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马力和扭矩,你更在乎哪个?

2015-01-06
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关键字: 马力 扭矩

你关心马力还是扭矩?这个问题经常被很多汽车狂热分子提出,而他们被不同的观点搞得云里雾里。这种情况被那些所谓的专家搞得更加复杂,但是它们其实不是专家,它们只是发表误导性的或者完全错误的信息。以下是我尝试给出直接的答案-对于技术流来讲足够详细,而对于文科生来说也简单易懂。

定义:首先,我们需要对一些术语进行明确的定义。这会使接下来的信息呈现的更加合理。

马力:1马力=33000lb-ft/min? (译注:lb-ft指磅力英尺,min指分钟)

1马力是指1分钟可以举起33000英镑1英尺,或者说1分钟举起1英镑33000英尺。

扭矩:扭矩=力*力臂 (在美国,单元是磅力英尺)

1磅力英尺的扭矩是由1英镑的力施加在1英尺的杠杆的末端而产生。(试想有一个1英尺长的扳手-1英镑的力作用在这个扳手的末端可以产生1磅力英尺的扭矩)。

现在让我们考虑我们所感兴趣的是什么。通常情况下,对于汽车狂热分子,我们希望我们的汽车要么加速更快,要么跑的更快,或者两者都需要。这是如何发生的?汽车的驱动系统会在驱动轮的地方产生一种力,这个力必须要大于阻力。进一步说,如果轮胎施加在路上的力超过了阻力,汽车会加速。如果要让汽车保持匀速,轮胎施加在路上的力必须要和整个的阻力相等,汽车才能动。阻力是所有施加在汽车的摩擦力,滚动阻力,以及空气阻力,并且这些阻力随着汽车的车速变化而变化。如果轮胎上的驱动力比所有的阻力要大的话,汽车将会加速。轮胎的驱动力比阻力越大,汽车加速越快。这可以用公式F=m * a来表达,F是净加速力(所以的驱动力减去所有的阻力),m是汽车的重量,a是加速度。

所以,如果我们增加接触地面的轮胎上的力,我们将增加汽车的加速度。(这是最基本的,所以在看后面的阐述,先必须理解这点)。轮胎是连接在驱动轴上,驱动轴又是通过变速箱以及驱动系统连接在发动机上。轮胎产生的驱动力是在驱动轴的中心位置(具体来讲,滚动半径)。因此,轮胎驱动力是驱动轴产生的扭矩(力*距离=扭矩)。因此,增加驱动轴的扭矩将使汽车加速越快。(非常简单,是吧?)因此,要使汽车加速越快,就是要给驱动轮给多的扭矩!

马力就是扭矩除以时间。我接下来会解释。

有几种方式可以在驱动轮上产生更多的扭矩。

第一种方式是让汽车从静止开始加速。变速箱此时处于1档。扭矩是和齿轮比成正比。这就是为什么1档比2档加速快。结果就是最高速度将被限制,因为发动机将会在20到60mph之间的某个速度断油,取决于齿轮比以及发动机所允许的转速。变速箱对汽车的马力输出没有任何好处,但是它可以改变轮上扭矩。

第二种提高加速的方式是提高汽车的最终传动比(译注:又称尾牙)。轮上扭矩是发动机扭矩乘以变速箱齿轮比乘以最终传动比。我们可以举一些假设的数据让这个计算更简单。假设发动机在整个转速区间都输出200磅力英尺的扭矩(有点过度简化了);假设最终传动比是3:1,滚动半径是1.25英尺(半径为15英寸,直径为30英寸的轮胎);假设变速箱齿轮比是3:1(1档),2:1(2档),1.5:1(3档),1:1(4档),以及0.75:1(5档)。所以,1档的轮上扭矩是200(发动机扭矩)乘以3(1档齿轮比)乘以3(最终传动比)=1800磅力英尺。(驱动轮的驱动力是1800磅力英尺/1.25英尺(滚动半径)=1440磅力)。如果我们将最终传动比改为4:1,那么1档的轮上扭矩将会是200乘以3(1档齿轮比)乘以4(最终传动比)=2400磅力英尺。这提高了33%的轮上扭矩,会极大的提高加速能力。(当跑高速的时候,它也会使发动机的转速提高,增加油耗,增加噪音以及对发动机的寿命产生影响,以及降低汽车的极速)。最终传动比对汽车的马力没有影响,但是它确实可以提高轮上扭矩。

第三种提高轮上扭矩的方式是增加发动机的马力。有几种方式可以提高发动机的马力,有一些提高扭矩有一些不能,有一些可以提高加速有一些不能。这可能会有点使人混淆。这些定论怎么可能都是对的?它和在发动机转速范围内的扭矩曲线的形状有关。让我们多谈谈马力。我们还是以刚才那个有着在发动机转速区间内一直有200磅力英尺的发动机为例。发动机的马力是:

马力=扭矩(磅力牛米)*转速(RPM)*2*3.14(pi)/33000(或者扭矩乘以转速/5252)(译注:具体推导可以见下面)

所以,这款发动机(200磅力牛米)在6000转产生228马力。如果在3000转的时候,只有114马力,尽管它还是有200磅力牛米的扭矩!如果发动机可以允许跑在7000转,那么这个马力就可以增加到266!我们假设另外有一个发动机在3000转的时候有200磅力英尺的扭矩,但是扭矩慢慢的衰减,到6000转的时候为125磅力英尺。(这个是我们日常使用的发动机的特征)这个发动机将会在6000转的时候产生143的最大马力,尽管它会在3000转的时候和前面的那个发动机一样产生114马力。如果这个发动机的最高转速增加,这个发动机的最大马力可以增加到大概166,这样的话,这个发动机会变得更加强劲。从前面的讨论我们可以知道,提高民用发动机的动力最简单的方式就是把转速拉高,增加马力,但是没有增加扭矩(在大多数情况下,这将会提高发动机的加速能力)。那么事情就更加扑朔迷离了-怎么可能在不增加扭矩的情况下提高加速能力?我们不是说需要更多的扭矩去提高加速吗?请记住我们从1档启动车子的时候,轮上扭矩是发动机扭矩乘以变速箱齿轮比乘以最终传动比。让我们还是以前面提到的发动机为例。1档的轮上扭矩是200(发动机扭矩)乘以3(齿轮比)乘以3(最终传动比)=1800磅力英尺。对于第一个扭矩在发动机的整个转速区间都是200磅力英尺的发动机而言,这个轮上扭矩在汽车加速的时候会一直保持不变。当发动机到达红线的时候,我们换到2档。现在轮上扭矩就是200乘以2(2档齿轮比)*3(最终传动比)=1200磅力英尺。对于有着这样特性的汽车而言,通过增加发动的最高转速的方式增加马力(不增加扭矩)可以提高加速,因为当发动机从6000转到7000转的区间,我们还在1档,此时的轮上扭矩是1800,意味着我们比处于2档的时候加速要快。但如果我们现在用的是第二个发动机,发动机最高转速的时候,扭矩是125磅力英尺,所以轮上扭矩已经变成125乘以3乘以3=1125磅力英尺。在这种情况下,通过拉高转速的方式提高马力将不能使提高加速能力,因为2档200磅力英尺的扭矩将会产生1200磅力英尺的轮上扭矩。如果用第一种发动机,更快的加速是通过把发动机的转速拉到红线实现,而如果用第二种发动机,最快的加速是在即将到达红线前换入2档以产生更大的轮上扭矩。所以,为了能知道你能否通过增加发动机的最高转速而实现更多的马力输入来获取更快的加速,你需要知道你的发动机的扭矩曲线。如果扭矩曲线在转速中间区域有一个明显的高峰,提高发动机的最高转速也许一点也不能提高加速能力,尽管它也许可以增加发动机的马力。

第四种提高加速的方式是增加发动机的输出扭矩。增加在某一转速的马力将会同时增加其扭矩输出。增加发动机的扭矩总是会提高发动机的加速能力,因为增加的扭矩通过传动系统必定会提高其轮上扭矩。当有人说:来,我们增加这个发动机的马力。你一定要看看马力工况图,看看其马力是否在整个转速区间都有提高,而不是仅仅通过将发动机转速提高了。(为了把发动机在4000转的马力从200提高到230,必须要同时增加其扭矩,而通过将发动机的转速拉高的方式将马力从200提高到230不需要提高扭矩)。

所以,哪个更加重要?扭矩还是马力?好了,都很重要,但是轮上扭矩才是真正决定你车子性能至关重要的东西。

关于作者:

Fred Wucherpfennig获得了机械工程的学位。他任职认证职业工程师已经超过20年。他有多项发明专利,他在设计,制造,改装以及维修不同类型的汽车方面有着广博的经验。

译注:
马力公式推导

W=FS (W:功;F:力,单位为牛;S:距离,单位为米)
P=W/t=FS/t (P: 功率,单位为瓦;t:时间,单位为秒)
换成圆周运动:
T=F.r(T:扭矩,单位牛米;r半径,单位为米)
F=T/r
转一周的功:
W1=F*圆周=(T/r)*2*Pi*r=2*Pi*T(圆周的周长就是2*Pi*r)
一分钟做的功:
W2=2*Pi*T*RPM
一秒钟做的功:
W2/60=2*Pi*T*RPM/60=P (P:就是功率的定义)
T的单位是牛米(N.M),下面划算成lb.ft,由于lb.ft和N.M就是单位不一样,两者
存在正比关系,设其比例为常量C
1lb.ft=CN.M
所以把功率的T换算成lb.ft为单位就是:
P=2*Pi*C*T2*RPM/60 (此时T2就是以lb.ft为单位,试想1lb.ft的扭矩,其功率就是2*Pi*C*RPM/60, 就等价于C牛米对应的功率)
1马力定义为33000lb.ft/min即33000lb.ft/60(换算成秒)
1瓦特的功率是1N.m/1s,换算成lb.ft为单位就是(1/c)lb.ft/1s瓦所以瓦特和马力的关系是:
马力/瓦特=(33000/60)/(1/c)=33000*c/60
也就是说1马力等于33000*c/60瓦特,也就是说1瓦特就是60/(33000*c)的马力
所以把功率的公式转换成马力的公式:
马力=(2*Pi*C*T2*RPM/60)*(60/(33000*c))=2*Pi*T2*RPM/33000=T2*RPM/5252 (60以及C被消掉了)

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