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關(guān)于引擎馬力和扭力

[ 07-9-24 23:17 ]  太平洋汽車網(wǎng)  來源: pcauto    責(zé)任編輯: liweihui

    關(guān)于引擎馬力和扭力

    馬力與扭力都是汽車性能的重要指標(biāo),但是到底大馬力的車比較會(huì)跑,還是大扭力的車比較威猛?相信很少有人能清楚地回答這個(gè)問題!當(dāng)然啰,因?yàn)槟芘宄R力與扭力定義的人本來就不多。請仔細(xì)研讀本篇文章,我已盡量將理論的復(fù)雜度降至最低,只要具備高中物理常識(shí),耐心研讀,各位應(yīng)該能夠吸收,若有闡述不明之處,歡迎來指教。
 
    扭力正確名稱應(yīng)為“扭矩”

  馬力與扭力哪一項(xiàng)最能具體代表車輛性能?有人說“起步靠扭力,加速靠馬力”,也有人說“馬力大代表極速高,扭力大代表加速好”□.其實(shí)這些都是片段的錯(cuò)誤解釋,其實(shí)車輛的前進(jìn)一定是靠引擎所發(fā)揮的扭力,所謂的“扭力”在物理學(xué)上應(yīng)稱為“扭矩”,因?yàn)橐杂瀭饔灥慕Y(jié)果,大家都說成“扭力”,也就從此流傳下來,為導(dǎo)正視聽,本文以下皆稱為“扭矩”(本文之外還是以訛傳訛好了)。扭矩的觀念從小學(xué)時(shí)候的“杠桿原理”就說明過了,定義是“垂直方向的力乘上與旋轉(zhuǎn)中心的距離”,公制單位為牛頓-米(N-m),除以重力加速度9.8m/sec2之后,單位可換算成國人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制單位則為磅-尺(lb-ft),在美國車的型錄上較為常見,若要轉(zhuǎn)換成公制,只要將lb-ft的數(shù)字除以7.22即可。
汽車驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方式:將扭矩除以車輪半徑即可
 
  由引擎馬力-扭力輸出曲線圖可發(fā)現(xiàn),在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)相對的扭矩?cái)?shù)值,這些數(shù)值要如何轉(zhuǎn)換成實(shí)際推動(dòng)汽車的力量呢?答案很簡單,就是“除以一個(gè)長度”,便可獲得“力”的數(shù)據(jù)。舉例而言,一部1.6升的引擎大約可發(fā)揮15.0kg-m的最大扭力,此時(shí)若直接連上185/60R14尺寸的輪胎,半徑約為41公分,則經(jīng)由車輪所發(fā)揮的推進(jìn)力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實(shí)上公斤并不是力量的單位,而是重量的單位,須乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的標(biāo)準(zhǔn)單位“牛頓”)。
 
  36公斤的力量怎么推動(dòng)一公噸的車重呢?而且動(dòng)輒數(shù)千轉(zhuǎn)的引擎轉(zhuǎn)速更不可能恰好成為輪胎轉(zhuǎn)速,否則車子不就飛起來了?幸好聰明的人類發(fā)明了“齒輪”,利用不同大小的齒輪相連搭配,可以將旋轉(zhuǎn)的速度降低,同時(shí)將扭矩放大。由于齒輪的圓周比就是半徑比,因此從小齒輪傳遞動(dòng)力至大齒輪時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)的速度降低的比率以及扭矩放大的倍數(shù),都恰好等于兩齒輪的齒數(shù)比例,這個(gè)比例就是所謂的“齒輪比”。
 
  舉例說明,以小齒輪帶動(dòng)大齒輪,假設(shè)小齒輪的齒數(shù)為15齒,大齒輪的齒數(shù)為45齒。當(dāng)小齒輪以3000rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),而扭矩為20kg-m時(shí),傳遞至大齒輪的轉(zhuǎn)速便降低了1/3,變成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成為60kg-m。這就是引擎扭矩經(jīng)由變速箱可降低轉(zhuǎn)速并放大扭矩的基本原理。

  在汽車上,引擎輸出至輪胎為止共經(jīng)過兩次扭矩的放大,第一次由變速箱的檔位作用而產(chǎn)生,第二次則導(dǎo)因于最終齒輪比(或稱最終傳動(dòng)比)。扭矩的總放大倍率就是變速箱齒比與最終齒輪比的相乘倍數(shù)。舉例來說,手排六代喜美的一檔齒輪比為3.250,最終齒輪比為4.058,而引擎的最大扭矩為14.6kgm/5500rpm,于是我們可以算出第一檔的最大扭矩經(jīng)過放大后為14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此時(shí)再除以輪胎半徑約0.41m,即可獲得推力約為470公斤。然而上述的數(shù)值并不是實(shí)際的推力,畢竟機(jī)械傳輸?shù)倪^程中必定有磨耗損失,因此必須將機(jī)械效率的因素考慮在內(nèi)。論及機(jī)械效率,每經(jīng)過一個(gè)齒輪傳輸,都會(huì)產(chǎn)生一次動(dòng)力損耗,手排變速箱的機(jī)械效率約在95%左右,自排變速箱較慘,約剩88%左右,而傳動(dòng)軸的萬向接頭效率約為98%,各位自己乘乘看就知道實(shí)際的推力還剩多少。整體而言,汽車的驅(qū)動(dòng)力可由下列公式計(jì)算:
    扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機(jī)械效率
驅(qū)動(dòng)力=--------------------
        輪胎半徑(單位為公尺)

    馬力亦非“力”乃“功率”的一種
 
  了解如何將扭矩經(jīng)由變速箱的齒比放大成為實(shí)際推力之后,接著可以研究什么叫做“馬力”。馬力其實(shí)也不是一種“力”,而是一種功率(Power)的單位,定義為單位時(shí)間內(nèi)所能做“功”的大小。盡管如此,我們不得不繼續(xù)使用“馬力”這個(gè)名字,畢竟已經(jīng)用太久了,講“功率”恐怕沒幾個(gè)消費(fèi)者聽得懂?
 
  功率是由扭矩計(jì)算出來的,而計(jì)算的公式相當(dāng)簡單:功率(W)=2π×扭矩(N-m)×轉(zhuǎn)速(rpm)/60,簡化計(jì)算后成為:功率(kW)=扭矩(N-m)×轉(zhuǎn)速(rpm)/9549,詳細(xì)的推導(dǎo)請參看方塊文章。然而功率kW要如何轉(zhuǎn)換成大家常見的“馬力”呢,這又有一段故事得講。
 
英制或公制?
1PS=735W;1hp=746W
 
    馬力定義竟然不一樣!
 
  談到引擎的馬力,相信不少人會(huì)直覺地想到什么DIN、SAE、EEC、JIS等等不同測試標(biāo)準(zhǔn),到底這些標(biāo)準(zhǔn)的差異在哪兒,以后有空再研究;有點(diǎn)夸張的是由于英制與公制的不同,對“馬力”的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為:一匹馬于一分鐘內(nèi)將200磅(lb)重的物體拉動(dòng)165英尺(ft),相乘之后等于33,000ft-lb/min;而公制的馬力(PS)定義則為一匹馬于一分鐘內(nèi)將75公斤的物體拉動(dòng)60公尺,相乘之后等于4500kg-m/min。經(jīng)過單位換算,(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然發(fā)現(xiàn)1hp=4566kg-m/min,與公制的1PS=4500kg-m有些許差異,而如果以功率W(1W=1Nm/sec=9.8kgm/sec)來換算的話,可得1hp=746W;1PS=735W兩項(xiàng)不一樣的結(jié)果。同樣是“馬力”,英制馬力與公制馬力的定義竟然不一樣!難道英國馬比較“有力”嗎?

  到底世界上為什么會(huì)有英制與公制的分別,就好像為什么有的汽車是右駕,有的卻是左駕一樣,是人類永遠(yuǎn)難以協(xié)調(diào)的差異點(diǎn)。若以大家比較熟悉的幾個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn)來看,德國的DIN與歐洲共同體的新標(biāo)準(zhǔn)EEC還有日本的JIS是以公制的PS為馬力單位,而SAE使用的是英制的hp為單位,但為了避免復(fù)雜,本刊一率將馬力的單位標(biāo)示為hp。近來,越來越多的原廠數(shù)據(jù)已改提供絕對無爭議的KW作為引擎輸出的功率數(shù)值。
 
  不過話說回來,1PS與1hp之間的差異僅1.5%,每一百匹馬力差1.5匹,差異并不大。一般房車的馬力多半僅在200匹馬力以下,兩者由于定義的差異也僅3匹馬力左右,因此如果您真要“馬馬計(jì)較”,就把SAE標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)多個(gè)1.5%吧!不過SAE、JIS、DIN、EEC各種測試標(biāo)準(zhǔn)之間亦有些許差異,這個(gè)老問題已經(jīng)爭論過很多次了,單位之間不能真正劃上等號,然而在差別不怎么多的情況之下,就當(dāng)作相同吧!因此管他是PS或hp,都差不多可以視為相等。

  終于可以做結(jié)論了!將上述獲得的馬力與功率換算方式代入功率與扭矩的換算公式,并且將扭矩的單位換算為大家熟悉的kg-m之后,可得下列結(jié)果:
英制馬力hp=扭力(kg-m)×引擎轉(zhuǎn)速(rpm)/727
公制馬力PS=扭力(kg-m)×引擎轉(zhuǎn)速(rpm)/716

    知道公式后又怎樣?

  知道這些公式之后有什么用呢?從“馬力hp=扭力×轉(zhuǎn)速/727”看來,如果能增加引擎轉(zhuǎn)速,扭力不變的情況下,便能增加馬力。例如若能將轉(zhuǎn)速從6000rpm增加到8000rpm,等于增加了33%,但因?yàn)橥馆嗇S的限制使得8000rpm時(shí)的扭力下降了10%,則仍能使馬力增加19.7%,這說明了時(shí)下改裝電腦的為何能在解除斷油后大幅增加馬力。所以不要被“增加??匹馬力”的廣告所著魔。

  讓我們從另外一個(gè)角度來想:如果在同樣的轉(zhuǎn)速下,增加20匹馬力,代表能增加多少推力呢?以最大扭力點(diǎn)發(fā)揮于5000rpm的情況下,將公式稍微變換一下,可發(fā)現(xiàn)增加的扭力=20hp×727/5000rpm=2.9kgm。再將這個(gè)結(jié)果代入汽車驅(qū)動(dòng)力的公式,同樣以佳美車的一檔計(jì)算,2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。對于一噸重的車身而言,影響似乎也不怎么大;再者如果相差5匹馬力的話,推力更僅增加23公斤,可見相差5匹馬力,根本也沒差多少,所以能“增加5匹馬力”的產(chǎn)品,到底應(yīng)該花多少錢去改裝,您自個(gè)兒會(huì)拿捏了吧?

    大馬力決定真性能!

  到底大馬力的車子跑得快,還是大扭力的車子跑得快?從公式可以知道大馬力的原因是“高轉(zhuǎn)速的時(shí)候仍保有高扭力數(shù)值”,也就是說要有大馬力,不只是低轉(zhuǎn)速的扭力要好,連高轉(zhuǎn)速的扭力都得繼續(xù)維持,這表示扭力與馬力的爭論根本是多余的,只要能做到高馬力,除了表示各轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭力都很大之外,更代表材料技術(shù)的優(yōu)越性,將活塞、進(jìn)排氣閥門的材質(zhì)與重量予以強(qiáng)化與輕量化,才能將引擎轉(zhuǎn)速提高。

    扭矩與功率的換算公式推導(dǎo)

  假設(shè)一圓的半徑為r(單位為m),扭矩為T(單位為N-m),則圓周上切線方向的力F=T/r,由于功率的定義為“每秒鐘所作的功”,對于圓周運(yùn)動(dòng)而言,每旋轉(zhuǎn)一圈所作的功為:F×圓周總長2πr將F=T/r代入計(jì)算,每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT再乘上引擎轉(zhuǎn)速rpm就是每分鐘所作的功,但功率P的單位是N-m/sec,所以需除以60,轉(zhuǎn)換成每秒所作的功。代入公式:P=T2πrpm/60,將常數(shù)整理后,則可得P(kW)=Trpm/9545。

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