说说发动机的扭矩

fissa

先看看两种发动机：
    奥拓用的发动机：3缸，排气量 0.796，最大功率 26.5KW/5500转，最大扭距 60.5N.m/3000-4000转
　　奥迪A6用的发动机：6缸，排气量 2.393，最大功率(kW/r/min) 125/6000，最大扭矩(N.m/r/min) 230/3200
　　上面这两种发动机，排气量也就是汽缸容积是1:3，很好算，虽然有零头，但一个号称0.8，一个号称2.4；
　　功率是1:4.7，扭矩是1:3.8，大体上是同时上涨的，但又不是等比上涨。
　　由此可见，不同发动机的功率与扭矩，是一个大致对应的关系。一种发动机最大功率大，其最大扭矩通常同时也大。
　　这是两种区别很大的发动机的例子，而对任一种内燃机来说，它的功率是变化的，怠速和低速运转时，功率很小，扭矩也很小；随着转速的提高，功率在加大，扭矩也在加大，到达某个转速的时候，扭矩变得最大，此时功率也很大了。但是内燃机的特点又是：这时候功率并非最大，从上面的数据就可以看出来，这个阶段是同步增长，是一致的。再加快转速，功率继续加大，扭矩却变小了，这是不一致的地方。
　　扭矩不容易解释透，专业术语太多，还分外力偶矩、内力偶矩。
　　解释扭矩需要先解释什么是力矩，力矩是力对物体产生转动作用的物理量，又分为力对轴的矩和力对点的矩。
　　力对轴的矩，大小等于力在垂直于该轴的平面上的分量和此分力作用线到该轴垂直距离的乘积。
　　非专业的人懂这些真是没有用处。比如齿轮传动，原理是大齿轮带小齿轮，小齿轮转速会加快，大齿轮有40个齿，小齿轮有20个齿，大齿轮转一圈，小齿轮就要跟着转两圈。大齿轮每分钟1000转，小齿轮每分钟就2000转，很简单，懂到这里就行了。但要再问为什么小齿轮会转得快？这就麻烦了，要讲角速度，角速度是什么？十句八句20句也说不清，不画图还不行，非专业的人懂了也没有什么用处。

fissa

　　把扭矩理解成“扭力”，对非专业的人来说也没有太多的出入，但对专业人士来说就谬之千里，外行人可以看成一个扳手扭螺丝，手加在扳手上的力是一定的，那么扭力就决定于扳手的长短，扳手越长，螺丝得到的扭力越大。因此“外力偶矩”＝圆周力乘旋转的半径。
　　为什么要打引号呢？因为要强调这不是真正的扭矩，但可以暂时理解为扭矩，真正的扭矩是“内力偶矩”，圆轴在外力矩的作用下匀速转动，在轴的横截面上必然产生内力，其大小等于截面一侧上外力矩的代数和。晕了没有？不必再继续解释了，总之一个驾驶员懂这些没啥用处。
　　回过头来，曲轴，由主轴颈、曲柄销、曲柄臂组成。螺丝就是主轴颈，是需要转动的轴，连杆连接曲柄销，等于加在扳手上的人手，扳手就是曲柄臂，扳手的长度，就是曲轴销的中心线与主轴颈的中心线的距离。
　　加在曲柄销上的力，来自于活塞，连杆只是一个传递作用，这个力越大，在这两中心线的距离不变的情况下，曲柄销从活塞得到的力越大，主轴颈得到的扭矩越大。反过来，在活塞给的力一定的情况下，两中心线离得越远，得到的扭矩也就越大。当然，还有一个很重要的因素，就是两中心线形成的直线与活塞行走轨道的夹角，接近90度时得到的扭矩最大，为了不越讲越复杂，越看脑子越乱，这就不去管它了。
　　对于自行车来讲，腿有如连杆，脚蹬子就是曲柄销，链轮轴就是主轴颈。链轮轴的扭矩决定于腿踩下的力，还决定于脚蹬杆的长度，以及脚蹬子的位置。脚蹬子在水平位置时得到的扭矩最大，因为加给它的力与圆周切线方向一致。
　　在内燃机里，决定功率的因素很多，但主要是活塞面积，在既定面积的基础上，采用不同燃料、化油器或者电喷技术、汽缸压力等等，都能在一定程度上影响到功率。但在功率定下来以后，决定扭矩的因素只有一个，就是曲柄销与主轴颈两中心线的距离。这个距离乘２就是活塞的行程。
　　为什么功率与扭矩在一定转速以后不一致了呢？
　　混合汽体燃烧膨胀对活塞的推力，在一定条件下达到最大值，这个时候就是扭矩最大值。而功率是与时间相关的，在同样的时间内，转速越快，功率越大，就如一个人搬砖头，一次搬五块，走着一分钟搬一趟，跑着一分钟来两回，五块是跑不动了，搬四块，两次也８块砖，效率当然不一样。而扭矩只与推力有关系，与时间无关系，只认你一次搬几块砖，不认你一共搬了多少。你一分钟跑三趟，一次３块，加起来９块砖，效率又提高了，但是从扭矩来说，你从五块降到四块、三块，一次不如一次。
　　这就是说，内燃机在最大扭矩的时候，汽体膨胀最厉害，产生的推力最大，过了这个转速，继续加快，汽体来不及充分燃烧膨胀就被匆忙排出，活塞单次得到的推力反而减小，因此扭矩减少。

fissa

　　这也是为什么汽车都有个经济车速的问题。疯狂旋转的发动机，汽油只有一小部分做了功，其余部分浪费了。
　　扭矩与功率的区别就在于前者与时间无关，只认单次推力，后者与时间有关，因此转速越快功率越大，功率上去了，扭矩反而下来了。
　　而功率与转速的关系，也不全是直接对应的，汽油机的最大功率通常是最高转速的时候，柴油机就不同，柴油机的最大功率同样在小于最高转速的时候。以BJ2024Z2Q1E（战旗吉普）所用的BJ493ZQ涡轮增压柴油发动机为例，最大功率68kw/3600r/min，而这种发动机的最高转速大于4000转。
　　扭矩有什么用呢？对大货车来说，决定拉多少货（实际上是车辆总重）能起步，扭矩不足动不了窝；对越野车来说，决定了能爬多大的坡，扭矩不足上不去；对轿车来说，决定了了加速性能，常见的指标就是从0到百公里时速需要多少秒。
　　发动机曲轴输出的扭矩是在相对固定的范围内，从零到最大扭矩，而这个扭矩却不是车轮所需要的，因此需要变速。变速的同时，扭矩就同比例地改变，以2:1的比例改变转速，扭矩增加一倍，反过来以1:2的速比，得到的转速大一倍，扭矩小50％（注意，减少不可说一倍，否则为零，小两倍成负数，就闹笑话了）。
　　变速的机构有好几种，因为车轮需要的扭矩大，因此各种变速基本上都是减速器，这与自行车相反，自行车的传动是一个加速器，大链轮带小飞轮。汽车上的变速装置，一个是差速器，更准确地说是差速器前面那个“主减速器”，它是固定速比的，大约4:1上下，再一个是我们平时说的变速器，它是可变速比的，常见的是四档变速器，最高档一般是直接档，就是主动轴与输出轴直接用齿套连接起来，1:1，五档变速器的最高档一般是超速档，零点几比一，超速档并不加快最高车速，这是人们经常发生误解的地方，在超速档下发动机不可能达到最高转速以得到最大功率，它的作用只能在中速行驶的时候经济一点，在中等转速最大扭矩的时候车速快一点，因此许多汽车在超车的时候需要先减档，以得到最快车速。
　　以夏利2000和其变形系列采用的五档变速器为例：倒档3.142，1档为3.181，2档为1.842，3档为1.250，4档为0.864，5档为0.707。
　　倒档的速比各车都相当于一档，有的比一档略大，有的比一档略小，但肯定不会相等。
　　除了变速器以外，越野车还装有分动器，它也可变速，以获得更大的扭矩。还有的重型汽车在轮子上安有行星齿轮，再变速一回。

KANON

真是好文

boundaras

赞F大！！！就喜欢看这些。现在明白了为啥过了一个点后扭矩下降了，不过还没搞清为啥随转速上升扭矩上升阶段的原因，能再点拨一下吗？
谢谢F大了！！！！！

fissa

赞F大！！！就喜欢看这些。现在明白了为啥过了一个点后扭矩下降了，不过还没搞清为啥随转速上升扭矩上升阶段的原因，能再点拨一下吗？
谢谢F大了！！！！！
boundaras 发表于 2009-10-11 11:27

                               
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俺也在学习。。。 俺们是同班同学。。。

WRC

好文！绝对是好文