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扭矩詳解

2010-08-03 13:43:11

扭矩是使物體發生轉動的力。發動機的扭矩就是指發動機從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發動機轉速成反比關系,轉速越快扭矩越小,反之越大,它反映了汽車在一定范圍內的負載能力。

定義
   扭矩傳感器

  扭矩在物理學中就是力矩的大小,等于力和力臂的乘積,國際單位是牛米Nm,此外還可以看見kgm、lb-ft這樣的扭矩單位,由于G=mg,當g=9.8的時候,1kg的重量為9.8N,所以1kgm=9.8Nm,而磅尺lb-ft則是英制的扭矩單位,1lb=0.4536kg;1ft=0.3048m,可以算出1lb-ft=0.13826kgm。在人們日常表達里,扭矩常常被稱為扭力(在物理學中這是2個不同的概念)。例如:8代Civic 1.8的扭矩為173.5Nm@4300rpm,表示引擎在4300轉/分時的輸出扭矩為173.5Nm,那173.5N的力量怎么能使1噸多的汽車跑起來呢?其實引擎發出的扭矩要經過放大(代價就是同時將轉速降低)這就要靠變速箱、終傳和輪胎了。引擎釋放出的扭力先經過變速箱作“可調”的扭矩放大(或在超比擋時縮小)再傳到終傳(尾牙)里作進一步的放大(同時轉速進一步降低),最后通過輪胎將驅動力釋放出來。如某車的1擋齒比(齒輪的齒數比,本質就是齒輪的半徑比)是3,尾牙為4,輪胎半徑為0.3米,原扭矩是200Nm的話,最后在輪軸的扭力就變成200×3×4=2400Nm(設傳動效率為100%)在除以輪胎半徑0.3米后,輪胎與地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m=8000N,即800公斤力的驅動力,這就足以驅動汽車了。
若論及機械效率,每經過一個齒輪傳輸,都會產生一次動力損耗,手動變速箱的機械效率約在95%左右,自動變速箱較慘,約剩88%左右,而傳動軸的萬向節效率約為98%。整體而言,汽車的驅動力可由下列公式計算:     補充一點:   為什么引擎的功率能由扭矩計算出來呢?
功率P=功W÷時間t 功W=力F×距離s 所以,P=F×s/t=F×速度v   這里的v是線速度,而在引擎里,曲軸的線速度=曲軸的角速度ω×曲軸半徑r,代入上式得:功率P=力F×半徑r×角速度ω ; 而 力F×半徑r=扭矩   得出:功率P=扭矩×角速度ω 所以引擎的功率能從扭矩和轉速中算出來   角速度的單位是弧度/秒,在弧度制中一個派代表180度

扭矩 簡介

  扭矩傳感器   扭矩和功率一樣,是汽車發動機的主要指數之一,它反映在汽車性能上,包括加速度、爬坡能力以及懸掛等。它的準確定義是:活塞在汽缸里的往復運動,往復一次做有一定的功,它的單位是牛頓。在每個單位距離所做的功就是扭矩了。是這樣的,扭矩是衡量一個汽車發動機好壞的重要標準,一輛車扭矩的大小與發動機的功率成正比。
舉個通俗的例子,比如,像人的身體在運動時一樣,功率就像是身體的耐久度,而扭矩是身體的爆發力。對于家用轎車而言,扭矩越大加速性越好;對于越野車,扭矩越大其爬坡度越大;對于貨車而言,扭矩越大車拉的重量越大。在排量相同的情況下,扭矩越大說明發動機越好。在開車的時候就會感覺車子隨心所欲,想加速就可加速,“貼背感”很好。現在評價一款車有一個重要數據,就是該車在0-100公里/小時的加速時間。而這個加速時間就取決于汽車發動機的扭矩。
一般來講,扭矩的最高指數在汽車2000-4000/分的轉速下能夠達到,就說明這款車的發動機工藝較好,力量也好。有些汽車在5000/分的轉速左右才達到該車扭矩的最高指數,這說明“力量”就不是此車所長。

扭矩 概述

  扭矩是使物體發生轉動的力。發動機的扭矩就是指發動機從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發動機轉速成反比關系,轉速越快扭矩越小,反之越大,它反映了汽車在一定范圍內的負載能力。
在某些場合能真正反映出汽車的“本色”,例如啟動時或在山區行駛時,扭矩越高汽車運行的反應便越好。以同類型發動機轎車做比較,扭矩輸出愈大承載量愈大,加速性能愈好,爬坡力愈強,換擋次數愈少,對汽車的磨損也會相對減少。尤其在轎車零速啟動時,更顯示出扭矩高者提升速度快的優越性。

發動機的扭矩的表示方法

  發動機的扭矩的表示方法是牛米(N.m)。同功率一樣,一般在說明發動機最大輸出扭矩的同時也標出每分鐘轉速(r/min)。最大扭矩一般出現在發動機的中、低轉速的范圍,隨著轉速的提高,扭矩反而會下降。

扭矩 物理原理

  扭矩在物理學中就是力矩的大小,等于力和力臂的乘積,國際單位是牛米Nm,此外我們還可以看見kgm、lb-ft這樣的扭矩單位,由于G=mg,當g=9.8的時候,1kg=9.8N,所以1kgm=9.8Nm,而磅尺lb-ft則是英制的扭矩單位,1lb=0.4536kg;1ft=0.3048m,可以算出1lb-ft=0.13826kgm。在人們日常表達里,扭矩常常被稱為扭力(在物理學中這是2個不同的概念)。現在我們舉個例子:8代Civic1.8的扭矩為173.5Nm@4300rpm,表示引擎在4300轉/分時的輸出扭矩為173.5Nm,那173.5N的力量怎么能使1噸多的汽車跑起來呢?其實引擎發出的扭矩要經過放大(代價就是同時將轉速降低)這就要靠變速箱、終傳和輪胎了。引擎釋放出的扭力先經過變速箱作“可調”的扭矩放大(或在超比擋時縮小)再傳到終傳(尾牙)里作進一步的放大(同時轉速進一步降低),最后通過輪胎將驅動力釋放出來。如某車的1擋齒比(齒輪的齒數比,本質就是齒輪的半徑比)是3,尾牙為4,輪胎半徑為0.3米,原扭矩是200Nm的話,最后在輪軸的扭力就變成200×3×4=2400Nm(設傳動效率為100%)在除以輪胎半徑0.3米后,輪胎與地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m=8000N的驅動力,這就足以驅動汽車了。   若論及機械效率,每經過一個齒輪傳輸,都會產生一次動力損耗,手動變速箱的機械效率約在95%左右,自排變速箱較慘,約剩88%左右,而傳動軸的萬向節效率約為98%。整體而言,汽車的驅動力可由下列公式計算:   公式   扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機械效率   驅動力=————————————————————   輪胎半徑(單位:米)
小結:1kgm=9.8Nm1lb-ft=0.13826kgm1lb-ft=1.355Nm   在排量一定的情況下,缸徑小,行程長的汽缸較注重扭矩的發揮,轉速都不會太高,適用于需要大載荷的車輛。而缸徑大,行程短的汽缸較注重功率的輸出,轉速通常較高,適用于快跑的車輛。簡單來說:功率正比于扭矩×轉速。
計算   為什么引擎的功率能由扭矩計算出來?   功率P=功W÷時間t功W=力F×距離s所以,P=F×s/t=F×速度v   這里的v是線速度,而在引擎里,曲軸的線速度=曲軸的角速度ω×曲軸半徑r,代入上式得:功率P=力F×半徑r×角速度ω;而力F×半徑r=扭矩   得出:功率P=扭矩×角速度ω所以引擎的功率能從扭矩和轉速中算出來   角速度的單位是弧度/秒,在弧度制中一個π代表180度

扭矩 汽車驅動理論

  車輛的前進一定是靠引擎所發揮的扭力,所謂的扭力在物理學上稱為扭矩。

  扭矩的觀念從小學時候的杠桿原理就說明過了,定義是垂直方向的力乘上與旋轉中心的距離,公制單位為牛頓-米(N-m),除以重力加速度9.8m/sec2之后,單位可換算成國人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制單位則為磅-呎(lb-ft),在美國車的型錄上較為常見,若要轉換成公制,只要將lb-ft的數字除以7.22即可。
汽車驅動力的計算方式:

  將扭矩除以車輪半徑即可由引擎馬力-扭力輸出曲線圖可發現,在每一個轉速下都有一個相對的扭矩數值,這些數值要如何轉換成實際推動汽車的力量呢?答案很簡單,就是除以一個長度,便可獲得力的數據。舉例而言,一部1.6升的引擎大約可發揮15.0kg-m的最大扭力,此時若直接連上185/60R14尺寸的輪胎,半徑約為41公分,則經由車輪所發揮的推進力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實上公斤并不是力量的單位,而是重量的單位,須乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的標準單位是牛頓)。

  36公斤的力量怎么推動一公噸的車重呢?而且動輒數千轉的引擎轉速更不可能恰好成為輪胎轉速,利用不同大小的齒輪相連搭配,可以將旋轉的速度降低,同時將扭矩放大。由于齒輪的圓周比就是半徑比,因此從小齒輪傳遞動力至大齒輪時,轉動的速度降低的比率以及扭矩放大的倍數,都恰好等于兩齒輪的齒數比例,這個比例就是所謂的齒輪比。

舉例說明

  以小齒輪帶動大齒輪,假設小齒輪的齒數為15齒,大齒輪的齒數為45齒。
   當小齒輪以3000rpm的轉速旋轉,而扭矩為20kg-m時,傳遞至大齒輪的轉速便降低了1/3,變成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成為60kg-m。這就是引擎扭矩經由變速箱可降低轉速并放大扭矩的基本原理。
  在汽車上,引擎輸出至輪胎為止共經過兩次扭矩的放大,第一次由變速箱的檔位作用而產生,第二次則導因于最終齒輪比(或稱最終傳動比)。扭矩的總放大倍率就是變速箱齒比與最終齒輪比的相乘倍數。舉例來說,手排六代喜美的一檔齒輪比為3.250,最終齒輪比為4.058,而引擎的最大扭矩為14.6kgm/5500rpm,于是我們可以算出第一檔的最大扭矩經過放大后為14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此時再除以輪胎半徑約0.41m,即可獲得推力約為470公斤。然而上述的數值并不是實際的推力,畢竟機械傳輸的過程中必定有磨耗損失,因此必須將機械效率的因素考慮在內。

  論及機械效率,每經過一個齒輪傳輸,都會產生一次動力損耗,手排變速箱的機械效率約在95%左右,自排變速箱較慘,約剩88%左右,而傳動軸的萬向接頭效率約為98%,各位自己乘乘看就知道實際的推力還剩多少。整體而言,汽車的驅動力可由下列公式計算:   扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機械效率   驅動力=————————————————————   輪胎半徑(單位為公尺)   馬力其實也不是一種力,而是一種功率(Power)的單位,定義為單位時間內所能做功的大小。功率是由扭矩計算出來的,而計算的公式相當簡單:功率(W)=2π×扭矩(N-m)×轉速(rpm)/60,簡化計算后成為:功率(kW)=扭矩(N-m)×轉速(rpm)/9549,詳細的推導請參看方塊文章。然而功率kW要如何轉換成大家常見的馬力呢。   英制或公制?   1PS=735W;1hp=746W

馬力定義

  英制的馬力(hp)定義為:一匹馬于一分鐘內將200磅(lb)重的物體拉動165英呎(ft),相乘之后等于33,000ft-lb/min;而公制的馬力(PS)定義則為一匹馬于一分鐘內將75公斤的物體拉動60公尺,相乘之后等于4500kg-m/min。經過單位換算,(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然發現1hp=4566kg-m/min,   與公制的1PS=4500kg-m有些許差異,而如果以功率W(1W=1Nm/sec=9.8kgm/sec)來換算的話,可得1hp=746W;1PS=735W兩項不一樣的結果。   1PS與1hp之間的差異僅1.5%,每一百匹馬力差1.5匹,差異并不大。一般房車的馬力多半僅在200匹馬力以下,兩者由于定義的差異也僅3匹馬力左右,把SAE標準的數據多個1.5%吧!不過SAE、JIS、DIN、EEC各種測試標準之間亦有些許差異,單位之間不能真正劃上等號,然而在差別不怎么多的情況之下,是PS或hp,都差不多可以視為相等。

公式換算

  將上述獲得的馬力與功率換算方式代入功率與扭矩的換算公式,并且將扭矩的單位換算為大家熟悉的kg-m之后,可得下列結果:   英制馬力hp=扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)/727   公制馬力PS=扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)/716   從馬力hp=扭力×轉速/727看,如果能增加引擎轉速,扭力不變的情況下,便能增加馬力。例如若能將轉速從6000rpm增加到8000rpm,等于增加了33%,但因為凸輪軸的限制使得8000rpm時的扭力下降了10%,則仍能使馬力增加19.7%,這說明了時下改裝計算機的為何能在解除斷油后大幅增加馬力。

  如果在同樣的轉速下,增加20匹馬力,代表能增加多少推力呢?以最大扭力點發揮于5000rpm的情況下,將公式稍微變換一下,可發現增加的扭力=20hp×727/5000rpm=2.9kgm。再將這個結果代入汽車驅動力的公式,同樣以喜美的一檔計算,2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。對于一噸重的車身而言,影響似乎也不怎么大;再者如果相差5匹馬力的話,推力更僅增加23公斤,可見相差5匹馬力,根本也沒差多少,

大馬力決定真性能

  到底大馬力的車子跑得快,還是大扭力的車子跑得快?

  從公式可以知道大馬力的原因是高轉速的時候仍保有高扭力數值,也就是說要有大馬力,不只是低轉速的扭力要好,連高轉速的扭力都得繼續維持,這表示扭力與馬力的爭論根本是多余的,只要能做到高馬力,除了表示各轉速區域的扭力都很大之外,更代表材料技術的優越性,將活塞、進排氣閥門的材質與重量予以強化與輕量化,才能將引擎轉速提高。

扭矩與功率的換算公式推導

  假設一圓的半徑為r(單位為m),扭矩為T(單位為N-m),則圓周上切線方向的力F=T/r,由于功率的定義為「每秒鐘所作的功」,對于圓周?動而言,每旋轉一圈所作的功為:F×圓周總長2πr將F=T/r代入計算,每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT   再乘上引擎轉速rpm就是每分鐘所作的功,但功率P的單位是N-m/sec,所以需除以60,轉換成每秒所作的功。代入公式:P=T2πrpm/60,將常數整理后,則可得P(kW)=Trpm/9545。   一臺車的動力由發動機傳輸到車輪,需要經過多組齒輪因此有所損耗,如果德制馬力測的是傳遞到車輪上的動力,那么同樣發動機用在不同車型上的動力輸出應該不同,試拿bmw330和bmw530做比較,其功率均是225hp/5900rpm;結論,要么bmw在數據上造假,要么它測的是發動機輸出凈值。

扭矩 最大扭矩

  最大扭矩一般出現在發動機的中、低轉速的范圍,隨著轉速的提高,扭矩反而會下降。扭矩的單位是牛頓·米(N·m)或公斤·米(Kg·m)。

  發動機的最大扭矩與發動機的進氣系統、供油系統和點火系統的設計有關,在某一轉速下,這些系統的性能匹配達到最佳,就可以達到最大扭矩。另外,發動機的功率、扭矩和轉速是相關聯的,具體關系為:功率=K×扭矩×轉速,其中K是轉換系數。選擇發動機時也要權衡一下怎樣合理使用、不浪費現有功能。比如,北京冬夏都有必要開空調,在選擇發動機功率時就要考慮到不能太小;只是在城市環路上下班交通用車,就沒有必要挑過大馬力的發動機。盡量做到經濟、合理選配發動機。

  一些車型的最大扭矩的數值及說明:

  奧拓的最大扭矩只有60.5,是在發動機為3000-4000轉的范圍,在國產微型車中,它的最大扭矩也是相當小的,較高的能達到110-120不過由于其排量只有0.8L;中高排量車的范圍特別大,從110-700多,一般國產中檔車多為200-350范圍,其中邁巴赫exelero在轎車扭矩中登頂達到1020/2500轉。跑車則普遍較高,400、500是很常見的,現代酷派FX2.0的最大扭矩只能達到102/6000,越野車中,國產的一般在180-300范圍中(當然國產的排量也比較小),進口則高一些,歐美的一般為400/4800,路虎神行者2004只有240/3000,其衛士也只有300/1950。布加迪威航16.4也以1250/2200 的恐怖扭矩位列跑車扭矩第一位。

扭矩 扭矩的計算方法

  扭矩=9550×電機功率÷電機功率輸入轉數×速比×使用系數



   
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