Крутящий момент: когда физика встречается с инженерией

В характеристиках двигателя максимальный крутящий момент обычно указывается сразу после максимальной мощности. Однако если мощность в основном понимается автолюбителями чисто интуитивно, то с крутящим моментом и его значением при выборе модели — не всё так однозначно. Леонид Попов разбирался, что же это за величина и как она связана с мощностью.

Разницу между понятиями мощности и момента проще понять на примере разницы между мощностью и силой. Представьте, что вы толкаете тяжёлый ящик по горизонтальной поверхности. Чтобы он двигался, вам нужно приложить силу. Произведение этой силы на скорость движения ящика и будет мощностью. Можно затрачивать одинаковую мощность, передвигая этот груз медленно с большим усилием или более быстро, но с меньшей силой (допустим, если поверхность вдруг стала более гладкой).

По-научному мощность — это скорость передачи энергии, она же работа, совершенная за единицу времени. Измеряется в ваттах, 1 Вт = 1 Дж/с = 1 Н•м/с. По последней единице измерения видно, что мощность — то же самое, что сила (ньютоны), умноженная на скорость (м/с). Ватты потом можно переводить в киловатты и лошадиные силы (1 кВт = 1,3596 л.с.).

Перейдём к вращению. Вот колодец с воротом. Вы поднимаете из него ведро, вращая рукоятку с неким равномерным усилием. Произведение этой силы на длину рукояти (по-научному — на плечо рычага) и будет крутящим моментом. Потому в параметрах двигателя вы видите как раз единицы Н•м. Сила в 100 Н, приложенная к рычагу длиной 1 метр, даст вам крутящий момент 100 Н•м, но также 200 Н, приложенных к плечу в 0,5 м, тоже дадут момент в 100 Н•м, или 400 Н, приложенных к плечу в 0,25 м, дадут те же 100 Н•м.

Мощность, которую вы развиваете при этом, окажется произведением силы (Н) на линейную скорость движения вашей руки (м/с). Она же пропорциональна числу оборотов в секунду и длине той самой рукояти ворота. Если использовать обороты в минуту и учесть длину окружности, знакомые со школы «два пи эр», то для мощности на валу (в киловаттах) получится формула P = M × n / 9549. Где M — крутящий момент (в ньютон-метрах), а n — скорость вращения вала (в об/мин).

Совсем упрощённо: крутящий момент — это усилие, с которым вы что-то заставляете вращаться, а мощность — это то, как быстро вы можете это вращать с данным конкретным усилием. Применительно к обычному поршневому двигателю автомобиля крутящий момент выглядит как усилие, вращающее коленчатый вал и передающееся от него далее.

Как выглядят мощность и крутящий момент на графике

Для оценки работы двигателя в разных режимах используется внешняя скоростная характеристика ДВС: это два графика зависимости развиваемого мотором эффективного крутящего момента и мощности от оборотов коленвала. Эффективный — это момент, отдаваемый конечному потребителю (то есть за вычетом внутренних потерь в моторе и его затрат на привод вспомогательных агрегатов, масляного и водяного насосов). Мощность тут получается автоматическим перемножением момента на обороты, как было показано выше. Именно крутящий момент в данном случае определяет всё.

Посмотрите на пример: некий атмосферный мотор. Наибольший момент показан синим. Видно, что он растёт с ростом оборотов, потом достигает пика и далее снижается. У графика выдаваемой мотором мощности (красная линия) — своё поведение. Как правило, её пик достигается на более высоких оборотах, чем пик крутящего момента. Два этих значения (то есть наибольшие числа для момента и для мощности) будут как раз указаны в характеристиках двигателя.

Но почему мы говорим о графике наибольшего момента? Просто на любых оборотах в пределах своей рабочей зоны (от холостых и до максимальных) двигатель может развивать и меньший момент. В конкретных условиях, если нагрузка на него ниже.

Вернёмся к внешней характеристике нашего условного простого агрегата . Если вы движетесь с умеренной скоростью, допустим, при частоте вращения коленвала 2500 об/мин, то развиваемый мотором крутящий момент может быть и 70 Н•м, и 90 Н•м, а вот показанные на графике 110 Н•м окажутся верхним пределом для данных оборотов мотора при условии максимальной подачи топлива в цилиндры.

Что важнее: момент или мощность?

Фразу «Лошадиные силы продают автомобиль, а крутящий момент выигрывает гонки» чаще всего приписывают американскому конструктору и гонщику Кэрроллу Шелби, хотя в легендах можно также увидеть упоминание в этой связи Энцо Феррари и Генри Форда. А может быть, и Феррари тоже говорил примерно это.

Основная мысль понятна: именно крутящий момент разгоняет автомобиль, крутящий момент создаёт на колёсах усилие, преодолевающее все силы сопротивления (качение шин, сопротивление воздуха), и,  опять же, крутящий момент вам нужен, чтобы взбираться на гору. Момент — это тяговые способности вашей модели в самых разных условиях.

Максимальная же мощность определяет максимальную скорость автомобиля, а также косвенно говорит о его динамике, ведь обе обсуждаемые величины взаимосвязаны.

Как всегда, есть нюансы

До того, как обернуться силой тяги на ведущих колёсах, крутящий момент двигателя проходит через трансмиссию с её передаточными числами на тех или иных передачах в коробке и в главной передаче. Тут работает всё то же правило рычага: можно выиграть в силе, проиграв в расстоянии. А применительно к вращению: можно выиграть в крутящем моменте, проиграв в частоте вращения.

Для набора шестерён, трудящихся в трансмиссии, длиной рычага является их радиус, а соотношение радиусов де-факто — это соотношение числа зубьев на паре соединённых друг с другом шестерёнок. Если маленькая шестерня передаёт момент на большую, а число зубьев большой относится к числу зубьев малой (передаточное число) как 5:1, то крутящий момент повысится в пять раз, а частота вращения будет ниже в пять раз.

Отсюда и из внешней характеристики ДВС понятно, зачем вообще нужна трансмиссия.

Во-первых, обычный ДВС уже в самом начале разгона имеет некие обороты. Стартовать буквально с нуля он не может, так что в конструкции машины появляются элементы, обеспечивающие его плавное подключение к колёсам.

Во-вторых, на разгоне нам нужна большая тяга, а на низких оборотах ДВС её почти нет. Хорошую тягу на колёсах получаем подбором правильного передаточного числа в трансмиссии.

В-третьих, если бы передаточное отношение (это отношение частоты вращения ведущего вала к ведомому) не менялось, то с приводом от ДВС мы бы уже примерно на 30 км/ч упёрлись в предельные обороты двигателя (в красную зону). Это электромоторы в электрокарах позволяют во всём диапазоне скоростей, от нуля до максималки, использовать простой редуктор с фиксированным передаточным отношением. С ДВС так не получается.

В-четвёртых, переключение шестерён в трансмиссии обеспечивает и задний ход, притом что направление вращения самого двигателя не меняется.

Дополнения и выводы

В характеристиках автомобиля всегда указывается максимальный крутящий момент, который косвенно говорит о тяговых возможностях автомобиля. Но он не свидетельствует напрямую о наибольшей силе тяги на колёсах, тут уже вмешиваются параметры трансмиссии.

Для продвинутых пользователей интерес представляет внешняя скоростная характеристика мотора, показывающая не только максимальный крутящий момент, но и тот момент, который доступен на других, более низких оборотах. Это может быть важно для понимания динамики разгона в самом начале (пока мотор не раскрутится), а также для представления о возможностях машины по тяге на бездорожье или при преодолении подъёмов, буксировке тяжёлых прицепов.

Внешняя скоростная характеристика у всех ДВС обладает похожими чертами, но у каждой модели мотора будут свои особенности. Так, на форму графика крутящего момента влияет, атмосферный этот ДВС или наддувный, бензиновый или дизельный, плюс особенности системы питания, выбранные конструкторами фазы газораспределения, наличие либо отсутствие системы регулировки фаз, настройки блока управления мотором.

Крутящий момент превращается в тягу на колёсах после прохождения трансмиссии. И её конструкция (подбор передаточных чисел, наличие понижающей передачи, например, в раздаточной коробке внедорожника, КПД трансмиссии, то есть потери в ней) влияет на итог. Как и радиус качения колеса.

Тяга на колёсах (в ньютонах) будет равна крутящему моменту на ведущей оси (Н•м), делённому на радиус качения колеса (м). Или это крутящий момент двигателя, умноженный на передаточное число трансмиссии, умноженное на КПД трансмиссии и делённое на радиус качения колеса. Передаточное число трансмиссии получается умножением передаточного числа выбранной передачи в коробке и числа у главной передачи, а при наличии раздатки — умножением и на её передаточное число.

Для условий грязи, песка, буксировки прицепа привлекательны модели, чьи двигатели выдают большой крутящий момент не только при высокой или средней частоте вращения, но и при низкой. Да и при разгоне на шоссе ДВС с высоким крутящим моментом в как можно более широком диапазоне рабочих оборотов может оказаться способнее, даже если максимальная мощность не особенно высока.

202