Када видимо рекламе које различити брендови објављују за своје аутомобиле у медијима, можемо приметити да, са техничке тачке гледишта, они обично приказују низ бројки везаних за брзину, потрошњу горива, убрзање... укратко, хладне бројке које велики проценат возача никада неће моћи да достигне. Међутим, постоји једна физичка карактеристика у којој сви возачи уживају, она која се ретко рекламира, иако се не тако давно сматрала прилично важном: обртни момент.
Не тако давно, пре него што су аутомобили доживели тренутни нагли пораст снаге, „ брзо убрзавање “ аутомобила се често описивало као његова способност да брзо добије брзину. Иако је овај популарни појам тачан у разумевању шта „брзо убрзавање“ заправо значи , он је недовољан, или боље речено, нетачан, када је у питању разумевање обртног момента.
Шта је обртни момент?
Обртни момент, такође познат као обртни момент мотора, је физичка величина која мери момент силе који се мора применити на вратило које се окреће око своје осе одређеном брзином. Примењен на аутомобилски свет и објашњен на начин који сви могу разумети, може се дефинисати као сила потребна да се радилица мотора окреће и, самим тим, може пренети то кретање на друге механичке компоненте неопходне за померање возила.
И ту уочавамо прву разлику између стварности и обичаја; Када говоримо о обртном моменту мотора да бисмо изразили капацитет убрзања возила, ми заправо не дефинишемо шта је обртни момент мотора, ми само описујемо једну од његових примена. То је зато што обртни момент мотора мери снагу потребну да мотор окрене одређени број обртаја, али не узима у обзир додатну снагу која се мора применити да би се променила угаона брзина вратила или радилице.
Мало физике да објаснимо обртни момент
Да бих вам објаснио шта је обртни момент мотора, бежећи од физичких принципа, објаснићу функцију радилице и силе које делују на њу.
Топлотни мотор генерише енергију у цилиндрима. Конкретно, у коморама за сагоревање експлодира смеша горива и ваздуха. Енергија ослобођена овом експлозијом генерише линеарно кретање гурајући клип у супротном смеру од главе цилиндра. Клипови у различитим цилиндрима су повезани са радилицом клипњачама , и управо на споју ових клипњи са радилицом линеарно кретање се трансформише у ротационо кретање.
Вреди поменути на овом месту изузетну конструкцију ротационих мотора , код којих кружне коморе „цилиндричних“ структура директно окружују централно вратило које се окреће око сопствене осе, покретано експлозијама произведеним у коморама. Стога се у овом случају ротационо кретање генерише директно . У сваком случају, физички принципи који управљају обртним моментом су исти.
Чак и без претераног проучавања, да би се поједноставила идеја трансформације енергије, могло би се рећи да ротирајући блокови стварају обртни момент уместо снаге. У то се не може веровати јер ни коморе ни ротор ротационих мотора нису тачно кружни и до паљења горива долази у делу коморе, за разлику од конвенционалних цилиндричних мотора у којима смеша горива и ваздуха заузима целу запремину. .
Враћајући се на физичко објашњење, сила коју клип делује на радилицу није константна током целог процеса експанзије. То је зато што се унутар сваког цилиндра максимална излазна снага генерише у тренутку паљења горива. А ови тренуци максималне снаге прате и тренуци максималног обртног момента.
Кашњење између тренутка у коме се ствара максимална снага у цилиндру и максимума примењеног на радилицу није лако израчунати. То је зато што клипови не врше чисто линеарно кретање, већ због тога што ни радилица није потпуно равна, они чине кретање које комбинује линеарни ефекат клипа са кружним ефектом лежајева клипњаче.
Међутим, ови моменти максималне снаге и максималног обртног момента су од великог значаја у смислу перцепције глаткоће у раду мотора.
Што више цилиндара возило има, то ће се више пута у минути јавити тај тренутак максималне снаге , а возачев осећај глатког рада мотора биће хомогенији.
То је због чињенице да ће код 2-цилиндричног мотора постојати један момент максималне силе на сваких 360º ротације радилице, код троцилиндричног мотора то ће се десити сваких 240º, у једном од шест на сваких 120º и ускоро. Наравно, ово се мора тумачити као чиста теорија јер данас произвођачи настоје да своје моторе учине што глаткијим у смислу њиховог рада.
Овај фактор такође утиче на чињеницу да мотор генерише више вибрација у празном ходу и да су те вибрације приметније: при 1.000 обртаја у минути, постоји упола мање вршних обртних момената у поређењу са 2.000 обртаја у минути. На пример, почевши од просечне брзине у празном ходу од 850 обртаја у минути, троцилиндрични мотор ће генерисати мање од десет обртних момената у секунди, док ће шестоцилиндрични мотор генерисати скоро двадесет.
Ако узмемо у обзир да „нормалан“ човек, суочен са повременом силом непрекидне примене, боље препознаје интервале веће од десетинке секунде од оних мање, ево баналног објашњења по коме шира јавност препознаје вибрације мотора два или три цилиндра: јер је интервал између момената максимума споља већи од десетинке секунде.
Који обртни момент испоручује ваш мотор?
Многе публикације о аутомобилском свету често мере обртни момент који мотор возила „испоручује“. Ова изјава је, по дефиницији, нетачна, јер обртни момент схватамо као примењену силу , а не као резултујућу силу . Међутим, такође према физичком принципу акције и реакције, када се момент силе примени на ротирајуће вратило, аутоматски се генерише други момент силе исте величине и смера, али у супротном смислу ( Њутнов трећи закон ).
Како израчунати обртни момент мотора – оптерећење мотора
Обртни момент мотора се може измерити, али је његово израчунавање изузетно компликовано и готово немогуће за смртнике, па га је лакше препустити професионалцима способним за руковање савременим машинама и веома сложеним компјутерским програмима, иако на први поглед видимо само банку ваљака.
Као што се може видети из његове дефиниције, у мотору са унутрашњим сагоревањем обртни момент је променљива величина која зависи од снаге генерисане у коморама цилиндра и броја обртаја којима се мотор окреће у том тренутку, тако да се његова вредност може израчунати из формуле P = T · ω где је P снага изражена у ватима, T је обртни момент изражен у Њутн метрима, а ω је радијална брзина ротације изражена у радијанима у секунди.
Међутим, други фактори утичу на теоријске вредности које се могу добити директном применом формуле, као што је унутрашње трење мотора . Ово унутрашње трење значи да део снаге коју генерише мотор није употребљив споља, већ се „губи“ у самом процесу кретања мотора, обично као топлота. Запамтите да се енергија нити ствара нити уништава, већ се само трансформише.
Постоје и спољни фактори који могу утицати на снагу коју генерише мотор, чак и у ситуацијама које се интерно могу чинити упоредивим. На пример, исти мотор који ради константном брзином од 2.000 обртаја у минути генерисаће више снаге када се креће по равном путу него када се креће низбрдо. Иако је број обртаја константан, а самим тим и угаона брзина радилице, различита излазна снага у сваком тренутку такође се преводи у различит обртни момент који се примењује на радилицу.
Многи од вас се можда питају како је ово могуће, али објашњење је прилично једноставно. Као што сви знамо, кретање се генерише паљењем стехиометријске смеше горива и ваздуха у коморама цилиндра, а ако је потребна мања снага, решење је убризгавање смеше сиромашније горивом, а богатије ваздухом. То је такође разлог зашто рачунар нашег аутомобила показује мању или чак нулту тренутну потрошњу горива при спуштању низ планински превој.
Сви ови параметри који модификују рад и теоријске резултате механизма називају се оптерећење мотора , што се може дефинисати као количина обртног момента коју мотор мора да произведе да би превазишао отпоре који се супротстављају његовом кретању.
Као што смо видели, оптерећење мотора зависи и од унутрашњих фактора мотора, као што је трење његових различитих покретних делова, и од спољашњих фактора, као што су трење гума или аеродинамика аутомобила. Укључио сам ова два примера, која су потпуно спољашња у односу на механику возила, јер у оба случаја генеришу супротне и стално променљиве силе против кретања возила. То такође значи да ће вредност оптерећења мотора бити стално променљиви параметар.
Оптерећење мотора такође утиче на нас током вожње на веома јасан начин који сви возачи цене. Ако наставимо са истим примером возила које се креће константном брзином и константном брзином мотора, зашто је аутомобилу теже постићи брзину на узбрдици него на низбрдици? Па, због варијације оптерећења мотора.
Враћајући се на теоријску област, када се аутомобил креће константном брзином по равном путу, он доживљава две спољашње силе које делују супротно његовом кретању: аеродинамику и трење . Када возило почне да се креће узбрдо, ако одржавамо константну брзину, можемо сматрати да аеродинамичка сила која се супротставља кретању остаје, али се трење мења тако што постаје гравитациона сила, и како возило почиње да се пење, део трења ће „повући“ аутомобил уназад.
Ако желимо да будемо заиста прецизни, можемо узети у обзир и кинетичку и потенцијалну енергију . Кинетичка енергија зависи од масе и брзине возила, док потенцијална енергија зависи од његове масе и висине. Како се висина повећава, због принципа очувања енергије, кинетичка енергија се трансформише у потенцијалну енергију.
У овом случају узбрдице , када се саберу све спољашње силе које се супротстављају кретању, можемо рећи да се оптерећење мотора повећава и стога се количина „употребљивог“ обртног момента мотора смањује, и може се уочити неколико ситуација:
- Ако желимо одржавати константну ротацију мотора морамо захтевати више снаге тако што ћемо јаче притиснути гас да бисмо убризгали богатију мешавину горива у коморе цилиндара.
- Ако се нагиб пута повећа, може доћи време када возило почне изгубити брзину. Ово је због чињенице да је оптерећење мотора (силе супротне кретању) веће од обртног момента који може да се генерише у мотору (позитивне силе кретања).
- боравком константна снага и обртни момент, и повећањем оптерећења мотора, мање снаге ће бити доступно за повећање брзине возила јер је убрзање пропорционално примењеној сили: мања снага значи мања снага убрзања.
Обртни момент мотора и мењач
Међутим, физика је такође способна да модификује понашање тела изложених различитим силама, а у случају радилице мотора нашег аутомобила, може се рећи да је способна да пошаље обртни момент мотора који прима из цилиндара на друге делове возила, као што је мењач.
Обртни момент се преноси са мотора на мењач као ротационо кретање преко улазног вратила. Зато произвођачи увек разматрају своје спецификације мењача у смислу ограничења обртног момента, а не снаге. Унутар мењача, обртни момент се трансформише у тангенцијалну силу, а затим назад у обртни момент . Како?
Унутар мењача налази се низ зупчаника који преносе кретање једни на друге једноставним захватањем својих зубаца. Ови зупчаници, који одређују број зупчаника у мењачу, имају различите величине или „преносне односе“. Зато понекад можете прочитати да мењач има x брзина или x преносних односа; то је иста ствар.
У сваком случају, ова различита величина назубљених прстенова је оно што мења улазни и излазни обртни момент, такође због физичког принципа очувања енергије : када се два точка окрећу у зупчанику (теоретски), они чувају енергију, тако да производ обртног момента и угаоне брзине мора остати константан.
Објашњавајући основни принцип који утиче на обртни момент, ниже брзине имају веће ланчанике од оних у вишим брзинама и његову физичку логику је врло лако разумети на примеру јер је то нешто што сви возачи увиђају и знају. Искористите предност, па настављамо са исти аутомобил који циркулише при 2.000 обртаја у минути, стварајући константну снагу и обртни момент.
Приликом вожње у првој брзини , примарно улазно вратило преноси обртни момент мењачу одређеном угаоном брзином, али је у контакту са већим зупчаником , који се окреће мањом брзином од улазног вратила. Пошто снага у зупчанику остаје константна, како се угаона брзина смањује, обртни момент се повећава.
Ако, с друге стране, циркулишемо у највишем степену преноса, са прстенастим зупчаником чак мањим од зупчаника примарног улазног вратила, десиће се управо супротно: зупчаник највишег зупчаника ће се ротирати брже и самим тим ће се излазни обртни момент смањити..
Ова варијација у обртном моменту суочена са теоретском константношћу и ефикасности блока и оптерећења мотора је одговорна за различито понашање које се може приметити у аутомобилу при добијању брзине. Пошто сви знају да је при вожњи константном брзином лакше повећати брзину мотора у нижој него у дугој, иако су снага и обртни момент који се стварају у мотору исти.
Разлог је тај што у вишој брзини, мањи обртни момент стиже до погонских точкова . То је зато што се, при истој брзини мотора, гуме брже окрећу у вишој брзини. Зато понекад можемо да се пењемо уз стрмо брдо у првој брзини са 1.500 обртаја у минути, док нас други пут, возећи у 5. или 6. брзини, најмањи нагиб приморава да пребацимо у нижу брзину како бисмо одржали брзину, иако путујемо већом брзином мотора.
Логично, поново смо у теоријском свету јер, у пракси, како се брзина повећава, расте и аеродинамичка сила која тежи да успори аутомобил, повећавају се губици енергије , на пример, због већег загревања гума... Укратко, низ спољних агенаса који генеришу силе супротне кретању и са којима је једноставно вредно да будете донекле упознати како бисте боље разумели обртни момент мотора.
Обртни момент у електромоторима
Као и код ротационих мотора, електромотори директно генеришу ротационо кретање и, самим тим, обртни момент, а не снагу у традиционалном смислу. То је зато што се принцип рада електромотора заснива на фундаменталном принципу магнетизма: иста наелектрисања се одбијају, а супротна наелектрисања привлаче.
Основна конструкција електромотора , у ширем смислу, састоји се од намагнетизованог цилиндра са ротором који пролази кроз њега. Овај ротор се окреће око сопствене осе захваљујући сталним променама наелектрисања спољашњег цилиндра. Најосновнији пример би био компас: ако се не дира, показује ка Земљином магнетном северу, али ако приближимо магнет и ротирамо га кружним покретом око компаса, његова игла ће се окретати истом брзином као и ротација магнета.
Постоји фундаментална разлика у погледу квалитета произведеног обртног момента : он је готово константан . Док се код мотора са унутрашњим сагоревањем број обртног момента може мењати у зависности од брзине мотора, код електромотора обртни момент је готово константан. То је због основног принципа рада ових типова мотора и технологије која се данас примењује.
Као што сам поменуо, ротација ротора електромотора је последица континуиране поларизације статора , који постаје мало магнетно поље способно да ротира ротор кроз наизменично смењивање привлачних и одбојних сила. Управо у овом тренутку, тренутни технички напредак омогућава да гравитационе силе генерисане у ротору имају готово константан максимални обртни момент.
Обртни момент електромотора вс. термички обртни момент мотора
Поменуо сам да је обртни момент готово константан из веома специфичног разлога, што донекле објашњава ограничења електричних аутомобила на аутопутевима и аутопутевима, али и њихове предности у градском саобраћају. За разлику од мотора са унутрашњим сагоревањем, електромотори генеришу обртни момент од почетка ротације и одржавају га константним док не достигну максималну снагу, када се вредност обртног момента смањује. На пример, BMW i3 нуди максималну снагу од 170 КС и максимални обртни момент од 250 Nm , али да видимо како је распоређен:
- Електрични мотор БМВ и3 нуди константан обртни момент од 250 Нм од скоро 0 обртаја мотора до приближно 4.500 обртаја мотора у минути.
- У овом интервалу од 0 до 4.500 обртаја у минути снага се повећава са 0 на 170 коњских снага (127кв).
- Почевши од 4.500 обртаја у минути, и обртни момент и снага почињу да опадају.
- При 8.000 обртаја у минути, мотор БМВ и3 нуди око 150 коњских снага и обртни момент од 125 Нм.
Шта можемо закључити на основу ових бројки? Па, у случају мотора BMW i3, може се слободно рећи да је веома живахан до 4.500 обртаја у минути, што овај аутомобил чини веома брзим при убрзањима при малим брзинама. Заправо, достиже 100 км/х из места за само 7,3 секунде, што му омогућава да се равноправно носи са BMW 120i.
Међутим, изнад 4.500 обртаја у минути , и снага и обртни момент почињу да опадају, што негативно утиче на убрзање и потрошњу горива, која се може удвостручити у поређењу са званичним бројкама. Због тога многи електрични аутомобили имају „ЕКО“ режим који ограничава њихову максималну брзину на 90 или 100 км/х , управо када аутомобил попут BMW 120i може постићи веома ниску потрошњу горива одржавањем константне брзине.
Узгред, постоји још једна упечатљива и занимљива предност аутомобила опремљених електромоторима: мање су осетљиви на спортску вожњу или градски саобраћај , а повећање потрошње енергије није толико изражено као што би било код возила са еквивалентним мотором са унутрашњим сагоревањем. То је зато што, нудећи тако висок и релативно константан обртни момент, мотор може лакше повећати брзину ротације или му је потребан мањи обртни момент да би то учинио.
Обртни момент бензина вс. дизел обртни момент вс. обртни момент суперцхаргинг
У овом одељку се не препоручује предуго задржавање јер су разлике између обртног момента добијеног од мотора на бензински и дизел мотора последица посебних конструкцијских карактеристика сваког од њих и енергије која се ослобађа паљењем њихових одговарајућих горива.
Ако узмемо класично тумачење ових бројки, схвативши ово као поређење између мотора са природним усисавањем и мотора са убризгавањем, или што би мање-више био скок назад у 80-те , дизел мотори су нудили већи обртни момент и при нижим обртајима у поређењу са бензинским моторима , али у данашњим очима, њихов ниво снаге би могао бити чак и смешан.
У том смислу, можемо се сетити почетка чланка где сам објаснио да је теоретска снага возила пропорционална његовом обртном моменту и угаоној брзини. Бензински мотор са природним усисавањем има приближан употребљиви радни опсег између 1.000 и 5.500 обртаја у минути, а дизел мотор са природним усисавањем између 1.000 и 4.000 обртаја у минути. У стварној вожњи, практични радни опсег је између 2.000 и 4.000 обртаја у минути за бензинске моторе и између 1.500 и 3.000 обртаја у минути за дизел моторе.
Ако једну од варијабли оставимо константном, на пример окретање на 2.000 обртаја у минути, добићемо мање снаге у дизел мотору, али ће нам истовремено понудити већи обртни момент. О чему се овде ради? Па једноставно, обртни момент мотора је узрокован линеарним кретањем клипова према паљењу горива у коморама цилиндара и снага која се генерише у зависности од тога да ли се сагорева бензин или дизел је различита. Међутим, механичко објашњење важи за оба случаја.
Електроника и суперпуњење
Данас, оно што сам управо објаснио остаје у сећањима најносталгичнијих међу нама. У ствари, многи од вас су приметили да понекад произвођач нуди возила са различитим бројкама обртног момента и снаге изведеним из истог блока мотора . Или чак возило које има „ЕКО“ режим који може да модификује ове бројке једноставним притиском на дугме, као што је случај, на пример, са Фијат Панда Крос ТвинЕјр : у нормалном режиму нуди 90 КС и 145 Нм, а у „ЕКО“ режиму пада на 78 КС и 100 Нм.
То је због техничког и, пре свега, електронског напретка примењеног у аутомобилском свету. Данас више није изненађујуће чути за системе променљивог времена отварања вентила за возила са главама цилиндара са више вентила, дизел и бензинске моторе са истим степеном компресије, или чак моторе са променљивом компресијом. Али ако постоји једна ствар која је представљала огроман скок напред у погледу обртног момента и снаге возила, то је принудна индукција.
Иако његово механичко објашњење може бити веома компликовано, основни принцип компресора је веома једноставан: повећање притиска унутар комора цилиндра како би се повећала сила генерисана паљењем горива, што доводи до тога да се клипови спуштају са већом силом и, самим тим, већи обртни момент стиже до радилице.
Као што се и очекивало, његова механичка изведба је нешто компликованија и захтева много проучавања његове исправне локације унутар хаубе аутомобила, нових усисних и излазних колектора, специфичних појачања у клиповима, клипњачама, радилици... али основни принцип је да се Повећајте притисак у комори цилиндра и то је оно што је важно да се повеже са обртним моментом мотора.
Турбопуњавање може бити директно покретано брзином мотора или притиском издувних гасова. Данас је електроника стигла и до турбопуњача, а нови Audi SQ7 TDI је дебитовао са првим електричним турбопуњачем на тржишту , са спектакуларним резултатима: 435 КС константно између 3.750 и 5.000 о/мин и 900 Nm константно између 1.000 и 3.250 о/мин.
Обртни момент јуче и данас
До пре много година, само најупућенији су знали да је аутомобил са квадратним цилиндрима (пречник = ход) најизбалансиранији за вожњу, да ако је ход мањи од пречника, то би био моћан аутомобил, али са скромним обртним моментом и да ако је ход већи од пречника био би управо супротно, тиши и са више обртног момента.
Данас, већина мотора припада модуларним породицама , што омогућава произвођачима да понуде блокове са више или мање цилиндара и бензинске или дизел моторе са релативном лакоћом и минималним променама; варијације обртног момента и снаге одређене су употребом и комбинацијом различитих техничких и електронских апликација које произвођач жели да користи.
Упркос свему овоме што сам објаснио у овом чланку, стварност превазилази теорију у свим аспектима. На данашњем тржишту можемо наћи шестоцилиндричне моторе снаге једног од осам, троцилиндричних мотора једнако глатких или више од осталих четвороцилиндричних мотора сличног капацитета или чак дизел мотора са истим степеном компресије као и бензински, а тј. јер Данас је све могуће.
Главна сврха овог чланка била је да на разумљив начин објасни шта је обртни момент, како бисте могли да препознате како утиче на свакодневну вожњу и схватите да снага аутомобила, ако није повезана са обртним моментом, није баш добар показатељ његових перформанси. Надам се да сам то постигао.