Вращательный момент

Как увеличить крутящий момент

Увеличение рабочего объема. Чтобы повышать КМ используются разные методы: замена установленного коленвала на вал с увеличенным эксцентриситетом (редко встречающаяся запчасть, которую трудно находить) или расточка цилиндров под больший диаметр поршней. Оба способа имеют свои плюсы и минусы. Первый требует много времени на подбор деталей и снижает долговечность двигателя. Второй, увеличение диаметра цилиндров с помощью расточки, более популярен. Это может сделать практически любой автосервис. Там же можно настроить карбюратор для повышения КМ.

Изменение величины наддува. Турбированные двигатели позволяют достичь более высокого показателя КМ благодаря особенностям конструкции – возможности отключить ограничения в блоке управления компрессором, который отвечает за наддув. Манипуляции с блоком позволят повысить объем давления выше максимума, указанного производителем при сборке автомобиля. Способ можно назвать опасным, поскольку у каждого двигателя есть лимитированный запас нагрузок. Кроме того, часто требуются дополнительные усовершенствования: увеличение камеры сгорания, приведение охлаждения в соответствие повышенной мощности. Иногда требуется отрегулировать впускной клапан, иногда – сменить распредвал. Может потребоваться замена чугунного коленвала на стальной, замена поршней.

Изменение газодинамики. Редко используемый вариант, поскольку двигатель – сложная конструкция, созданием которого занимаются профессионалы. Теоретически можно придумать, как убрать ограничения, заложенные конструкторами для увеличения срока эксплуатации двигателя и его деталей. Но на практике, если убрать ограничитель, результат не гарантирован, поскольку поменяются все характеристики: например, динамика вырастет, но шина не будет цепляться за дорогу. Чтобы усовершенствовать двигатель такие образом надо быть не просто автомобильным конструктором, но и математиком, физиком и т.д.

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}}

Момент инерции

Этот показатель представляет собой скалярную физическую величину, которая отражает меру инертности вращательного движения вокруг собственной оси. При этом масса тела является величиной его инертности при поступательном движении. Основная характеристика параметра выражена распределением масс тела, которая равна сумме произведений квадрата расстояния от оси до базовой точки на массы объекта.В Международной системе единиц измерения он обозначается как кг·м2 и имеет рассчитывается по формуле:

J = ∑ r2 × dm, где

J — момент инерции, кг·м2 ;

m — масса объекта, кг.

Моменты инерции и силы связаны между собой соотношением:

M — J × epsilon, где

epsilon — угловое ускорение, с-2.

Показатель рассчитывается как:

epsilon = d(omega) × dt.

Таким образом, зная массу и радиус ротора, можно рассчитать параметры производительности механизмов. Формула мощности электродвигателя включает в себя все эти характеристики.

Что такое крутящий момент

Крутящим моментом называют единицу силы, которая необходима для поворота коленчатого вала ДВС. Эта не «лошадиная сила», которой должна обозначаться мощность.

ДВС вырабатывает кинетическую энергию, вращая таким образом коленвал. Показатель мощности двигателя (сила давления) зависит от скорости сгорания топлива. Крутящий момент – результат от действия силы на рычаг. Эта сила в физике считается в ньютонах. Длина плеча коленвала считается в метрах. Поэтому обозначение крутящего момента – ньютон-метр.

Технически, крутящий момент – это усилие, которое должно осуществляться двигателем для разгона и движения машины. При этом сила, оказывающая действие на поршень, пропорциональна объему двигателя.

Маховик – одна из важнейших деталей, которая должна через редуктор передавать вращательный момент от мотора к коробке передач, от стартера на коленвал, от коленвала на нажимной диск. Собственно, крутящий момент – итог давления на шатун.

Бензиновый или дизельный мотор, что лучше

Мнения по поводу характеристик бензиновых и дизельных силовых установок расходятся. При одинаковых объемах рабочих цилиндров, мощностной коэффициент отличается.

Бензиновая установка

Воспламенение рабочей смеси в камере сгорания бензинового ДВС осуществляется следующим образом:

• В полость рабочего цилиндра поступает смесь, при движении поршневого элемента к нижней мертвой точке;
• После заполнения камеры сгорания рабочей смесью поршень начинает движение к верхней мертвой точке. При этом закрываются клапана механизма распределения газов. Под действием поршневого элемента рабочая смесь сжимается;
• При максимальном сжатии срабатывает свеча зажигания. Она подаёт искру в полости цилиндра. Смесь воздушной массы с горючим воспламеняется от искры;

После передачи усилия на шейку коленчатого вала открывается выпускной клапан механизма распределения газов. Выхлопные газы выводятся в атмосферу.

Благодаря своей конструкции бензиновый агрегат отличается большим количеством лошадиных сил. При этом степень вращения низкая. Моторы развивают большое количество оборотов.

Дизельная установка

Конструкция мотора работающего на дизельном топливе отличается. Воспламенение горючего осуществляется без применения свечи зажигания. Процесс происходит следующим образом:

1. При движении поршневого элемента к нижней мертвой точке открывается впускной клапан механизма распределения газов. В отличие от бензинового ДВС в полость цилиндра поступает воздушная масса без горючего;
2. При смещении поршня к верхней мертвой точке, оба клапана газораспределительного механизма закрываются;
3. По достижению воздушной массой максимального сжатия в камеру подается дизельное топливо;
4. Под действием давление топливо воспламеняется.

Конструкция дизельного мотора предусматривает более высокую компрессию. Это увеличивает усилие оказываемое на кривошипно-шатунный механизм. Дизельные моторы развивают более низкое число оборотов. Их увеличение приводит к уменьшению срока службы комплектующих.

Высокое усилие позволяет дизельному мотору потреблять минимальное количество топлива на холостом ходу и более динамично разгонять транспортное средство до достижения им максимальной мощности с места. Такой показатель важен на тракторах и различных самоходных машинах использующихся под высокой нагрузкой.

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.

Момент и мощность

Возникает вопрос — если КМ так легко увеличить в разы, то что ограничивает его рост? Ответ даёт та же физика. Как бы не переключалась трансмиссия, есть основная характеристика двигателя, которую изменить она не в состоянии — это мощность.

Мощность двигателя простыми словами равна произведению момента на скорость вращения. То есть выигрывая в скорости, проигрываем в моменте и наоборот. Более того, это является основой для парадоксального многим заключения — значение момента вообще не должно интересовать водителя. Можно ведь просто раскрутить двигатель при увеличенном передаточном числе, сила на колёсах будет той же.

Таблица крутящего момента и мощности

← Круиз-контроль
Ксенон →

• 1
• 8523

Крутящий момент и лошадиная сила

Автолюбители нередко дискутируют друг с другом: чей двигатель мощнее. Но иногда и не представляют при этом, из чего складывается данный параметр. Общепринятый термин «лошадиная сила» был введён изобретателем Джеймсом Уаттом в XVIII веке.  Он придумал его, наблюдая за лошадью, которая была запряжена в поднимающий уголь из шахты механизм. Он рассчитал, что одна лошадь за минуту может поднять 150 кг угля на высоту 30-ти метров. Одна лошадиная сила эквивалентна 735,5 Ватт, или 1 кВт равен 1,36 л.с.

В первую очередь, мощность любого мотора оценивают в лошадиных силах, и лишь потом вспоминают о крутящем моменте. Но эта тяговая характеристика тоже даёт представление о конкретных тягово-динамических возможностях автомобиля. Крутящий момент является показателем работы силового агрегата, а мощность – основным параметром выполнения этой работы. Эти показатели тесно связаны друг с другом. Чем больше производится двигателем лошадиных сил, тем больше и потенциал крутящего момента. Реализуется этот потенциал в реальных условиях через трансмиссию и полуоси машины. Соединение этих элементов вместе и определяет, как именно мощность может переходить в крутящий момент.

Простейший пример – сравнение трактора с гоночной машиной. У гоночного болида лошадиных сил много, но крутящий момент требуется для увеличения скорости через редуктор. Чтобы такая машина двигалась вперёд, надо совсем немного работы, потому что основная часть мощности используется для развития скорости.

Что касается трактора, то у него может быть мотор с таким же рабочим объёмом, который вырабатывает столько же лошадиных сил. Но мощность в этом случае используется не для развития скорости, а для выработки тяги (См. тяговый класс). Для этого она пропускается через многоступенчатую трансмиссию. Поэтому трактор не развивает высоких скоростей, зато он может буксировать большие грузы, пахать и культивировать землю, и т.д.

В двигателях внутреннего сгорания сила передаётся от газов сгорающего топлива поршню, от поршня – передаётся на кривошипный механизм, и далее на коленчатый вал. А коленвал, через трансмиссию и приводы, раскручивает колёса.

Естественно, крутящий момент двигателя не постоянен. Он сильней, когда на плечо действует бо́льшая сила, и слабей – когда сила слабнет или перестаёт действовать. То есть, когда водитель давит на педаль газа, то сила, воздействующая на плечо, повышается, и, соответственно увеличивается крутящий момент двигателя.

Мощность обеспечивает преодоление всевозможных сил, которые мешают двигаться автомобилю. Это и сила трения в двигателе, трансмиссии и в приводах автомобиля, и аэродинамические силы, и силы качения колёс и т.д. Чем больше мощность, тем большее сопротивление сил машина сможет преодолеть и развить большую скорость. Однако мощность – сила не постоянная, а зависящая от оборотов мотора. На холостом ходу мощность одна, а на максимальных оборотах – совершенно другая. Многими автопроизводителями указывается, при каких оборотах достигается максимально возможная мощность автомобиля.

Необходимо учитывать, что максимальная мощность не развивается сразу. Автомобиль стартует с места практически при минимальных оборотах (немного выше холостого хода), и для того, чтобы отмобилизировать полную мощность, требуется время. Тут и вступает в дело крутящий момент двигателя. Именно от него и будет зависеть, за какой отрезок времени автомашина достигнет своей максимальной мощности – то есть, динамика её разгона.

Зачастую водитель сталкивается с такими ситуациями, когда требуется придать автомобилю значительное ускорение для выполнения необходимого маневра. Прижимая педаль акселератора в пол, он чувствует, что автомобиль ускоряется слабо. Для быстрого ускорения нужен мощный крутящий момент. Именно он и характеризует приёмистость автомобиля.

Основную силу в двигателе внутреннего сгорания вырабатывает камера сгорания, в которой воспламеняется топливно-воздушная смесь. Она приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, а через него – коленчатый вал. Рычагом является длина кривошипа, то есть, если длина будет больше, то и крутящий момент тоже увеличится.

Однако увеличивать кривошипный рычаг до бесконечности невозможно. Ведь тогда придётся увеличивать рабочий ход поршня, а вместе с ним и размеры двигателя. При этом уменьшатся и обороты двигателя. Двигатели с большим рычагом кривошипного механизма можно применить только лишь в крупномерных плавательных средствах. А в легковых автомашинах с небольшими размерами коленчатого вала не поэкспериментируешь.

Популярная механика на коленчатом валу

Вращающийся вал любого двигателя с большой силой сопротивляется попыткам его затормозить. Точно так же, как и сам автомобиль противостоит встречному ветру и трению качения колёс. Но при линейном движении физика понятней, сила сопротивления приложена в обратном направлении толкающей силе, всё это вполне однозначно можно измерить.

При вращательном движении сила зависит от точки вдоль радиуса, к которой прикладывается сопротивление вращению. Чем эта точка дальше от центра, тем меньшее усилие потребуется, очень похоже на правило рычага, которое известно гораздо большему кругу не очень хорошо помнящих физику людей. То есть для точной характеристики способностей двигателя преодолевать нагрузку надо учесть и радиус.

Для этого и придумано понятие крутящего момента (КМ) — это сила, умноженная на расстояние от оси вращения, ну или плечо рычага, если так понятнее. Чем больше сила и чем длиннее рычаг (радиус маховика или колеса), тем крутящий момент больше. Измеряется он, соответственно, в Ньютон-метрах, где Ньютон — стандартная единица измерения силы, ну а что такое метр вряд ли стоит объяснять.

Чем создаётся момент в поршневом ДВС и как его повышают

Если представить себе поршень, соединённый с шейкой коленвала через шатун, то становится понятно, что КМ однозначно определяется давлением на поршень. Отсюда и несколько выводов:

• чем больше площадь днища поршня и давление газов над ним, тем выше крутящий момент, значит надо увеличивать наполнение цилиндра полезной смесью или рабочий объём двигателя;
• если смесь сильнее сжимается, то и давление будет больше, отсюда преимущество имеют моторы с высокой степенью сжатия;
• объективными пределами для бесконечного роста момента станут прочность деталей и особенности горения, над этим и работают автомобильные инженеры.

Естественно, поршневыми моторами создатели автомобилей не ограничиваются, но у пока единственного реального конкурента ДВС — электромотора проблема момента так остро не стоит, если его и указывают, то разве что в рекламных целях. Но в любом случае надо выяснить, на что влияет крутящий момент двигателя, и почему ему уделяется столько внимания. Не инженерами, для них он реально очень важен, а миром потребителей автомобилей.

Напряжения при кручении

В поперечных сечениях вала при кручении имеют место только касательные напряжения.
Касательные напряжения, направленные перпендикулярно к радиусам, для произвольной точки, отстоящей на расстоянии ρ от центра, вычисляются по формуле:
где I_ρ — полярный момент инерции.Эпюра касательных напряжений при кручении имеет следующий вид:
Касательные напряжения меняются по линейному закону и достигают максимального значения на контуре сечения при ρ= ρ_max:
Здесь:
— полярный момент сопротивления.Геометрические характеристики сечений:
а) для полого вала:
б) для вала сплошного сечения (c=0)
в) для тонкостенной трубы (t0,9)
где
— радиус срединной поверхности трубы.

Деформации

Деформации валов при кручении заключаются в повороте одного сечения относительно другого.

Угол закручивания вала на длине Z определяется по формуле:
Если крутящий момент и величина GI_ρ, называемая жесткостью поперечного сечения при кручении, постоянны, для участка вала длиной l имеем:
Угол закручивания, приходящийся на единицу длины, называют относительным углом закручивания:
Расчет валов сводится к одновременному выполнению двух условий:

1. условию прочности:
2. условию жесткости:

Для стальных валов принимается:

• допускаемое касательное напряжение
• допускаемый относительный угол закручивания

Используя условия прочности и жесткости, как и при растяжении – сжатии можно решать три типа задач:

1. проверочный расчет, заключающийся в проверке выполнения условий прочности и жесткости при известных значениях крутящего момента, размеров и материала вала.
2. Проектировочный расчет, при котором вычисляются диаметры:
   при этом берется большее из найденных значений, а затем принимается стандартное значение по ГОСТ.
3. Определение грузоподъемности вала:
   • из условия прочности
   • из условия жесткости

   Из двух найденных значений крутящего момента необходимо принять меньшее.

При кручении, наряду с касательными напряжениями в поперечных сечениях, в соответствии с законом парности, касательные напряжения возникают и в продольных сечениях. Таким образом, во всех точках вала имеет место чистый сдвиг.Главные напряжения σ₁ = τ, σ₃ = -τ наклонены под углом α=±45о к образующей.

Потенциальная энергия упругой деформации определяется по формуле
или для участка вала при постоянном T и GI_ρ

Лекции по сопромату >Примеры решения задач >

Электрическая константа времени

Представляет собой время, необходимое для достижения уровня тока до 63 % после подачи напряжения на обмотки привода. Параметр обусловлен переходными процессами электромеханических характеристик, так как они быстротечны ввиду большого активного сопротивления. Общая формула расчета постоянной времени:

t_e = L ÷ R.

Однако электромеханическая константа времени t_m всегда больше электромагнитной t_e. Первый параметр получается из уравнения динамических характеристики двигателя при сохранении условии, когда ротор разгоняется с нулевой скоростью до максимальных оборотов холостого хода. В этом случае уравнение принимает вид

M = M_ст + J × (d(omega) ÷ dt), где

M_ст = 0.

Отсюда получаем формулу:

M = J × (d(omega) ÷ dt).

По факту электромеханическую константу времени рассчитывают по пусковому момент — M_п. Механизм, работающий в идеальных условиях, с прямолинейными характеристиками будем иметь формулу:

M = M_п × (1 — omega ÷ omega), где

omega- скорость на холостом ходу.

Такие расчеты используют в формуле мощности электродвигателя насоса, когда ход поршня напрямую зависит от оборотистости вала.

Пример крутящего момента

Давайте рассмотрим пример, в котором вы применяете вертикальное усилие вниз, например, когда пытаетесь ослабить зажимные гайки на спущенном колесе, наступая на ключ для зажима. В этой ситуации идеальной ситуацией является идеальный горизонтальный рывок с проушиной, чтобы вы могли наступить на его конец и получить максимальный крутящий момент. К сожалению, это не работает. Вместо этого гаечный ключ крепится на гайки так, чтобы он был на 15% под наклоном к горизонтали. Длина ключа до 0,60 м до конца, где вы применяете свой полный вес 900 Н.

Какова величина крутящего момента?

Как насчет направления ?: Применив правило «левша, праведнее», вам нужно будет повернуть гайку с проушиной влево — против часовой стрелки — чтобы ослабить ее. Используя правую руку и сгибая пальцы против часовой стрелки, большой палец выпирает. Таким образом, направление крутящего момента находится вдали от шин … это также направление, в котором вы хотите, чтобы стопорные гайки в конечном итоге шли.

Чтобы начать вычислять значение крутящего момента, вы должны понимать, что в приведенной выше настройке есть немного обманчивая точка.(Это распространенная проблема в этих ситуациях.) Обратите внимание, что 15%, упомянутые выше, это уклон от горизонтали, но это не угол θ , Угол между р а также F должен быть рассчитан. Имеется наклон 15 ° от горизонтали плюс расстояние 90 ° от горизонтали к вектору нисходящей силы, в результате чего значение 105 ° составляет θ

Это единственная переменная, которая требует настройки, поэтому с ее помощью мы просто присваиваем значения других переменных:

• θ = 105°
• р = 0,60 м
• F = 900 Н

Что такое электродвигатель?

Электрический двигатель представляет собой устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Работа большинства агрегатов зависит от взаимодействия магнитного поля с обмоткой ротора, которая выражается в его вращении. Функционируют они от источников питания постоянного или переменного тока. В качестве питающего элемента может выступать аккумулятор, инвертор или розетка электросети. В некоторых случаях двигатель работает в обратном порядке, то есть преобразует механическую энергию в электрическую. Такие установки находят широкое применение на электростанциях, работающие от потока воздуха или воды.

Электродвигатели классифицируют по типу источника питания, внутренней конструкции, применению и мощности. Также приводы переменного тока могут иметь специальные щетки. Они функционируют от однофазного, двухфазного или трехфазного напряжения, имеют воздушное или жидкостное охлаждение. Формула мощности электродвигателя переменного тока

P = U х I,

где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока.

Приводы общего назначения со своими размерами и характеристиками находят применение в промышленности. Самые большие двигатели мощностью более 100 Мегаватт используют на силовых установках кораблей, компрессорных и насосных станций. Меньшего размера используют в бытовых приборах, как пылесос или вентилятор.