Образование крутящего момента

Наведя курсор мышки на рисунок можно увидеть как работает бензиновый двигатель на примере работы одного цилиндра (рис.1). Весь рабочий цикл протекает в течение двух полных оборотов коленчатого вала и состоит из 4-х тактов, каждый из которых занимает половину оборота:

рис.1

Такт впуска, в процессе которого в цилиндр подаётся топливо смешанное с воздухом.

Такт сжатия поступившей топливовоздушной смеси.

Такт работы или рабочий ход, в течение которого создаётся крутящий момент.

Такт выпуска, основная задача которого освободить цилиндр от продуктов сгорания и выхлопных газов и, тем самым, подготовить цилиндр для принятия очередной порции топливовоздушной смеси.

Поскольку нас интересует именно крутящий момент, то рассматривать мы будем только такт рабочего хода поршня и то, что происходит в цилиндре в этот момент.

И так, топливовоздушная смесь, воспламенившись, нагревает рабочее тело, заставляя его резко расшириться, что приводит к созданию силы F₁, которая начинает двигать поршень вниз. Усилие через поршень и шатун передаётся на шатунную шейку, смещенную относительно оси вращения коленчатого вала на величину R. Эта величина называется плечом коленчатого вала, равна половине хода поршня и является постоянной. Все двигатели внутреннего сгорания сконструированы таким образом, что самостоятельно могут работать только на холостых оборотах. Для того, чтобы увеличить обороты необходимо с помощью педали газа увеличить подачу топливовоздушной смеси в цилиндр. Это приведёт к увеличению силы F₁, что повлечёт за собой увеличение скорости поршня и, как следствие, увеличение числа оборотов.

В физике крутящий момент или момент силы определяется как произведение силы на плечо и выражается формулой:

где: F — постоянно действующая сила. R — плечо к которому она приложена под углом 90°.

Взглянув на рисунок 1 можно увидеть, что рассчитать по этой формуле крутящий момент двигателя весьма сложно, если не невозможно, по следующим причинам:

Сила F₁ не является постоянной, так как при движении поршня вниз объём цилиндра увеличивается, что приводит к уменьшению силы от какого-то максимального значения до 0. Так же уменьшению силы способствует быстрое падение температуры рабочего тела из-за наличия системы охлаждения цилиндра.

В точке приложения действует сила F₂, которая меньше силы F₁ из-за потерь на трение в местах контакта сопряженных деталей (поршневых колец и стенок цилиндра, поршня и шатуна, шатунных вкладышей и коленвала).

Сила F₂ приложена к плечу R не под прямым углом, который является оптимальным для создания крутящего момента, а под изменяемым от 180° до 0°.

По этим причинам крутящий момент двигателя не рассчитывают, а просто измеряют при различных оборотах. Результаты измерений отображают в виде диаграммы крутящего момента вместе с диаграммой мощности двигателя.

Диаграммы мощности и крутящего момента.

рис.2

рис.3

Таких диаграмм достаточно большое количество. Рассмотрим одну из них и попытаемся понять о чем она нам говорит. Пусть это будет стандартная диаграмма мощности и крутящего момента автомобиля BMW 318i (рис.2).

Сразу обращает на себя внимание тот факт, что диаграмма имеет три шкалы; шкалу крутящего момента в ньютонометрах, расположенную слева, шкалу мощности в лошадиных силах расположенную справа и шкалу оборотов в минуту расположенную внизу, кроме того кривая крутящего момента начинается выше кривой мощности и впоследствии пересекает её, чего по идее быть не должно.

Попробуем привести эти диаграммы к какому-то понятному и удобоваримому виду. Прежде всего перейдём от лошадиных сил к киловаттам, так как лошадиная сила является устаревшей внесистемной единицей измерения, не применяемой в физике. Для этого все значения диаграммы мощности необходимо разделить на 1,36.

Более того зная, что 1 киловатт = 1000 ватт, а 1 ватт = 1 ньютонометр в секунду мы имеем возможность перевести значения мощности в нм/с, что вполне сопоставимо со значениями крутящего момента и позволяет нам перейти к единой шкале.

После построения диаграмм по новым шкалам (рис.3) сразу бросается в глаза тот факт, что крутящий момент это десятки и сотни ньютонометров, а мощность - десятки тысяч нютонометров, что на 2 порядка выше и пересекаться они никак не могут. Давайте посмотрим, какую полезную информацию мы можем почерпнуть из этих диаграмм.

Сначала рассмотрим кривую мощности. Необходимо сразу пояснить, что мощность является, по сути, производной крутящего момента и рассчитывается по формуле

где: P - мощность двигателя в ваттах или нм/с.

M- крутящий момент двигателя в ньютонометрах, или F₂ х R.

n - количество оборотов двигателя в минуту.

9,5492 - коэффициент перевода оборотов в минуту - в радианы в секунду, определяемый по "Таблице перевода единиц измерения угловой скорости".

Исходя из этой формулы, можно сказать, что мощность это сумма крутящих моментов произведенных в двигателе за единицу времени. С увеличением оборотов мощность двигателя увеличивается, с небольшим замедлением роста в точке В, до точки С (6250 мин^-1.), после которой наблюдается резкое падение мощности. Таким образом, диаграмма мощности наглядно демонстрирует, что максимальная мощность достигается при 6250 мин^-1 и "закручивать" двигатель выше этих оборотов бессмысленно, а иногда и опасно. Он конструктивно на это не рассчитан.

Теперь перейдём к диаграмме крутящего момента. Тут всё сложнее и интереснее. На начальном этапе до точки А кривая момента растёт синхронно с кривой мощности. Вполне логично предположить, что и дальше эта кривая должна, пусть даже не параллельно кривой мощности, как отмечено пунктирной линией, но все-таки расти.

Однако в реальности мы видим, что на участке от точки А до точки В рост резко замедляется, а после точки В кривая момента начинает, как сказал бы классик, "падать вниз стремительным домкратом", что противоречит логике и здравому смыслу. Ведь обороты растут. И растут они потому что увеличивается сила в цилиндре, а следовательно должен увеличиваться и крутящий момент.

На самом деле никакого противоречия нет. И крутящий момент в цилиндре действительно растёт. Но это в цилиндре, а мы имеем дело с кривой построенной по значениям измеренным на выходе из двигателя в целом. Как правило, классический 4-х тактный двигатель имеет не менее 4-х цилиндров. И в то время как в 1-ом цилиндре формируется крутящий момент, во 2-ом цилиндре идет такт выпуска, на что нужно затратить часть крутящего момента созданного в 1-ом цилиндре, в 3-м цилиндре - такт сжатия топливовоздушной смеси, которая не очень желает сжиматься и, наконец, в 4-м такт выпуска - тоже требующий каких-то затрат момента.

Помимо этого существует еще достаточное количество различных внутренних сопротивлений двигателя, на которых мы сейчас останавливаться не будем. Мы рассмотрим их в следующей статье, посвящённой способам повышения мощности и крутящего момента.

Исходя из вышеизложенного можно сказать, что говоря о кривой крутящего момента, мы фактически говорим об остаточном крутящем моменте, который отличается от произведенного на величину суммарных потерь на преодоление сопротивлений внутри двигателя.

Какую же полезную для нас информацию даёт эта кривая?

Диаграмма крутящего момента показывает, в каких пределах необходимо поддерживать обороты двигателя для получения наилучшей динамики разгона автомобиля. Видя, что максимум крутящего момента находится в районе 3400-3800 оборотов в минуту нужно понимать, что при достижении 4000-4200 мин^-1 в процессе разгона автомобиля на 1 передаче следует переключиться на 2 передачу. При этом обороты двигателя упадут примерено до 3000-3200 мин^-1. Нажав на педаль газа, мы снова выведем обороты двигатель в район максимального крутящего момента и опять получим максимально динамичный разгон. Ну и так далее, до самой высшей передачи. При падении скорости и оборотов, например на затяжных подъёмах всё обстоит с точностью до наоборот.

Вот такая игра с оборотами в процессе набора или падения скорости, заключающаяся в удержании стрелки тахометра в как можно более узком диапазоне оборотов в районе максимального крутящего момента и является мастерством водителя или гонщика. Поверьте, добиться этого не так легко и просто, как кажется.

49. Т.3.13 Уравновешивание ДВС: понятие, условия уравновешенности, способы уравновешивания.

50. Т.4.2 Требования, предъявляемые к конструкции автомобиля

К конструкции автомобиля предъявляют производственные, эксплуатационные, потребительские требования и требования безопасности.

1 Производственные требования – соответствие конструкции технологическим возможностям завода или передовым тенденциям перспективной технологии:

- минимальный расход материалов; - минимальная трудоемкость; - минимальная себестоимость.

2 Эксплуатационные требования:

- Топливная экономичность; - Курсовая устойчивость;

- управляемость; - маневренность; - Плавность хода; - проходимость; - надежность; - технологичность обслуживания и ремонта; - минимальная себестоимость транспортных работ.

3 Потребительские требования:

- Малая стоимость автомобиля и его эксплуатации; - безотказность и ремонтопригодность; - безопасность;

- комфортабельность; - легкость управления.

Требования безопасности распространяются на активную, пассивную, послеаварийную и экологическую безопасность автомобиля.

Аварийная безопасность автомобиля – свойство снижать вероятность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Это свойство заложено в конструкцию автомобиля (отсюда термин – конструктивная безопасность) и проявляется постоянно при движении и в аварийной ситуации. Этот вид безопасности характеризуется обзорностью, сигнализацией, освещенностью, эргономическими условиями рабочего места водителя, маневренностью, управляемостью, устойчивостью, скоростными и тормозными свойствами и др.

Пассивная безопасность автомобиля – свойство снижать тяжесть последствий дорожно-транспортных происшествий. Внутреннюю пассивную безопасность характеризуют мероприятия, направленные на снижение травматизма водителя и пассажиров, обеспечение сохранности грузов, а внешнюю пассивную безопасность – снижение травматизма людей, находящихся вне автомобиля в процессе дорожно-транспортного происшествия.

Послеаварийная безопасность зависит от возможностей снизить тяжесть последствий аварии (аптечка, огнетушитель), эвакуации пострадавших и др.

Экологическая безопасность автомобиля – свойство автомобиля уменьшать вредное влияние на окружающую среду (загазовывание атмосферы, запыление, осадки вредных веществ на придорожную полосу, нарушение травяного покрова, порча деревьев и кустарников, загрязнение почвы и водоемов, шум и вибрации и др.)

Date: 2015-09-05; view: 577; Нарушение авторских прав