работу.

Лошадиная сила может существовать только в движении. Это скорость выполнения работы.

Мощность двигателя = Крутящий момент * Частота вращения;

Для двигателя, работающего с постоянной нагрузкой, в качестве эталона используется максимальная мощность.
.
Для двигателя, работающего с переменной нагрузкой (например, при переключении передач), более подходящим параметром является крутящий момент.

Кривые:

Кривая крутящего момента: крутящий момент двигателя в зависимости от частоты вращения при различной нагрузке на двигатель.

Кривая мощности: мощность, вырабатываемая двигателем, в зависимости от частоты вращения двигателя при различной нагрузке на двигатель. Эта кривая получается путем умножения кривой крутящего момента на частоту вращения. Таким образом, это будет сдвинутая и удлиненная версия кривой крутящего момента.
См. Пример кривой мощности и крутящего момента

Для лучшего понимания кривая экономии топлива будет наложена на указанные выше кривые.

Вы путаете кривую мощности/крутящего момента и кривую экономии топлива.

Зная кривую мощности, мы можем получить кривую крутящего момента и наоборот.

Кривая экономии топлива должна быть представлена в виде наложенного графика.

Теперь должно быть понятно, когда что использовать.

Чтобы добиться максимального пробега, следуйте кривой пробега.

Чтобы получить максимальную мощность, изучите кривую мощности.

Кривая крутящего момента обычно используется в качестве ориентира для систем управления трансмиссией, чтобы определить, на какую передачу лучше переключиться.

Всё ещё не понятно? Посмотрите пример из реальной жизни

Примечание: кривые указаны только для определенных условий нагрузки. Таким образом, фактическое поведение двигателя зависит от текущей нагрузки на двигатель, а также от различных ограничений, связанных с законодательными нормами/выбросами/защитой от повреждений.

Крутящий момент — это работа, а лошадиная сила — это работа в единицу времени

В контексте двигателей:

• Крутящий момент показывает, какую нагрузку двигатель может выдержать на определённом расстоянии за определённое время.




• Мощность показывает, насколько быстро двигатель может переместить груз на определённое расстояние.

Вот ещё несколько моментов, которые могут помочь объяснить разницу между ними:

• Крутящий момент — это то, что разгоняет автомобиль с места

  
  
  

  ▲ Torque = ▲ Acceleration
  
  

  
  
  

  Слово остановка здесь очень важно, потому что только в этот момент аэродинамическое сопротивление не ограничивает прямолинейное ускорение транспортного средства. По этой же причине крутящий момент оказывает доминирующее влияние на низких скоростях — силы сопротивления относительно невелики.




• Крутящий момент работает: он поднимает грузы

  
  
  

  Допустим, у вас есть два одинаковых автомобиля, участвующих в соревновании по перетягиванию каната, с двумя разными двигателями, которые развивают одинаковую максимальную мощность, но работают на разных оборотах. У автомобиля с более низкими оборотами двигателя крутящий момент на колёсах будет больше, чем у другого. Этот двигатель и выиграет соревнование по перетягиванию каната.




• Максимальная мощность определяет максимальную скорость

  
  
  

  Power = Resistive Forces x Vehicle Speed
  
  

  
  
  

  Лошадиная сила — это единица измерения мощности или производительности, поэтому:

  
  
  

  ▲ Horsepower = ▲ Top Speed
  
  

Крутящий момент — это сила, с которой двигатель воздействует на трансмиссию при определённых оборотах. Если у двух автомобилей одинаковая трансмиссия и они едут на одной передаче, то автомобиль с вдвое большим крутящим моментом будет разгоняться ровно в два раза быстрее.

Лошадиная сила рассчитывается исходя из крутящего момента и числа оборотов в минуту. Определённый крутящий момент при низких оборотах в минуту равен меньшей лошадиной силе, чем тот же крутящий момент при более высоких оборотах в минуту.

Лошадиные силы важны, потому что сила, с которой задние колёса ускоряют автомобиль, представляет собой комбинацию крутящего момента и передаточного числа. Вообще говоря, чем выше обороты двигателя, тем выше может быть передаточное число. Чем выше передаточное число, тем быстрее автомобиль разгоняется при заданном крутящем моменте. Поскольку лошадиные силы представляют собой комбинацию крутящего момента и частоты вращения, они являются довольно точным показателем того, как будет разгоняться большинство автомобилей с правильно подобранными передаточными числами.

Возьмём экстремальный пример: предположим, у нас есть двигатель с очень высокими оборотами (например, двигатель «Формулы-1»). Он развивает крутящий момент в 250 футо-фунтов, но сохраняет этот крутящий момент до достижения максимальной мощности в 20 000 оборотов в минуту, что составляет почти 800 л. с. С другой стороны, у нас есть двигатель с большим рабочим объёмом, но относительно низкой максимальной частотой вращения. Допустим, этот гипотетический мощный автомобиль развивает максимальный крутящий момент в 600 футо-фунтов и вращается со скоростью 6000 об/мин, выдавая чуть более 600 л. с. Обратите внимание, что автомобиль с большей мощностью развивает значительно меньший крутящий момент. Допустим, на первой передаче у автомобиля с высокими оборотами двигателя передаточное число в три раза меньше, чем у автомобиля с высоким крутящим моментом. Автомобиль с высокими оборотами будет двигаться со скоростью 60 миль в час и при 18 000 оборотах в минуту, а автомобиль с высоким крутящим моментом — при 6000 оборотах в минуту и скорости 60 миль в час. Таким образом, автомобиль с высокими оборотами двигателя на этой передаче будет передавать на колёса больший крутящий момент и будет разгоняться быстрее. А поскольку у него остаётся ещё 2000 оборотов в минуту, когда у автомобиля с крутящим моментом заканчиваются обороты, он будет продолжать разгоняться до 96 км/ч на первой передаче, пока другой автомобиль переключается. И та же драма повторится на более высоких передачах: автомобиль с более высокой мощностью, как правило, будет разгоняться быстрее, потому что он может позволить себе оставаться на более низких передачах, которые могут быть более тугими.

Передаточное число — вот почему важна мощность. Низкое передаточное число означает, что для достижения заданной скорости автомобилю нужно больше оборотов. Высокое передаточное число означает, что для достижения определённой скорости автомобилю не нужно так много оборотов. Компромисс заключается в ускорении. Поэтому первая передача в большинстве автомобилей очень короткая и заканчивается на скорости до 48 км/ч во многих малолитражных автомобилях. С другой стороны, повышающая передача обеспечивает очень слабый разгон, но позволяет автомобилю поддерживать почти холостые обороты на высоких скоростях, экономя топливо. Кроме того, у одинаковых в остальном автомобилей могут быть разные передаточные числа главной передачи, что влияет на их общий разгон и максимальную скорость. Так, автомобиль с передаточным числом главной передачи 3,00 будет разгоняться медленнее, но достигнет более высокой максимальной скорости, чем тот же автомобиль с передаточным числом 4,10.