通俗易懂,讲清楚马力、功率、扭矩、转速、车速之间的关系

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这5个词,其中4个是物理量,一个是其中一个物理量的单位。

物理量:功率,扭矩,转速,车速。而“马力”是功率的一个单位。功率也可以用其他单位来表达,比如瓦、千瓦等。

通俗易懂,讲清楚马力、功率、扭矩、转速、车速之间的关系

他们分别是啥意思呢?

车速

顾名思义,车辆的速度,最容易理解的概念。就是车辆在单位时间里行驶过的距离。

你可以用不同的单位表达。比如一台车的行驶速度可以是:

36千米/小时。意味着如果它保持匀速,它将在一个小时内行驶36千米(公里)10米/秒。意味着如果它保持匀速,他将在一秒钟内行驶10米

而这两个表达是一样的。假如一辆车延直线行驶,一秒钟行驶10米,则意味着一分钟行驶600米,一个小时也就是行驶36000米,也就是36千米。

表达式呢:V=S/T (车速=距离/时间)

当然,这里都是不考虑方向和转弯的直线速度。这个是重点。

转速

也顾名思义,某个物体转动的速度,在一定的时间内转动多少圈(或者多少角度)。在汽车的语境中,最通常用的是发动机的转速,但也会在计算中涉及比如车轮的转速,或者驱动轴转速等。

转速可以有什么单位表达呢?比如

°/秒(或者°/ms)。比较少用在车辆的计算中,但是会用在计算频率较高的发动机控制中。每360°就是一圈,所以我们可以先假设有一个发动机在以360°/秒的转速转动圈/秒,有些厂商在使用这个单位时也会简化为震动单位Hz。上面说的360°/秒,就相当于1圈/秒,或者1HzRPM(rev per minute,也就是圈/分钟)。上面说的360°/秒=1圈/秒=60RPM

说到转速,我们就可以建立和车速之间的关系了。这里需要引入其他因素才能计算,主要包括:轮胎周长(或者外径)、传动减速比

那我们先说车轮转速吧,它和车速的关系是什么呢?简单的说:车轮转速=车速/车轮周长

我们假设按照上面说的,一台车正在以36千米/小时行驶,也就是10米/秒,我们知道它每秒行驶10米。如果这台车的所有轮胎周长都是2米(意味着轮胎外径637mm,其实蛮接近实际汽车轮胎的),那我们知道它的车轮转速为:10/2=5圈/秒。那每分钟就转300圈,所以就是300RPM。

接下来再看发动机转速,它和车轮转速又是什么关系呢?这里就需要传动减速比,也就是变速箱在特定挡位时,发动机转速和车轮转速之间的比例。因为大多数时间车轮转的比发动机慢,我们就称之为传动减速比。会发生减速的地方包括变速箱和主减速器(俗称“尾牙”),传动减速比是这两个部件减速比的乘积。比如变速箱减速比为2(发动机每转2圈,变速箱输出轴转1圈),主减速器“尾牙”减速比为3(变速箱输出轴每转3圈,车轮转1圈),则总减速比为2x3=6(发动机每转6圈,车轮转1圈)。不管是否看得懂图,知道从发动机出来的转速要经过两次减速传递到车轮上就行。

还是以上面的例子,我们的车正在以36千米/小时行驶,我们知道车轮转速是300RPM,然后我们知道车的传动减速比为6(也许在1档吧)。那我们可以知道这个时候发动机的转速是300x6=1800RPM。

如果我们把从发动机的转速到车速整个联系起来,那表达式就是:

车速=(发动机转速/传动减速比)*车轮周长V=(n/i)*C

这里需要注意单位,车速是[m/s],发动机转速是[圈/秒],车轮周长是[m]。

如果我们把单位变成更常见的[km/h]、[RPM]和[m]的话,需要加上一个系数,那表达式就会变成:

车速[km/h]=0.06*(发动机转速[rpm]/传动减速比)*车轮周长[m]

基本关系就是这样了。

基本上,和车速的不同之处只是,转速是一个描述旋转快慢的速度,而不是描述直线快慢的速度。

扭矩

如果你没有学过基础物理,介绍扭矩可能会费点力气。

扭矩,或者力矩(torque)是表示力对物体作用时产生转动效应的物理量。什么意思呢,力和力矩的关系,就好像上面描述的直线速度和转速之间的关系。

如果你难以想象的话,下面的图示可以很好的帮助理解他们的关系。用扳手拧螺栓时,你的手对扳手施加一个直线的力(下图的F),这个力通过握把和螺栓的距离形成力臂,作用在螺栓上行程一个转动螺栓的扭矩(下图的T)

扭矩的计算方式就是:扭矩T[Nm]= 力F[N]×力臂L [N・m]

也就是说,如果你手施加一个10N的力,扳手长0.1m(10cm),那你作用在螺栓上的扭矩就是刚好1Nm。

如果把这个放到车上理解你还比较晕,那想象一下车轮(驱动车前进的车轮)。如下图所示,就像那个扳手,我们有车轮上的扭矩T,车轮半径R就是力臂,而车轮胎上形成的牵引力就是F。这里也遵循同样的T=F x R的关系。

我们回到我们那台想象中的车的假设中。它的轮胎外径是637mm,也就是说半径R=0.3185m。我们假设车辆在以36千米/小时的车速行驶时,需要车轮提供1000N的牵引力来克服阻力,让车辆可以保持车速行驶。那我们就可以计算这个时候轮上的扭矩需求为:

T轮=1000 x 0.3185=318.5Nm

这是车轮上需要的扭矩。我们接下来知道发动机的动力传递到车轮时经过了一个减速比为6的减速,那根据杠杆原理,我们也就知道发动机的扭矩在传递的过程中被放大了6倍。这里不考虑传动效率,假设没有损失。另外,如果不能理解为什么扭矩被放大的话,就理解为“通过牺牲转速,来获得的扭矩”。

那我们就可以计算这个时候发动需要输出的扭矩为:

T发=T轮/6=53.08Nm

注意这个时候的所有计算里,都和速度无关。

功率

好了,这下我们终于可以去到功率了。但是如果你没有学过基础物理,那还得给再讲清楚功率是什么。。。实际上,得先讲“功”是什么。

功,其实就是能量。可以是机械功,也可以是电功,也可以是热功。机械功的定义是物理学中表示力对位移的累积的物理量。也就是说机械功的定义可以简化表达是:功=力x位移。他们的单位分别是J(焦耳)、N和m

比方说我们刚才的那辆车,它的牵引力是1000N,那当他行驶1000米(1公里)后,我们知道车辆做功为:

W=1000 x 100=1000000焦耳

注意,功的计算也是力乘以一个长度,看起来和扭矩计算式一样。但是一个是旋转状态的力,一个是直线运动需要的能量,这两个不是一码事。

前面说机械功、电功,其实是可以直接转化的。比如我们刚才说车辆做工1000000焦耳,那如果这是一台电动车,我们不考虑所有的传动损失和电效率损失,我们可以知道电池包为它提供了这1000000焦耳的能量。或者如果我们转换一下单位(1 焦耳=0.000000277777777778 kWh),我们知道在这1公里的距离上,电池包提供了0.278kWh的能量。

说回功率,知道功是什么了,功率就很好理解了。中文的“率”在名字里,功率就是描述物体做功快慢的物理量。什么意思呢,就是这个物体在多少时间内做了多少功。功率的表达式是:

P=W/t

W就是功,t是经过的时间。

我们还是计算这台车,我们知道它以36千米/小时,也就是10m/s的速度行驶。那它行驶1000米需要的时间就是:

t=S/V=1000/10=100秒

所以我们可以得到功率为:

P=1000000/100=10000瓦=10千瓦

等一下,这个是不是太简单了?其实功率也有其他的表达式,比如在直线运动状态下,功率等于力乘以速度;而在旋转状态下,功率可以表达为扭矩乘以转速。这样,我们可以推得:

功率P[W]=F[N]*V[m/s]=2 π T发[Nm] n发[圈/秒] (可以自己验算,怎么算都是一样的,但是本质就是功率=扭矩 x 转速 再乘一个系数)

当然,我们也可以整理单位成[kW]、[Nm]、[RPM]而得到:

功率P[kW]=2 π T发[Nm] n发[RPM] /60000 =T发[Nm] n发[RPM] / 9554

顺便也帮经常计算的小伙伴们重温一下简化计算时的这个9554或者9550是怎么来的。。。

注意这个表达式里已经不包含速比、轮胎半径等信息了(计算时会约分掉,因为本质上发动机的功率计算就是可以不依赖传动系统和轮胎的)。

另外,这个式子不论对燃油发动机还是电动机都是一样的。

顺便,再回到我们前面当作电动车计算的情况下,如果我们的输出功率是10kW,这意味着如果持续做功1个小时,那消耗的电量就是10kWh。而我们知道它行驶1千米用了100秒,一小时有3600秒,所以我们也可以知道消耗的电量是10/36=0.278kWh。和我们只考虑车辆行驶驱动力的时候是一样的。因为本质上,是在使用同一份能量。

标签: 扭矩

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