Что такое крутящий момент на коленчатого вала двигателя

Статьи

Крутящий момент, что это и зачем он нужен?

Крутящий момент, что это и зачем он нужен?

Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.

Что же означает понятие крутящий момент?

Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.
Для наглядности. Если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг.. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тм самым силу приложения к баллонному ключу.

Так же если на рычаг метровой длины повесить груз равный 10 кг, то появится крутящий момент равный 10 кгм. В системе СИ это значение (перемножается на ускорение свободного падения — 9,81 м/см2) будет соответствовать 98,1 Нм.
Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.

Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге?

Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя. В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов (с низов) ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику.

Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 — сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть?
Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса.

Как создается крутящий момент в двигателе?

В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями. Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топливо — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала).

Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень.

До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант — нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно. Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия.

Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.

Наиболее простое решение для увеличения крутящего момента, а следовательно и тяги, это применение турбо или механического наддува, либо применение их в комплексе. Тогда кртящий момент можно уже использовать с 800-1000 об/мин, т.е. практически сразу при нажатие на педаль акселератора. К тому же это закрывает такую проблему , как провалы при наборе скорости, так как величина крутящего момента становится практически одинакова во всем диапазоне оборотов двигателя. Достигается это различными путями: , увеличивают количество клапанов на цилиндр, делают управляемыми фазы газораспределения для оптимизации сгорания топлива, повышают степень сжатия, применяют выпускной коллектор по формуле 1-4 −2-3, в турбинах применяют крыльчатки с изменяемым и регулируемым углом атаки лопаток и т.д.

Оценочные параметры двигателя

В цилиндрах автомобильного двигателя во время такта расширения благодаря высокому давлению на поршень газов, образовавшихся при сгорании рабочей смеси, создается усилие, которое действует через шатун на шейку кривошипа коленчатого вала и заставляет вал вращаться.

На коленчатом валу двигателя создается, таким образом, крутящий момент, который равен произведению силы на длину плеча кривошипа.

Крутящий момент измеряется в килограммометрах (кгм) и зависит для каждого двигателя от величины усилия, действующего на кривошип коленчатого вала, которое в свою очередь зависит от количества поступившего в цилиндры и сгоревшего горючего, или, как принято говорить, от наполнения цилиндров горючей смесью.

Наполнение цилиндров улучшается с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя, но только до определенных пределов, при дальнейшем увеличении числа оборотов коленчатого вала наполнение цилиндров горючей смесыо ухудшается.

С увеличением числа оборотов возрастают и потери на трение в механизмах двигателя.

В результате развиваемый двигателем крутящий момент изменяется в зависимости от числа оборотов коленчатого вала и при определенных оборотах достигает максимальной величины.

Создаваемый на коленчатом валу двигателя крутящий момент передается через силовую передачу к ведущим колесам автомобиля и заставляет их вращаться.

Величина толкающего тягового усилия автомобиля равна крутящему моменту ведущих колес, деленному на радиус качения колеса. Таким образом, чем больше подводимый к ведущему колесу крутящий момент, тем больше тяговое усилие автомобиля.

В характеристике двигателя указывается максимальный крутящий момент и соответствующее ему число оборотов коленчатого вала. Крутящий момент двигателя определяется на тормозном стенде при испытаниях.

Расширяющиеся при рабочем ходе поршня газы совершают работу. Величина этой работы равна произведению силы, перемещающей поршень, на величину хода поршня и выражается в килограммометрах (кгм).

Работа, произведенная в одну секунду, называется мощностью и выражается в кгм/сек или в лошадиных силах (л. с.). Одна лошадиная сила равна 75 кгм/сек.

Мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной, а мощность, развиваемая на коленчатом валу, — эффективной.

Эффективная мощность двигателя меньше индикаторной, так как часть индикаторной мощности затрачивается на трение в механизмах двигателя и на привод вспомогательных механизмов и систем, обеспечивающих работу двигателя.

Эффективная мощность, так же как и крутящий момент, зависит от числа оборотов коленчатого вала двигателя. С увеличением числа оборотов она возрастает до максимального значения, после чего начинает уменьшаться.

Эффективная мощность двигателя определяется расчетным путем по результатам замера крутящего момента при стендовых испытаниях двигателя.

В характеристике двигателя обычно указываются его максимальная эффективная мощность и число оборотов коленчатого вала двигателя при этой мощности.

Сравнение различных двигателей и оценку их совершенства производят также по литровой мощности, т. е. по эффективной мощности, приходящейся на 1 литр рабочего объема цилиндров двигателя. Литровая мощность измеряется в л. с./л.

Мощность, развиваемая двигателем, затрачивается на работу, совершаемую автомобилем в единицу времени, т.е. на его перемещение с определенной скоростью.

Чем больше мощность двигателя, тем с большей скоростью может двигаться автомобиль.

Двигатели оцениваются также по удельному расходу горючего, который выражается количеством граммов горючего, расходуемого двигателем в час на одну лошадиную силу эффективной мощности (г / л. с.-ч.)

Величина удельного расхода горючего характеризует экономичность работы двигателя. На автомобилях каждого типа (легковые, грузовые, специальные) применяются строго определенные двигатели, которые развивают мощность и крутящий момент, обеспечивающие автомобилям необходимые тяговые качества и скорости движения при наименьшем расходе горючего.

Таблица. Краткая характеристика основных отечественных автомобильных двигателей

Краткая характеристика отечественных двигателей, применяющихся на армейских автомобилях, приведена в таблице. При пользовании таблицей следует иметь в виду, что марки двигателей здесь даются по индексам заводов-изготовителей двигателей, что не всегда совпадает с марками автомобилей, на которые они устанавливаются. В частности, для автомобиля Урал-375 производства Уральского автомобильного завода двигатель выпускается Московским автомобильным заводом им. Лихачева под маркой ЗИЛ-375; для автомобилей КрАЗ-214 и КрАЗ-219 выпуска Кременчугского автомобильного завода двигатели под маркой, ЯАЗ-М-206Б изготовляет Ярославский моторный завод.

Указанные в таблице двигатели являются основными, каждый из них имеет ряд модификаций. Так, например, на базе двигателей ГАЗ-63 выпускаются следующие модификации:

• ГАЗ-51 — для автомобиля ГАЗ-51 А
• ГАЗ-51 Б — для автомобиля ГАЗ-51 Б, работающего па сжатом газе
• ГАЗ-51Ж — для автомобиля ГАЗ-51Ж, работающего на сжиженном газе
• ряд других

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ, МОЩНОСТЬ И ДРУГИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Эффективным крутящим моментом Ме называют результирующий момент системы сил, действующих на коленчатый вал двигателя и вызывающих его вращение. Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя, равна произведению эффективного крутящего момента Мг на угловую скорость, ω вращения коленчатого вала:
Ме — Меω кГ-м/сек, где ω — скорость в рад/сек (1/сек);

или
если nе — угловая скорость в об/мин, то

У двигателя различают:
индикаторную мощность, т. е. мощность, снимаемую с поршня двигателя. Ее называют индикаторной, так как определяют с помощью специального прибора — индикатора;
эффективную мощность, т. е. мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя.
Как известно, всякое преобразование энергии сопровождается ее потерями. Отношение энергии, воспринимаемой поршнем, к энергии сгорающего в двигателе топлива называют индикаторным коэффициентом полезного действия (к. п. д.), который меньше единицы. Механический к. п. д. представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной. Эффективный к. п. д. равен произведению индикаторного и механического к. п. д.
Для карбюраторных двигателей значение индикаторного к. п. д. составляет около 0,30. Это означает, что из 100 кал теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах, только 30 кал превращаются в полезную механическую работу. Малое значение к. п. д. объясняется тем, что значительную часть теплоты уносят с собой охлаждающая вода и отработавшие газы. Механический к. п. д. двигателя равен примерно 0,85 вследствие потерь мощности на преодоление трения в различных механизмах двигателя. Таким образом, эффективный к. п. д. карбюраторных двигателей составляет 0,30 X 0,85 = 0,25.
В технической характеристике автомобиля указывают число и диаметр цилиндров двигателя, ход поршня и рабочий объем (литраж) двигателя.
Ход поршня представляет собой путь, пройденный поршнем от одного крайнего положения до другого, которые называют верхней и нижней мертвыми точками (в. м. т. и н. м. т.).
Рабочим объемом цилиндра называют объем, освобождаемый поршнем при его движении от в. м. т. к н. м. т.
Рабочий объем (литраж) двигателя равен сумме рабочих объемов всех его цилиндров или рабочему объему одного из цилиндров, умноженному на их число.
Если диаметр цилиндра D и ход поршня S измерены в сантиметрах, то рабочий объем цилиндра

а рабочий объем двигателя, имеющего i цилиндров,

Важным показателем, характеризующим совершенство конструкции двигателя, является литровая мощность, которая представляет собой отношение максимальной эффективной мощности двигателя к его рабочему объему,
т.е.

Другими словами, литровая мощность — это максимальная эффективная мощность, снимаемая с 1 л рабочего объема двигателя. Литровая мощность автомобильных двигателей массового производства находится в пределах 40—50 л. с. /л., а у двигателей спортивных автомобилей превосходит 100 л. с./л.
Удельным эффективным расходом топлива называют расход топлива в граммах, отнесенный к единице произведенной двигателем работы, т. е. к 1 л. с. ч. Минимальное значение этого расхода для современного карбюраторного двигателя составляет примерно 205 г/(л. с. ч.).
Следует однако отметить, что такие показатели работы двигателя, как эффективная мощность и удельный эффективный расход топлива, зависят от числа оборотов двигателя и нагрузки.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к способам испытаний двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, в частности к способам определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства. Способ заключается в том, что на ровном горизонтальном участке поверхности Земли, исключающем пробуксовывание гусеничных цепей, при включенной конкретной передаче коробки перемены передач проводятся два замера угловых ускорений коленчатого вала двигателя гусеничного транспортного средства при свободном разгоне без груза и с грузом, а затем определяется крутящий момент двигателя. Технический результат заключается в возможности определения крутящего момента непосредственно при эксплуатации транспортного средства в дорожных условиях при сохранении высокой точности измерений. 1 ил.

Способ определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства, отличающийся тем, что на ровном горизонтальном участке поверхности Земли, исключающем пробуксовывание гусеничных цепей, при включенной конкретной передаче коробки перемены передач проводятся два замера угловых ускорений коленчатого вала двигателя гусеничного транспортного средства при свободном разгоне без груза и с грузом, а крутящий момент двигателя определяется как отношение произведения массы груза на квадрат радиуса ведущей звездочки, на угловое ускорение коленчатого вала двигателя при свободном разгоне без груза, на угловое ускорение коленчатого вала двигателя при свободном разгоне с грузом к произведению квадрата передаточного отношения коробки перемены передач на квадрат передаточного отношения главной передачи, на квадрат передаточного отношения планетарного механизма, на квадрат передаточного отношения бортового редуктора, на разность углового ускорения коленчатого вала двигателя при свободном разгоне без груза и углового ускорения коленчатого вала двигателя при свободном разгоне с грузом.

Изобретение относится к способам испытаний двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, в частности к способам определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства.

Известен способ измерения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства, основанный на измерении крутящего момента, развиваемого ведущими звездочками на стенде для диагностирования трелевочных тракторов (Воскобойников И.В. Техническое диагностирование лесозаготовительных машин. — М.: Лесн. пром-сть, 1987. — 192 с.).

Недостаток известного способа заключается в необходимости проведения испытаний на стенде для диагностирования трелевочных тракторов.

Изобретение направлено на обеспечение возможности определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства непосредственно при его эксплуатации в полевых условиях (поверхности Земли).

Сущность изобретения заключается в том, что на ровном горизонтальном участке поверхности Земли, исключающем пробуксовывание гусеничных цепей, при включенной конкретной передаче коробки перемены передач проводятся два замера угловых ускорений коленчатого вала двигателя гусеничного транспортного средства при свободном разгоне без груза и с грузом, а крутящий момент двигателя определяется как отношение произведения массы груза на квадрат радиуса ведущей звездочки на угловое ускорение коленчатого вала двигателя при свободном разгоне без груза на угловое ускорение коленчатого вала двигателя при свободном разгоне с грузом к произведению квадрата передаточного отношения коробки перемены передач на квадрат передаточного отношения главной передачи на квадрат передаточного отношения планетарного механизма на квадрат передаточного отношения бортового редуктора на разность углового ускорения коленчатого вала двигателя при свободном разгоне без груза и углового ускорения коленчатого вала двигателя при свободном разгоне с грузом.

Новизна заключается в том, что крутящий момент двигателя гусеничного транспортного средства определяется по динамике угловых ускорений коленчатого вала двигателя гусеничного транспортного средства при его разгоне по горизонтальной поверхности на конкретной передаче с грузом и без него.

На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства.

Двигатель внутреннего сгорания 1 через сцепление 2, коробку перемены передач 3, главную передачу 4, планетарный механизм 5, бортовые редукторы 6 соединен с ведущей звездочкой 7, входящей в зацепление с гусеничной цепью 8, на которую опираются каретки 9. Верхняя часть гусеничной цепи поддерживается в положении, близком к горизонтальному, с помощью поддерживающих роликов 10, а натяжение гусеничной цепи осуществляется натяжным механизмом 11.

Реализуется предлагаемый способ определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства следующим образом.

Передаточное отношение КПП на соответствующей передаче — k_КПП, передаточное отношение главной передачи (ГП) — k_ГП, передаточное отношение планетарного механизма (ПМ) — k_ПМ, передаточное отношение бортового редуктора (БР) — k_БР.

Вес гусеничной машины массой М_гм (с учетом массы водителя) воспринимается роликами кареток 9, имеющими радиус r_рк. Натяжение гусеничной цепи осуществляется колесом натяжного механизма 11, имеющим радиус r_кнм, поддержка гусеничной цепи — поддерживающими роликами 10 радиусом r_пр. Длина каждой гусеничной цепи — l_гц, толщина гусеничной цепи — h_гц, вес одного погонного метра m_гц. Угол обхвата гусеничной цепью ведущей звездочки α_вз, угол обхвата гусеничной цепью колеса натяжного механизма α_нм.

Из условия неизменности кинетической энергии следует, что для системы вращающихся масс, состоящей из ДВС, сцепления, коробки перемены передач, ведущего моста с главной передачей и дифференциальным механизмом, бортовых редукторов, ведущих звездочек, роликов кареток, поддерживающих роликов, колес натяжных механизмов цепи и гусеничных цепей, и полагая пренебрежимо малым действие трения качения, воздушного сопротивления движению, проскальзывания между гусеничными цепями и опорной поверхностью:

где ω_вз, ω_кнм, ω_рк, ω_пр — угловые скорости ведущей звездочки, колеса натяжного механизма, ролика каретки, поддерживающего ролика;

x, y — количество роликов каретки и поддерживающих роликов, установленных на гусеничную машину.

Угловые скорости колеса натяжного механизма, ролика каретки, поддерживающего ролика связаны с угловой скоростью ведущей звездочки ω_вз=ω_∂в/(k_КППk_ГПk_ДИФk_БР) через линейную скорость гусеничной машины V_гм=ω_взr_вз и, соответственно, равны:

Искомый приведенный момент инерции системы:

Очевидно, что основной весовой вклад в J_пр(ω) делает масса гусеничной машины М_гм.

Зависимость крутящего момента, преобразуемого в тяговые усилия гусениц, от частоты вращения коленчатого вала двигателя:

Расчетное уравнение крутящего момента при разгоне гусеничной машины с водителем при работе двигателя по внешней характеристике (акселератор нажат до упора):

где ε₁(ω) — угловое ускорение коленчатого вала двигателя при разгоне гусеничной машины только с водителем.

Расчетное уравнение крутящего момента при разгоне гусеничной машины с водителем и грузом массой М_гр при работе двигателя по внешней характеристике (акселератор нажат до упора):

где ε₂(ω) — угловое ускорение коленчатого вала двигателя при разгоне гусеничной машины с водителем и грузом массой М_гр.

Приравнивая (5) и (6) определяем сумму:

Подставляя (7) в (5), строим характеристику крутящего момента, создающего тяговое усилие на гусеницах:

Подставляя (7) в (6), строим характеристику крутящего момента, создающего тяговое усилие на гусеницах:

Таким образом, зная передаточные числа коробки перемены передач, главной передачи, планетарного механизма, бортового редуктора, радиус ведущей звездочки, массу груза и измеряя угловые ускорения коленчатого вала при разгоне гусеничного транспортного средства без груза ε₁(ω) и с грузом ε₂(ω) определяют крутящий момент двигателя гусеничного транспортного средства.

Предлагаемый способ определения крутящего момента двигателя гусеничного транспортного средства позволяет значительно сократить затраты на диагностическое оборудование и диагностические работы при сохранении на высоком уровне точности измерений.