Разница между крутящим моментом и лошадиными силами

Работа и мощность

Теперь остановимся на таком понятии как «работа», которое в данном контексте имеет особое значение. Работа совершается всякий раз, когда сила — любая сила — вызывает движение. Работа равна силе, умноженной на расстояние. Для линейного движения мощность выражается как работа в определённый момент времени.

Если мы говорим о вращении, мощность выражается как вращающий момент (T), умноженный на частоту вращения (w).

Частота вращения объекта определяется измерением времени, за которое определённая точка вращающегося объекта совершит полный оборот. Обычно эта величина выражается в оборотах в минуту, т.е. мин-1 или об/мин. Например, если объект совершает 10 полных оборотов в минуту, это означает, что его частота вращения: 10 мин-1 или 10 об/мин.

Итак, частота вращения измеряется в оборотах в минуту, т.е. мин-1.

Приведем единицы измерения к общему виду.

Для наглядности возьмём разные электродвигатели, чтобы более подробно проанализировать соотношение между мощностью, вращающим моментом и частотой вращения. Несмотря на то, что вращающий момент и частота вращения электродвигателей сильно различаются, они могут иметь одинаковую мощность.

Например, предположим, что у нас 2-полюсный электродвигатель (с частотой вращения 3000 мин-1) и 4-полюсной электродвигатель (с частотой вращения 1500 мин-1). Мощность обоих электродвигателей 3,0 кВт, но их вращающие моменты отличаются.

Таким образом, вращающий момент 4-полюсного электродвигателя в два раза больше вращающего момента двухполюсного электродвигателя с той же мощностью.

Как образуется вращающий момент и частота вращения?

Теперь, после того, как мы изучили основы вращающего момента и скорости вращения, следует остановиться на том, как они создаются.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент и частота вращения создаются в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем. Магнитное поле вокруг обмоток ротора будет стремиться к магнитному полю статора. В реальных рабочих условиях частота вращения ротора всегда отстаёт от магнитного поля. Таким образом, магнитное поле ротора пересекает магнитное поле статора и отстает от него и создаёт вращающий момент. Разницу в частоте вращения ротора и статора, которая измеряется в %, называют скоростью скольжения.

Скольжение является основным параметром электродвигателя, характеризующий его режим работы и нагрузку. Чем больше нагрузка, с которой должен работать электродвигатель, тем больше скольжение.

Помня о том, что было сказано выше, разберём ещё несколько формул. Вращающий момент индукционного электродвигателя зависит от силы магнитных полей ротора и статора, а также от фазового соотношения между этими полями. Это соотношение показано в следующей формуле:

Сила магнитного поля, в первую очередь, зависит от конструкции статора и материалов, из которых статор изготовлен. Однако напряжение и частота тока также играют важную роль. Отношение вращающих моментов пропорционально квадрату отношения напряжений, т.е. если подаваемое напряжение падает на 2%, вращающий момент, следовательно, уменьшается на 4%.

Особые случаи и другие факты

Формула руки момента

Схема руки момента

Очень полезный частный случай, который часто называют определением крутящего момента в других областях, помимо физики, выглядит следующим образом:

τзнак равно(момент рука)(сила).{\ displaystyle \ tau = ({\ text {момент руки}}) ({\ text {force}}).}

Конструкция «плеча момента» показана на рисунке справа вместе с векторами r и F, упомянутыми выше. Проблема с этим определением заключается в том, что оно дает не направление крутящего момента, а только его величину, и, следовательно, его трудно использовать в трехмерных случаях. Если сила перпендикулярна вектору смещения r , плечо момента будет равно расстоянию до центра, а крутящий момент будет максимальным для данной силы. Уравнение для величины крутящего момента, возникающего от перпендикулярной силы:

τзнак равно(расстояние до центра)(сила).{\ displaystyle \ tau = ({\ text {расстояние до центра}}) ({\ text {force}}).}

Например, если человек прикладывает усилие 10 Н к концу гаечного ключа длиной 0,5 м (или усилие 10 Н точно на 0,5 м от точки закручивания гаечного ключа любой длины), крутящий момент будет 5 Нм — при условии, что человек перемещает ключ, прикладывая силу в плоскости движения и перпендикулярно ключу.

Крутящий момент, вызванный двумя противоположными силами F _g и -F _g, вызывает изменение углового момента L в направлении этого крутящего момента. Это вызывает прецессию вершины .

Статическое равновесие

Чтобы объект находился в статическом равновесии , не только сумма сил должна быть равна нулю, но и сумма крутящих моментов (моментов) относительно любой точки. Для двумерной ситуации с горизонтальными и вертикальными силами сумма требуемых сил составляет два уравнения: Σ H = 0 и Σ V = 0, а крутящий момент — третье уравнение: Σ τ = 0. То есть для статического решения Для детерминированных задач равновесия в двух измерениях используются три уравнения.

Полезная сила в зависимости от крутящего момента

Когда чистая сила, действующая на систему, равна нулю, крутящий момент, измеренный из любой точки пространства, одинаков. Например, крутящий момент на токоведущей петле в однородном магнитном поле одинаков независимо от вашей точки отсчета. Если результирующая сила не равна нулю и является крутящим моментом, измеренным от , то крутящий момент, измеренный от …
F{\ displaystyle \ mathbf {F}}τ1{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ tau}} _ {1}}р1{\ displaystyle \ mathbf {r} _ {1}}р2{\ displaystyle \ mathbf {r} _ {2}}τ2знак равноτ1+(р1-р2)×F{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ tau}} _ {2} = {\ boldsymbol {\ tau}} _ {1} + (\ mathbf {r} _ {1} — \ mathbf {r} _ {2}) \ times \ mathbf {F}}

8.7 Расчет крутящего момента на шпинделе

Крутящий
момент на шпинделе рассчитывается по
формуле:

где
– мощность электродвигателя, кВт:

–КПД
участка привода от электродвигателя
до шпинделя;

–расчетная
частота вращения шпинделя, определяется
по формуле:

где
– минимальная частота вращения четвертого
вала, мин-1:

мин-1;

–диапазон
регулирования частот вращения шпинделя:

КПД
участка привода до шпинделя рассчитывается
по формуле:

где
–
КПД зубчатой муфты;

–КПД
пары подшипников;

–КПД
зацепления зубчатых колес;
.

9 Проектный расчет передач

9.1 Расчет цилиндрической прямозубой
постоянной передачиz₁–z₂

9.1.1
Исходные данные

1.
Расчетный крутящий момент на первом
валу привода, H·м:

Т₁
=
13 Н·м;

2.
Число зубьев шестерни: z₁
=
18;

3.
Число зубьев колеса: z₂
=
83;

4.
Передаточное число передачи: u₁
=
4,76.

9.1.2
Выбор материала и термической обработки
зубчатых
колес

В
качестве материала для зубчатых колес
передачи выбираем сталь 40Х, которая
отвечает необходимым техническим и
эксплуатационным требованиям. В качестве
термической обработки выбираем объемную
закалку, позволяющую получить твердость
зубьев 40..50HRC_э.

9.1.3
Проектный расчет постоянной прямозубой
зубчатой передачи
на контактную выносливость

Диаметр
начальной окружности шестерни
рассчитывается по формуле:

где

вспомогательный
коэффициент: для прямозубых передач

—
расчётный крутящий момент на первом
валу, Н·м: Т₁=13
Н·м;

коэффициент
нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5:
принимаем

—
передаточное число:

отношение
рабочей ширины венца передачи к начальному
диаметру шестерни:

допускаемое
контактное напряжение, МПа.

Допускаемое
контактное напряжение для прямозубых
передач рассчитывается по формуле:

где

базовый
предел контактной выносливости
поверхностей зубьев, соответствующий
базовому числу циклов перемены напряжений,
МПа;

МПа;

S_H
– коэффициент безопасности: S_H
= 1,1.

Коэффициент
отношения рабочей ширины венца передачи
к начальному диаметру шестерни может
приниматься в пределах

или
определяется
по формуле:

отношение
рабочей ширины венца передачи к модулю:
принимаем

число
зубьев шестерни: z₁
= 18.

что
находится в допустимых пределах
.

Таким
образом, диаметр начальной окружности
шестерни равен:

Модуль
постоянной прямозубой передачи
определяется из условия расчета на
контактную выносливость зубьев по
рассчитанному значению диаметра
начальной окружности шестерни по
формуле:

где

диаметр
начальной окружности шестерни, мм:d_w1
=
38,75 мм;

число
зубьев шестерни: z₁
= 18.

Самые мощные серийные автомобили 2016 года.

Изучая технические характеристики современных автомобилей большинство из нас чаще всего обращают свое внимание на мощность автомобиля(ей), которая выражается, как все уже знают, в лошадиных силах. Традиционно считается, чем больше л.с

в автомобиле, тем он мощнее. К большому сожалению многие из нас забывают, что не менее важен и другой показатель в автомобиле, это его максимальный крутящий момент. На современном авторынке можно встретить (найти) не мало примеров, когда автомобили (их двигатели) имеют просто фантастическое количество лошадиных сил, а выдают при этом не достаточный для мотора крутящий момент. Уважаемые наши читатели, давайте вместе узнаем, какие серийные автомобили в настоящий момент выпускаются для продажи на мировом авторынке с самым большим крутящим моментом двигателя. Поверьте нам, эти суперкары готовы сегодня запросто разорвать нашу стратосферу, если бы они могли передвигаться (летать) по воздуху.

Все современные технологии в автопромышленности развивавшиеся за последние несколько лет, в буквальном смысле слова изменили весь автомобильный рынок в сфере мощных и супер-мощных супекаров. Ведь еще каких-то 5 лет назад подобный список самых мощных автомобилей выглядел бы совсем по иному. Но в сегодняшнюю эпоху быстрого развития турбированных и гибридных двигателей, все стало выглядеть иначе (по другому).

Благодаря внедрению новейших технологий в автопроизводство на первое место по показателям выдвинулся крутящий момент двигателя, отодвинув на второй план такой немаловажный показатель в машине, как лошадиные силы. Причина заключается в турбокомпрессорах устанавливаемых на моторы, где за счет турбонаддува этих компрессоров увиливается мощность самого двигателя, которая позволяет двигателю свободно использовать его максимальный крутящий момент на малых оборотах. Первое,- так сегодня, главным критерием мощности автомобиля является диапазон оборотов самого двигателя, в котором доступна максимальная мощность. Теперь вы сами понимаете, если эта (большая) мощность автомобиля будет доступна в небольшом диапазоне оборотов силового агрегата, то автомобиль не может считаться одним из самых мощных

Второе,- так же важно, чтобы эта максимальная мощность была доступна на малых оборотах двигателя, то есть, чем раньше автомобиль сможет использовать всю мощь своего двигателя, тем для него лучше. 

Давайте вместе рассмотрим автомобили 2016 года выпущенные по всему миру, у которых самый большой крутящий момент двигателя. Сразу хотим заметить, что в недалеком будущем этот список автомобилей безусловно (скорее всего) будет выглядеть иначе, так как все автомобильные компании не стоят на месте и постоянно создают новые и новые автомобили, т.е. новые суперкары. Так что в следующем году этот рейтинг автомобилей с самым большим крутящим моментом двигателя будет в любом случае выглядеть по-другому.

Виды электродвигателей

По источнику питания приводы разделяют на работающие от:

• Постоянного тока.
• Переменного тока.

По принципу работы их, в свою очередь, делят на:

• Коллекторные.
• Вентильные.
• Асинхронные.
• Синхронные.

Вентильные двигатели не относят к отдельному классу, так как их устройство является вариацией коллекторного привода. В их конструкцию входит электронный преобразователь и датчик положения ротора. Обычно их интегрируют вместе с платой управления. За их счет происходит согласованная коммутация якоря.

Синхронные и асинхронные двигатели работают исключительно от переменного тока. Управление оборотами происходит с помощью сложной электроники. Асинхронные делятся на:

• Трехфазные.
• Двухфазные.
• Однофазные.

Теоретическая формула мощности трехфазного электродвигателя при соединении в звезду или треугольником

P = 3 * U_ф * I_ф * cos(alpha).

Однако для линейных значений напряжения и тока она выглядит как

P = 1,73 × U_ф × I_ф × cos(alpha).

Это будет реальный показатель, сколько мощности двигатель забирает из сети.

Синхронные подразделяются на:

• Шаговые.
• Гибридные.
• Индукторные.
• Гистерезисные.
• Реактивные.

В своей конструкции шаговые двигатели имеют постоянные магниты, поэтому их не относят к отдельной категории. Управление работой механизмов производится с помощью частотных преобразователей. Существуют также универсальные двигатели, которые функционируют от постоянного и переменного тока.

Простым языком о крутящем моменте

Если внимательно изучить основные характеристики двигателя авто, то можно столкнуться со следующими понятиями:

• уровень мощности мотора машины, который измеряется в лошадиных силах;
• крутящий момент мотора машины (измеряется в ньютонометрах);
• число оборотов, которые мотор машины делает в течение одной минуты.

Подавляющее большинство людей, которые видят значение в 100 или же в 200 л.с. считают, что это хорошо. И, по большому счету, это действительно так. 100 л.с. или же лошадиных сил являются очень хорошими показателями для городских кроссоверов, которые отличаются компактными размерами, или же для мощных хэтчбеков.

Однако такие характеристики как крутящий момент, число оборотов, которые мотор делает в течение одной минуты, являются не менее важными характеристиками мотора. Потому как уровень мощности в 200 л.с. может быть достигнут, только когда мотор автотранспортного средства работает на пределе. От крутящего момента и будет зависеть быстрота разгона транспортного средства.

Допустим, что вы едете на своей машине по автомобильной трассе на большой скорости, включив четвертую или же пятую передачу. Если вдруг дорога станет подниматься, то уровень мощности мотора вашего транспортного средства может просто оказаться недостаточно.

По этой причине вам придется переходить на низкие передачи, уровень мощности мотора, соответственно, от этого будет увеличиваться. Крутящий же момент обеспечивает увеличение уровня мощности мотора автотранспортного средства, помогая активизировать все его силы на то, чтобы преодолеть препятствие.

Это будет зависеть главным образом от конкретной марки транспортного средства. Что касается двигателей дизельного типа, то у них максимальный крутящий момент в подавляющем большинстве случаев наблюдается на трех-четырех тысячах оборотов в течение одной минуты.

Соответственно, у них гораздо лучше динамика разгона. Тем не менее, в плане максимального уровня мощности они очень сильного проигрывают двигателям, которые работают на бензине.

Ну и для того, чтобы читателям было совсем понятно, что представляет собой крутящий момент, расскажем о единицах, в которых он измеряется. Это метры и ньютоны. Это та сила, с которой мощность поступает от поршня на маховик через коленвал. И уже от него на трансмиссию (коробку передач). От скорости движения поршня будет непосредственным образом зависеть скорость движения маховика.

Хотя существуют и такие автотранспортные средства, мотор которых вырабатывает тягу даже при низких оборотах. К таким в частности, можно отнести различного рода трактора, самосвалы, а также внедорожники.

От чего зависит крутящий момент мотора автотранспортного средства

Само собой разумеется, что самые мощные моторы транспортных средств обладают достаточно крупными размерами. Соответственно, если ваше транспортное средство – это малолитражка или же компактный хэтчбек, то у вас не получится ни резко разогнаться, ни «стартануть» с места.

Исходя из этого, на малолитражках двигатель используется только лишь на половину своей максимальной мощности. В то время как мощные транспортные средства способны разгоняться практически с места. При этом отсутствует необходимость в быстром переключении передач.

Еще одним важным параметром, который оказывает самое непосредственное влияние на крутящий момент мотора автотранспортного средства, является его эластичность. Этот параметр показывает соотношение числа оборотов, которое делает мотор в течение одной минуты, и уровня мощности.

Даже на низкой передаче авто может ехать с достаточно высокой скоростью при двигателе, работающем на полную мощность. Это является особенно актуальным при езде по городским улицам, потому как там водителям приходится постоянно притормаживать, разгоняться, а потом снова притормаживать.

При езде по автомобильной трассе это тоже очень выгодно, потому как можно разогнать двигатель транспортного средства до необходимого количества оборотов всего одним нажатием на педаль.

Из чего берутся лошадиные силы двигателя

Примечательно, но такой вариант измерения, как лошадиные силы, появился еще в восемнадцатом веке, когда английский изобретатель Джеймс Уатт в 1789 году предложил установить данный термин, чтобы характеризовать мощность силового агрегата. Это произошло благодаря минувшим событиям, когда в самом начале промышленной революции на территории Англии в рудниках, а также на мельницах и в портах для подъемных механизмов в качестве основной силы применялись лошади. Этих животных запрягали, после чего запускали по кругу, чтобы создавалось необходимое усилие.

Примечательно, что на тот момент такое животное, как лошадь весом порядка 500 килограмм, могло благодаря налаженной системе обеспечить грузоподъемность крану до 90 кг. При этом, скорость вращения или подъема составляла 1 м/с. На тот момент большие груза поднимали отдельными бочками либо соответствующими кулями, чей вес мог достигать отметки 140 – 190 килограмм. Исходя из этого можно сделать вывод, что стандартная лошадь за восемь часов работы при движении со скоростью 3 км/ч свободно могла перегрузить порядка 14 тонн груза. В итоге, такую работу животного и прописали в качестве основного термина для характеристики мощности двигателя.

Примечательно, что первые механизированные средства или паровые машины могли выполнять такую же работу заметно быстрее, чем обычная лошадь. Это было возможно благодаря моторам, чья мощность доходила до нескольких лошадиных сил. Учитывая это можно подытожить, что мощность в текущем понимании — это не спортивная динамика автомобиля, не иная величина, а ничто иное, как определенная работа, которая совершается за определенную единицу времени. Отчасти, это также относится и к такому параметру, как крутящий момент, который также характеризует мощность силового агрегата.

Максимальный крутящий момент

Максимальным называется крутящий момент, представляющий пик, после которого момент не растет, несмотря на количество оборотов. На малых оборотах в цилиндре скапливается большой объем остаточных газов, в результате чего показатель КМ значительно ниже пикового. На средних оборотах в цилиндры поступает больше воздуха, процент газов снижается, крутящий момент продолжает расти.

При высоких оборотах растут потери эффективности: от трения поршней, инерционных потерь в ГРМ, разогрева масла и т.д. будет зависеть работа мотора. Поэтому рост качества работы двигателя прекращается или само качество начинает снижаться. Максимальный крутящий момент достигнут и начинает снижаться.

В электродвигателях максимальный вращательный момент называется «критический».

Таблица марок автомобилей с указанием крутящего момента:

Модели автомобиля ВАЗ	Крутящий момент (Нм, разные марки двигателей)
2107	93 – 176
2108	79-186
2109	78-118
2110	104-196
2112	104-162
2114	115-145
2121 (Нива)	116-129
2115	103-132
2106	92-116
2101	85-92
2105	85-186
Двигатели ЗМЗ
406	181,5-230
409	230
Других популярные в России марки автомобилей
Ауди А6	500-750
БМВ 5	290-760
Бугатти Вейрон	1250-1500
Дэу Нексия	123-150
КАМАЗ

650-2000+

Киа Рио
132-151

Лада Калина
127-148

Мазда 6
165-420

Мицубиси Лансер
143-343

УАЗ Патриот
217-235

Рено Логан
112-152

Рено Дастер
156-240

Тойота Королла
128-173

Хендай Акцент
106-235

Хендай Солярис
132-151

Шевроле Каптив
220-400

Шевроле Круз
118-200

Еще одна формула для момента силы

Вращательный момент можно рассчитать еще одним способом.

Для этого вместо плеча силы нужно использовать:

• величину \( d \) и
• угол \( \gamma \) между силой и этим расстоянием.

Величина \( d \) – это расстояние между двумя точками:

• точкой, к которой приложена сила
• и точкой, вокруг которой происходит вращение.

Рис. 5. Момент силы можно рассчитать, зная: — силу; — расстояние между точками приложения силы и вращения; — угол между силой и этим расстоянием

На рисунке 5: черная стрелка – это вектор вращающей силы \( \vec{ F } \); красная линия – это расстояние \( d \) между точкой приложения силы и точкой вращения.

\

Этой формулой во многих случаях пользоваться удобнее, чем формулой, содержащей \( l \) плечо силы.

Какому двигателю отдать предпочтение

Из-за разных типов мотора одна и та же модель может отличаться по показателям мощности мотора и крутящему моменту, при этом разница может быть значительной.

Бензиновый двигатель

Бензиновый двигатель формирует воздушно-топливную смесь, заполняющую цилиндр. Температура внутри него поднимается до примерно 500 градусов. У таких моторов номинальный коэффициент сжатия составляет порядка 9-10, реже 11 единиц. Поэтому, когда происходит впрыск необходимо использование свечей зажигания.

Дизельный двигатель

В цилиндрах работающего на дизеле движка коэффициент сжатия смеси может достигать показателя в 25 единиц, температура – 900 градусов. Поэтому смесь зажигается без использования свечи.

Электродвигатель

Автомобильный трехфазный асинхронный электродвигатель работает по совершенно другим законам, поэтому его мощность и КМ отличаются от традиционных кардинально. Электромотор состоит из ротора и статора, кратность которых позволяет выдавать пиковый КМ (600 Нм) на любой скорости. При этом мощность электродвигателя, например, у Теслы, составляет 416 л. с.

Чтобы ответить на вопрос – дизельный, бензиновый или электродвигатель лучше, надо сначала исключить третий вариант, поскольку электродвигатели пока не так распространены, как первые два типа.

Кроме того, благодаря большему крутящему момент автомобиль, использующийся как грузовой, обладает большей грузоподъемностью за счет двигателя. Особенно если двигатель дизель-генераторный.

Какие факторы влияют на крутящий момент двигателя

Когда речь идет о максимальном значении крутящего момента двигателя, существует три разных, но взаимосвязанных ограничивающих фактора.

Механические свойства материалов

Во-первых, это механические свойства материалов. Хорошим примером такого подхода к проектированию являются разные серводвигатели.

Более дешевые сервоприводы с более низким крутящим моментом используют пластиковые шестерни, обычно сделанные из нейлона. Производство пластиковых шестеренок недорогое, что делает сервоприводы с нейлоновыми шестеренками более дешевыми в производстве, и, следовательно, их можно дешевле купить. Нейлоновые шестерни также более легкие, по сравнению с металлическими, что является важным фактором для робототехники и летательных аппаратов. Однако если на эти нейлоновые шестерни будет приложен слишком большой крутящий момент, они сломаются.

Сервоприводы с более высоким крутящим моментом содержат металлические шестерни, поэтому они могут выдавать более высокий крутящий момент без поломок.

Материалы, используемые в конструкции двигателя, играют огромную роль в определении того, какой крутящий момент двигатель будет способен создать.

Рисунок 4 – Двигатели изготавливаются из различных материалов, но, как правило, те, что изготовлены из металла, имеют более высокий крутящий момент, чем те, что изготовлены из нейлона или другого пластика.

Максимальное напряжение двигателя

Вторым фактором, влияющим на максимальный крутящий момент двигателя, является максимальное напряжение, на которое рассчитан двигатель. Если вы посмотрите на страницу характеристик любого сервопривода, вы найдете разные значения крутящего момента для разных напряжений. Более высокие напряжения дают двигателю большую мощность для обеспечения более высокого крутящего момента. Тем не менее, двигатель и его схема управления могут принимать ограниченное напряжение из-за возможности перегрева и сгорания. Максимальное напряжение, которое двигатель может принять без сбоев, влияет на величину его максимального крутящего момента.

Рисунок 5 – Максимальное напряжение двигателя указывается в технических характеристиках, представленных производителями. Связь между рабочим напряжением и крутящим моментом.

Тепловыделение двигателя

Это подводит нас к последнему фактору, ограничивающему максимальный крутящий момент двигателя. Поскольку двигатели работают, они генерируют ненужное тепло. Чем тяжелее работает двигатель, тем больше тепла он выделяет.

Для большинства двигателей, используемых в любительских проектах, от двигателей постоянного тока до сервоприводов и шаговых двигателей, создаваемое тепло просто излучается в воздух. У них нет активного охлаждения, как, например, в электромобиле. Следовательно, двигатель ограничен тем, какой крутящий момент (а также скорость) он может генерировать без риска сбоя по температуре.