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扭矩

一種特殊的力矩

扭矩是使物體發生轉動的一種特殊的力矩。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係,轉速越快扭矩越小,反之越大,它反映了汽車在一定範圍內的負載能力。外部的扭矩叫轉矩或者叫外力偶矩,內部的叫內力偶矩或者叫扭矩。

物理原理


扭矩
扭矩
對於家用轎車而言,扭矩越大加速性越好;對於越野車,扭矩越大其爬坡度越大;對於貨車而言,扭矩越大,車拉的重量越大。車子的扭矩越大就越好,在行駛的時候也是這樣,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。扭矩是評價一款車性能的主要參數之一。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於汽車發動機的扭矩。
一般來講,扭矩的最高指數在發動機轉速相對比較低的情況下能夠達到,就說明這款車的發動機工藝較好,力量也好。有些汽車在5000r/min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。可以這樣說,我們追求的駕駛樂趣主要來自扭矩,也就是所謂的“推背感”如果某台車的發動機最大扭矩出現在我們經常使用的轉速範圍內,那麼這樣的車絕對可以帶給你非凡的駕駛樂趣。對於家用轎車來說,完美的發動機最大扭矩應該在很低轉速出現,而最大功率在相對比較高的轉速出現。

發動機扭矩


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。
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、爬坡能力等。它的準確定義是位矢(L)和力(F)的叉乘(M),物理學上指使物體轉動的力乘以到轉軸的距離,它能表示發動機所輸出的力的大小(因為發動機中曲軸的半徑一定)。通俗點講,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。

計算方式


計算方法

在每一個轉速下都有一個相對的扭矩數值,這些數值除以一個長度,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的力量(事實上千克並不是力量的單位,而是質量的單位,須乘以重力加速度9.8m/s²才是力的標準單位是牛頓)。
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。由於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,都恰好等於兩齒輪的齒數比例,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為,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並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,第二次則導因於最終齒輪比(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14.6kg·m/5500rpm,於是我們可以算出第一檔的最大扭矩經過放大後為,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470kg。然而上述的數值並不是實際的推力,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。
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左右,自動變速箱較慘,約剩左右,而傳動軸的萬向節效率約為。整體而言,汽車的驅動力可由下列公式計算:(單位:米)。

公式計算

公式
驅動力=扭矩×變速箱齒比×主減速器速比×機械效率÷輪胎半徑(單位:米)
計算
為什麼引擎的功率能由扭矩計算出來?
因為功率,,所以。這裡的v是線速度,而在引擎里,曲軸的線速度,代入上式得:功率;而力,故得出:。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
定義:φ-------截面間相對轉角;
γ-------切應變;
τ--------切應力;
T----------扭矩;
r-----------半徑;
l-----------材料長度。
切應變與相對轉角的關係為:
切應變與切應力滿足剪切胡克定律:(G為材料的切變模量
扭矩與切應力之間的關係為:(為點乘)

最大扭矩


最大扭矩一般出現在發動機的中、低轉速的範圍,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,具體關係為:,其中K是轉換率。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。

數值及說明


奧拓的最大扭矩只有60.5,是在發動機為3000-4000轉的範圍,由於其排量只有0.8L,在國產微型車中,奧拓的最大扭矩也是相當小的,其他微車較高的能達到110-120;中高排量車的範圍特別大,從110-700多,一般國產中檔車多為200-350,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185/6000,越野車中,國產的一般在180-300之間(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隻有240/3000,其衛士也只有400/1950。布加迪威龍16.4以1250/2200的恐怖扭矩位列跑車扭矩第一位。