Связь мощности и крутящего момента: 7.2: Классическая механика

7.2: Классическая механика

Область классической механики включает изучение тел в движении, особенно физические законы, касающиеся тел, находящихся под воздействием сил. Большинство механических аспектов проектирования роботов тесно связано с концепциями из этой области. В данном блоке описываются несколько ключевых применяемых концепций классической механики.

СКОРОСТЬ — это мера того, насколько быстро перемещается объект. Обозначает изменение положения во времени (проще говоря, какое расстояние способен преодолеть объект за заданный период времени). Данная мера представлена в единицах расстояния, взятых в единицу времени, например, в количестве миль в час или футов в секунду.

ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ – Скорость может также выражаться во вращении, то есть насколько быстро объект движется по кругу. Измеряется в единицах углового перемещения во времени (то есть в градусах в секунду), или в циклах вращения в единицу времени (например, в оборотах в минуту).

Когда измерения представлены в оборотах в минуту (RPM), речь идет о частоте вращения. Есть речь идет об об/мин автомобильного двигателя, это означает, что измеряется скорость вращения двигателя.

УСКОРЕНИЕ – Изменение скорости во времени представляет собой ускорение. Чем больше ускорение, тем быстрее изменяется скорость. Если автомобиль развивает скорость от 0 до 60 миль в час за две секунды, в этом случае ускорение больше, чем когда он развивает скорость от 0 до 40 миль в час за тот же период времени. Ускорение — это мера изменения скорости. Отсутствие изменения означает отсутствие ускорения. Если объект движется с постоянной скоростью — ускорение отсутствует.

СИЛА — Ускорение является следствием воздействия сил, которые провоцируют изменение в движении, направлении или форме. Если вы нажимаете на объект, это означает, что вы прикладываете к нему силу. Робот ускоряется под воздействием силы, которую его колеса прикладывают к полу. Сила измеряется в фунтах или ньютонах.

Например, масса объекта воздействует на объект как сила вследствие гравитации (ускорение объекта в направлении центра Земли).

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ – Сила, направленная по кругу (вращение объекта), называется крутящим моментом. Крутящий момент — это вращающая сила. Если к объекту приложен крутящий момент, на границе первого возникает линейная сила. В примере с колесом, катящемся по земле, крутящий момент, приложенный к оси колеса, создает линейную силу на границе покрышки в точке ее контакта с поверхностью земли. Так и определяется крутящий момент — как линейная сила на границе круга. Крутящий момент определяется величиной силы, умноженной на расстояние от центра вращения (Сила х Расстояние = Крутящий момент). Крутящий момент измеряется в единицах силы, умноженной на расстояние, например, фунто-дюймах или ньютон-метрах.

В примере с колесом, катящемся по земле, если известен крутящий момент, приложенный к оси с закрепленным на ней колесом, мы можем рассчитать количество силы, прикладываемой колесом к поверхности. В этом случае, радиус колеса является расстоянием силы от центра вращения.

Сила = Крутящий момент/Радиус колеса

В примере с рукой робота, удерживающей объект, мы можем рассчитать крутящий момент, требуемый для поднятия объекта. Если объект обладает массой, равной 1 ньютону, а рука имеет длину 0,25 метра (объект располагается на расстоянии 0,25 метра от центра вращения), тогда

Крутящий момент = Сила х Расстояние = 1 ньютон х 0,25 метра = 0,25 ньютон-метров.

Это означает, что для удержания объекта в неподвижном положении, необходимо применить крутящий момент, равный 0,25 ньютон-метров. Чтобы переместить объект вверх, роботу необходимо приложить к нему крутящий момент, значение которого будет превышать 0,25 ньютон-метров, так как необходимо преодолеть силу гравитации. Чем больше крутящий момент робота, тем больше силы он прикладывает к объекту, тем больше ускорение объекта, и тем быстрее рука поднимет объект.

Пример 7.2

Пример 7.3

Для данных примеров, мы можем рассчитать крутящий момент, необходимый для подъем этих объектов.

Пример 7.2 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = 1 ньютон х 0,125 метра = 0,125 ньютон-метров.

Для данного примера, длина рука равна половине длины руки из Примера 1, поэтому значение требуемого крутящего момента также в два раза меньше. Значение длины руки пропорционально значению требуемого крутящего момента. При равных исходных характеристиках объекта, чем короче рука, тем меньший крутящий момент необходим для подъема.

Пример 7.3 — Крутящий момент = Сила * Расстояние = 1 ньютон х 0,5 метра = 0,5 ньютон-метров.

Для данного примера, длина рука равна удвоенной длине руки из Примера 1, поэтому значение требуемого крутящего момента также в два раза больше.

Еще одна точка зрения относительно ограниченного крутящего момента в соединении руки робота заключается в следующем: более короткая рука сможет поднять объект большей массы, чем более длинная рука; однако, для первой доступная высота подъема объекта будет меньше, чем для второй.

Пример 7.4

Пример 7.5

Эти примеры иллюстрируют руку робота, поднимающую объекты разной массы. Какова взаимосвязь с требуемым количеством крутящего момента?

Пример 4 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = ½ ньютона х 0,25 метра = 0,125 ньютон-метров.

Пример 5 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = 2 ньютона х 0,25 метра = 0,5 ньютон-метров.

Эти примеры иллюстрируют уменьшение значения требуемого крутящего момента по мере снижения массы объекта. Масса пропорциональна крутящему моменту, необходимому для ее подъема. Чем тяжелее объект, тем больше крутящий момент, требуемый для его подъема.

Проектировщики роботов должны обратить внимание на ключевые взаимосвязи между значениями крутящего момента, длины руки и массы объекта.

РАБОТА – Мера силы, приложенной на расстоянии, называется работой. Например, для удерживания объекта необходимо 10 фунтов силы. Далее, чтобы поднять этот объект на высоту 10 дюймов, требуется определенное количество работы. Количество работы, требуемое для подъема объекта на высоту 20 дюймов, удваивается. Работа также понимается как изменение энергии.

МОЩНОСТЬ — Большинство людей полагает, что мощность является термином из области электрики, но мощность также относится и к механике.

Мощность — это количество работы в единицу времени. Насколько быстро кто-то может выполнить работу?

В робототехнике принято понимать мощность как ограничение, так как соревновательные робототехнические системы имеют ограничения в части выходной мощности. Если роботу требуется поднять массу в 2 ньютона (прилагая 2 ньютона силы), скорость подъема будет ограничиваться количеством выходной мощности робота. Если робот способен произвести достаточное количество мощности, он сможет быстро поднять объект. Если он способен произвести лишь малое количество энергии, подъем объекта будет производиться медленно (либо не будет производиться вообще!).

Мощность определяется как Сила, умноженная на Скорость (насколько быстро выполняется толчок при постоянной скорости), и обычно выражается в Ваттах.

Мощность [Ватты] = Сила [Ньютоны] х Скорость [Метры в секунду]

1 Ватт = 1 (Ньютон х Метр) / Секунда

Как это применяется в соревновательной робототехнике? К проектам роботов применяются определенные ограничения. Проектировщики соревновательных роботов, использующие систему проектирования VEX Robotics Design, также должны учитывать физические ограничения, связанные с применением электромоторов. Электромотор обладает ограниченной мощностью, поэтому он может производить только определенное количество работы с заданной скоростью.

Примечание: все перспективные концепции имеют базовое описание. Более глубоко обсуждать эти физические свойства учащиеся будут в процессе обучения в ВУЗах, если выберут область STEM в качестве направления обучения.

 

Мощность и крутящий момент | Тюнинг ателье VC-TUNING

Мощность и крутящий момент…  Эти термины часто вводят в ступор многих посетителей автомобильных форумов. Энцо Феррари однажды сказал: «Лошадиные силы продают автомобиль, крутящий момент выигрывает гонки».

 

Мы не собираемся представлять здесь все уравнения и формулы, позволяющие рассчитать мощность и крутящий момент: объяснить многие вещи в одной статье достаточно трудно. Да это вам и не понадобится, если, конечно, вы не планируете стать крупным специалистам в данной области. Но мы постараемся доступным языком объяснить, как мощность и крутящий момент соотносятся друг с другом и как они влияют на производительность автомобиля.

 

Лошадиная сила

Термин «лошадиная сила» был впервые использован Джеймсом Уаттом, британским изобретателем, чье имя неразрывно связано с созданием парового двигателя. Строго говоря, лошадиная сила – это скорость, с которой может быть выполнена работа. Уатт использовал этот термин для сравнения мощности парового двигателя с мощью рабочей лошадки. Наравне с лошадиными силами сегодня используется и системная единица измерения мощности – ватт (Вт).

1 л.с. = 746 Вт

Эффективная мощность двигателя измеряется на коленчатом валу с помощью динамометра. Производители автомобилей, как правило, используют для ее обозначения термин «пиковая мощность» (максимальная мощность при определенном числе оборотов в минуту).

 

Мощность рассчитывается путем умножения крутящего момента двигателя на число оборотов и последующего деления на 5252. Откуда взялась последняя цифра? Если вы не хотите скучных и путаных объяснений, просто поверьте на слово и запомните эту константу.

                         крутящий момент * угловая скорость (RPM)

мощность =      —————————————————

                                                    5252

Здесь не мешало бы упомянуть о динамометрических роликовых стендах, но из-за большого разнообразия стендовых динамометров, мы опишем основные из них в другой статье. Следует отметить, что существует немало причин, по которым цифры, наблюдаемые при езде по дороге, оказываются ниже полученных на стенде. Автомобиль на стенде неподвижен, а на открытой дороге свой вклад вносят давление воздуха, перепады температуры и многие другие факторы, которые сложно учесть при испытаниях, хотя многие пытаются компенсировать их отсутствие с помощью вентиляторов и т.д.

 

  

Крутящий момент

Крутящий момент – вращательное усилие, которое будет применено к ведущим колесам автомобиля. Крутящий момент можно рассматривать в качестве меры способности двигателя выполнить работу. Единицы измерения крутящего момента – фунт*фут и Ньютон*метр (Нм). Один фунт*фут крутящего момента представляет собой усилие, необходимое для поворота 1-футовой оси, на конце которой прикреплен груз весом 1 фунт. Если на конце 1-футовой оси находится груз весом 200 фунтов, крутящий момент будет составлять 200 фунтов*фут. Очевидно, что чем больше это число, тем больше вращательное усилие на колесах.

1 фунт*фут = 1.36 Н*м

 

 

Однако важно понимать, что по мере увеличения крутящего момента вашего двигателя возрастает вероятность самопроизвольного поворота колес. Это довольно частое явление у мощных переднеприводных (FWD) автомобилей с большим крутящим моментом. Поскольку в данном случае передние колеса задействованы также и в управлении автомобилем, вы можете столкнуться с эффектом, называемым паразитным силовым подруливанием. В принципе проблема «непослушания» приводных колес свойственна не только переднеприводным машинам, а любым мощным автомобилям с большим крутящим моментом. Однако, разделив крутящий момент на все четыре колеса (в случае полноприводных (4WD) автомобилей), вы можете уменьшить этот эффект и больше мощности передать дороге.  Хотя есть еще много факторов (например, размер и структура шин, настройка подвески и ходовой части, передаточные числа), которые могут помочь переднеприводным (FWD) или заднеприводным (RWD) автомобилям эффективно использовать свою мощность.

 

Сравнение мощности и крутящего момента

(Как мощность и крутящий момент влияют на производительность)

Причина недопонимания ряда вопросов автолюбителями кроется в том, что в качестве характеристики двигателя автомобиля производители, как правило, приводят пиковые показатели мощности. Это ведет к путанице, люди пытаются сравнивать производительность автомобиля с его мощностью. «Моя машина имеет большее количество лошадиных сил, поэтому она будет быстрее вашей» – некорректное, но достаточно распространенное сравнение.

Есть много факторов, влияющих на производительность автомобиля, и крутящий момент, безусловно, один из них. Кроме того, и мощность, и крутящий момент будут зависеть от передаточных чисел. И, конечно же, большую роль играет то, как и для чего используется автомобиль.

Если вы когда-либо управляли машиной с высоким крутящим моментом (например, автомобилем с большим объемом двигателя или турбодизелем), вы, вероятно, заметили, что способны с легкостью ускоряться на большинстве передач. Это является результатом того, что имеется достаточно мощности в виде крутящего момента, чтобы автомобиль двигался при более широком диапазоне оборотов. Ускорение прямо пропорционально крутящему моменту, т.е. машина, будет ускоряться в соответствии с кривой крутящего момента.

Однако, если вы используете численно более высокое передаточное отношение для увеличения крутящего момента, вы на самом деле уменьшаете максимальную скорость вращения привода. Это может привести к тому, что автомобиль с высоким крутящим моментом (допустим, 680 НМ) достигнет своего предела уже при 30 км/ч.

При всем этом разговоры о крутящем моменте не просто игра слов. Следует понять, что лошадиная сила – просто другой способ измерения мощности (вспомните приведенное выше уравнение: лошадиная сила – это крутящий момент, умноженный на угловую скорость и деленный на 5252). Однако двигатель может быть рассчитан на более высокие обороты и более высокую мощность и, таким образом, на создание большего крутящего момента.

Из всего вышесказанного следует, что лошадиные силы и крутящий момент связаны друг с другом, однако это не одно и то же. Автомобиль с большим крутящим моментом будет ускоряться иначе, чем автомобиль с большим числом лошадей под капотом, с разными точками переключения передач и диапазонами оборотов в минуту. Автомобили с меньшим крутящим моментом (большим числом лошадиных сил), как правило, набирают больше оборотов, но максимальная мощность достигается только на больших оборотах. Машины с большим крутящим моментом (меньшим числом лошадиных сил) имеют меньшую мощность, но сравнительно более широкий диапазон оборотов. Все очень запутано: вроде бы крутящий момент и лошадиные силы – это одно и то же, но разгоняют машину по-разному. Хорошим автомобилем можно считать тот, что имеет оптимальное соотношение крутящего момента и лошадиных сил и возможность повышения обоих параметров.

Что еще влияет на ускорение

• Вес автомобиля. Многие ошибочно полагают, что чем больше весит машина, тем больше нужно энергии, чтобы сдвинуть ее с места.
• Аэродинамика. Снова требуется много энергии, чтобы машина могла преодолевать сопротивление встречным потокам воздуха.
• Сопротивление качению. Шины и привод (шестерни, приводные валы, оси и т.д.) требуют энергии, чтобы они могли вращаться с контактирующими поверхностями.
• Шестерни/передачи. Чтобы автомобиль мог разгоняться и ускорятся, он оборудован коробкой передач. Шестеренки в коробке влияют на крутящий момент, передаваемый на ведущие колеса, но они не могут изменить количество лошадиных сил в машине. В коробке передач все начинается с шестерни, которая запускает крутящий момент. Он позволяет ускоряться в относительно умеренном темпе, но избежать быстрых оборотов двигателя. Каждая последующая передача помогает развить скорость. Вот почему автомобиль, например, может разогнаться от 0 до 96 км/час за 5 секунд, но от 0 до 160 км/час разгон уже займет 13 секунд, поскольку ему нужно еще 8 секунд, чтобы набрать добавочную скорость в 64 км/час. При этом важно учитывать кинетическую энергию и аэродинамику (сопротивление ветру).

Динамометр фиксирует хороший крутящий момент не только на низких оборотах, но и во всем диапазоне оборотов. В сочетании с равномерно возрастающей кривой лошадиных сил, такой двигатель дает возможность машине разгоняться и выжимать педаль газа до упора. Хотя, все зависит от привода и комплектации самой машины. Но в целом, он имеет хорошую мощность и динамику.

Хочется надеяться, что после прочтения статьи о лошадиных силах и крутящем моменте вы не будете путать эти два понятия. Главное – запомнить, что машина с очень хорошим разгоном – это та, у которой двигатель может выдавать постоянно высокую мощность, даже на самых больших оборотах. Например, система газораспределительного механизма VVT-i эффективна для небольших двигателей, она помогает оптимизировать мощность на переменных оборотах. На самом деле не столь важно, с большим количеством лошадей ли машина или с высоким крутящим моментом, потому, что есть много других факторов, влияющих на ее характеристики.

Ускорение
И снова не будем вас утомлять скучными техническими терминами, а просто подсчитаем кое-что. Крутящий момент двигателя зависит от шестерней в коробке передач. Он нарастает по мере того, как вы переключаетесь на другую скорость. На автомобиле с низким крутящим моментом, его можно увеличить путем изменения передаточного числа. В результате этого трансмиссия или коэффициент привода изменяют диапазон оборотов двигателя, а также то, как используется крутящий момент (не оценивайте это в процессе). A V8 и Vtec производят крутящий момент разными способами посредством зубчатой передачи. Эти способы зависят от конструкции двигателя.

При всем этом интересно, как уже упоминалось ранее, что, хорошо набирающая скорость машина, имеет хорошую динамику крутящего момента, которая распространяется в самом широком диапазоне оборотов (высокий диапазон оборотов помогает поддерживать максимальный крутящий момент). Чтобы добиться максимума от машины, нужно знать, как выглядит динамика мощности и какие обороты у двигателя на каждой из передач. Также необходимо знать, как меняются обороты двигателя, когда переключается скорость: повышается или понижается передача. Это поможет вам узнать, что такое динамика крутящего момента на каждой отдельной передаче. Автомобиль разгоняется сильнее всего на пике крутящего момента, но стоит вам переключиться, как падают обороты, и ослабевает крутящий момент. Вся фишка в том, чтобы найти на каких оборотах будет хороший крутящий момент на следующей передаче, без потери динамики на текущей. Конечно, многое зависит от авто и его водителя, но есть наиболее общие рекомендации. Итак, если ваша машина производит максимальный крутящий момент на 4000 оборотах, и вы не хотите переключаться на следующую скорость с этой отметки, поскольку думаете, что потеряете сейчас эти ценные обороты и не сможете сохранить такой же крутящий момент на следующей передаче, а соответственно и скорость движения. Общая рекомендация в этом случае – для максимального ускорения переключаться тогда, когда стрелка тахометра ляжет на красную отметку (у некоторых легковых и гоночных авто есть специальные индикаторы).

Обозначение мощности авто в лошадиных силах
Американские машины

Лошадиные силы (HP Gross)
До 1972 года в Америке мощность двигателя автомобиля измерялась в лошадиных силах следующим образом: на стенде испытывался двигатель, который не оснащен воздушным фильтром, системой выхлопа или системой контроля над выбросами, но иногда оснащенный коллектором. В результате показатели максимальной мощности и крутящего момента отражали только теоретические значения, но не демонстрировали реальную мощность двигателя. Таким образом, измерялась общая мощность двигателя.

Лошадиные силы (HP net)
После 1972 года в Америке стали измерять полезную мощность двигателя. У полностью укомплектованного и установленного двигателя измерялась мощность на маховике, но при этом не учитывались потери при переключении передачи.

Запомните, что американские автомобили оснащены большими двигателями CU, которые выдают высокий крутящий момент и обеспечивают высокую производительность машины.

Лошадиные силы (bhp)
Мощность измеряется в лошадиных силах при помощи динамометра. Замер происходит на испытательном стенде в месте выхода вала из двигателя (коленчатый вал, который соединяется с маховиком). Окончательная цифра получается из крутящего момента, который используется для вычисления мощности в лошадиных силах (bhp).
Обратите внимание, что показатель мощности в лошадиных силах PS, принятый в Германии, отличается от обозначения bhp. Многие производители используют значение PS для лошадиных сил BHP.
Значения приблизительные:

• 1 Bhp = 1.005 Hp (net) – (разница не существенная)
• 1 Bhp = 1.0187 PS
• 1 PS = 0.986 Hp
• 1 Hp = 1.01387 PS

Иногда происходит путаница потому, что одни говорят о мощности в лошадиных силах, измеренной динамометром, другие об измерении с учетом потерь, а третьи о способе измерения по колесам WHP.

 

Мощность и крутящий момент

Автолюбители постоянно спорят о том, чей двигатель мощнее, но не все знают, из чего складывается этот параметр

Двигатель

Всем знакомый термин «лошадиная сила» был предложен изобретателем Джеймсом Уаттом в восемнадцатом веке. Идея появилась у изобретателя, пока он наблюдал за лошадью, запряженной в машину, поднимавшую уголь из шахты. Расчеты показали, что одна лошадь способна за минуту поднять 150 кг угля на высоту 30 метров.

Н·м (Ньютон-метр) — единица измерения момента силы, входящая в международную систему единиц (СИ)

Лошадиная сила стала «несистемной» величиной для измерения мощности. Одна лошадиная сила равна 735,5 Вт (Ватт — системная единица измерения, названная в честь того же английского ученого). Впоследствии лошадиные силы стали применять для обозначения мощности двигателя автомобиля.

Крутящий момент

Чтобы автомобиль сдвинулся с места, «тягу» двигателя необходимо передать на ведущие колеса. На официальном научном языке «тяга» называется крутящим моментом, и мощность двигателя напрямую зависит от этой характеристики.

Характеристики Lamborghini Aventador LP1600-4 Mansory Carbonado GT 2014 года выглядят так: 1600 л.с. и 1200 Н/м крутящего момента при 6000 об/мин.

Крутящий момент это вектор силы, описывающий вращение объекта вокруг своей оси. Предельно упрощенно понятие можно представить как силу, с которой вращается объект, например, маховик двигателя. Завинчивая болт гаечным ключом, который с точки зрения физики является рычагом, рука прикладывает к болту силу — то есть крутящий момент.

При работе двигателя каждый поршень, двигаясь вниз, придает крутящий момент коленчатому валу. Ситуация осложняется тем, что, в силу особенностей конструкции двигателя, крутящий момент не постоянная величина. Он постепенно увеличивается на низких оборотах, затем стабилизируется, и на высоких оборотах вновь начинает снижаться. Обычно крутящий момент максимально стабилен в промежутке между 5000 и 6000 об/мин., поэтому при указании «максимального крутящего» момента используется именно этот режим вращения коленвала.

Мощность двигателя и ее связь с крутящим моментом

Мощность двигателя — физическая величина, которая вычисляется по простой формуле, в которой крутящий момент умножается на так называемую «угловую скорость», измеряемую в радианах. Строго говоря, формула для вычисления мощности автомобиля несколько сложнее, так как угловую скорость принято измерять не в радианах, а в оборотах в минуту. Тем не менее, зная, как перевести одну единицу в другую, вычислить мощность несложно.

Эластичность двигателя и связанные с ней изменения в мощности

Стоит обратить внимание на еще одну важную характеристику двигателя – его эластичность. Под эластичностью понимают соотношение максимальной мощности и крутящего момента. Проще говоря, чем ниже будут обороты двигателя в момент достижения максимального крутящего момента, тем ровнее будет тяга, и для увеличения скорости не придется понижать передачу, достаточно будет нажать на педаль газа.

Пересчёт кВт в лошадиные силы производится умножением киловатт мощности двигателя на множитель, равный 1,35962

 Можно проверить эластичность мотора, если засечь время разгона с 60 до 110 км/ч. Чем быстрее автомобиль будет разгоняться, тем эластичнее его двигатель. Не стоит забывать, что для сравнения нужны автомобили равные по весу и объему двигателя. Проще всего почувствовать разницу, если сравнивать одни и те же автомобили, укомплектованные разными по объему двигателями. В случае с двигателем 1,6 л., автомобиль будет ускоряться значительно ровнее, а двигатель 1,4 заметно «тормозит» при разгоне с 60 до 100 км/ч, и хорошая динамика наблюдается лишь по достижении более высоких оборотов. 

Влияние особенностей конструкции автомобиля на мощность и крутящий момент

Такие величины, как крутящий момент и мощность, могут варьироваться, исходя из конструктивных особенностей автомобиля. Множество факторов влияют на динамику разгона и максимальную скорость: вес автомобиля, конструкция трансмиссии, объем двигателя, величина клиренса, аэродинамические характеристики кузова и многое другое.

что нужно именно вам? – Обзор – Autoutro.ru

Крутящий момент и мощность являются двумя важными спецификациями двигателя, но их отношение друг к другу редко обсуждают. Поэтому мы решили вспомнить, что значит каждый из этих терминов, чтобы при покупке следующей машины вы обращали внимание либо на одно, либо на другое…

Оба научных термина существовали задолго до автомобилей и транспортных средств с мотором в целом, поэтому в нашем рассказе мы частично обратимся к школьному курсу физики.

Мощность. Прежде всего давайте вспомним человека, который решил, как измерять мощность. Его зовут Джеймс Уатт. Он был шотландским инженером, чьим именем, собственно, и названа стандартизированная единица измерения мощности Ватт (через «В», так как в России всегда предпочитали транслитерацию, а не транскрипцию). Однако существует и эквивалентная и более привычная нам единица – лошадиная сила. Одна метрическая лошадиная сила равна 735,5 Ватт.

Что же такое лошадиная сила? Если обратиться к словарю, то это способность поднимать 75 кг (165 фунтов) на 1 метр (3,28 футов) за 1 секунду. Одним словом, лошадиная сила – это то, как быстро делается работа…

Крутящий момент. В то же время крутящий момент – это определенная сила, имеющая тенденцию вращать объект вокруг оси. С точки зрения непрофессионала, крутящий момент является силой, необходимой, чтобы повернуть болт или колесо. Когда вы крутите пробку пластиковой бутылки, вы используете крутящий момент.

Опять же, машина, устанавливающая на заводе пробки на пластиковые бутылки, имеет спецификацию по крутящему моменту, то есть она должна закрутить пробку с определенным значением, гарантирующим ее герметичность. Если спецификация не выполнена, то содержимое бутылки будет протекать либо окажется недоступным для потребителя, так как в его пальцах окажется недостаточное количество крутящего момента.

Поместим оба термина в одну реальность: представьте, что вы делаете домашнее варенье и раскладываете его по банкам. Крутящий момент вам нужен, чтобы плотно закрутить крышку, а мощность, чтобы поставить эту банку на полку.

Момент и мощность в ДВС. Вот мы и подобрались к самому интересному. Как эти двое уживаются в одном двигателе? На самом деле они работают рука об руку, чтобы мотор транслировал на дорогу необходимую производительность.

Формула, описывающая их связь, такова: лошадиная сила = момент х кол-во оборотов в минуту/5 252. Это уравнение справедливо для каждого двигателя внутреннего сгорания и сходится при любых оборотах, на которые способен ваш мотор. 5 252 является константой. Таким образом при 5 252 об/мин мощность будет равна крутящему моменту. При меньших оборотах момент будет выше, чем мощность, и наоборот…

Для измерения мощности используется динамометрический стенд. Он замеряет крутящий момент и кол-во об/мин, подставляет данные в уравнение и получает рукотворное значение лошадиных сил.

Мощность или крутящий момент – что лучше? Ну, это глупый вопрос, но мы должны его рассмотреть. Грубо говоря, автомобиль с высокой мощностью, как правило, достигает более высокой максимальной скорости, а автомобиль с высоким крутящим моментом лучше ускоряется с места.

Поскольку с увеличением крутящего момента увеличивается и мощность, то «оборотистые» моторы также обладают большим количеством лошадиных сил, если способны превысить 5 252 об/мин и настроены для выполнения данной конкретной задачи.

Что такое рабочий диапазон? Этот термин означает диапазон оборотов между пиковым крутящим моментом и пиковой мощностью. Между этими двумя значениями двигатель эффективно работает и обеспечивает как высокую производительность, так и экономию топлива.

У электромоторов огромные рабочие диапазоны, так как максимальный крутящий момент доступен с самого первого вращения оси, а максимальная мощность у некоторых даже выше, чем у ДВС.

У дизельных моторов, напротив, очень узкий диапазон, так как максимальный крутящий момент у них достигается на более низких оборотах, чем у бензиновых моторов, и максимальная мощность также где-то «внизу». Поэтому бензиновые моторы предпочтительнее для перфоманс-доработок. Современные бензиновые двигатели с турбонаддувом, непосредственным впрыском, изменяемыми фазами газораспределения и другими умными инженерными решениями обеспечивают удивительные рабочие диапазоны с невероятной эластичностью.

В гонках в основном используются машины с высокой мощностью (бензиновые). У них особые передаточные отношения, извлекающие выгоду из способности мотора достигать высоких оборотов. Однако есть соревнования, где успешны и дизели, — например, 24 часа Ле-Мана. Там неоднократно побеждали Audi на своих TDI-болидах.

Если вы по-прежнему ничего не поняли, вот вам последний пример: у нас есть грузовик и спорткар. У грузовика много крутящего момента и мало мощности. Его двигатель работает на низких оборотах, но он сильный как бодибилдер. Спорткар же – это спринтер, и у него все с точностью до наоборот. Если бодибилдеру навесить лишние 50 кг веса и заставить бежать, показатели его забега изменятся не так сильно, как у спринтера, с которым проделают ту же самую операцию. Точно так же обстоит дело и с машинами. Если добавить лишнюю нагрузку на спорткар, она серьезно повлияет на его перфоманс. Если же добавить лишний вес грузовику, он будет ускоряться примерно на том же уровне.

Мощность и вращающий момент электродвигателя. Что это такое?

Мощность и вращающий момент электродвигателя

Данная глава посвящена вращающему моменту: что это такое, для чего он нужен и др. Мы также разберём типы нагрузок в зависимости от моделей насосов и соответствие между электродвигателем и нагрузкой насоса.

Вы когда-нибудь пробовали провернуть вал пустого насоса руками? Теперь представьте, что вы поворачиваете его, когда насос заполнен водой. Вы почувствуете, что в этом случае, чтобы создать вращающий момент, требуется гораздо большее усилие.

А теперь представьте, что вам надо крутить вал насоса несколько часов подряд. Вы бы устали быстрее, если бы насос был заполнен водой, и почувствовали бы, что потратили намного больше сил за тот же период времени, чем при выполнении тех же манипуляций с пустым насосом. Ваши наблюдения абсолютно верны: требуется большая мощность, которая является мерой работы (потраченной энергии) в единицу времени. Как правило, мощность стандартного электродвигателя выражается в кВт.

Вращающий момент (T) — это произведение силы на плечо силы. В Европе он измеряется в Ньютонах на метр (Нм).

Как видно из формулы, вращающий момент увеличивается, если возрастает сила или плечо силы — или и то и другое. Например, если мы приложим к валу силу в 10 Н, эквивалентную 1 кг, при длине рычага (плече силы) 1 м, в результате, вращающий момент будет 10 Нм. При увеличении силы до 20 Н или 2 кг, вращающий момент будет 20 Нм. Таким же образом, вращающий момент был бы 20 Нм, если бы рычаг увеличился до 2 м, а сила составляла 10 Н. Или при вращающем моменте в 10 Нм с плечом силы 0,5 м сила должна быть 20 Н.

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%.

Потребляемая мощность электродвигателя

Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.

В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).

Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.

И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.

Момент электродвигателя

Мощность [кВт или л.с.] связывает вращающий момент с частотой вращения, чтобы определить общий объём работы, который должен быть выполнен за определённый промежуток времени.

Рассмотрим взаимодействие между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения, а также их связь с электрическим напряжением на примере электродвигателей Grundfos. Электродвигатели имеют одну и ту же номинальную мощность как при 50 Гц, так и при 60 Гц.

Это влечёт за собой резкое снижение вращающего момента при 60 Гц: частота 60 Гц вызывает 20%-ное увеличение числа оборотов, что приводит к 20%-ному уменьшению вращающего момента. Большинство производителей предпочитают указывать мощность электродвигателя при 60 Гц, таким образом, при снижении частоты тока в сети до 50 Гц электродвигатели будут обеспечивать меньшую мощность на валу и вращающий момент. Электродвигатели обеспечивают одинаковую мощность при 50 и 60 Гц.

Графическое представление вращающего момента электродвигателя изображено на рисунке.

Иллюстрация представляет типичную характеристику вращающий момент/частота вращения. Ниже приведены термины, используемые для характеристики вращающего момента электродвигателя переменного тока.

Пусковой момент (Мп): Механический вращающий момент, развиваемый электродвигателем на валу при пуске, т.е. когда через электродвигатель пропускается ток при полном напряжении, при этом вал застопорен.

Минимальный пусковой момент (Ммин): Этот термин используется для обозначения самой низкой точки на кривой вращающий момент/частота вращения электродвигателя, нагрузка которого увеличивается до полной скорости вращения. Для большинства электродвигателей Grundfos величина минимального пускового момента отдельно не указывается, так как самая низкая точка находится в точке заторможенного ротора. В результате для большинства электродвигателей Grundfos минимальный пусковой момент такой же, как пусковой момент.

Блокировочный момент (Мблок): Максимальный вращающий момент — момент, который создаёт электродвигатель переменного тока с номинальным напряжением, подаваемым при номинальной частоте, без резких скачков скорости вращения. Его называют предельным перегрузочным моментом или максимальным вращающим моментом.

Вращающий момент при полной нагрузке (Мп.н.): Вращающий момент, необходимый для создания номинальной мощности при полной нагрузке.

Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя

Выделяют следующие типы нагрузок:

Постоянная мощность

Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.

Постоянный вращающий момент

Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.

Переменный вращающий момент и мощность

«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.

Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.

Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.

Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.

Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.

В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.

Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.

Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.

На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.

Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:

Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.

В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.

Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.

Соответствие электродвигателя нагрузке

Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.

Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.

Если мы посмотрим на характеристику , то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.

Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.

Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.

Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.

Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.

Время пуска электрдвигателя

Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.

Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:

tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке

n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке

Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.

Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.

Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.

Мизб можно рассчитать по следующим формулам:

Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.

Число пусков электродвигателя в час

Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.

Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.

Мощность и КПД (eta) электродвигателя

Существует прямая связь между мощностью, потребляемой электродвигателем от сети, мощностью на валу электродвигателя и гидравлической мощностью, развиваемой насосом.

При производстве насосов используются следующие обозначения этих трёх различных типов мощности.

P1 (кВт) Входная электрическая мощность насосов — это мощность, которую электродвигатель насоса получает от источника электрического питания. Мощность P! равна мощности P2, разделённой на КПД электродвигателя.

P2 (кВт) Мощность на валу электродвигателя — это мощность, которую электродвигатель передает на вал насоса.

Р3 (кВт) Входная мощность насоса = P2, при условии, что соединительная муфта между валами насоса и электродвигателя не рассеивает энергию.

Р4 (кВт) Гидравлическая мощность насоса.

Мощность и крутящий момент – что важнее? Разбираемся в деталях

Энцо Феррари как-то сказал: «Лошадиные силы продают автомобили, а крутящий момент выигрывает гонки». И наверняка создатель одних из лучших гоночных автомобилей своего времени что-то да знал. Но так ли все однозначно? Неужели и впрямь количество лошадиных сил – не более, чем красивая цифра для маркетологов, в то время как крутящий момент – по-настоящему важный показатель мотора, на который обращают внимание истинные автомобилисты?

Сегодня с этим можно поспорить. Со времен, когда Энцо Феррари начинал создавать свои прекрасные машины, автомобильный мир изменился. Дизельные моторы вышли из тени и неслабо так подвинули бензиновые. Даже несмотря на пресловутый “дизельгейт” моторы на тяжелом топливе продолжают пользоваться популярностью, а для некоторых, в том числе и новых моделей их предложено больше, нежели бензиновых. И каждый второй владелец дизеля (по крайней мере, у нас в стране) готов ткнуть носом своих «бензиновых» коллег в превосходство Ньютоно-метров над лошадиными силами (он, конечно, еще и про расход вспомнит). Получается, теперь крутящий момент продает машины, и он же еще и гонки может выигрывать? А на кой черт нам тогда сдались эти лошадиные силы? Ну что же, будем разбираться!

Энцо Ансельмо Феррари — итальянский конструктор, предприниматель и автогонщик. Основатель автомобильной компании «Феррари» и одноимённой автогоночной команды.

Для начала давайте немного познакомимся с нашими сегодняшними противниками. Крутящий момент измеряется в Ньютоно-метрах (Н·м) или килограмм-силах на метр (кгс·м). 1 килограмм-силы на метр приблизительно равен 10 Ньютоно-метрам. Чтобы понять сколько это, давайте представим, что нам нужно закрутить гайку с усилием, скажем, в те самые десять Ньютоно-метров. Для этого необходимо надеть на нее гаечный ключ и приладить к нему рычаг длиной в один метр, а на его край повесить гирьку массой в 1 кг. Тогда на гайке мы получим крутящий момент равный как раз 10 Н·м. Нетрудно посчитать, что для получения усилия в 1 Н·м нам необходима гирька массой 0,1 кг.

Так создается крутящий момент

С моментом немного разобрались, давайте перейдем к мощности. С ней все несколько сложнее. Согласно определению: «Мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени». Значит, мощность характеризует скорость выполнения работы. Чтобы лучше это понять, давайте немного позанудствуем и взглянем на формулу расчета мощности двигателя:

N_e=(M_k×n)÷9549

где M_k – это крутящий момент в Н·м; n – это количество оборотов двигателя за минуту; а число 9549 помогает нам привести результат к нормальным значениям.

Благодаря этой формуле, мы можем рассчитать мощность при любых оборотах, только для этого необходимо знать значение крутящего момента при этих оборотах. Выходит, эти два показателя взаимосвязаны? Да, так и есть. На движение автомобиля влияет усилие, которое генерирует двигатель (крутящий момент), и частота, с которой он его генерирует (обороты). Соотношение этих показателей характеризуется значением мощности мотора. Мощность измеряют в киловаттах или лошадиных силах. В чем между ними разница мы уже разбирались в одном из наших материалов:

Теперь давайте рассмотрим две крайности двигателестроения: дизель от трактора МТЗ-80 и великолепный бензиновый мотор автомобиля Honda S2000. На тракторе установлен четырехцилиндровый дизель объемом 4,75 л. Его максимальная мощность всего лишь 80 л.с, зато крутящий момент – целых 422 Н·м, которые доступны уже с 1500 об/мин. Максимальные же обороты этого двигателя – скромные 2200 об/мин. Дизели, как мы знаем, вообще не любят высокие обороты.

Эти две машины созданы для совершенно разных задач. Трактор – работяга. Ему важен высокий крутящий момент уже на малом ходу. Хонда же – автомобиль для удовольствия. Здесь нужно, чтобы двигатель вез на все деньги.

Бензиновый же мотор Honda S2000 наоборот – обожает их. Он способен крутиться аж до 9200 об/мин, и при объеме всего в два литра выдает целых 250 л.с при 8300 об/мин и немаленькие 218 Н·м при 7300 об/мин. И это без наддува (долгое время этот агрегат был самым высокофорсированным атмосферным двигателем в мире). Выходит, что мотор Honda при меньшем в 2,37 раза объеме имеет почти в два раза меньший момент, и это вполне логично. При этом он почему-то мощнее тракторного в 3,1 раза. Как так получилось? Ведь мы помним, что мощность зависит от крутящего момента. Но зависит она еще и от оборотов, а у трактора они совсем невысокие. Его задача тягать тяжелые веса, для этого нужно большое усилие на колесах и совсем неважна скорость – трактора неспешные ребята.

И вот мы и подошли к сути вопроса. У трактора двигатель большого объема с большой площадью днища поршня и объемом камеры сгорания, давление в которой у дизельного мотора выше, чем у бензинового. Детали этого двигателя достаточно тяжелые, а кривошипно-шатунный механизм имеет более длинные рычаги. Все это приводит к тому, что дизель уже на невысоких оборотах будет создавать много крутящего момента. Гораздо больше, чем компактный двигатель Хонды. Если провести аналогию, то дизельный мотор трактора – это большой и сильный пауэрлифтер. А двигатель Honda S2000 – это, скорее,  спортивный гимнаст. Он не может поднять за раз большой вес, зато он гораздо более быстрый, проворный и может выполнить много работы в короткий промежуток времени.

Только не нужно эту аналогию считать применимой для любого бензинового и дизельного двигателя. Современные дизели далеко ушли от своих предков. Сегодня хорошо настроенный дизель – это тихий, быстрый и очень тяговитый агрегат. Хорошим примером является четырехлитровый V8 с тремя нагнетателями на 435 л. с. и 900 Нм от концерна VAG. Этот мотор превращает Audi SQ7 в самый мощный дизельный кроссовер на планете и катапультирует его с нуля до первой сотни за 4,8 секунды – проворный, однако, пауэрлифтер!

Этот двигатель делает Audi SQ7 самым мощным серийным дизельным кроссовером в мире

Теперь, когда мы поняли, кто есть кто, давайте разберемся с еще одним обстоятельством. Крутящий момент двигателя, проходя через трансмиссию, изменяется. Например, максимальный крутящий момент мотора ВАЗ-2108 равен 98.4 Н·м. Но на первой передаче на колёсах этот показатель будет увеличен в 14,157 раз (при максимальной нагрузке двигателя и без учета потерь в трансмиссии). Как правило, в традиционных пятиступенчатых коробках передач первые три передачи являются понижающими (т.е они понижают обороты и увеличивают момент), четвертая – прямая, а остальные уже наоборот повышают обороты и понижают момент. Влияние передаточного отношения трансмиссии хорошо известно тем, кому доводилось заниматься доработкой ВАЗовских переднеприводников. Для них доступны различные комплекты рядов КПП и главной пары. При установке «короткого» ряда (с большим передаточным отношением) автомобиль быстрее разгоняется на первых передачах и лучше преодолевает подъемы, но максимальная скорость уменьшается. Если же наоборот установить комплект с меньшим передаточным числом, то можно несколько увеличить “максималку”, но потерять в разгоне на низших передачах.

Понять, насколько хороший двигатель автомобиля, помогут не значения мощности и момента, а ощущения за рулем

Из этого всего можно сделать вывод, что для автомобиля важны не цифры мощности и момента, а сочетание характеристик двигателя (будь то бензиновый мотор, дизельный или даже гибридная силовая установка) и трансмиссии, и то, насколько они подходят конкретной машине. Только по одним цифрам вообще тяжело выбрать двигатель, ведь в них указывают лишь максимальные значения мощности и момента. Возвращаясь к характеристикам Honda S2000, можно отметить, что максимальный момент у нее достигается при 7300 об/мин. Но это же не значит, что, скажем, при 3500 об/мин тяги вообще не будет. Многие журналисты, которым посчастливилось поездить на этой машине, и вовсе отмечают, что несмотря на явно высокооборотистый характер ее двигателя, он приемлемо тянет и на низких оборотах. И это подводит нас к неожиданному выводу. Если вы выбираете трактор, то вам нужно знать не его мощность и крутящий момент, а то сколько он способен потянуть (для этого даже специальная характеристика есть: сила тяги на крюке). Мы же, в первую очередь, говорим про легковые авто. И здесь тоже сами по себе цифры момента и мощности мало что значат. Важно то, как машина едет: хороший мотор может быть испорчен плохой коробкой и наоборот. И все это не будет иметь смысла, если установлено на неудачном шасси. Поэтому наш совет: выбирая машину, не зацикливайтесь на цифрах. Проедьтесь на ней, и вам все станет ясно! А также читайте наши тест-драйвы – в них мы детально разбираемся со всеми важнейшими характеристиками автомобиля в деле!

Крутящий момент и мощность двигателя машины простыми словами

Те, у кого есть автомобиль, а также те, у кого его нет, говоря о его мощности, апеллируют к лошадиным силам. Чем их больше, тем автомобиль мощнее. В общем, это почти так. Однако при разных ситуациях и стилях езды авто с преимуществом в «лошадках» уступит в скорости другому, у которого при меньших лошадиных силах лучшие показатели крутящего момента.

Мощность автомобильного двигателя и его крутящий момент – две основные взаимодополняющих характеристики производительности любого автомобиля. Некоторые автомобилисты неправильно считают, что мощность мотора — это главная характеристика скоростных параметров авто. Другие водители впадают в другую крайность и четко заявляют, что мощность мотора — это ничто, а вот крутящий момент — это все. Выясним четкую связь мощности двигателя и крутящего момента, который получают колеса автомобиля.

Единица измерения

Высокий крутящий момент выигрывает гонку, а лошадиная сила продает автомобиль… — это перефразированная мысль Энцо Феррари, который четко определил границы терминов.

Более столетия главное единицей мощности мотора остается лошадиная сила. Проще говоря, — это скорость выполнения работы одной лошадью. За одну минуту времени животное поднимало груз весом 150 кг. на 30 м. В системной измерительной шкале одна лошадиная сила приблизительно равна мощности в 746 Вт.

Определение мощности

Мощность мотора — производная от его оборотов. А обороты (в минуту) можно увеличить, добавляя рабочую смесь в камеру внутреннего сгорания двигателя (т.е. в цилиндр), нажимая на педаль газа. Вырабатываемая энергия двигателя увеличивается. Тем самым, кривошипно-шатунный узел цилиндра начинает быстрее двигаться и ускорять вращение коленчатого вала. А на конце последнего возникает пресловутый крутящий момент ДВС, который и даёт дальнейшее распределение энергии вращения всем остальным механизмам; шестерням, трансмиссии и колёсам. Чем выше величина момента, тем, на каком-то этапе, и выше мощность мотора, а соответственно — и скорость автомобиля.

Есть формула, где мощность равняется произведению крутящего момента на количество оборотов. А так как при достижении определённой величины оборотов момент начинает падать, пиковое значение и указывается в характеристике автомобиля.

Вроде получается, что крутящий момент — это величина, зависимая от оборотов и мощности. Это так, но интересно то, что параметр момента не увеличивается с оборотами так, как мощность. До какого-то момента, с увеличением оборотов также растёт и величина крутящего момента. Но своего предельного значения момент достигает быстро, допустим — на 2000 об., потом всё время оставаясь на одном этом максимальном значении, пока в какой-то момент не начнёт только падать. Вот эта максимальная цифра — очень важный показатель. И чем он выше, тем лучше.

Важность момента

Почему же, помимо мощности, важен и максимальный крутящий момент? Если коротко, то для быстрого обгона. Или для удобства — допустим, подъёма в горку. Или когда в обоих случаях машина сильно нагружена. То есть, большой крутящий момент обозначает, что в машине не просто 100 лошадиных сил, а 100 в любых стихийных и быстро меняющихся случаях лошадиных сил, которые быстрее начинают работать на полную мощность.

Лошадиные силы будут максимально эффективными. Потому что при большой мощности автомобиля и небольшого значения крутящего момента при обгоне и в нагруженном состоянии придётся понижать передачу, дабы только таким способом увеличивать обороты и создавать большую мощность, а значит — и скорость. Что неблагоприятно сказывается на ресурсе двигателя и расходе бензина.

Конечно, если допустить безветренную погоду, ровную и гладкую дорогу и прочие благоприятные условия, то в таком случае величина крутящего момента будет не так важна. И автомобиль всё равно покажет все свои возможности. Но идеальные условия бывают очень редко.

Крутящий момент мотора — это в первую очередь тяговая характеристика, которая не дает полного представления о возможностях автомобиля, его скорости, ускорении и пр. Важно понимать, что момент двигателя и крутящий момент на колесах — это абсолютно разные параметры.

Плечом приложения силы в двигателе для создания крутящего момента служит вынос шатунных шеек коленвала

Крутящий момент двигателя — это сила воздействия, умноженная на плечо. Параметр зависит от силы давления сгоревших газов на плечо коленвала и показывает только граничный потенциал двигателя. Крутящий момент, получаемый колесами, высчитывается исходя из характеристик передаточных чисел КПП и чисел главной передачи, всех величин оборотов мотора, зависит от диаметра колесных дисков, используемых шин и пр.

Для примера можно рассмотреть технические характеристики двигателей на двух авто. Спортивный седан с мощностью мотора в 500 л.с. и крутящим моментом на двигателе в 500 Нм и полноценный тягач-фура с мотором в 500 л.с. и крутящим моментом в 2500 Нм будут иметь на колесах одинаковый крутящий момент при езде по шоссе с одинаковой скоростью.

Грубо говоря, мощность мотора — это его тяговые характеристики, которые показывают скоростные возможности автомобиля и параметры ускорения. Важно помнить, что в переднеприводных авто по мере увеличения крутящего момента на двигателе возникает эффект подруливания, когда ведущие колеса начинают самопроизвольно проворачиваться. В авто с полным приводом крутящий момент равномерно распределяется на все оси — это улучшает динамику авто при разгоне и препятствует заносу.

Мощность и крутящий момент двигателя неразрывно связаны, но в параметрах производительности авто (ускорение, скорость, динамика разгона) они выполняют разные функции.

Производительность автомобиля

В тех паспорте мотора производитель указывает максимальное пиковое значение мощности, которые в условиях настоящей, не стендовой эксплуатации используются крайне редко. Производительность машины зависит не только от значений мощности и момента, но и от передаточного числа, от условий дороги и погоды.

Управление авто с большим двигательным моментом позволяет легко ускорятся практически на всех передачах, автомобиль имеет большой диапазон оборотов. Но при использовании более высокой передачи происходит секундное уменьшение вращений привода и снижение момента. Скорость на этой передаче падает, и далее происходит снова ее наращивание.

Исходя из особенностей двух главных характеристик мотора, ускорение авто с большим крутящим моментом и средней мощностью, и мощностным агрегатом, но с низким моментом происходит по-разному. Различаются точки переключение скоростей, также будут разниться и диапазон оборотов, которые у этих машин разный.

Ускорение автомобиля

Крутящий момент в моторе зависит от количества и параметров шестеренок в коробке переключения передач. В процессе движения при переходе на все более высокую скорость момент будет нарастать. Если в автомобиле изначально указано низкое число крутящего момента мотора его можно увеличить через изменение числа передачи. При переключении изменяется граница оборотов двигателя через приводной коэффициент. В зависимости от конструкции трансмиссии используются различные (чаще зубчатые) передачи для стабильного перехода на высокую скорость, ускорение, разгон без резкого снижения крутящего момента.

Если автомобиль хорошо набирает скорость, можно говорить об оптимальной динамике крутящего момента, которая распространяется на большой диапазон работы. Чтобы автомобиль показал максимальную скорость, требуется точно знать, как меняется динамика мощности мотора на каждой из передач, как изменяются обороты при переключении скоростей.

Лучше всего машина разгоняется на вершине крутящего момента в определенном диапазоне оборотов. При переходе на режим следующей передачи происходит снижение оборотов и уменьшение крутящего момента. Условия, которые всегда влияют на ускорение авто в сторону снижения или увеличения оборотов:

1. Вес машины. Ошибка считать, что тяжелые внедорожники тяжелее разгоняются.2. Шестерни передачи. КПП — главный элемент трансмиссии, которые передает момент мотора на колеса.

   3. Сопротивление. Все элементы трансмиссии, шины, детали мотора испытывают силу трения и инерции.

   4. Аэродинамика. Сопротивление встречному потоку всегда препятствует быстрому разгону.

Изменения крутящего момента

При ежедневной эксплуатации авто водители редко используют полный момент, который зависит не только от выжатого до предела газа, но и от оборотов двигателя. На малых оборотах в камере сгорания остаются большое количество остаточных газов, при средних оборотах в трубопровод поступает больше воздуха — момент начинает резко увеличиваться. На высоких оборотах в работу вступает сила трения колец, инерционные потери в ГРМ увеличиваются, крутящий момент двигателя снова начинает снижаться.

Практически на всех графиках, где есть показатели мощности мотора и кривая крутящего момента, видно, что пик момента приходится на середину роста мощности мотора. При максимальной мощности момент снижается.

Чтобы добиться от двигателя максимальной выдачи мощности, требуется не снижать или увеличить крутящий момент на высоких оборотах. От того, насколько высока мощность мотора в определенных точках оборота, зависит максимальная скорость авто. Для этого требуется правильно рассчитать передаточное число.

Особенности дизельных двигателей

Дизельные двигатели отличаются сравнительно небольшим, по сравнению с бензиновыми агрегатами, объемом, но имеют при этом намного больший крутящий момент. Это достигается тем, что мотор, использующий в качестве топлива солярку или улучшенное дизтопливо, работает на ограниченных рабочих оборотах.

Типовой график технических показателей спортивного мотора Ferrari F12 Berlinetta

Высокая степень сжатия дизтоплива и замедленные процессы горения не позволяют дизельному мотору оптимально работать на высоких оборотах. Температура отработанного газа в выпускном коллекторе ниже, чем у бензинового аналога — это дает возможность использовать различные по эффективности турбины. Объем подачи воздуха увеличивается на 70%, благодаря чему дизельный мотор на низких оборотах вырабатывает большой момент.

Типовой график технических показателей у тягачей Volvo: видна разница, на каких оборотах

В заключении хотелось бы поговорить о таком понятии, как полка крутящего момента. Полка — это комфортный в оборотах режим работы двигателя в момент переключения скоростей при разгоне автомобиля. То есть, не допускание как слишком высоких оборотов, так и скатывания на низкие. При высоких оборотах двигатель и шумит громко, и расходует бензина больше, и изнашивается быстрее. При низких происходит несовпадение скоростей сцепляющих элементов, и автомобиль будет дёргаться. Причём, край полки в районе низких оборотов примерно один и тот же (вероятнее — у отметки 2000 об/мин.), а край по высоким оборотам будет сокращаться до минимальных значений, и стремиться к низкому краю.

Невозможно определить мощность любого мотора, его полезную работу за определенное время без определения числа его крутящего момента. Неправильно рассматривать эти характеристики в отрыве друг от друга. Но чтобы автомобилистам можно было только на основе чисел характеристики выбрать лучшую комплектацию на авто, нужно запомнить простое правило — мощность и крутящий момент в моторе должны быть сбалансированы. В линейке похожих характеристик выбирать нужно тот мотор, где момент чуть выше, чем у аналогов.

Зависимость мощности, крутящего момента и скорости

Зависимость мощности, крутящего момента и скорости

Зависимость мощности, крутящего момента и скорости

Следующие расчеты показывают взаимосвязь между мощностью, крутящим моментом и скоростью вращения при прохождении вращательного движения через коробку передач с мощностью в кВт, равной П .

P вход = P вых + редукционные потери

Потери шестерен = 1% на ступень.Если это игнорировать, можно предположить идеальный случай.

Тогда применимо общее уравнение мощности:

P = Tω

Где:

Если ω — скорость вращения в радианах / сек, T — крутящий момент в Н · м, а n — частота вращения в об / мин.

Принцип лучше всего пояснить на примере. При снижении частоты вращения на 25 через редуктор со стандартной входной частотой вращения для электродвигателя

n = 1475 об / мин:

Тогда за:

P вход = P выход = Tω

Таким образом, по мере уменьшения скорости вращения коробки передач крутящий момент увеличивается, и наоборот.Изменение крутящего момента через коробку передач равно передаточному отношению коробки передач.

Hansen Transmissions специализируется на поставках редукторов для многих отраслей промышленности, уделяя особое внимание:

• Водоподготовка

• Градирни

• Смесители и мешалки

• Погрузочно-разгрузочные работы

• Переработка пальмового масла

• Ветряные турбины

Коробки передач Hansen предлагают ряд специально разработанных коробок передач для любого применения, в котором требуется связь между приводным двигателем и ведомой системой.Муфты также поставляются для особых требований применения, например, жесткие муфты для передачи высокого крутящего момента и редукторы на валу, гидравлические муфты для плавного пуска и гибкие муфты при небольшом перекосе.

Почему мощность и крутящий момент пересекаются при 5252 об / мин?

Мы уже говорили о взаимосвязи между мощностью и крутящим моментом. Они работают вместе, а для лошадиных сил нужен крутящий момент, чтобы вы и ваша машина были довольны.Однако есть одно магическое число, на которое не проливается много чернил, виртуальных или иных. Число 5252, и это точка в диапазоне оборотов, где мощность и крутящий момент всегда пересекаются. Почему? Обратимся к Джейсону Фенске из Engineering Explained для объяснения этого интересного факта.

Чтобы все это разобрать, Фенске обращается к своей чудесной доске. Там мы узнаем о мощности, крутящем моменте и скорости. Видите ли, мощность равна силе, умноженной на любую скорость.Под скоростью понимается заданное расстояние, деленное на время, необходимое для преодоления этого расстояния. Наконец, крутящий момент — это величина, создаваемая силой, умноженной на заданное значение радиуса.

Вам необходимо базовое понимание этих трех физических идей, прежде чем мы выясним, почему мощность и крутящий момент пересекаются при 5252 об / мин. Все сводится к математике мощности и крутящего момента. Это также сводится к небольшой истории. Джеймс Ватт, шотландский инженер, разработавший концепцию лошадиных сил, выяснил, что одна метрическая лошадиная сила необходима, чтобы поднять 75 килограммов на один метр за одну секунду.Это связано с тем, сколько работы будет выполнять лошадь, по сравнению с той же работой, которую выполняет паровой двигатель. Сегодня мы используем лошадиные силы как инструмент для хвастовства, чтобы побеждать в жимовых гонках.

Но вернемся к магическому числу 5252 и тому, почему здесь мистическим образом переплетаются мощность и крутящий момент. Вы должны глубже погрузиться в уравнения, используемые для определения тех трех областей, которые мы обсуждали в начале всего этого; мощность, крутящий момент и скорость. Одна лошадиная сила равна 33 000 фут-фунтов работы в минуту.Добавьте к этому уравнения, относящиеся к крутящему моменту и скорости, и вы обнаружите, что мощность в лошадиных силах всегда равна крутящему моменту, умноженному на число оборотов в минуту, деленному на 5 252.

Исключив равные переменные, вы получите мощность, равную крутящему моменту … при 5252 об / мин. Это много математики, но Джейсон довольно легко ее разбивает. Так что нажмите «Играть» и узнайте что-нибудь новое сегодня.

Мощность

в зависимости от крутящего момента — x-engineer.org

В этой статье мы собираемся понять, как создается крутящий момент двигателя , как рассчитывается мощность двигателя и что такое крутящий момент и кривая мощности .Кроме того, мы собираемся взглянуть на карты крутящего момента и мощности двигателя (поверхности).

К концу статьи читатель сможет понять разницу между крутящим моментом и мощностью, как они влияют на продольную динамику автомобиля и как интерпретировать кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке.

Определение крутящего момента

Крутящий момент можно рассматривать как вращающую силу , приложенную к объекту. Крутящий момент (вектор) — это произведение между силой (вектором) и расстоянием (скаляр).Расстояние, также называемое плечом рычага , измеряется между силой и точкой поворота. Подобно силе, крутящий момент является вектором и определяется амплитудой и направлением вращения.

Изображение: Момент затяжки на колесном болте

Представьте, что вы хотите затянуть / ослабить болты колеса. Нажатие или вытягивание рукоятки гаечного ключа, соединенного с гайкой или болтом, создает крутящий момент (усилие поворота), который ослабляет или затягивает гайку или болт.

Крутящий момент T [Нм] является произведением силы F [Н] и длины плеча a [м] рычага.

\ [\ bbox [# FFFF9D] {T = F \ cdot a} \]

Чтобы увеличить величину крутящего момента, мы можем либо увеличить силу, либо длину плеча рычага, либо и то, и другое.

Пример : Рассчитайте крутящий момент, полученный на болте, если плечо гаечного ключа имеет 0,25 м и приложенное усилие составляет 100 Н (что приблизительно эквивалентно толкающей силе 10 кг )

\ [T = 100 \ cdot 0,25 = 25 \ text {Нм} \]

Такой же крутящий момент может быть получен, если плечо рычага составляет 1 м , а усилие только 25 Н .

Тот же принцип применим к двигателям внутреннего сгорания. Крутящий момент на коленчатом валу создается силой, прикладываемой к шейке шатуна через шатун.

Изображение: Крутящий момент на коленчатом валу

Крутящий момент T будет создаваться на коленчатом валу на каждой шейке шатуна каждый раз, когда поршень находится в рабочем ходе. Плечо a в данном случае является радиусом кривошипа (смещение) .

Величина силы F зависит от давления сгорания внутри цилиндра.Чем выше давление в цилиндре, тем выше сила на коленчатом валу, тем выше выходной крутящий момент. 2} {4} = \ frac {\ pi \ cdot 0.2 \]

Во-вторых, мы рассчитаем силу, приложенную к поршню. Чтобы получить силу в Н, (Ньютон), мы будем использовать давление, преобразованное в Па (Паскаль).

\ [F = p \ cdot A_p = 120000 \ cdot 0,0056745 = 680.94021 \ text {N} \]

Предполагая, что вся сила в поршне передается на шатун, крутящий момент рассчитывается как:

\ [T = F \ cdot a = 680.94021 \ cdot 0.062 = 42.218293 \ text {Нм} \]

Стандартная единица измерения крутящего момента — Н · м (Ньютон-метр).В частности, в США единицей измерения крутящего момента двигателя является фунт-сила · фут (фут-фунт). Преобразование между Н · м и фунт-сила · фут составляет:

\ [\ begin {split}
1 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft} & = 1.355818 \ text {N} \ cdot \ text {m} \\
1 \ text {N} \ cdot \ text {m} & = 0.7375621 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft}
\ end {split} \]

Для нашего конкретного примера крутящий момент в имперских единицах (США):

\ [T = 42.218293 \ cdot 0.7375621 = 31.138615 \ text {lbf} \ cdot \ text {ft} \]

Крутящий момент T [N] также может быть выражен как функция среднее эффективное давление двигателя.

\ [T = \ frac {p_ {me} V_d} {2 \ pi n_r} \]

где:
p _me [Па] — среднее эффективное давление
V _d [m ³ ] — объем двигателя (объем)
n _r [-] — количество оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для 4-тактного двигателя n _r = 2 )

Определение мощности

В физике мощность — это работа, выполненная во времени, или, другими словами, — скорость выполнения работы .В системах вращения мощность P [Вт] является произведением крутящего момента T [Нм] и угловой скорости ω [рад / с] .

\ [\ bbox [# FFFF9D] {P = T \ cdot \ omega} \]

Стандартная единица измерения мощности — Вт, (ватт) и скорости вращения — рад / с, (радиан в секунду) . Большинство производителей транспортных средств предоставляют мощность двигателя в л.с. (мощность торможения) и скорость вращения в об / мин (оборотов в минуту).Поэтому мы будем использовать формулы преобразования как для скорости вращения, так и для мощности.

Чтобы преобразовать об / мин в рад / с , мы используем:

\ [\ omega \ text {[rad / s]} = N \ text {[rpm]} \ cdot \ frac {\ pi} { 30} \]

Чтобы преобразовать из рад / с в об / мин , мы используем:

\ [N \ text {[rpm]} = \ omega \ text {[rad / s]} \ cdot \ frac {30 } {\ pi} \]

Мощность двигателя также может быть измерена в кВт вместо Вт для более компактного значения.Чтобы преобразовать кВт в л.с. и обратно, мы используем:

\ [\ begin {split}
P \ text {[bhp]} & = 1.36 \ cdot P \ text {[kW]} \\
P \ text {[кВт]} & = \ frac {P \ text {[bhp]}} {1.36}
\ end {split} \]

В некоторых случаях вы можете найти л.с. (мощность в лошадиных силах) вместо л.с. как единица измерения мощности.

Имея скорость вращения, измеренную в об / мин , и крутящий момент в Нм , формула для расчета мощности следующая:

\ [\ begin {split}
P \ text {[кВт]} & = \ frac {\ pi \ cdot N \ text {[об / мин]} \ cdot T \ text {[Нм]}} {30 \ cdot 1000} \\
P \ text {[HP]} & = \ frac {1.36 \ cdot \ pi \ cdot N \ text {[rpm]} \ cdot T \ text {[Nm]}} {30 \ cdot 1000}
\ end {split} \]

Пример . Рассчитайте мощность двигателя как в кВт, , так и в л.с. , если крутящий момент двигателя составляет 150 Нм , а частота вращения двигателя 2800 об / мин .

\ [\ begin {split}
P & = \ frac {\ pi \ cdot 2800 \ cdot 150} {30 \ cdot 1000} = 44 \ text {kW} \\
P & = \ frac {1.36 \ cdot \ pi \ cdot 2800 \ cdot 150} {30 \ cdot 1000} = 59,8 \ text {HP}
\ end {split} \]

Динамометр двигателя

Скорость двигателя измеряется с помощью датчика на коленчатом валу (маховике).В идеале, чтобы рассчитать мощность, мы должны также измерить крутящий момент на коленчатом валу с помощью датчика. Технически это возможно, но не применяется в автомобильной промышленности. Из-за условий эксплуатации коленчатого вала (температуры, вибрации) измерение крутящего момента двигателя с помощью датчика не является надежным методом. Также довольно высока стоимость датчика крутящего момента. Следовательно, крутящий момент двигателя измеряется во всем диапазоне скорости и нагрузки с помощью динамометра (испытательный стенд) и отображается (сохраняется) в блоке управления двигателем.

Изображение: Схема динамометрического стенда двигателя

Динамометр — это в основном тормоз (механический, гидравлический или электрический), который поглощает мощность, производимую двигателем. Самый используемый и лучший тип динамометра — электрический динамометр . Фактически это электрическая машина , которая может работать как генератор или двигатель . Изменяя крутящий момент нагрузки генератора, двигатель может быть переведен в любую рабочую точку (скорость и крутящий момент).Кроме того, при отключенном двигателе (без впрыска топлива) генератор может работать как электродвигатель для раскрутки двигателя. Таким образом можно измерить трение двигателя и потери крутящего момента насоса.

У электрического динамометра ротор соединен с коленчатым валом. Связь между ротором и статором электромагнитная. Статор закреплен через плечо рычага на датчике нагрузки . Чтобы уравновесить ротор, статор будет прижиматься к датчику нагрузки. Крутящий момент T вычисляется путем умножения силы F , измеренной в датчике нагрузки, на длину плеча a рычага.

\ [T = F \ cdot a \]

Параметры двигателя: тормозной момент, тормозная мощность (л.с.) или удельный расход топлива при торможении (BSFC) содержат ключевое слово «тормоз», потому что для их измерения используется динамометр (тормоз). .

В результате динамометрического испытания двигателя получается карт крутящего момента (поверхности), которые дают значение крутящего момента двигателя при определенных оборотах двигателя и нагрузке (стационарные рабочие точки). Нагрузка двигателя эквивалентна положению педали акселератора.

Пример карты крутящего момента для бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI) :

10
об / мин. 138 000 00

Двигатель крутящий момент [Нм]		Положение педали акселератора [%]
		5	20	30	40	50	60	100
45	90	107	109	110	111	114	116
1300	60	105	132	132	132	141
1800	35	89	133	141	1 42	144	145	149
2300	19	70	133	147	148	150	151	151	151	151 9000 3	55	133	153	159	161	163	165
3300	0	41	16152	162		162		171
3800	0	33	116	150	160	167	170	175
170	175
	7		155	169	176	180	184
4800 9000 7	0	18	106	155	174	179	185	190
5300	0	12		96	181	187
5800	0	4	84	136	161	170	175	183	175	183
	72	120	145	153	159	171

Пример карты мощности для бензинового двигателя с искровым зажиганием (SI) :

3 мощность

Двигатель
Л.с.] 000 0004 000 110

Положение педали акселератора [%]
5	10	20 9 0007	30	40	50	60	100
Двигатель оборотов [об / мин]			[об / мин]	12	13	13	13	13
	1300	11	19	24	25	25		9004 9007	9004 1800	9	23	34	36	36	37	37	38
	2300	6		2300	49	49	51
	2800	1	22	53	61	63	64	65	66
	3300	0	19	59	71	76	78		0	18	63	81	87	90	92	95
	4300	0	16					113
	4800	0	12	72	106	119	122	126	130
	72	111	126	132	137	141
	5800	0 90 007	3	69	112	133	140	145	151
	6300	0	0	65				153

Электронный блок управления (ЕСМ) ДВС имеет карту крутящего момента, хранящуюся в памяти.Он вычисляет (интерполирует) функцию крутящего момента двигателя от текущих оборотов двигателя и нагрузки. В блоке управления двигателем нагрузка выражается как давление во впускном коллекторе для бензиновых двигателей (искровое зажигание, SI) и время впрыска или масса топлива для дизельных двигателей (воспламенение от сжатия, CI). Стратегия расчета крутящего момента двигателя имеет поправки на основе температуры и давления всасываемого воздуха.

Построение графика крутящего момента и мощности, функции частоты вращения и нагрузки двигателя дает следующие поверхности:

Изображение: Поверхность крутящего момента двигателя SI

Изображение: Поверхность мощности двигателя SI

Для Для лучшей интерпретации карт крутящего момента и мощности можно построить двухмерную линию крутящего момента для фиксированного значения положения педали акселератора.

Изображение: кривые крутящего момента двигателя SI

Изображение: кривые мощности двигателя SI

Крутящий момент и мощность двигателя при полной нагрузке

Как вы видели, крутящий момент и мощность внутреннего сгорания двигатель зависит как от частоты вращения двигателя, так и от нагрузки. Обычно производители двигателей публикуют характеристики крутящего момента и кривых (кривые) при полной нагрузке (100% положение педали акселератора). Кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке подчеркивают максимальный крутящий момент и распределение мощности во всем диапазоне оборотов двигателя.

Изображение: параметры крутящего момента и мощности двигателя при полной нагрузке

Форма приведенных выше кривых крутящего момента и мощности не соответствует реальному двигателю, их целью является объяснение основных параметров. Тем не менее, формы аналогичны реальным характеристикам искрового зажигания (бензин), левого впрыска, атмосферного двигателя.

Обороты двигателя N _e [об / мин] характеризуется четырьмя основными моментами:

N _мин — минимальная стабильная частота вращения двигателя при полной нагрузке
N _Tmax — частота вращения двигателя при максимальном крутящем моменте двигателя
N _Pmax — частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности; также называется номинальная частота вращения двигателя
N _max — максимальная стабильная частота вращения двигателя

При минимальной частоте вращения двигатель должен работать плавно, без колебаний и остановок.Двигатель также должен позволять работать на максимальной скорости без каких-либо повреждений конструкции.

Крутящий момент двигателя при полной нагрузке кривая T _e [Нм] характеризуется четырьмя точками:

T ₀ — крутящий момент двигателя при минимальных оборотах двигателя
T _max — максимальный двигатель крутящий момент (максимальный крутящий момент или номинальный крутящий момент )
T _P — крутящий момент двигателя при максимальной мощности двигателя
T _M — крутящий момент двигателя при максимальной частоте вращения двигателя

В зависимости от типа всасываемого воздуха (атмосферный или с турбонаддувом) максимальный крутящий момент может быть точечным или линейным.Для двигателей с турбонаддувом или наддувом максимальный крутящий момент может поддерживаться постоянным между двумя значениями частоты вращения двигателя.

Мощность двигателя при полной нагрузке Кривая P _e [л.с.] характеризуется четырьмя точками:

P ₀ — мощность двигателя при минимальных оборотах двигателя
P _max — максимальная мощность двигателя мощность (пиковая мощность или номинальная мощность )
P _T — мощность двигателя при максимальном крутящем моменте двигателя
P _M — мощность двигателя при максимальной частоте вращения двигателя

Область между минимальными оборотами двигателя N _мин и максимальная частота вращения двигателя N _Tmax называется зоной нижнего конца крутящего момента.Чем выше крутящий момент в этой области, тем лучше возможности запуска / ускорения транспортного средства. Когда двигатель работает в этой области при полной нагрузке, если сопротивление дороги увеличивается, частота вращения двигателя будет уменьшаться, что приведет к падению крутящего момента двигателя и останову двигателя . По этой причине эта область также называется областью нестабильного крутящего момента .

Область между максимальной частотой вращения двигателя N _Tmax и максимальной частотой вращения двигателя N _Pmax называется диапазоном мощности .Во время разгона автомобиля для достижения наилучших характеристик переключение передач (вверх) следует выполнять на максимальной мощности двигателя. В зависимости от передаточных чисел коробки передач после переключения на выбранной передаче частота вращения двигателя снижается до максимального крутящего момента, что обеспечивает оптимальное ускорение. Переключение передач на максимальной мощности двигателя позволит удерживать частоту вращения двигателя в пределах диапазона мощности.

Область между максимальной частотой вращения двигателя N _Pmax и максимальной частотой вращения N _max называется зоной верхнего конца крутящего момента.Более высокий крутящий момент приводит к более высокой выходной мощности, что означает более высокую максимальную скорость автомобиля и лучшее ускорение на высокой скорости.

Когда частота вращения двигателя поддерживается между максимальной частотой вращения двигателя N _Tmax и максимальной частотой вращения двигателя N _max , если сопротивление транспортного средства увеличивается, частота вращения двигателя падает, а выходной крутящий момент увеличивается, таким образом компенсация увеличения дорожной нагрузки. По этой причине эта область называется областью стабильного крутящего момента .

Ниже вы можете найти некоторые примеры кривых крутящего момента и мощности при полной нагрузке для различных типов двигателей. Обратите внимание на форму кривых в зависимости от типа двигателя (с искровым зажиганием или с компрессионным зажиганием) и типа воздухозаборника (атмосферный или с турбонаддувом).

Крутящий момент и мощность двигателя Honda 2.0 при полной нагрузке

атмосферный воздухозаборник 4 45006 макс. Л.с.] 9000 3

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Honda 2.0 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
Впрыск топлива	порт клапана
Выбор фаз газораспределения	переменный
T макс. [Нм]	190
N Tmax [об / мин]
155
N Pmax [об / мин]	6000
N макс. [об / мин]	6800

Saab 2.Крутящий момент и мощность двигателя 0T при полной нагрузке

7

11

макс.

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Saab 2.0T SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
Впрыск топлива	порт клапана
Воздухозаборник
	с турбонаддувом Синхронизация клапана		фиксированная
T макс. [Нм]	265
N Tmax [об / мин]	2500
175
N Pmax [об / мин]	5500
N 9024 5 макс. [об / мин]	6300

Audi 2.0 Крутящий момент и мощность двигателя TFSI при полной нагрузке

11 макс. Л.с.]

9 0004 N _макс. [об / мин]

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Audi 2.0 TFSI SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин (SI)
Объем двигателя [см 3 ]	1994
Впрыск топлива	прямой
Воздухозаборник
000 с наддувом Выбор времени клапана	фиксированный
T макс. [Нм]	280
N Tmax [об / мин]	1800-5000		200
N Pmax [об / мин]	5100 — 6000
6500

Toyota 2.0 Крутящий момент и мощность двигателя D-4D при полной нагрузке

Выбор фаз газораспределения

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Toyota 2.0 CI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	дизель (CI)
Объем двигателя [см 3 ]	1998
впрыск топлива	прямой
00	фиксированный
T макс. [Нм]	300
N Tmax [об / мин]	2000 — 28006000		2000 — 28006	макс. [Л.с.]	126
N Pmax [об / мин]	3600
N макс. [об / мин]	5200

Mercedes-Benz 1.8 Крутящий момент и мощность двигателя Kompressor при полной нагрузке

с наддувом синхронизация

5 макс. ]

90 011

Архитектура цилиндров	4-рядный	Изображение: Двигатель Mercedes Benz 1.8 Kompressor SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	1796
Впрыск топлива	порт клапана
	фиксированная
T макс. [Нм]	230
N Tmax [об / мин]	2800 — 4600		156
N Pmax [об / мин]	5200
N макс. [об / мин]	6250

BMW 3.0 Крутящий момент и мощность двигателя TwinTurbo при полной нагрузке

с двойным наддувом Время работы клапана [Л.с.]

Архитектура цилиндров	6-рядный	Изображение: Двигатель BMW 3.0 TwinTurbo SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	2979
Впрыск топлива	прямой
Воздухозаборник 0	переменная
T макс. [Нм]	400
N Tmax [об / мин]	1300 — 500024		1300 — 500024	306
N Pmax [об / мин]	5800
N макс. [об / мин]	7000

Mazda 2.6 крутящий момент и мощность при полной нагрузке

Архитектура цилиндров	2 Ванкель	Изображение: Двигатель Mazda 2.6 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	1308 (2616)
Впрыск топлива	порт клапана
Впуск воздуха	атмосферный		фиксированный
T макс. [Нм]	211
N Tmax [об / мин]	5500

46 4

макс.	231
N Pmax [об / мин]	8200
N макс. [об / мин]	9500

Porsche 3.6 крутящий момент и мощность двигателя при полной нагрузке

переменный

Архитектура цилиндров	6 плоских	Изображение: двигатель Porsche 3.6 SI — кривые крутящего момента и мощности при полной нагрузке
Топливо	бензин
Объем двигателя [см 3 ]	3600
Впрыск топлива	порт клапана
Воздухозаборник	газораспределение
T макс. [Нм]	405
N Tmax [об / мин]	5500
P макс.
N Pmax [об / мин]	7600
N max [об / мин]	8400

Ключевые положения, которые следует учитывать в отношении мощности и крутящего момента двигателя:

крутящий момент

• крутящий момент является компонентом мощности
• крутящий момент может быть увеличен путем увеличения среднего эффективного давление двигателя или за счет снижения потерь крутящего момента (трение, накачивание)
• с более низким максимальным крутящим моментом, распределенным в диапазоне скоростей двигателя, с точки зрения тяги лучше, чем наличие более высокой точки максимального крутящего момента
• нижний конечный крутящий момент очень важно для стартовых возможностей автомобилей
• высокий крутящий момент полезен в условиях бездорожья, когда автомобиль эксплуатируется на больших уклонах дороги, но на низкой скорости

Мощность

• Мощность двигателя зависит как от крутящего момента, так и от скорости
• мощность может быть увеличена за счет увеличения крутящего момента или частоты вращения двигателя
• высокая мощность важна для высоких скоростей автомобиля eds: чем выше максимальная мощность, тем выше максимальная скорость транспортного средства. работать в диапазоне мощности, между максимальным крутящим моментом двигателя и мощностью

По любым вопросам или наблюдениям относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Что важнее? »Oponeo.co.uk

Производители автомобилей используют разные единицы для измерения и выражения мощности двигателя автомобиля. Лошадиная сила и крутящий момент — одни из наиболее часто используемых терминов, особенно когда речь идет об ускорении автомобиля. Что они собой представляют и насколько они важны?

При ускорении имеют значение и крутящий момент, и мощность.

Что такое крутящий момент и что такое мощность?

И крутящий момент, и мощность в лошадиных силах — это сила.Крутящий момент выражает поворотную способность двигателя (способность вращать маховик), а мощность означает общую выходную мощность двигателя. Проще говоря, крутящий момент — это сила, которую вы чувствуете, толкая вас назад в сиденье при ускорении, а мощность — это скорость, достигаемая в конце этого ускорения.

Как мощность, так и крутящий момент можно измерить разными способами, например: в лошадиных силах тормоза, стандарте мощности, метре Ньютона, ваттах, фунтах / футах и ​​так далее. Мы предпочитаем л. С. Для тормозной мощности (количество мощности, производимой двигателем за вычетом количества, которое теряется из-за трения) и фунт / фут для преобразования крутящего момента (фунты на фут вращения вокруг одной точки).

Фактически, тормозная мощность получается из расчета, основанного на крутящем моменте: BHP = Torque X RPM / 5252. Проще говоря, умножьте крутящий момент на скорость вращения оси в минуту (RPM), и вы получите мощность двигателя. конечная выходная мощность.

Что важнее для ускорения: крутящий момент или мощность в лошадиных силах?

Важность крутящего момента и мощности зависит от характера ваших потребностей, и, конечно же, вы никогда не сможете получить одно без другого.

По правде говоря, нет однозначного ответа, что важнее.Более важным соображением является понимание баланса между ними, как они взаимодействуют или, возможно, как повлиять на двигатель, давая ему больше того или другого. Если вы хотите измельчить автомобильные шины, вам нужен небольшой крутящий момент, но если вы стремитесь к рекордам наземной скорости, то мощность всегда будет побеждать.

Технические характеристики двигателя для большей мощности

Не все двигатели одинаковы, поскольку даже два агрегата, вытянутые из одной линии, будут отличаться на динамометрическом стенде двигателя.Даже в этом случае это должна быть полностью контролируемая среда, поскольку давление, температура и влажность воздуха будут влиять на показания мощности двигателя, тем более, когда мы вводим в уравнение принудительную индукцию.

Можно формировать характеристики мощности: например, длинноходный двигатель обычно дает больший крутящий момент, чем короткоходный двигатель. На этой же основе мы можем поиграть с синхронизацией кулачка, чтобы повлиять на подачу мощности — продвижение синхронизации кулачка должно обеспечить более низкий крутящий момент, в то время как замедление его приравнивается к мощности с высокими оборотами в минуту.

Большинство современных двигателей стремятся к балансу крутящего момента и мощности.

Еще один элемент, который следует учитывать, — это принудительная индукция (FI). Наддув или турбонаддув двигателя — отличный способ увеличить его мощность, обычно довольно экономичным способом. Здесь, опять же, у нас есть два маршрута, каждый из которых предлагает разные варианты. С одной стороны, наддув обычно дает больший крутящий момент двигателя, тогда как турбонаддув дает дополнительную мощность.

Конечно, нужно добавить нюанс. Любой из этих методов увеличивает «мощность», но вам следует учитывать множество других факторов.Однако для простоты это то, что вы могли ожидать, выбрав путь FI.

Еще одно соображение, которое следует учитывать при проектировании, типе и мощности двигателя, — это выбор топлива. Эти отношения становятся все более размытыми, поскольку когда-то дизельное топливо считалось топливом для грузовиков, а бензин — автомобильным топливом.

Это уже не так, поскольку в последние годы дизельные автомобили стали почти такими же популярными, как и бензиновые, что оказало огромное влияние на гоночную трассу. Например, такие производители, как Audi и Peugeot, использовали только дизельные автомобили в знаменитой 24-часовой гонке Ле-Ман, потому что крутящий момент и экономия топлива идеально подходят для гонок на выносливость.

Приложения мощности и крутящего момента

Когда речь идет о соотношении крутящего момента и мощности, это действительно вопрос применения; если вы пытаетесь вытащить пень из земли, лошадиные силы вам не помогут (если только вы не добавите 100-метровую веревку и не разберетесь). Тем не менее, если это что-то более спортивное, то впереди должна быть мощность. Большинство производителей нашли баланс, но иногда они немного корректируют цифры.

По правде говоря, хотя многие из нас могут просто знать, что конкретный двигатель или автомобиль по своей природе крутящий или мощный, очень немногие смогут различать характеристики «нормального» дорожного автомобиля с любой степенью точности. По общему мнению, вам потребуется минимум около 10% разницы, чтобы почувствовать ее, если только ваше сиденье дино для брюк не откалибровано особенно хорошо.

Будущее крутящего момента в электромобилях

В общем, разговоры о крутящем моменте в лошадиных силах, несомненно, станут спорным вопросом в будущем, поскольку его заменит одно простое измерение: кВт.

Если забыть обо всех причинах и причинах, электрическая энергия может обеспечить огромный крутящий момент в состоянии покоя, а это означает, что ускорение всегда быстрое, несмотря на снижение веса, связанное с приклеиванием сотен аккумуляторов ноутбука к шасси.

Баланс между мощностью и крутящим моментом вполне может быть заменен электромобилями в будущем.

Фактически, Tesla Model S P90D только что побила рекорд серийного полностью электрического автомобиля в спринте на мили, преодолев его всего за 10.9 секунд. Для сравнения, Bugatti Veyron сделает то же самое за 10,175 секунды. На самом деле кажется, что электроэнергия — это путь вперед, поскольку разрыв в производительности сокращается очень и очень быстро.

Заключение

Будь то принудительная индукция, длинный или короткий ход, размер отверстия, степень сжатия или конструкция распределительного вала — все это играет роль в изменении характеристик мощности двигателя. Нет простого ответа на вопрос, что лучше всего, поэтому, возможно, простой вопрос: что подходит вам лучше всего?

В чем разница между крутящим моментом и мощностью?

Большинство рекламных роликов о больших грузовиках рекламируют впечатляющую мощность и крутящий момент, которые обеспечивает двигатель.Вроде как обычно, чем больше цифр, тем лучше. Но что означают эти числа и как связаны эти две концепции?

Мощность, которую производит двигатель, называется мощностью в лошадиных силах. С математической точки зрения, одна лошадиная сила — это мощность, необходимая для перемещения 550 фунтов на один фут за секунду, или мощность, необходимая для перемещения 33000 фунтов на один фут за одну минуту. В физике мощность определяется просто как скорость выполнения работы.

Мощность двигателя измеряется на динамометре. Динамометр создает нагрузку на двигатель и измеряет крутящую силу, которую коленчатый вал двигателя прикладывает к нагрузке.Груз обычно представляет собой тормоз, предотвращающий пробуксовку колес.

На самом деле динамометр измеряет выходной крутящий момент двигателя. В автомобиле крутящий момент измеряется при различных оборотах двигателя или оборотах в минуту (об / мин). Эти два числа вводятся в формулу — крутящий момент, умноженный на число оборотов в минуту, деленный на 5 252, — чтобы получить мощность в лошадиных силах. Общество автомобильных инженеров имеет два стандарта определения мощности: чистая и полная. Перед испытанием максимальная мощность снимает с двигателя большую часть нагрузки, включая средства контроля выбросов.Чистая мощность — это то, что определяется при тестировании серийного автомобиля того же типа, который вы найдете в выставочном зале, и этот показатель сейчас используется в рекламе и в литературе производителей.

Мощность в лошадиных силах определяется по крутящему моменту, потому что крутящий момент легче измерить. Крутящий момент определяется конкретно как вращающая сила, которая может приводить или не приводить к движению. Он измеряется как величина силы, умноженная на длину рычага, через который она действует. Например, если вы используете гаечный ключ длиной один фут для приложения силы 10 фунтов к головке болта, вы создаете крутящий момент в 10 фунт-фут.

Крутящий момент, как упоминалось выше, можно создать без перемещения объекта. Однако, когда он действительно перемещает объект, он становится «работой», и это то, о чем большинство людей думают, когда думают о крутящем моменте (обычно в терминах буксировки). Чем больше крутящий момент производит двигатель, тем больше у него рабочего потенциала.

Подробнее о взаимосвязи между мощностью и крутящим моментом.

Понятие о мощности и крутящем моменте | Плюсы автосервиса

Вопрос о том, сколько мощности производит двигатель, был предметом споров с момента появления паровой машины в конце 18 ^{-х годов} века.Определение иллюзорного числа лошадиных сил всегда сводилось к тому, кого вы спрашиваете и какая машина (динамометр) использовалась для ее измерения. Чтобы понять лошадиные силы, необходимо рассмотреть концепцию в исторической перспективе.

«Покажи мне деньги!» Отличная фраза из фильма «Джерри Магуайр» — это один из способов понять, почему измерение мощности с самого начала было движущейся целью. Понятно, сколько долларов и центов измеряют мощность двигателя. Например, если двигатель Ford выдает 300 лошадиных сил, а Chevrolet производит двигатель мощностью 310 лошадиных сил, и оба двигателя продаются по одинаковой цене, что более желательно? Эта логика применима не только к двигателям, но и ко всему, что может быть прикреплено к двигателю, например, к выхлопным системам и вторичным системам.Многие производители выхлопных газов на вторичном рынке заявляют, что их системы на определенную величину увеличивают выходную мощность двигателя. Если две одинаковые системы заявляют о разном увеличении мощности, одна будет иметь преимущество на рынке.

(Фото любезно предоставлено Бобом Гускиора) До конца 1700-х годов лошади были основным средством энергии для нужд сельского хозяйства и транспорта. С появлением паровой машины использование лошадей начало сокращаться, и к 1920 году они не использовались в значительном количестве для выполнения работы в Соединенных Штатах.На фото Бекки ВанГордер, член Драфтового конного клуба Endless Mountains, вспахивает на своих двух упряжных лошадях Percheron, которые обеспечивают ровно «две лошадиные силы», чтобы тянуть плуг по полю.

Chevrolet, Ford, Chrysler, Mercedes-Benz, Porsche, Audi, Nissan, Toyota и другие производители — все они пытаются продавать продукцию, и если мощность в лошадиных силах играет важную роль в уравнении, чем больше, тем лучше. Прочтите последний обзор любого высокопроизводительного автомобиля в журнале для энтузиастов, и, скорее всего, мощность в лошадиных силах будет указана в качестве средства сравнения между аналогичными автомобилями.Вполне логично, что если лошадиные силы продаются, тогда будет иметь место более высокое или более низкое значение. Мощность в лошадиных силах измеряется с помощью устройства, называемого динамометром, и хотя эти машины не производят такую ​​мощность, как двигатель внутреннего сгорания, у них есть кое-что общее. Когда дело доходит до рекламы количества лошадиных сил, больше всегда лучше.

У каждой компании, производящей динамометры, есть практическая причина отвлечь потенциальных клиентов от конкурентов, указав, почему динамометрический стенд другого парня выдает завышенные числа в лошадиных силах.Эта практика — просто «бизнес», и возиться с числами, которые рассчитывают количество лошадиных сил, продолжалось некоторое время — с начала 1800-х годов. В 1712 году Томас Ньюкомен разработал первый коммерчески успешный паровой двигатель, но он был не очень эффективным и имел ограниченное применение, в основном выкачивание воды из глубоких шахт. Шотландский изобретатель и инженер-механик Джеймс Ватт в 1764 году придумал значительно улучшенную версию паровой машины, которая потребляла на 75 процентов меньше угля, чем двигатели Ньюкомена.Бизнес-план Ватта состоял в том, чтобы собирать отчисления от своих клиентов на основе одной трети экономии угля, потребляемой более старым паровым двигателем аналогичного размера. Этот план платежей работал для клиентов, у которых были существующие паровые двигатели, и которые могли отслеживать использование угля, но операторы шахт, которые все еще использовали лошадей, нуждались в другом способе расчета того, сколько они будут платить за эту передовую технологию — паровой двигатель Ватта.

План

Ватта по соблазну владельцев шахт купить одну из его паровых машин основывался на том, сколько лошадей могли заменить владельцы, и зависел от знания того, сколько работы одна лошадь может выполнить за определенный период времени.Использование системы канатов и шкивов. Если бы лошадь могла поднять ведро с углем весом 366 фунтов по шахте со скоростью один фут в секунду, то за одну минуту лошадь могла бы поднять ведро на 60 футов.

С этой информацией Ватт подсчитал, что лошадь может поднять 21 960 фунтов. один фут за одну минуту. Ватт продолжил эксперименты и в 1782 году обнаружил, что пивоваренная лошадь (крупная порода) может производить 32 400 фут-фунтов работы в минуту. Ватт округлил это число до 33 000 фут-фунтов в минуту, и это стало стандартом, который используется до сих пор.Другие инженеры в то время полагают, что это число намного ниже — 22 916 фут-фунтов / мин. Немногие лошади даже с самым большим хлебом могут тянуть такой вес в течение любого промежутка времени, и начались предположения, что Ватт преувеличил это число в свою пользу, чтобы переоценить возможности своего парового двигателя. Другая точка зрения состоит в том, что Ватт просто применял хорошие маркетинговые методы, сравнивая лошадей (знакомая в то время форма силы и усилий) с новой технологией — двигателем пласта.

Динамометры

Прошло почти 50 лет, прежде чем был изобретен практический способ измерения мощности, производимой паровым двигателем.Первый динамометр был изобретен в 1821 году Гаспаром де Прони. Тормоз де Прони, как его называли, использовался для измерения производительности двигателей и других типов машин. Этот тип динамометра или блока поглощения энергии называется водяным тормозом и используется до сих пор. Он может измерять все, что угодно, от двигателя газонокосилки Briggs and Stratton, который развивает мощность в 2 лошадиных силы, до судовых дизельных двигателей, которые производят значительно больше — динамометр Froude Hofmann, модель RLS295, может поглощать 39,440,000 миллионов фут-фунтов крутящего момента и 650,000 лошадиных сил.

(Изображение любезно предоставлено Froude Hofmann) Этот гидравлический динамометр Froude Hofmann измеряет мощность судовых двигателей и может поглощать 39 440 000 (миллионов) фут-фунтов крутящего момента и 650 000 лошадиных сил. Его диаметр превышает 9 футов (масштаб см. У рабочего на эшафоте). Если вы думаете, что он большой, вы должны увидеть двигатель, к которому он подключен! Его стоимость — всего 5 миллионов долларов. Несмотря на свой размер, он работает так же, как и все динамометры с водяным тормозом.

Динамометр с водяным тормозом — это, по сути, неэффективный насос, который использует мощность двигателя для производства горячей воды. Этот дизайн существует с 1821 года и используется до сих пор.

Гидравлический тормоз или гидравлический динамометр в основном состоит из двух полумуфт — ротора и статора. Статор неподвижен, а ротор соединен с маховиком двигателя. Ротор и статор имеют лопатки полукруглой формы, которые направляют поток воды, когда двигатель вращает статор.Вода или гидравлическая жидкость, протекающие вокруг лопастей, создают реакцию крутящего момента через кожух динамометра или статор, который свободно плавает, так что под нагрузкой происходит небольшое вращательное движение. Внешний корпус не вращается, потому что моментный рычаг удерживает его на месте. Рычаг называется моментным рычагом, потому что он «чувствует» 100 процентов крутящего момента двигателя, пытающегося повернуть внешний корпус, когда двигатель пытается его повернуть или нагружать. До появления электроники для измерения нагрузки от моментного рычага использовалась шкала.

Сегодня датчик тензодатчика или тензодатчик преобразует силу, приложенную к моментному рычагу, в цифровой сигнал, который отправляется в программное обеспечение для сбора данных на ноутбуке или ПК. Нагрузка двигателя, или степень сопротивления статора крутящему моменту двигателя, регулируется путем изменения уровня воды в корпусе ротора с помощью впускных и / или выпускных клапанов. Повышение уровня воды увеличивает сопротивление вращению ротора водяного тормоза, увеличивая сопротивление или нагрузку на двигатель. По своей конструкции водяной тормоз является неэффективным насосом и использует мощность двигателя для производства горячей воды.В больших динамометрических станциях с водяным тормозом для отвода тепла от воды используется градирня размером с здание, а в меньших версиях можно использовать садовый шланг.

(Изображение любезно предоставлено Фроудом Хофманном) В 1877 году Уильям Фроуд изобрел гидравлический динамометр или водяной тормоз. На фото — большая версия раннего водяного тормоза около 1900 года — модель FA7, Froude Hofmann. Динамометрический рычаг хорошо виден справа и имеет длину почти 15 футов.Компания была основана в 1881 году и до сих пор занимается разработкой и производством высокотехнологичного специализированного испытательного оборудования. Они производят приборы для измерения мощности двигателей, используемых на кораблях, автомобилях, самолетах и ​​даже мотоциклах.

Генератор постоянного тока — динамометры двигателя переменного тока

Альтернативой водяному тормозу является электрический двигатель постоянного или переменного тока, который обеспечивает поглощение мощности, а также служит для привода двигателя для измерения момента трения или создания реальных дорожных условий.Двигатель, соединенный с двигателем постоянного тока, может использовать свою мощность для управления им, по сути, превращая его в генератор постоянного тока. Электрическая мощность генератора постоянного тока может быть рассчитана и преобразована в измерения крутящего момента. Динамометр электродвигателя может работать в обратном направлении, так как он может управлять двигателем, чтобы определить потерю его мощности на трение. Большие электродвигатели переменного тока также используются для поглощения нагрузки. Они выполняют те же функции, что и двигатель / генератор постоянного тока. Эти типы динамометров очень точны и могут регулировать скорость двигателя в пределах пары оборотов в минуту и ​​могут регулировать нагрузку двигателя от нуля до 100 процентов за микросекунды.Из-за своей высокой стоимости эти типы динамометров используются производителями оборудования для лабораторных разработок двигателей.

(Изображение любезно предоставлено Froude Hofmann) Этот динамометр для электродвигателя переменного тока произведен Froude Hofmann — RSL130. Он используется в автомобильной промышленности для разработки двигателей. Он может поглощать мощность, а также приводить в движение двигатель для имитации реальных дорожных условий. RSL130 может потреблять 130 кВт или 174 лошадиных силы.

Вихревой динамометр

Подобно блоку поглощения энергии генератора постоянного тока, динамометр с вихретоковым тормозом также использует электричество для нагрузки на двигатель.Разница между ними в том, что вихретоковый тормоз не генерирует электрический ток. Тестируемый двигатель подключен к входному валу динамометрического стенда, вращающему металлический ротор, создающий магнитное поле. Когда ток на внутренние электромагнитные катушки динамометрического стенда увеличивается, вал ротора становится труднее вращать и, таким образом, нагружает двигатель. Крутящий момент измеряется с помощью тензодатчика, аналогичного тем, которые используются на динамометре с водяным тормозом. Ротор нагревается, так как динамометрический стенд сопротивляется мощности двигателя и обычно его необходимо охлаждать с помощью вентилятора.

(Изображение любезно предоставлено Dynojet Research. ) Этот блок поглощения вихретоковой нагрузки Dynojet идеально подходит для испытаний автомобильных двигателей из-за его быстрого отклика и способности нагружать. Электромагнитные катушки расположены рядом с ротором поглощения тепла. Ротор выглядит как дисковый тормоз и имеет большие охлаждающие ребра и каналы для рассеивания тепла, создаваемого нагрузкой на двигатель во время работы на динамометрическом стенде.

Инерционный динамометр

В основном используются два типа динамометров для испытаний автомобилей — нагрузочные и инерционные.Динамометры нагрузки требуют прямого подключения к двигателю и не подходят для использования за пределами лаборатории двигателя. Гораздо чаще используется инерционный динамометр (он же динамометр на шасси), поскольку ведущие колеса транспортного средства размещаются на стальных роликах для измерения выходной мощности. В отличие от динамометра с нагрузкой, тип инерции не измеряет крутящий момент, а вместо этого вычисляет его путем измерения ускорения. Инерционный динамометрический стенд рассчитывает выходную мощность двигателя, измеряя время, которое требуется ведущим колесам автомобиля, чтобы разогнать тяжелый стальной барабан.Сила на поверхности барабана измеряется косвенно путем измерения его ускорения от одного оборота к другому. Сила рассчитывается с использованием закона Ньютона 2 ^и , сила = масса x ускорение. Поскольку масса или вес барабана известны, можно рассчитать силу (в лошадиных силах). Типичный динамометрический прогон начинается с того, что двигатель работает чуть больше холостого хода при вращении барабана задней шины. Когда дроссельная заслонка открыта, двигатель ускоряет барабан динамометра, когда частота вращения двигателя увеличивается до красной линии.Компьютерное программное обеспечение, используемое с инерционными динамометрами, может точно измерить ускорение барабана за небольшие промежутки времени и вычислить значение крутящего момента. Используя крутящий момент и число оборотов двигателя, можно рассчитать мощность заднего колеса в лошадиных силах.

Причина того, что дино инерционного типа не используются производителями оригинального оборудования, заключается в значительной потере мощности из-за трансмиссии транспортного средства. Индустрия динамометрических показателей для этих потерь обычно устанавливается на уровне -15 процентов, но это далеко не так, поскольку каждое транспортное средство использует различные компоненты / конструкции для передачи мощности от маховика двигателя на ведущие колеса.В реальных условиях потери трансмиссии могут достигать 40 процентов и более. Однако, несмотря на то, что трансмиссия теряет инерцию, динамометрический стенд является эффективным и экономичным способом измерения эффектов тюнинга и модификаций транспортного средства. С квалифицированным оператором динамометрические прогоны могут быть повторены с точностью, необходимой для определения влияния компонентов двигателя на рабочие характеристики послепродажного обслуживания.

(Изображение предоставлено Dynojet Research) Этот Corvette привязан к инерционному динамометру Dynojet.Стальной каток весит несколько сотен фунтов и имеет абразивную поверхность, чтобы задние колеса не проскальзывали во время динамометрического прогона. Скорость ускорения катка измеряется и используется для расчета мощности. Более подробную информацию о различных типах динамометров можно найти на сайте www.dynojet.com.

Измерение крутящего момента

Прежде чем мы обсудим, как динамометр измеряет мощность, необходимо понять крутящий момент. Крутящий момент — это «крутящая» энергия, которую двигатель производит на коленчатом валу или маховике.Крутящий момент измеряется в «фут-фунтах» (фут-фунтах), что также является общепринятой терминологией, используемой в Соединенных Штатах для определения плотности затяжки болта. Крутящий момент также может быть выражен в фунт-футах, а разница или путаница, создаваемая этими двумя терминами, заключается в том, что они измеряют технически. «Фунт-фут» технически используется для измерения силы скручивания, прилагаемой к болту или крепежной детали. Этот тип крутящего момента равен статическому крутящему моменту , потому что он измеряется, когда болт перестает вращаться и достигает заданного значения крутящего момента.Динамометрический ключ используется для измерения силы скручивания, приложенной к крепежному элементу. Динамометрический ключ показывает пользователю, какой крутящий момент прилагается. Этот тип крутящего момента называется статическим крутящим моментом, потому что не происходит никакого ускорения, когда крепеж достигает своего конечного значения крутящего момента, измеренного динамометрическим ключом. Чтобы добавить путаницы, размеры динамометрических ключей выражаются в фунтах-футах или дюймах-фунтах, хотя это технически неверно.

«Фут-фунты» — это мера работы, определяемая как сила на заданном расстоянии.Фут-фунты используются для измерения динамического крутящего момента вращающегося вала. Динамический крутящий момент отличается от статического, потому что он включает ускорение. Двигатель может создавать как статический, так и динамический крутящий момент. Например, если автомобиль движется с постоянным открытием дроссельной заслонки по плоской поверхности, тип крутящего момента, создаваемого двигателем, является статическим, поскольку двигатель не ускоряется. Когда дроссельная заслонка открывается и автомобиль ускоряется, создаваемый крутящий момент является динамическим.Динамический крутящий момент определяется с помощью динамометра и может быть измерен на коленчатом валу двигателя, выходном валу трансмиссии или на ведущих колесах. Эти два термина часто используются как синонимы, хотя они измеряют разные типы крутящего момента. Футо-фунты будут использоваться в этой статье для обозначения крутящего момента, поскольку это общепринятая американская терминология.

Расчет мощности

Мощность двигателя в лошадиных силах не может быть измерена напрямую, это вычисление крутящего момента, умноженного на частоту вращения двигателя.Формула для расчета мощности: крутящий момент x частота вращения двигателя, деленная на 5 252, равняется лошадиным силам. Число 5 252 — это результат объединения нескольких различных коэффициентов пересчета в одно число. Быстрый поиск в Интернете по запросу «постоянная мощность 5252 лошадиных сил» предоставит подробное объяснение того, как вычисляется это число. На большинстве графиков динамометра (см. Рисунок 1), которые показывают кривые мощности и крутящего момента, две кривые всегда пересекаются при 5252 об / мин, потому что при этом числе оборотов они всегда будут равны. Диаграммы Dyno, которые этого не показывают, в лучшем случае вызывают сомнения.

Рисунок 1 — Все графики мощности / крутящего момента, полученные с помощью программного обеспечения динамометра, должны показывать пересечение мощности и крутящего момента при 5252 об / мин. Это происходит потому, что на этих оборотах крутящий момент и мощность равны друг другу. Фактически, ниже 5252 об / мин крутящий момент всегда будет выше, чем мощность, а выше 5252 об / мин мощность всегда будет выше, чем крутящий момент. Диаграмма, не отображающая этих характеристик, имеет «математическую» проблему и вызывает сомнения.

Зависимость мощности от крутящего момента

Одно мероприятие, в котором многие энтузиасты принимают участие в гонках по жиму лежа с использованием значений мощности и крутящего момента. Часто утверждение «Крутящий момент вызывает ускорение, а не мощность в лошадиных силах», и хотя оно может иметь какой-то интуитивный смысл, оно неверно. Мощность в лошадиных силах и крутящий момент связаны тем фактом, что мощность в лошадиных силах рассчитывается исходя из крутящего момента в фунтах-футах и ​​оборотов двигателя (л.с. = T x RPM / 5252). Из-за этой формулы мощность и крутящий момент не зависят друг от друга по отношению к мощности двигателя.Для двигателя крутящий момент всегда указывается при определенных оборотах, потому что работа или мощность не производятся, если двигатель не вращается. Как только двигатель вращается достаточно быстро, можно измерить силу, действующую на нагрузку (например, ускорение барабана на инерционном динамометре), и скорость, с которой выполняется его работа.

Имея в виду, что связь между крутящим моментом и мощностью в лошадиных силах — это частота вращения двигателя. На рисунке 2 двигатель Corvette 6.2L, LT4 развивает 658 л.с. при 5750 об / мин с максимальным крутящим моментом в 651 фут-фунт.при 4800 об / мин. Для сравнения: 3,0-литровый двигатель Lotus Formula 1 развивает 932 л.с. при 12 000 об / мин и 508 фут-фунт. при 7000 об / мин. Крутящий момент Corvette составляет 148 фунт-футов. больше, чем у Lotus, и можно подумать, что во всей нашей гонке массивный 6,2-литровый двигатель Vette будет доминировать над гораздо меньшим 3,0-литровым двигателем Формулы-1. Однако двигатель Lotus компенсирует меньший крутящий момент и рабочий объем за счет большей скорости двигателя (на 6250 об / мин), что дает 932 лошадиных силы при 12000 об / мин, что на 247 больше, чем у LT4.

Динамическая диаграмма показывает, что крутящий момент каждого двигателя падает после определенного числа оборотов. Это связано с тем, что при увеличении числа оборотов цилиндры не заполняются воздухом, как и при более низких оборотах двигателя. Наполнение цилиндра прямо пропорционально крутящему моменту. Мощность в лошадиных силах увеличивается на обоих двигателях после уменьшения крутящего момента, поскольку мощность в лошадиных силах является продуктом числа оборотов в минуту и ​​крутящего момента. После достижения максимального значения уменьшение крутящего момента при данной частоте вращения является небольшим и недостаточным для компенсации увеличения числа оборотов двигателя.Общая мощность увеличивается до тех пор, пока падение крутящего момента не станет достаточно большим, чтобы перевесить увеличение оборотов. Это происходит при максимальной выходной мощности, и это можно увидеть на обоих двигателях при разных оборотах в минуту — выше для Lotus и ниже для Corvette.

Рисунок 2 — Несмотря на меньший размер 3,0 л, по сравнению с двигателем Corvette LT4 объемом 6,2 л, двигатели Формулы 1 вырабатывают 932 лошадиных силы, что на 274 лошадиных силы больше, чем у двигателя Corvette.Разница заключается в оборотах, при которых каждый двигатель достигает максимальной мощности. Обратите внимание, что крутящий момент и мощность обоих двигателей равны 5 252 об / мин.

Зависимость передаточного числа от крутящего момента

Вот еще один пример взаимосвязи крутящего момента и мощности — две одинаковые машины проезжают мимо медленно движущегося грузовика. На скорости 60 миль в час оба водителя выезжают на левую полосу движения, чтобы обогнать 18-колесный автомобиль. Водитель « A » считает, что ускорение вызывается крутящим моментом, и изучил динамическую диаграмму (рис. 1), которая показывает, что крутящий момент увеличится с 3500 до 4750 оборотов в минуту.Водитель « A » переводит трансмиссию на передачу 5 ^-й , полностью открывает дроссельную заслонку и начинает обгонять грузовик со своим двигателем на скорости 3500 об / мин. При проезде водителя грузовика « A » ускоряется с постоянной скоростью, так как крутящий момент двигателя увеличивается с увеличением числа оборотов двигателя.

Водитель

« B » считает, что лошадиные силы, а не крутящий момент, вызывают ускорение, и понижает передачу трансмиссии на 3 ^{-ю передачу} , заставляя двигатель вращаться со скоростью 5000 об / мин. Водитель « B » посмотрел на ту же диаграмму и знает, что крутящий момент уже снизился на этой скорости двигателя, но мощность увеличится до 6250 об / мин.Уменьшение крутящего момента при 5000 об / мин невелико и недостаточно, чтобы компенсировать увеличивающуюся скорость двигателя, поэтому общая мощность увеличивается до тех пор, пока падение крутящего момента не станет достаточно большим, чтобы перевесить увеличение оборотов. При 6500 об / мин крутящий момент значительно упадет, и этого будет недостаточно для поддержания разгона двигателя и увеличения мощности.

В дополнение к тому, что его двигатель может работать на оборотах, обеспечивающих максимальную мощность, водитель « B » использует преимущества передачи, чтобы обеспечить больший крутящий момент на задних колесах, чем у водителя « A ».Крутящий момент двигателя одинаков для обоих автомобилей, однако, поскольку водитель « B » находится на передаче 3 ^rd , ведущие колеса прикладывают больший крутящий момент для ускорения своего автомобиля. Это связано с тем, что крутящий момент двигателя умножается (увеличивается) на передаточное число выбранной передачи. На любой машине ускорение всегда самое быстрое на самой низкой передаче. По мере того, как трансмиссия переключается на более высокие передачи, ускорение (сила G или крутящий момент) уменьшается.

Крутящий момент двигателя обеспечивает толкающую силу для ускорения автомобиля, но эта сила передается через коробку передач и трансмиссию.Передаточные числа в трансмиссии разделяют частоту вращения двигателя и крутящий момент, при этом более высокие передачи производят меньшие обороты и меньший крутящий момент заднего колеса при данной скорости. Комбинация крутящего момента от более низкого передаточного числа и более высоких оборотов — вот что действительно определяет «мощность». Чтобы получить больше мощности, двигатель должен вращаться быстрее.

Когда они начинают проезжать грузовик, двигатель водителя « A » работает со скоростью 3500 об / мин по сравнению с водителем « B », чей двигатель вращается со скоростью 5000 об / мин, потому что он переключился на понижающую передачу на 3 передачу ^rd .Как обсуждалось ранее, крутящий момент — это объем выполненной работы, а мощность в лошадиных силах — это скорость, с которой выполняется работа. Водитель « B » делает больше лошадиных сил; находится на более низкой передаче, увеличивая крутящий момент ведущего колеса и обгоняет грузовик перед водителем « A ».

Мощность в лошадиных силах в перспективе

Все производители автомобилей используют значения мощности и крутящего момента для демонстрации характеристик, имиджа и технологий своей продукции. Они тестируют свои двигатели, не обремененные генераторами переменного тока, компрессорами переменного тока, гидроусилителем рулевого управления, водяными насосами и трансмиссиями.Измерения мощности производятся непосредственно с коленчатого вала в идеальных условиях окружающей среды — при низкой температуре окружающей среды и атмосферном давлении на уровне моря. Они не могут слишком резко «скорректировать» цифры из-за юридических проблем с рекламными претензиями, и большинство из них используют S.A.E. поправочные коэффициенты для выравнивания игрового поля.

Для большинства автомобилей и легких грузовиков, рассматриваемых в журналах, также указаны значения мощности и крутящего момента. Журналы редко снимают двигатель для проверки на динамометре, а вместо этого используют динамометрический стенд для измерения мощности и крутящего момента ведущих колес.Журналы представляют собой неоднозначную картину относительно того, как они получают свои показатели эффективности. Лучшие магазины будут использовать один и тот же стенд и оператора для получения всех значений мощности автомобилей, которые они тестируют. С примененными поправочными коэффициентами их результаты обычно согласуются. Сравнивать номера одного журнала с номерами другого бессмысленно из-за переменных практически во всем, что связано с тестированием.

Работаете ли вы в дилерском центре или в независимом магазине, неплохо было бы установить деловые отношения с магазином, у которого есть динамометр и который занимается настройкой производительности.Никогда не угадаешь, когда один из ваших клиентов спросит вас: «Я подумываю об установке высокопроизводительной выхлопной системы. Насколько больше лошадиных сил у него будет по сравнению со стоковым? » Если вы работали с магазином, в котором есть дино, вы можете сдать его в субаренду и произвести установку детали в своем магазине. Вы можете предоставить заказчику динамические диаграммы, которые показывают до и после значений мощности и крутящего момента.

Найдите местную службу динамометрии и опросите оператора, помня, что показатели производительности настолько хороши, насколько хорош оператор, проводящий испытания.Спросите, как долго они эксплуатируют динамометр, какие типы легковых или грузовых автомобилей они испытывают, какие поправочные коэффициенты используются, какой марки динамометрический стенд у них есть, и какие диаграммы и графики будут предоставлены после завершения тестирования. Опытный оператор динамометрического стенда проверит давление воздуха в задних шинах (довольно большой фактор выходной мощности на динамометре шасси) и проверит, нужно ли перед испытанием удалить или отсоединить какие-либо компоненты, связанные с выбросами. Самое главное, найдут ли они время, чтобы объяснить результаты тестирования, чтобы вы могли с уверенностью поговорить со своим клиентом относительно увеличения мощности (или ее отсутствия в некоторых случаях).Если вы прочитали эту статью, а оператор дино-кинотеатра знает меньше вас, поищите другое испытательное учреждение.

Знайте, каковы цели ваших клиентов в отношении изменений производительности, которые они собираются сделать. Они хотят максимальной производительности, лучшего ускорения на шоссе или просто лучшей экономии топлива. Одна неписаная задача любой ремонтной мастерской — обучить клиентов, чтобы они были уверены в ваших знаниях и способностях. Если они зададут вопросы, связанные с производительностью двигателя, а вам нечего сказать или, что еще хуже, дадут им неверную информацию, они найдут другой магазин для всех своих ремонтных работ.

Массив электрически связанных генераторов спин-крутящего момента для передачи и сбора энергии в диапазоне Wi-Fi 2,4 ГГц использовался свободный слой. Толщина CoFeB была оптимизирована для получения наклонной магнитной анизотропии (см. Стопку пленок на рис. 1а). Эти устройства показывают туннельное магнитосопротивление (TMR) 76–83% и произведение сопротивления на площадь ~ 10 Ом · мкм

² .Эти равномерно намагниченные генераторы имеют большую частоту ферромагнитного резонанса в нулевом поле (FMR) в диапазоне 1,95–2,3 ГГц за счет оптимизации наклонной анизотропии и значений обменной связи, которые могут быть настроены на полосу WiFi 2,4 ГГц при наличии умеренное магнитное поле (см. раздел «Методы»).

Рис. 1: Синхронизация генератора крутящего момента со смещением постоянного тока.

a , b Установка измерения STO с использованием смещения постоянного тока ( I _dc ) и анализатора спектра для параллельного ( a ) и последовательного ( b ) подключения соответственно. I _{пост. Ток} питается от источника тока, а тройник смещения изолирует смещение постоянного тока и выходной микроволновый сигнал от STO. Выходной сигнал RF подается на анализатор спектра. Пакет устройств также показан с числами в скобках, представляющими толщину отдельного слоя в нм. c , d Спектральная плотность мощности, измеренная анализатором спектра путем увеличения смещения постоянного тока для параллельного ( c ) и последовательного ( d ) соединений соответственно.Магнитное поле регулировали с другим смещением постоянного тока для получения единственного спектрального пика на частоте 2,4 ГГц. Для условия синхронизации четырех генераторов на 2,4 ГГц с I _{постоянного тока, sync} = 3 мА (1,2 мА) для параллельной (последовательной) конфигурации применяется плоское магнитное поле 180 Э (140 Э) вдоль большой оси СД.

На рис. 1 показана экспериментальная установка СТО для измерения выходной мощности. STO подключаются параллельно (рис. 1а) или последовательно (рис.1б) конфигурация, стимулированная одним источником постоянного тока. Для параллельного соединения при значении смещения постоянного тока ( I _dc ) 1,5 мА и магнитном поле ( H ) 180 Э в спектре мощности появляются четыре различных пика (рис. 1c). Это соответствует четырем независимо автоколебательным STO. При увеличении I _dc , некоторые режимы начинают объединяться, как показано на рис. 1c для I _dc = 2 и 2,5 мА. Наконец, при смещении постоянного тока ( I _{постоянного тока, синхросигнал} ) 3 мА наблюдается единственный спектральный пик при 2.4 ГГц, что означает синхронизацию всех четырех STO. Обозначим I _{dc, sync} как ток, необходимый для взаимной синхронизации, который намного выше, чем объединенный пороговый ток для автоколебаний ( I _th ) четырех STO, где I _th на STO варьируется от 0,58 до 0,64 мА. При синхронизации STO работают в режиме взаимной синхронизации, испуская большой микроволновый ток, который обеспечивает сильное взаимодействие STO на одной частоте 2.4 ГГц. Пиковая выходная мощность в синхронизированном состоянии составляет около 80 мкВт ^-1 ГГц, что в 30 раз больше, чем у одиночного STO. Для последовательной конфигурации STO переходят из несинхронизированного в синхронизированное состояние по мере того, как I _dc увеличивается с 0,6 до 1,2 мА с H = 140 Э, как показано на рис. 1d. Для синхронизации в последовательной конфигурации требуется относительно больший ток на STO по сравнению с параллельным случаем (ток в каждом параллельном генераторе ~ I _{постоянного тока} /4) из-за наличия более высокого спектрального шума в последовательном случае, что приводит к в расширении ширины линии ³⁸ (обсуждается позже).Следовательно, требуется более высокий пороговый ток, чтобы минимизировать общую ширину линии и взаимную синхронизацию четырех последовательно включенных генераторов. Следует отметить, что I _{dc, sync} пропорционален количеству генераторов, которые должны быть синхронизированы (дополнительное примечание 1).

Частоты спектральных пиков как функция тока для двух конфигураций приведены на рис. 2a, b. Генераторы остаются синхронизированными в диапазоне I _dc от 3 до 3.8 мА и 1,2–1,4 мА для параллельного и последовательного подключения соответственно. Следует отметить, что при последовательном включении два STO синхронизированы для всего диапазона измеряемых токов, что подтверждается наличием только трех спектральных пиков в несинхронизированном режиме (рис. 2b). Синхронизация нескольких генераторов с помощью микроволнового тока зависит от силы их связи, которая, в свою очередь, зависит от излучаемой мощности отдельных генераторов. Обычно STO могут быть синхронизированы друг с другом только с конечной разницей (Δ f _diff ) их автономной частоты колебаний.В отличие от вихревых STO, которые могут быть синхронизированы для очень небольшого Δ f _diff в несколько МГц ^34,39 , STO в нашей работе могут быть синхронизированы для Δ f _diff как большая до 180 МГц из-за большей связи. Эта функция обеспечивает дополнительную гибкость при проектировании на кристалле. Выходная частота как для параллельного, так и для последовательного подключения в нашем случае настроена на ~ 2,4 ГГц, и о такой электрической синхронизации STO в диапазоне ГГц ранее не сообщалось.

Рис. 2: Выходная частота и мощность четырех синхронизированных STO.

a , b Изменение частоты ( f ) четырех взаимодействующих STO в зависимости от смещения постоянного тока ( I _dc ) для параллельного ( a ) и последовательного ( b ) ) связь. Состояние синхронизации обозначено черными пунктирными прямоугольниками. c , d Максимальная мощность ( P ) и минимальная ширина линии (Δ f ) при разном количестве генераторов ( N ), включенных параллельно ( c ) и последовательно ( d ), соответственно .Сплошные линии — это линейная аппроксимация и масштабирование N ^-1 для мощности и ширины линии от одного до четырех генераторов, соответственно. I _dc и магнитное поле настроены для генераторов N на максимальную мощность и минимальную ширину линии на частоте 2,4 ГГц. Например, для четырех синхронизированных генераторов I _dc и H составляют 3,4 мА (1,3 мА) и 150 Э (120 Э) для параллельной (последовательной) конфигурации, соответственно.

Общая выходная мощность и спектральная ширина линии являются важными атрибутами для настройки генератора, и оба они улучшаются за счет увеличения количества синхронизированных STO (рис. 2c, d). Максимальная выходная мощность увеличивается с 0,14 до 0,85 мкВт (в 6 раз), а ширина линии уменьшается с 28 до 8,4 МГц (в 3,3 раза) соответственно при параллельном подключении четырех STO по сравнению с одним генератором. С другой стороны, при последовательном соединении четырех генераторов максимальная выходная мощность увеличивается с 0.089 до 0,4 мкВт (в 4,5 раза), а ширина линии уменьшается с 45 до 18 МГц (в 2,5 раза) по сравнению с шириной линии одиночного генератора (дополнительное примечание 2). Максимальная выходная мощность и минимальная ширина линии наблюдаются для I _dc немного выше, чем I _{dc, sync} . Увеличение мощности более чем в Н раз (простое добавление отдельных мощностей STO при несинхронизации), но меньше идеального достижимого значения Н ² в генераторах с фазовой синхронизацией ³⁶ , где N — количество соединенных между собой осцилляторов.Это указывает на то, что фазы между отдельными генераторами не полностью согласованы и приводит к ограниченному увеличению мощности. Кроме того, увеличение теплового шума и рассогласования импеданса влияет на коэффициент увеличения мощности за счет увеличения количества генераторов. В частности, выходная мощность меньше для последовательного случая из-за большего рассогласования импеданса системы STO по сравнению с сопротивлением нагрузки 50 Ом анализатора спектра (дополнительное примечание 3). Согласование импеданса зависит от паразитной индуктивности и емкости, добавляемых межсоединениями проводов.Мы обнаружили, что индуктивность в последовательной конфигурации и емкость в параллельной конфигурации значительно различаются после добавления четырех генераторов. Мы обнаружили лучшее согласование импеданса в параллельной конфигурации из-за компромисса между паразитной индуктивностью и емкостью и относительно меньшими потерями РЧ мощности, чем в последовательной конфигурации. Влияние паразитной емкости и индуктивности можно контролировать как в последовательной, так и в параллельной конфигурациях STO, используя гибридную последовательно-параллельную комбинацию для лучшей настройки импеданса, изменения длины межсоединений и введения дополнительной индуктивности и емкости во встроенную схему. .В то время как общая выходная мощность и ширина линии при использовании STO на основе скошенного свободного слоя относительно низки по сравнению с синхронизированными вихревыми генераторами (диапазон мкВт и кГц, соответственно), отдельный вихревой генератор требует выделенного источника тока и линии задержки для фазы и регулирование частоты, которое не масштабируется и усложняет внутреннюю схему синхронизированной системы STO.

Блокировка впрыска для эффективной синхронизации

Мы проводим эксперименты по блокировке впрыска для измерения реакции взаимно синхронизированных STO на внешний радиочастотный сигнал.В этом измерении РЧ-ток ( I _rf ) в дополнение к I _dc проходит через связанные генераторы. Частота I _rf зафиксирована на уровне 2,4 ГГц (дополнительное примечание 4). На рис. 3а, б показано сравнение излучаемых спектров без (зеленый) и с (коричневый) I _rf для параллельного и последовательного включения соответственно. Пиковая спектральная плотность мощности четырех синхронизированных STO в присутствии I _rf увеличивается в 44 раза до ~ 3.6 мкВт МГц ⁻¹ для параллельного случая и до ~ 0,5 мкВт МГц ⁻¹ (30 раз) для последовательной конфигурации по сравнению с только подачей постоянного тока ( I _rf = 0).

Рис. 3: Синхронизация с блокировкой впрыска на частоте 2,4 ГГц.

a , b Спектры излучаемой мощности четырех синхронизированных генераторов только со смещением постоянного тока (зеленый) и со смещением постоянного тока и входом ВЧ (коричневый), подключенными параллельно ( a ) (последовательная конфигурация ( b )) при I _{постоянного тока} = 3.4 мА (1,3 мА) и H = 150 Э (120 Э) соответственно. c , d Частота STO ( f ₀ ) в зависимости от радиочастоты ( f _rf ) отклика для одного генератора (красный) и четырех генераторов (синий) на P _rf = −20 дБм для параллельного ( c ) и последовательного ( d ) подключения. Диапазон блокировки (пунктирная зеленая линия) определяет область, в которой f ₀ ~ f _rf . e , f Излучаемая мощность и ширина линии синхронизированных генераторов в зависимости от приложенной высокочастотной мощности ( P _rf ) при I _dc = 3,4 (1,3 мА) для параллельной (последовательной) конфигурации , соответственно.

При наличии I _rf генераторы с большим Δ f _diff ~ 420 МГц могут быть синхронизированы из-за увеличенного диапазона синхронизации ( f _L ), как показано на рис. .3d. Из-за затягивания частоты или синхронизации частоты между генераторами общий диапазон захвата расширяется для синхронизированных STO по сравнению с индивидуальным STO (дополнительное примечание 5). Например, в параллельной и последовательной конфигурациях f _L составляет около 300 и 420 МГц, соответственно, для вводимой ВЧ мощности ( P _rf ) -20 дБм (рис. 3c, d). . Эти значения в ~ 3,5 раза больше, чем у одиночного STO. Следует отметить, что в предыдущих работах очень ограничено f _L улучшений от 1.69–2,87 МГц ³⁹ и 2–10 МГц ³⁴ были продемонстрированы в системе из двух вихревых STO, управляемых несколькими последовательно подключенными источниками постоянного тока. Увеличение диапазона захвата четырех синхронизированных генераторов можно понять по тому факту, что из-за различных диапазонов захвата и частот холостого хода STO, STO с минимальной частотой холостого хода ( f _{0, мин} ) в массив может синхронизироваться с частотой внешнего источника ( f _rf ) на гораздо более низкой частоте, f _rf < f _{0, min} и STO с максимальной частотой холостого хода ( f _{0, max} ) может синхронизироваться с гораздо более высокой частотой, f _rf > f _{0, max} .Мы обнаружили, что общий диапазон захвата четырех осцилляторов аналогичен объединению диапазона захвата отдельных STO. Как только один из STO с f _{0, min} или f _{0, max} синхронизируется с частотой внешнего источника, другие генераторы также следуют этой частоте из-за сильного взаимодействия. Следовательно, общий диапазон захвата зависит от частоты холостого хода и нелинейной характеристики диапазона захвата отдельных генераторов.

Ширина линии и общая выходная мощность значительно улучшаются с блокировкой впрыска, как показано на рис.3д, ф. Благодаря блокировке РЧ инжекции на P _РЧ = -20 дБм, выходная мощность увеличивается с 0,85 до 2,12 мкВт (в 2,5 раза) в параллельной конфигурации и с 0,4 до 1,08 мкВт (в 2,7 раза) в последовательной конфигурации. по сравнению с синхронизацией только с смещением постоянного тока ( I _rf = 0). Соответствующее уменьшение ширины линии составляет от 8,4 до 0,35 МГц (в 24 раза) в параллельной конфигурации и с 18 до 1,8 МГц (в 10 раз) в последовательной конфигурации.По сравнению с одним STO четыре синхронизированных генератора с синхронизацией инжекции улучшают мощность и ширину линии с 0,14 до 2,12 мкВт (в 15 раз) и с 28 до 0,35 МГц (в 80 раз) соответственно в параллельной конфигурации. При последовательном подключении мощность увеличивается с 0,089 до 1,08 мкВт (в 12 раз), а ширина линии уменьшается с 45 до 1,8 МГц (в 25 раз).

Эти результаты фиксации инжекции с использованием внешнего источника ВЧ показывают, что для STO может потребоваться сила связи, намного превышающая взаимную синхронизацию посредством самоизлучающегося ВЧ-тока, для достижения мощности в мВт и ширины линии в кГц с большим массивом однородно намагниченных STO.Взаимная синхронизация между STO может быть улучшена за счет использования отдельных STO с высокой излучающей мощностью и минимизации шума в системе для снижения порогового микроволнового тока, необходимого для взаимной синхронизации. Продемонстрированный диапазон захвата особенно полезен для управления передачей и приемом близко расположенных радиочастотных диапазонов, таких как 2,4–2,5 ГГц, с использованием синхронизированных генераторов. Кроме того, такие высокочастотные синхронизированные состояния связанных генераторов могут использоваться в высокоскоростных нейроморфных вычислениях ^13,40,41 и Ising computing ^42,43 , где источник РЧ может действовать как вход и синхронизирующие состояния связанных генераторов. как выход.Однако для практических приложений из-за сложности разделения вводимого РЧ-сигнала и синхронизированных выходных сигналов STO на одной и той же частоте идеальным требованием является использование субгармонической частоты STO для электрического ввода микроволнового тока или использование индуктивной связи. от беспроводного излучаемого радиочастотного сигнала той же частоты.

Стабильность синхронизированных генераторов во временной области

Затем мы исследуем стабильность во временной области синхронизированных STO с синхронизацией с инжекцией.На рис. 4a, b показана диаграмма 5 нс во временной области для параллельно и последовательно настроенных STO, соответственно. Соответствующие быстрые преобразования Фурье (БПФ), оцененные с использованием трассировки 1 мс, показаны на рис. 4c, d. Ширина линии, измеренная с помощью БПФ, составляет ~ 0,38 ± 0,02 МГц (2,06 ± 0,05 МГц) для параллельного (последовательного) подключения, в то время как ширина линии, измеренная с помощью анализатора спектра, составляет 0,35 МГц (1,8 МГц). Сходные значения ширины линии из данных временной и частотной области для параллельных и последовательных соединений подтверждают надежность наблюдаемых значений ширины линии.

Рис. 4: Измерения во временной области и анализ фазового шума четырех синхронизированных генераторов с синхронизацией по инжекции на P _rf = -20 дБмВт.

a , b График во временной области 5 нс, измеренный в параллельной конфигурации при I _{постоянного тока} = 3,4 мА ( a ) и последовательной конфигурации при I _{постоянного тока} = 1,3 мА ( б ). c , d Быстрое преобразование Фурье для трассы во временной области длительностью 1 мс параллельно ( c ) и последовательно ( d ) при I _dc = 3.4 мА и 1,3 мА соответственно. e , f Соответствующий фазовый шум для графика во временной области длительностью 1 мс при параллельном ( e ) и последовательном ( f ) соединениях, где сплошные черные и синие линии при последовательном подключении ( f ) показывают установку соответствует фазовому шуму 1/ f ² и 1/ f ³ соответственно.

Фазовый шум ( S _ϕ ), измеренный по трассам во временной области, показан на рис. 4e, f (дополнительное примечание 6).Наблюдается значительное подавление фазового шума на более высоких частотах (> 30 МГц для параллельной конфигурации и> 100 МГц для последовательной конфигурации), как у вихревых STO ²⁵ (рис. 4e, f), что предполагает, что все четыре генератора следуют фазе внешнего радиочастотного сигнала, преодолевающего тепловой шум 1/ f ² фазовый шум за очень короткое время. Хотя подавление фазового шума является значительным и приводит к значительному увеличению ширины линии, как показано на рис.4e, f в параллельной и последовательной конфигурациях, фазовый шум 1/ f ² на более длинном временном отрезке ограничивает улучшение ширины линии. Фазовый шум как в последовательной, так и в параллельной конфигурациях показывает типичное поведение STO 1/ f ² из-за тепловых флуктуаций и проскальзываний π-фазы, что указывает на частичную синхронизацию фазы. Ширина линии может быть уменьшена до ширины линии источника посредством инжекции или субгармонической синхронизации, как это видно в вихревых STO ⁴⁴ , если 1/ f ² фазовый шум полностью подавлен ^25,45 .Основная причина этого ограничения — более высокий фазовый шум в равномерно намагниченных STO, который может потребовать гораздо более высокой ВЧ мощности для полного подавления фазового шума ^25,45 . Для последовательной конфигурации на рис. 4f на низкой частоте <210 кГц наблюдается фазовый шум 1/ f ³ (эквивалентный шуму частоты 1/ f ). Такой шум более высокого порядка ответственен за флуктуации фазы во временной области и, следовательно, за расширение ширины линии ³⁸ .Это также указывает на увеличенное скачкообразное переключение режимов ⁴⁶ во взаимно соединенных множественных STO в последовательном соединении. Следовательно, мы связываем расширение ширины линии во временной области и нестабильность в последовательной конфигурации из-за частотного шума 1/ f кратковременной десинхронизацией от частоты источника. Частотный шум 1/ f также наблюдается в несинхронизированных отдельных STO. Наши результаты показывают, что такой частотный шум 1/ f отдельных STO может быть подавлен сильной взаимной синхронизацией, которую мы наблюдали только в параллельной конфигурации.

Для количественной оценки частотного шума 1/ f и белого шума при расширении ширины линии БПФ мы измерили вклад белого шума из среднего значения Δ f _wh = π × f ² × S _ϕ (в подогнанной области 1/ f ² для S _ϕ ) на рис. 4e, f ³⁸ . Получаем Δ f _wh 1,72 ± 0,09 и 0,36 ± 0,04 МГц для последовательной и параллельной конфигураций соответственно.Сходные значения Δ f _wh и ширины линии FFT во временной области в параллельной конфигурации отражают отсутствие каких-либо паразитных шумов, таких как частотный шум 1/ f ²⁵ . Это также подтверждает стабильность синхронизированных STO во временной области в течение длительного периода времени (1 мс). Однако значительно большая ширина линии по сравнению с вкладом белого шума (Δ f _wh ) из данных временной области в последовательном соединении указывает на дополнительный источник шума, отличный от теплового шума ³⁸ .

Стабильность синхронизированных STO во временной области определяется тем, как эти STO электрически соединены между собой, что объясняется следующим образом. В параллельной конфигурации все STO напрямую подключены к источнику, тогда как в последовательном соединении каждый STO синхронизируется через соседний. Из-за этой разницы в электрических соединениях наблюдаются большие потери на отражение при добавлении большего количества STO в последовательном соединении из-за паразитной индуктивности (дополнительный рис.3б). Это приводит к потере высокочастотного тока и фазовой задержке на пути высокочастотного тока от первого до последнего STO. С другой стороны, параллельное соединение показывает значительно меньшие радиочастотные потери и лучший контроль импеданса из-за компромисса паразитной емкости и паразитной индуктивности и, следовательно, значительно меньшую фазовую задержку и радиочастотные потери за счет добавления большего количества STO. Дополнительные схемы, такие как электрические линии задержки, могут помочь контролировать динамику отдельных STO для последовательного соединения, тем самым улучшая их синхронизацию.

Повышение напряжения обнаружения с помощью синхронизированных генераторов

Одним из важных приложений STO является сбор высокочастотной энергии и микроволновое обнаружение, в котором используется выпрямляющее свойство или эффект спинового диода STO. Эффект спинового диода демонстрируется путем измерения выпрямленного напряжения ( В _r ) с использованием метода РЧ-модулированного спин-крутящего ферромагнитного резонанса (RFM-STFMR) ^4,5 . Ожидается, что из-за наклонной анизотропии свободный слой отдельных STO будет демонстрировать большую радиочастотную чувствительность в результате нелинейной динамики FMR ⁴⁷ .На рис. 5а, б показаны результаты выпрямления для несинхронизированного состояния с нулевым смещением постоянного тока. Значительное повышение выпрямленного напряжения ( В _r ) (в 1,5–3 раза) по сравнению с напряжением отдельных STO наблюдается при увеличении количества взаимосвязанных STO, как показано на рис. 5c. Генераторы демонстрируют широкополосное выпрямление, обозначенное плато на рис. 5a, b, где широкополосный частотный диапазон увеличивается с увеличением ВЧ мощности ( P _rf ), аналогично предыдущим отчетам ^48,49 .Такая большая полоса пропускания позволяет STO выполнять широкополосное обнаружение, а не ранее наблюдаемое широкополосное обнаружение нижних частот ^48,49 или широкополосный выпрямитель верхних частот ⁵⁰ . В целом, максимальная чувствительность регистрируется как ~ 1850 мВ мВт ⁻¹ в последовательном соединении на P _rf = −35 дБм, что выше, чем чувствительность к смещению нулевого постоянного тока, о которой ранее сообщалось с использованием MTJ- диапазона ГГц. на основе спинтроника на диодах ^47,51 . Максимальное выпрямленное напряжение увеличивается до ~ 10.16 мВ при P _rf = −10 дБм для четырех генераторов в последовательной конфигурации при нулевом смещении постоянного тока (дополнительные примечания 7 и 8). Максимальная эффективность преобразования для четырех несинхронизированных генераторов составляет ~ 2% при P _rf = -25 дБмВт для параллельной конфигурации, что лучше, чем у любого ранее заявленного КПД спин-диода с нулевым постоянным смещением в ГГц-диапазоне <1% ^47,48,51 . Следовательно, набор электрически синхронизированных STO особенно полезен для приложений с широкополосным накоплением энергии без батарей из-за расширенного выпрямленного напряжения и диапазона частот обнаружения.

Рис. 5: Выпрямление напряжения с помощью четырех несинхронизированных и синхронизированных генераторов.

a , b Выпрямление смещения нуля постоянного тока при P _rf = −10 дБм параллельно в магнитном поле 180 Э и последовательное соединение в магнитном поле 150 Э, соответственно. c Повышение выпрямленного напряжения на частоте 2,4 ГГц с увеличением количества генераторов при нулевом смещении постоянного тока и P _rf = −10 дБмВт. d , e Результаты выпрямления четырех синхронизированных генераторов при P _rf = −10 дБм, параллельно ( d ) при I _dc = 3.4 мА и H = 140 Oe и последовательно ( e ) при I _dc = 1,3 мА и H = 110 Oe. f Повышение выпрямленного напряжения на частоте 2,4 ГГц с увеличением количества генераторов, синхронизированных с постоянным смещением.

Ширину линии и выходное напряжение выпрямленного сигнала можно улучшить, синхронизируя четыре генератора с I _dc . На рис. 5d, e показано V _r при наличии смещения постоянного тока для этих конфигураций. V _r и Чувствительность ВЧ улучшена за счет взаимной блокировки в синхронизированном состоянии. Максимальное выпрямленное напряжение показывает значительное улучшение в 3 раза в случае последовательного соединения, как и ожидалось, за счет добавления В _r от отдельных генераторов (рис. 5f). Максимальное значение В _r составляет ~ 104 мВ в последовательной конфигурации, что достаточно велико для микроволнового детектора или сбора энергии для работы с датчиками на кристалле, и выше, чем сообщалось ранее, значения ~ 20–50 мВ в спин-диоды ^{47,50,51,52,53} .Параллельное соединение показывает лишь небольшое увеличение в 1,35 раза В _r по сравнению с одиночным генератором. Максимальная чувствительность четырех синхронизированных генераторов (последовательная конфигурация) составляет ~ 20 200 мВ мВт ^-1 на частоте 2,4 ГГц, что свидетельствует об их пригодности для коммерческих радиочастотных детекторов с чувствительностью выше, чем типичная чувствительность диода Шоттки ~ 2000–5000 мВ мВт ^{−1 51,54} (Дополнительные примечания 9 и 10). При P _rf = −10 дБм, отдельный STO показывает эффективность преобразования 1.5–2,25%. Эффективность преобразования переменного тока в постоянный увеличивается до ~ 10% и 8%, когда эти генераторы подключены и синхронизируются параллельно и последовательно, соответственно.

Демонстрация беспроводного сбора энергии с использованием 8 STO

Используя преимущество последовательного подключения при выпрямлении, мы теперь предлагаем использовать массив STO для практического сбора энергии и приложений микроволнового обнаружения. Для этого последовательно соединены восемь генераторов, обеспечивающих широкополосную частотную характеристику с высокими выпрямленными напряжениями.На рисунке 6а показана установка для сбора беспроводной энергии. На рисунке 6b показан выпрямленный отклик восьми генераторов, использующих рупорную антенну в качестве широкополосного микроволнового источника. Матрица из восьми генераторов генерирует постоянное напряжение более 5,5 мВ в широкополосном частотном диапазоне 0,3–4 ГГц [рис. 6b], который вездесущ как в помещении, так и на открытом воздухе из-за обилия сигналов Wi-Fi, мобильной связи и других сигналов связи. Восемь последовательно включенных генераторов показывают максимальное выпрямленное напряжение ∼30–34 мВ в диапазоне 1.65–2,8 ГГц при P _rf = 0 дБм и нулевое смещение постоянного тока из переменного тока в постоянное, эффективность преобразования ∼6% при P _rf = −20 дБм. Это выше, чем заявленные значения для STO ^53,55 , но меньше, чем недавние отчеты об эффективности преобразования мощности 40% и 40–70% при входной РЧ мощности ~ 0 дБм для гибкой ректенны на основе MoS ₂ и современные выпрямители на основе Si и GaAs ⁵⁶ соответственно. Однако в этих технологиях используется интегрированная антенна для лучшего согласования импеданса и передачи максимальной мощности для лучшего преобразования.Кроме того, поскольку вход представляет собой беспроводной РЧ-сигнал, а выход представляет собой аддитивный отклик выпрямленного постоянного напряжения, количество взаимосвязанных STO для сбора энергии не ограничивается длиной электрического соединения, как в случае взаимно синхронизированных STO для беспроводной передачи в Диапазон ГГц. Большой набор STO может быть соединен между собой для достижения гораздо более высокого КПД и выходного напряжения, нацеленных на современные выпрямители и возможности сбора энергии.

Рис. 6: Демонстрация сбора энергии беспроводной радиочастотной мощности.

a Схема цепи, используемой для сбора энергии. Беспроводной сигнал от рупорной антенны или микрополосковой патч-антенны с мощностью 0 дБмВт излучается на решетку из восьми последовательно соединенных электрически STO при нулевом магнитном поле и смещении постоянного тока. Выпрямленный сигнал сохраняется в конденсаторе, который затем подается на повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный для подачи напряжения для питания красного светодиода. b Выпрямленный отклик восьми последовательно включенных генераторов при облучении рупорной антенной, питаемой генератором сигналов с усилением 6–7 дБи в диапазоне 1–4 ГГц. c Выпрямленный отклик восьми последовательно включенных STO на РЧ мощности 0 дБм от патч-антенны при нулевом магнитном поле и смещении постоянного тока. d Напряжение заряда ( В _c ) конденсатора от восьми выпрямленных выходов STO со временем на левой оси. Правая ось показывает выходной сигнал преобразователя постоянного тока ( В, , _{, выход} ), когда беспроводной выход выключен. e Выходное напряжение повышающего преобразователя постоянного тока в ответ на мощность 0 дБмВт (1 мВт), подаваемую от генератора сигналов на патч-антенну, с временем включения и выключения 5 и 30 с соответственно.

Мы используем микроволновую патч-антенну в качестве источника излучения для беспроводной передачи энергии на резонансной частоте 2,45 ГГц, которая выпрямляется решеткой из восьми последовательно соединенных STO. Выпрямленный отклик решетки генератора без какого-либо магнитного поля и постоянного смещения показан на рис. 6c, центр которого составляет ~ 2,45 ГГц из-за резонансного отклика патч-антенны. Выпрямленное напряжение сохраняется в конденсаторе с течением времени для обеспечения стабильного входного напряжения ( В, , _c ) на повышающий преобразователь постоянного тока для повышающего преобразования ∼30 мВ до 3.5–4 В. Левая ось на рис. 6d показывает зарядку конденсатора через решетку из восьми генераторов после инициирования передачи через патч-антенну. Конденсатор заряжается за 3–4 с до В _c ~ 20 мВ, что является пороговым напряжением для преобразования входного напряжения 20–400 мВ в выходное напряжение В _out = 2,5– 4,1 В. Это преобразованное с повышением напряжения напряжение значительно выше порогового напряжения 1,6 В, необходимого для включения светодиода (дополнительное примечание 11).Когда мы прекращаем передачу беспроводного сигнала от патч-антенны, конденсатор позволяет выходному напряжению ( В, , _{на выходе} ) от повышающего преобразователя постоянного тока медленно разряжаться. Для достижения 1,6 В от 4,1 В требуется около одной минуты, как показано на правой оси рис. 6d, что позволяет светодиоду включаться примерно на одну минуту даже после того, как мы отключили беспроводное питание.

Мы также демонстрируем способность этой системы сбора энергии удерживать питание постоянного тока с помощью изменяющегося во времени сигнала с 5 с включенным и 30 с выключенным.На рисунке 6e показаны приложенная высокочастотная мощность и соответствующее напряжение, подаваемое системой сбора энергии. Такая демонстрация полезна для сбора энергии из коммерческой системы, такой как маршрутизатор Wi-Fi, где беспроводная мощность передается в модулированных пакетах данных, которые по своей природе являются прерывистыми.