『壹』 什麼是扭力什麼是扭矩兩者有何區別
汽車驅動理論
馬力與扭力哪一項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」,其實這些都是片段的錯誤解釋,其實車輛的前進一定是靠引擎所發揮 的扭力,所謂的「扭力」在物理學上應稱為「扭矩」,因為以訛傳訛的結果,大家都說成「扭力」,也就從此流傳下來,為導正視聽,
本文以下皆稱為「扭矩」。
扭矩的觀念從小學時候的「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之後,單位可換算成國人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制單位則 為磅-呎(lb-ft),在美國車的型錄上較為常見,若要轉換成公制,只要將lb-ft的數字除以7.22即可。
汽車驅動力的計算方式:
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現,在每一個轉速下都有一個相對的 扭矩數值,這些數值要如何轉換成實際推動汽車的力量呢?答案很簡單,就是「除以一個長度」,便可獲得「力」的數據。舉例而言,一 部1.6升的引擎大約可發揮15.0kg-m的最大扭力,此時若直接連上185/ 60R14尺寸的輪胎,半徑約為41公分,則經由車輪所發揮的推進力量為15/0.41=36.6公斤的力量(事實上公斤並不是力量的單位,而是重量的單位,須乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的標准單位「牛頓」)。
36公斤的力量怎麼推動一公噸的車重呢?而且動輒數千轉的引擎轉速更不可能恰好成為輪胎轉速,否則車子不就飛起來了?幸好聰明的人類發明了「齒輪」,利用不同大小的齒輪相連搭配,可以將旋轉的速度降低,同時將扭矩放大。由於齒輪的圓周比就是半徑比,因此從小齒輪傳遞動力至大齒輪時,轉動的速度降低的比率以及扭矩放大的倍數,都恰好等於兩齒輪的齒數比例,這個比例就是所謂的「齒輪比」。
舉例說明,以小齒輪帶動大齒輪,假設小齒輪的齒數為15齒,大齒輪的齒數為45齒。
當小齒輪以3000rpm的轉速旋轉,而扭矩為20kg-m時,傳遞至大齒輪的轉速便降低了1/3,變成1000rpm;但是扭矩反而放大三倍,成為60kg-m。這就是引擎扭矩經由變速箱可降低轉速並放大扭矩的基本原理。
在汽車上,引擎輸出至輪胎為止共經過兩次扭矩的放大,第一次由變 速箱的檔位作用而產生,第二次則導因於最終齒輪比(或稱最終傳動 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。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,於是我們可以算出第一檔的最 大扭矩經過放大後為14.6×3.250×4.058=192.55kgm,比原引擎放大了13倍。此時再除以輪胎半徑約0.41m,即可獲得推力約為470公斤。然而上述的數值並不是實際的推力,畢竟機械傳輸的過程中必定有磨 耗損失,因此必須將機械效率的因素考慮在內。
論及機械效率,每經過一個齒輪傳輸,都會產生一次動力損耗,手排變速箱的機械效率約在95%左右,自排變速箱較慘,約剩88%左右,而傳動軸的萬向接頭 效率約為98%,各位自己乘乘看就知道實際的推力還剩多少。整體而 言,汽車的驅動力可由下列公式計算:
扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機械效率
驅動力= ————————————————————
輪胎半徑(單位為公尺)
馬力亦非「力」乃「功率」的一種
了解如何將扭矩經由變速箱的齒比放大成為實際推力之後,接著可以研究什麼叫做「馬力」。馬力其實也不是一種「力」,而是一種功率 (Power)的單位,定義為單位時間內所能做「功」的大小。盡管如此,我們不得不繼續使用「馬力」這個名字,畢竟已經用太久了,講「功率」恐怕沒幾個消費者聽得懂?
功率是由扭矩計算出來的,而計算的公式相當簡單:功率(W)=2π× 扭矩(N-m)×轉速(rpm)/60,簡化計算後成為:功率(kW)=扭矩(N-m) ×轉速(rpm)/9549,詳細的推導請參看方塊文章。然而功率kW要如何 轉換成大家常見的「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,相信不少人會直覺地想到什麼DIN、SAE、EEC、JIS等等不同測試標准,到底這些標準的差異在哪兒,以後有空再研究;有點誇張的是由於英制與公制的不同,對「馬力」的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為:一匹馬於一分鍾內將200磅(lb)重的物體拉動165英呎(ft),相乘之後等於33,000ft-lb/min;而公制的馬力(PS)定義則為一匹馬於一分鍾內將75公斤的物體拉動60公尺,相乘之後等於4500kg-m/min。經過單位換算,(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然發現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兩項不一樣的結果。
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?
到底世界上為什麼會有英制與公制的分別,就好像為什麼有的汽車是右駕,有的卻是左駕一樣,是人類永遠難以協調的差異點。若以大家 比較熟悉的幾個測試標准來看,德國的DIN與歐洲共同體的新標准 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,但為了避免復雜,本刊一率將馬力的單位標示為hp。近來,越來越多的原廠數據已改提供絕對無爭議的KW作為引擎輸出的功率數值。
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,差異並不大。一般房車的馬力多半僅在200匹馬力以下,兩者由於定義的差異也僅3匹馬力左右,因此如果您真要「馬馬計較」,就把SAE 標準的數據多個1.5%吧!不過SAE、JIS、DIN、EEC各種測試標准之 間亦有些許差異,這個老問題已經爭論過很多次了,單位之間不能真正劃上等號,然而在差別不怎麼多的情況之下,就當作相同吧!因此 管他是PS或hp,都差不多可以視為相等。
終於可以做結論了!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,並且將扭矩的單位換算為大家熟悉的kg-m之後,可得下列結果:
英制馬力hp=扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)/727
公制馬力PS =扭力(kg-m)×引擎轉速(rpm)/716
知道這些公式之後有什麼用呢?從「馬力hp=扭力×轉速/727」看來, 如果能增加引擎轉速,扭力不變的情況下,便能增加馬力。例如若能 將轉速從6000rpm增加到8000rpm,等於增加了33%,但因為凸輪軸的 限制使得8000rpm時的扭力下降了10%,則仍能使馬力增加19.7%,這 說明了時下改裝計算機的為何能在解除斷油後大幅增加馬力。
所以不要被「增加??匹馬力」的廣告所著魔。
讓我們從另外一個角度來想:如果在同樣的轉速下,增加20匹馬力,代表能增加多少推力呢?以最大扭力點發揮於5000rpm的情況下,將公式稍微變換一下,可發現增加的扭力=20hp×727/ 5000rpm=2.9kgm。再將這個結果代入汽車驅動力的公式,同樣以喜美 的一檔計算,2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。對於一噸重的車身而言,影響似乎也不怎麼大;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」的產品,到底應該花多少錢去改裝,您自個兒會拿捏了吧?
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「高轉速的時候仍保有高扭力數值」,也就是說要 有大馬力,不只是低轉速的扭力要好,連高轉速的扭力都得繼續維持 ,這表示扭力與馬力的爭論根本是多餘的,只要能做到高馬力,除了表示各轉速區域的扭力都很大之外,更代表材料技術的優越性,將活塞、進排氣閥門的材質與重量予以強化與輕量化,才能將引擎轉速提高。
扭矩與功率的換算公式推導
假設一圓的半徑為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,由於功率的定義為「每秒鍾所作的功」,對於圓周?動而言,每旋轉一圈所作的功為:F×圓周總長2πr 將F=T/r代入計算,每一圈所作的功Work=F×2πr=(T/r)×2πr=2πT
再乘上引擎轉速rpm就是每分鍾所作的功,但功率P的單位是N-m/sec ,所以需除以60,轉換成每秒所作的功。代入公式:P=T2πrpm/60,將常數整理後,則可得P(kW)=Trpm/9545。
由上文可見,一台車的動力由發動機傳輸到車輪,需要經過多組齒輪因此有所損耗,如果德制馬力測的是傳遞到車輪上的動力,那麼同樣發動機用在不同車型上的動力輸出應該不同,試拿bmw330和bmw530做比較,其功率均是225hp/5900rpm;結論,要麼bmw在數據上造假,要麼它測的是發動機輸出凈值。
『貳』 扭力與扭矩的區別
扭矩定義是垂直方向的力乘上與旋轉中心的距離,公制單位為牛頓米(N.m)
扭力:扭轉物體使物體產生形變的力
扭力在物理學上應稱為扭矩、轉動力矩,因為以訛傳訛的結果,大家都說成扭力,也就從此流傳下來。
兩者的意思其實是一樣的,扭力只是扭矩通俗叫法。比如常說扭這螺絲下來要多大力,其實書面上應該說扭矩。
『叄』 杠桿為什麼能省力。什麼是扭矩
根據F1L1=F2L2。杠桿是費距離省力。
扭矩是使物體發生轉動的一種特殊的力矩
『肆』 跪求:螺栓扭矩與壓緊力的關系 當螺栓擰緊時,在力矩扳手上顯示的力矩與壓緊力的關系,希望高人點!謝謝!
扭矩和壓緊力的關系必須做扭矩系數試驗,前提是一批螺栓的扭矩系數的離散系數較小,一般一批螺栓抽樣8隻,在扭矩系數試驗儀上測扭矩系數,標准差小於0.01,扭矩系數在0.11~0.15(這個范圍可以改)就為合格。如果螺栓的扭矩系數散差大,做扭矩系數就沒有意義(因為實際的壓緊力差別太大),另外,壓緊力的單位是N,或KN(用的比較多)。
之所以關心螺栓的壓緊力,因為設計摩擦性螺栓副連接時,螺栓副的壓緊力是原始的設計數據,只是裝配時,壓緊力不好施工和事後檢測,一般通過試驗或經驗值,施工工藝改為扭矩。因為扭矩的70~90%用來克服各種摩擦力,只有10~30%轉換為夾緊力,影響螺栓副摩擦力的因素較多,因此壓緊力和扭矩之間的關系只能做試驗,並且要盡量模仿螺栓實際裝配的工況(包括溫度、濕度、潤滑情況、擰緊工藝)。
『伍』 三抓卡盤最大輸入力矩與夾緊力有什麼關系
Φ250的液壓三爪自定心卡盤的夾緊力最大值大約在90KN左右,各廠家產品此參數有出入,也與所選用油缸大小及液壓壓力有關。
『陸』 扭矩的10%為夾緊力。但是扭矩的單位是N*m,而夾緊力的單位是N。之間是怎麼轉換的
沒有辦法轉換,一般做試驗。扭矩的10%為夾緊力10%大約數,指的是90%的扭矩用來克服支撐面和螺紋的摩擦力了,只有10%左右轉化為夾緊力。
需要做扭矩系數試驗,然後根據扭矩系數按如下公式轉換。
扭矩=夾緊力*扭矩系數*螺栓公稱直徑
『柒』 力矩與功的單位關系
只是他們的單位一樣,物理意義不一樣。力矩的單位是Nm,叫牛米,是表明力的作用情況。功等於力乘以距離,單位是Nm,定義為焦耳,是力的效果。
力矩表示力對物體作用時所產生的轉動效應的物理量。力和力臂的乘積為力矩。力矩是矢量。力對某一點的力矩的大小為該點到力的作用線所引垂線的長度(即力臂)乘以力的大小,其方向則垂直於垂線和力所構成的平面用力矩的右手螺旋法則來確定。
功,也叫機械功,是物理學中表示力對物體作用的空間的累積的物理量,功是標量,大小等於力與物體在力的方向上通過的距離的乘積,國際單位制單位為焦耳。「功」一詞最初是法國數學家古斯塔夫·科里奧利創造的。
(7)杠桿扭矩與夾緊力有什麼關系擴展閱讀
功的單位:
國際單位制中功的單位為焦耳(J)。焦耳被定義為用1牛頓的力對一物體使其發生1米的位移所做的機械功的大小。量綱相同的單位牛·米有時也使用,但是一般牛·米用於力矩,使其跟功和能區別開。
在國際單位中,功的單位是焦耳,簡稱『焦』,符號為J,單位為J 1J=1N·m 由英國物理學家焦耳(James Prescott joule,1818~1889)對科學的貢獻而命名的。
非國際單位制單位包括爾格、英尺·磅、千瓦小時(kW·h)、大氣壓力、馬力小時(HP·h)。而由於具有相同的物理量─熱能,偶爾會見到以熱量熱能形式表示的測量單位,如:卡路里(cal)、BTU等。