扭矩的含義 扭矩的計(jì)算公式和單位

扭矩是什么：扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。

扭矩和功率一樣，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要指數(shù)之一，它反映在汽車性能上，包括加速度、爬坡能力以及懸掛等。它的準(zhǔn)確定義是：活塞在汽缸里的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)一次做有一定的功，它的單位是牛頓。在每個(gè)單位距離所做的功就是扭矩了。是這樣的，扭矩是衡量一個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，一輛車扭矩的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率成正比。舉個(gè)通俗的例子，比如，像人的身體在運(yùn)動(dòng)時(shí)一樣，功率就像是身體的耐久度，而扭矩是身體的爆發(fā)力。對于家用轎車而言，扭矩越大加速性越好;對于越野車，扭矩越大其爬坡度越大;對于貨車而言，扭矩越大車?yán)闹亓吭酱?。在排量相同的情況下，扭矩越大說明發(fā)動(dòng)機(jī)越好。在開車的時(shí)候就會(huì)感覺車子隨心所欲，想加速就可加速，“貼背感”很好?，F(xiàn)在評價(jià)一款車有一個(gè)重要數(shù)據(jù)，就是該車在0-100公里/小時(shí)的加速時(shí)間。而這個(gè)加速時(shí)間就取決于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。一般來講，扭矩的最高指數(shù)在汽車2000-4000/分的轉(zhuǎn)速下能夠達(dá)到，就說明這款車的發(fā)動(dòng)機(jī)工藝較好，力量也好。有些汽車在5000/分的轉(zhuǎn)速左右才達(dá)到該車扭矩的最高指數(shù)，這說明“力量”就不是此車所長。

扭矩在物理學(xué)中就是力矩的大小，等于力和力臂的乘積，國際單位是牛米Nm，此外我們還可以看見kgm、lb-ft這樣的扭矩單位，由于G=mg，當(dāng)g=9.8的時(shí)候，1kg=9.8N，所以1kgm=9.8Nm，而磅尺lb-ft則是英制的扭矩單位，1lb=0.4536kg;1ft=0.3048m，可以算出1lb-ft=0.13826kgm。在人們?nèi)粘１磉_(dá)里，扭矩常常被稱為扭力(在物理學(xué)中這是2個(gè)不同的概念)。現(xiàn)在我們舉個(gè)例子：8代Civic 1.8的扭矩為173.5Nm@4300rpm，表示引擎在4300轉(zhuǎn)/分時(shí)的輸出扭矩為173.5Nm，那173.5N的力量怎么能使1噸多的汽車跑起來呢?其實(shí)引擎發(fā)出的扭矩要經(jīng)過放大(代價(jià)就是同時(shí)將轉(zhuǎn)速降低)這就要靠變速箱、終傳和輪胎了。引擎釋放出的扭力先經(jīng)過變速箱作“可調(diào)”的扭矩放大(或在超比擋時(shí)縮小)再傳到終傳(尾牙)里作進(jìn)一步的放大(同時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低)，最后通過輪胎將驅(qū)動(dòng)力釋放出來。如某車的1擋齒比(齒輪的齒數(shù)比，本質(zhì)就是齒輪的半徑比)是3，尾牙為4，輪胎半徑為0.3米，原扭矩是200Nm的話，最后在輪軸的扭力就變成200×3×4=2400Nm(設(shè)傳動(dòng)效率為100%)在除以輪胎半徑0.3米后，輪胎與地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m=8000N的驅(qū)動(dòng)力，這就足以驅(qū)動(dòng)汽車了。

若論及機(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，手動(dòng)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)軸的萬向節(jié)效率約為98%。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：米）

小結(jié)：1kgm=9.8Nm 1lb-ft=0.13826kgm 1lb-ft=1.355Nm

一般來說，在排量一定的情況下，缸徑小，行程長的汽缸較注重扭矩的發(fā)揮，轉(zhuǎn)速都不會(huì)太高，適用于需要大載荷的車輛。而缸徑大，行程短的汽缸較注重功率的輸出，轉(zhuǎn)速通常較高，適用于快跑的車輛。簡單來說：功率 正比于 扭矩×轉(zhuǎn)速

補(bǔ)充一點(diǎn)：為什么引擎的功率能由扭矩計(jì)算出來呢?

我們知道，功率P=功W÷時(shí)間t 功W=力F×距離s 所以，P=F×s/t=F×速度v

這里的v是線速度，而在引擎里，曲軸的線速度=曲軸的角速度ω×曲軸半徑r，代入上式得：功率P=力F×半徑r×角速度ω ; 而 力F×半徑r=扭矩

得出：功率P=扭矩×角速度ω 所以引擎的功率能從扭矩和轉(zhuǎn)速中算出來

角速度的單位是弧度/秒，在弧度制中一個(gè)派代表180度、“扭矩”和“功率”是表征發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)通過飛輪對外輸出的扭矩稱為有效扭矩，用Te表示，單位為N·m。有效扭矩與外界施加于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的阻力矩相平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)通過飛輪對外輸出的功率稱為有效率，用Pe表示，單位為kW。它等于有效轉(zhuǎn)矩與曲軸角速度的乘積。

發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率可以用臺架試驗(yàn)方法測定，即用測功器測定有效轉(zhuǎn)矩和曲軸角速度，然后運(yùn)用以下的公式便可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。

Pe=Te·(2∏·n/60)/1000=Te·n/9550(kW)

其中：Te——有效轉(zhuǎn)矩，N·m n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

有效扭矩的最大值稱為最大轉(zhuǎn)矩，有效功率的最大值稱為最大功率。

報(bào)刊上在介紹某一車型時(shí)，其技術(shù)參數(shù)中的扭矩和功率通常就是最大扭矩和最大功率。而發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明的功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速則稱為額定功率和額定轉(zhuǎn)速，額定功率一般要小于最大功率，按照汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法的規(guī)定，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能在額定工況下能連續(xù)運(yùn)行300—1000h。

關(guān)于扭矩和功率的含義，通俗一點(diǎn)講，扭矩好比百米賽跑選手在起跑點(diǎn)蹲撐，蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備沖向前那一剎那的沖勁;而功率就是維持這股勁可以越跑越快，一直跑到終點(diǎn)的能力。增大發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，就能提高Te和Pe。為了增大發(fā)動(dòng)機(jī)排量，可增加氣缸數(shù)(如3缸變4缸)，或者增加單位氣缸的容積(如增大氣缸內(nèi)徑)。

二、正確理解發(fā)動(dòng)機(jī)的“扭矩”和“功率”關(guān)系

簡單的說：發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩象征其氣缸一口氣所能吸進(jìn)的油氣量，這個(gè)吸氣量是會(huì)隨油門開度的加大和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸升高而增加的，但是它不會(huì)一直變大上去，到了某一轉(zhuǎn)速它就會(huì)達(dá)到顛峰，這就是平時(shí)人們所說的最大扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速再上升，它就會(huì)逐漸下降，這是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)燃機(jī)在扭矩上的特色，也是最不理想的地方。 功率等于扭矩乘以轉(zhuǎn)速，它象征在單位時(shí)間里發(fā)動(dòng)機(jī)可吸進(jìn)的油氣量。所以，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升到最大扭矩點(diǎn)時(shí)，每口氣吸進(jìn)的油氣量和單位時(shí)間里的吸氣次數(shù)都在增加，因此功率一直上升;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過最大扭矩點(diǎn)后，盡管每口氣吸進(jìn)的油氣量減少，但由于降幅不大且吸氣次數(shù)在增加，所以一直增加到最大功率點(diǎn)為止;當(dāng)轉(zhuǎn)速超過最大功率點(diǎn)后，每口氣吸進(jìn)的油氣量減少幅度要大于吸氣次數(shù)的增加幅度，所以功率開始減少。

三、如何比較不同發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣或強(qiáng)化程度

汽車所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)Te和Pe是在一定轉(zhuǎn)速下得到的。不同汽車的使用要求不一樣，車速也不一樣(如載貨汽車和轎車使用的車速就不一樣)，所對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就不一樣，因此不同用途的發(fā)動(dòng)機(jī)，即便在有效功率相等的情況下，它們所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也是不一樣的，反言之即功率相等的發(fā)動(dòng)機(jī)并不能符合所有車型的要求，還必須在考慮功率和扭矩的同時(shí)看其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這樣才能全面看出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能指標(biāo)Te和Pe是否符合要求。

而Te和Pe這兩項(xiàng)動(dòng)力性指標(biāo)并不能直接用來評價(jià)不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣或強(qiáng)化程度，即不是功率和扭矩大的發(fā)動(dòng)機(jī)就好或強(qiáng)化程度就高，而是要看單位氣缸工作容積所發(fā)出的功率和扭矩。

TL和PL就是表示單位氣缸工作容積的扭矩和功率，使用這兩項(xiàng)指標(biāo)才能比較出不同發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣或強(qiáng)化程度。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)TL和PL的范圍：

汽油機(jī)：TL=600kPa—1000kPa PL=22kW/L—55kw/L

柴油機(jī)：TL=600kPa—900kPa PL=11kW/L—26kw/L

在額定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的功率叫升功率。

PL=Pe/(Vh·i)(kw/L) 其中：Vh——氣缸工作容積(L) i——氣缸數(shù)

升功率標(biāo)征單位氣缸工作容積的利用率，PL越大表示單位氣缸工作容積發(fā)出的功率越大，那么當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率一定時(shí)，PL越大發(fā)動(dòng)機(jī)就越小，材料質(zhì)量越小。

提高升功率的途徑主要有4個(gè)：

(1)增加充氣量燃料燃燒需要空氣，相對燃料而言，空氣更難進(jìn)入氣缸。采用增壓技術(shù)或改善換氣過程(如減少進(jìn)氣阻力)可提高充氣量。

(2)改善混臺氣質(zhì)量和燃燒質(zhì)量在一定的空氣量下，空氣與油料混合均勻，燃燒充分，單位氣缸容積供熱量增多。

(3)提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率 減少機(jī)械損失才能增加有效功率的輸出。減少機(jī)械損失主要是減少各摩擦副的摩擦損失，其次是減少輔助機(jī)構(gòu)的功率消耗和泵氣損失。

(4)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速 主要是增加作功(或充氣)頻率，即增加單位時(shí)間的充氣量。但是提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速除應(yīng)考慮機(jī)械強(qiáng)度外，轉(zhuǎn)速增加，每循環(huán)的充氣量減少、機(jī)械損失增大、燃燒過程難以組織，即轉(zhuǎn)速提高，會(huì)使Pe下降，因此，增加轉(zhuǎn)速也要適度。