马力:
马力与扭力哪一项最能具体代表车辆性能?有人说「起步靠扭力,加 速靠马力」,也有人说「马力大代表极速高,扭力大代表加速好」,其实这些都是片段的错误解释,其实车辆的前进一定是靠引擎所发挥 的扭力,所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」,因为以讹传讹的结果,大家都说成「扭力」,也就从此流传下来,为导正视听,
本文以下皆称为「扭矩」。
扭矩的观念从小学时候的「
杠杆原理」就说明过了,定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」,公制单位为
牛顿-米(N-m),除以
重力加速度 9.8m/sec2之后,单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。
英制单位则 为磅-呎(lb-ft),在美国车的型录上较为常见,若要转换成公制,只要将lb-ft的数字除以7.22即可。
汽车驱动力的计算方式:
将扭矩除以车轮半径即可由引擎马力-扭力输出曲线图可发现,在每一个转速下都有一个相对的 扭矩数值,这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢?答案很简单,就是「除以一个长度」,便可获得「力」的数据。举例而言,一 部1.6升的引擎大约可发挥15.0kg-m的最大扭力,此时若直接连上185/ 60R14尺寸的轮胎,半径约为41公分,则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位,而是重量的单位,须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。
36公斤的力量怎么推动一
公吨的车重呢?而且动辄数千转的引擎转速更不可能恰好成为轮胎转速,否则车子不就飞起来了?幸好聪明的人类发明了「齿轮」,利用不同大小的齿轮相连搭配,可以将旋转的速度降低,同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比,因此从小齿轮传递动力至大齿轮时,转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数,都恰好等于两齿轮的齿数比例,这个比例就是所谓的「齿轮比」。
举例说明,以小齿轮带动大齿轮,假设小齿轮的齿数为15齿,大齿轮的齿数为45齿。
当小齿轮以3000rpm的转速旋转,而扭矩为20kg-m时,传递至大齿轮的转速便降低了1/3,变成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成为60kg-m。这就是引擎扭矩经由
变速箱可降低转速并放大扭矩的基本原理。
在汽车上,引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大,第一次由变 速箱的档位作用而产生,第二次则导因于最终齿轮比(或称最终传动 比)。扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与最终齿轮比的相乘倍数。举例来说,手排六代喜美的一档齿轮比为3.250,最终齿轮比为4.058,而引擎的最大扭矩为14.6kgm/5500rpm,于是我们可以算出第一档的最 大扭矩经过放大后为14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此时再除以轮胎半径约0.41m,即可获得推力约为470公斤。然而上述的数值并不是实际的推力,毕竟机械传输的过程中必定有磨 耗损失,因此必须将
机械效率的因素考虑在内。
论及机械效率,每经过一个齿轮传输,都会产生一次动力损耗,手排变速箱的机械效率约在95%左右,自排变速箱较惨,约剩88%左右,而
传动轴的万向接头 效率约为98%,各位自己乘乘看就知道实际的推力还剩多少。整体而 言,汽车的驱动力可由下列公式计算:
扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率
牵引力:
牵引力
中学物理经常提到汽车、卡车、火车等各种机动车的牵引力。
有人认为,牵引力是指传动系统对主动轮施加的力。诚然,发动机通过传动系统对主动轮施加的力,促进主动轮的转动,对于整个汽车的正常行驶,这个力具有根本的重要性. 但所谓“牵引力”不是指这个力.
有人认为“汽车受到的牵引力”,是指“地面对主动轮施加的向前的水平力”.这个说法也不完全对。
在下面的叙述中,用f ,f1 ,f2 ,f3 , f3 , F合 表示力的大小,都它们都是正值。
发动机不工作而汽车继续向前行驶时,空气对它的力f1向后,地面对从动轮的水平力f2向后,对主动轮的水平力f3向后. 汽车受到的阻力f满足:
f=f1+f2+f3 (1)
发动机工作,汽车加速行驶、匀速行驶的时候,空气对它的力f1向后,地面对从动轮的力f2向后,地面对主动轮的力f3向前. 这时合力F合满足:
F合=f3-(f1+f2) (2)
如果我们把f3定义为牵引力的大小,把(f1+f2)定义为发动机工作时汽车受到的阻力的大小,似乎也是有道理的。但事实上,牵引力和阻力的定义不是这样的。
(2)式可化为 F合=(f3+f3)-(f1+f2+f3) (3)
事实上,(f3+f3)被定义为牵引力的大小,(f1+f2+f3)被定义为阻力的大小。
根据这个定义,如果f3=2000N,f3=3000N,那么牵引力大小为5000N.
这样定义,道理不是显而易见,所以一般书上也避而不讲。
发动机工作的效果,不是使主动轮受到的水平力,由零变为f3:而是使主动轮受到的水平力,由向后的f3变成向前的f3. 认识到这一点,也许有利于我们理解这个定义。
在谈论牵引力的功时,整个汽车是作为一个质点对待的,这样,牵引力的功,等于牵引力跟汽车路程的乘积。
把牵引力做了以上定义后,发动机的
输出功率(跟汽油消耗量和效率有关),才等于牵引力的功率。这是采用以上定义的根本理由。
以上没有提到发动机以很小的功率工作,汽车(原来速度较大)减速运动的情况。这种情况下,f3有可能向后。如果向后的话,那么一定小于f3。如果向后的话,物理上仍说,有牵引力——牵引力的大小为f3-f3.
以上没有提到汽车所有轮子都是主动轮的情况。那并不是更复杂的情况,就不多说了。