На что влияет крутящий момент на мотоцикле
Крутящий момент
Речь сегодня пойдет не о фильме, а о важнейшей характеристике двигателя, которая по-научному называется «внешняя скоростная характеристика», а по-народному: «а какая мощность у мотора?» Казалось бы, все просто, открываешь каталог, находишь значения максимальной мощности и максимального крутящего момента двигателя. Выбираешь какой мотоцикл мощнее и ты – король. Только вот не все так просто.
Что важнее: большой крутящий момент или высокая мощность? Спросите как-нибудь за кружкой пива у друзей. И вы услышите тысячу рассуждений на эту тему, но так и не доберетесь до истины. Сразу скажу, что вопрос поставлен некорректно. Во-первых, важнее для чего? А во-вторых, если понимать, что мощность двигателя – это величина момента, умноженная на обороты, то выяснять, что из них важнее, с точки зрения математики, вообще глупо. А с житейской точки зрения (не математической) все ощущают разницу между двумя двигателями одинаковой мощности. 100 л.с. у чоппера и такая же мощность у спортбайка воспринимаются абсолютно по разному. Более того, абсолютно по-разному воспринимаются два супербыстрых мотоцикла, например, Suzuki GSXR 1300 и Yamaha R1. Любой мотоциклист, протестировав оба байка, скажет, что Hayabusa – это ураган, что она значительно мощнее! Если же загнать их на стенд, то окажется, что они имеют примерно одинаковую максимальную мощность. Это подтверждается и очным заездом на длинной прямой: мотоциклы разгоняются примерно одинаково. Хотя чувства говорят, что Hayabusa однозначно мощнее. Какая же физическая характеристика точно характеризует наше чувственное восприятие «мощности» мотора? Вот тут то все и вспоминают про «момент». И загадочно упоминают: «так у Hayabusa момент какой!». Да, значение максимального крутящего момента у GSXR1300 действительно на 30% больше, чем у R1. И мы это ощущаем, как более «мощный» мотор. А почему «Буса» тогда не обгоняет R1 в очном заезде? Куда же девается преимущество момента в 30%?
Рисунок 1: 1 – пар, 2 – поршень, 3 – шатун, 4 – кривошип, 5 – колесо. L – длина кривошипа.
Давайте попробуем разобраться и в этом. Еще когда не было ни мотоциклов, ни автомобилей, был паровоз. У него поршень через шатун вращал колесо. Это самый наглядный пример для понимания, откуда берется и что он такое, этот крутящий момент (Рис. 1). Расширяющиеся газы давят на поршень, поршень через шатун давит на кривошип. В результате, имеем силу давления поршня, приложенную к ведущему колесу через плечо. Физическая величина, момент силы (крутящий момент), есть произведение силы на плечо, к которому она приложена. И именно, крутящий момент на колесе, поделенный на радиус колеса, дает нам значение силы тяги. Сила тяги (за вычетом противодействующих сил трения) и есть та самая сила, которая, воздействуя на тело (мотоцикл с пилотом), обеспечивает ему ускорение. Так сказал Ньютон в своем втором законе! Для того, что бы ускорение было больше, нужно либо увеличить силу тяги, либо уменьшить вес тела. Подробно об уменьшении веса тела можно прочесть в женских журналах. Мы же подумаем об увеличении силы. Глядя на схему кривошипно-шатунного механизма, нетрудно найти пути увеличения крутящего момента. Вариант первый: увеличить длину кривошипа (L). Крутящий момент возрастет. При этом возрастет и рабочий объем двигателя, так как увеличится ход поршня. Второй путь: каким-то образом увеличить силу давления поршня. Можно увеличить площадь поршня, крутящий момент возрастет, но опять же возрастет рабочий объем двигателя. Как видим, крутящий момент неразрывно связан с рабочим объемом двигателя. Для получения большего крутящего момента без изменения рабочего объема двигателя остается последний вариант: увеличить давление газов на поршень. Для этого нужно улучшить наполнение цилиндра свежей смесью (изменить впуск/выпуск) или увеличить начальное давление в цилиндре (степень сжатия). Можно поступить радикальней и установить наддув. Но в рамках сегодняшней темы мы не будем рассматривать пути форсирования моторов.
А что же такое тогда мощность, и зачем она нам нужна, как характеристика двигателя, если ускорение обеспечивается моментом? Мощность характеризует работу, выполняемую за единицу времени. И чем выше мощность, тем больше работу можно выполнить. Какую работу? Например, по подъему мотоцикла на гору. Быстрее заедет тот, у кого мощность выше. Тут из курса физики известно, что мощность Р = МОМЕНТ СИЛЫ*УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ, то есть, крутящий момент умноженный на обороты. Для тех, кто соберется пересчитать мощность по этой формуле: не забывайте все величины поставить в системе «Си» – мощность в ваттах, момент – в Ньютонметрах, угловую скорость – в радианах в секунду. Если с радианами в секунду сложно, то можно и в привычных оборотах в минуту. Для вычисления мощности в киловаттах можно вывести формулу Р=МНм *обороты в мин/9549.
Пример. Мотор выдает 100 Нм момента при 10000 об/мин, его мощность в киловаттах 100*10000/9549=104,7 (кВт). Типичный мотор литрового спортбайка. Для желающих перевести киловатты в лошадиные силы: 1кВт=1,36 л.с.
Если проанализировать эту формулу, то получается, что чем выше обороты, при которых достигается максимальный момент, тем выше мощность двигателя. При этом покупатели очень ценят, чтобы момент достигался на низких оборотах, а производители очень стараются построить такие двигатели. Парадокс? Нет. На двигателе, у которого достаточно высокий момент присутствует на при низких оборотах, удобнее ездить. Не гонять наперегонки, а именно ездить. Возьмем, к примеру, графики мощности, замеренные на стенде двух совершенно различных мотоциклов: Kawasaki VN2000 (крутящий момент 170 Нм при 3000 об/мин) и R6 (60 Нм при 11800 об/мин). (График 1). Максимальная мощность у них почти одинакова. Представьте себе: едут спокойно два друга на двух таких мотоциклах. Непонятно, конечно, как они подружились столь разные, но едут. При неспешной езде соответственно невысоки обороты двигателя: 2000 у «Вулкана» и 4000 у R6. И вдруг, нужно ускориться! Оба открывают газ и чоппер легко уезжает от спортбайка. Не верите – проверьте. Посмотрите на график. При 2000 об/мин у «большого» мотора – 45 л.с., а при 4000 у «шестисотки» – всего 20 л.с. Через мгновение, когда Vulcan наберет еще 1500 об/мин и раскрутится до 3500, его двигатель будет выдавать уже 85 л.с. Спортбайк же, набрав обороты с 4000 до 8000, сможет использовать только 45 л.с. Что сделает водитель спорта в такой ситуации? Переключится на одну-две передачи вниз, мотор взвизгнет на 12000 об/мин и в распоряжении пилота будут уже 90-100 лошадей. Безусловно, он догонит тяжелый чоппер. Только кому ускоряться удобнее? Один просто «газует» в диапазоне 2-3-х тысяч, а другой использует 2-3 передачи и диапазон оборотов от 4-х до 12-ти тысяч. Так что секрета или парадокса нет никакого: если в данный момент времени, при данных оборотах крутящий момент у какого-то двигателя выше, то и доступная мощность у него выше. А значение максимальной мощности – это всего лишь одна точка на графике, которая реально говорит очень мало, а характеризует всего лишь показатель максимальной скорости в строках ТТХ. И производители мотоциклов этим пользуются. Да еще и привирают слегка. Какой самый мощный спортбайк из «шестисоток»? По заявленной мощности – это Yamaha R6.
Давайте для наглядности сравним графики мощности двух спортбайков, например, Yamaha R6 ‘07 и Honda CBR600RR ‘07 (График 2). После замеров на стенде я с удивлением обнаружил, что максимальная мощность на колесе у них примерно одинакова: 103-104 л.с., хотя заявленные значения следующие: 133 л.с. у Yamaha против 120-ти у Honda. Заявленная мощность снималась с коленвала, но почему у R6 до колеса дошло столько же, как и у CBR600RR? Похоже, что на Yamaha дописали лишний десяток сил «из маркетинговых соображений». Также, из маркетинговых соображений, в прессе рекламировали, что мотор крутится до 18000 об/мин, и даже тахометр показывает нечто подобное, однако реально снятые значения говорят об отсечке при 15800 об/мин, что всего на 500 об/мин больше, чем у Honda. Если внимательно проанализировать графики мощности, то они совпадут с субъективными ощущениями. R6 до 10000 «не едет»! Во всем диапазоне от 3-х тысяч и до максимальных оборотов Honda имеет преимущество в 5-10 л.с. И только при чисто гоночной езде в диапазоне 12-15 тысяч они имеют приблизительно равные возможности. Если быть до конца честным, то двигатель Yamaha R6 с двумя провалами (на 7-ми и 12-ти тысячах) никак нельзя считать лидером в своем классе.
Другой пример правильного маркетинга. KTM RC8 так стремились сделать самый мощный мотоцикл в классе, что по заявленной мощности обогнали DUCATI 1098. (График 3). Справедливости ради следует отметить, что по максимальной мощности таки обогнали. Но если сравнить всю характеристику двигателя, а не только одну точку, соответствующую максимальному значению, то можно обнаружить что DUCATI мощнее всегда. Когда бы вы не повернули газ: на 5-ти или на 8-ми тысячах оборотов, у DUCATI крутящий момент (а, соответственно, и мощность) будут выше, и только лишь в диапазоне 9900-10200 об/мин у КТМ есть преимущество. Формально КТМ не лукавит: максимальная мощность у него выше, но реально во всем диапазоне оборотов он слабее. Сможете ли вы ехать все время, держа обороты в диапазоне 9900-10200, чтобы реализовать такое преимущество? Думаю, вряд ли.
Ну, и напоследок, еще одно спортивное преимущество более высоко оборотистого мотора. Представьте себе, что есть два мотоцикла приблизительно равной мощности: Suzuki GSX-R1000 ’04 и YAMAHA R1 ’04. (График 4). Если сравнить графики мощности, то видно, что на низких и средних оборотах преимущество у GSX-R1000. И это подтверждается субъективными ощущениями. Однако если подобрать звезды на мотоциклах так, чтобы при одинаковых оборотах у них была одинаковая скорость, то получим два графика: зависимости мощности от оборотов и от скорости, в одном. О чем он нам говорит? Если разгоняться с 200 км/ч, то мощность у мотоциклов будет одинаковая и ускорение одинаковое, однако при достижении 235 км/ч на Suzuki придется включить следующую передачу, а Yamaha продолжит разгон, не переключаясь до 260-ти км/ч. Естественно, переход на высшую передачу уменьшает реальный крутящий момент на колесе и ускорение будет ниже. Правильный подбор передаточных чисел для полной реализации мощности двигателя – это так же важно, как и сама мощность. Но про правильный подбор передаточных чисел – это отдельная тема…
Текст: Валерий Гарбарук
Иллюстрации: предоставлены автором
На что влияет крутящий момент на мотоцикле
пятница, 13 июня 2014 г.
Сердце мотоцикла. Двигатель.
Неискушенный покупатель чаще всего смотрит на единственный параметр мотоцикла, активно тиражируемый маркетологами – максимальную мощность. Следовательно, крутизна движка определяется исключительно поголовьем «лошадей». Отсюда рождаются мифы о том, что имеющий менее 100 л.с. мотор «не едет» и прочие глупости.
Мы ни в коем случае не пытаемся отговорить тебя от покупки первого в жизни Yamaha R1, но перед походом в салон все же прочитай эту статью. И определись, чего ты хочешь от мотоцикла, какие задачи он будет выполнять и в каких условиях.
Итак, какие двигатели ставят на мотоциклы? Наибольшее распространение получили, конечно же, бензиновые двигатели внутреннего сгорания. Они бывают 2-тактными и 4-тактными.
 |
| Как работает двухтактный двигатель (англ. язык) |
В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки.
Двухтактники до сих пор используются в производстве малокубатурной техники. Благодаря простоте конструкции и отличному соотношению вес/мощность они заслуженно пользуются любовью в кругах скутеристов, любителей оффроуда и шоссейно-кольцевых гонок. Гражданские 2-тактные мотоциклы практически не выпускаются, за исключением некоторых 50- и 125-кубовых моделей. В целом, это неплохой выбор как для первого мотоцикла. Отличительная черта 2-тактного двигателя – огромный резонатор. В отсутствие клапанов отвод отработанных газов полностью возложен на плечи выхлопной системы, которая должна работать предельно эффективно.
 |
| Цикл работы двухтактного двигателя с резонатором, работающим по принципу Каденасси. |
 |
| Цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход (возгорание) и выпуск. |
4-тактные двигатели технически более современны, у них сложнее конструкция, меньше вредных выбросов и ниже уровень потребления топлива. Их проще обслуживать, чем двухтактники. Первый четырёхтактный двигатель разработал немецкий инженер Николаус Отто в 1876 году. Принцип работы мотора называется «цикл Отто» или четырёхтактный цикл. С уверенность можно сказать, что на данный момент четырёхтактные ДВС имеют самое широкое применение. Ими оснащаются почти все автомобили, грузовики и мотоциклы. Современному 4-тактному мотору достаточно регулярной замены масла – и он будет безотказно служить тебе многие тысячи километров. Такими ДВС оснащаются 99% современных мотоциклов.
В отличие от автомобильного мира, в мотопроме существует намного большее количество вариантов компоновки моторов. Большинство авто оснащают 3- или 4-цилиндровым рядником, реже – 4-цилиндровым оппозитом. Все остальные вариации находятся за гранью финансовых возможностей большинства автолюбителей. С мотоциклами все интереснее.
Мощность против крутящего момента.
Крутящий момент – это произведение силы на длину плеча ее действия (измеряется в ньютон-метрах). Мощность – это произведение момента на его угловую скорость, то есть количество работы, произведенное на определенных оборотах (измеряется в лошадиных силах). Крутящий момент, создаваемый движком, зависит от площади поршня, радиуса кривошипа коленвала, давления внутри цилиндра и других параметров. Мощность – прежде всего от оборотов движка.
Чтобы получить одновременно мощный и моментный двигатель, нужно заставить большие поршни двигаться очень быстро, вращая длинные рычаги коленвала. К сожалению, это вещи взаимоисключающие. Намного проще раскрутить до бешеных оборотов маленькие поршни с коротким рабочим ходом. Что важнее: высокая мощность или классный крутящий? Важны не их пиковые значения, которые указывает производитель в ТТХ мотоцикла, а распределение «лошадей» и ньютон-метров в рабочем диапазоне. Именно поэтому мы стараемся давать к тест-драйвам график с результатами диностенда (устройства, с помощью которого измеряют мощность и крутящий двигателя).
 |
| Для мотоцикла важно наличие тахометра, чтобы райдер мог контролировать оптимальные обороты двигателя, где мощность и крутящий достигают максимальных значений. |
Бензиновые автомобильные моторы спроектированы таким образом, чтобы демонстрировать высокий крутящий момент на низких и средних оборотах. Ближе к «верхам», которые у стандартного автомобильного движка ограничены 6000-7000 об/мин, крутящий плавно спадает, хотя мощность при этом достигает своего пика. Автомобиль – намного более массивное транспортное средство, чем мотоцикл, и чтобы сдвинуть его с места или уверенно толкать вперед на подъеме, нужно много ньютон-метров. Причем сразу. За максимальной скоростью, которой можно достичь на высоких оборотах, производители семейных седанов и универсалов не гонятся.
С мотоциклетными движками ситуация несколько иная. Она, скажем так, более разнообразна, но при этом все бензиновые двигатели для мототехники делят в общих чертах на одноцилиндровые, многоцилиндровые и двухцилиндровые.
У одноцилиндровых моторов принцип работы схож с тракторным дизельным двигателем, то есть таковой обладает значительным крутящим моментом, который отлично показывает себя уже на небольших оборотах, однако высокой мощности от такого ждать не нужно. Данные двигатели применяют на байках, которые предназначены для езды по бездорожью, где необходимо в ограниченном объеме мотора выполнять достаточно много нагрузки. Среди преимущества такого рода двигателей является их небольшой вес и малые габариты. В многоцилиндровых двигателях количество цилиндров может составлять 3, 4, 6 и выше. Такие моторы отлично и быстро набирают высокую мощность, потому соответственно и высокие скоростные показатели им по силам. Однако при всем этом данные двигатели гораздо тяжелее и объемнее в габаритах. Потому такой мотор вполне подойдет для туреров, в которых больший вес лишь выигрывает, или для спортивных мотоциклов, в которых чем больше л.с., тем лучше. Даже не пробуйте ездить по бездорожью на такого рода байке.
Но разберемся с компановкой мотора подробнее.
Моноцилиндр. Самый простой и самый популярный вариант устройства мотоциклетного движка. Чаще всего его можно увидеть на различных эндуро, мотардах и кроссачах. Преимущества одноцилиндрового мотора: компактность, простота конструкции и обслуживания, хороший крутящий момент на низких и средних оборотах. Недостатки: ограничение по объему цилиндра, вибрации, ограниченный рабочий диапазон.
Параллельный твин. Двигатель с двумя цилиндрами, установленными в ряд, можно встретить на круизерах, шоссейниках и кроссоверах. Преимущества: относительная простота обслуживания, эффективное охлаждение, хороший крутящий момент на средних оборотах. Недостатки: ограниченный рабочий диапазон, невысокая максимальная мощность.
V-твин. «Воздушными» вэшками такого формата оснащают все Харли и прочие круизеры. Почему? Во-первых, такой движок красив. Также V-твины, правда, жидкостные, традиционно любят итальянские мотопроизводители, которые научились выжимать из них нешуточные ТТХ. Поэтому следует разделять «воздушники» и «водянки», которые очень сильно отличаются. Преимущества первых: отличный крутящий на низких оборотах, эстетичный внешний вид, простота конструкции. Недостатки: узкий рабочий диапазон, вибрации, недостаточное охлаждение заднего цилиндра. Жидкостные вэшки имеют такие плюсы: широкий рабочий диапазон, высокие мощность и крутящий, узость конструкции. Их минусы: сложность и часто дороговизна обслуживания.
V4. Достаточно редкий и высокотехнологичный мотор, который очень любят в гонках MotoGP. Впрочем, используется не только на спортбайках, но и туристах. Преимущества: компактность, высокие мощность и крутящий, равномерная отдача ньютон-метров. Недостатки: навороченность конструкции, сложное ТО, высокая стоимость самого агрегата. 3-цилиндровый рядник. Этот движок – экзотика в наших краях. Его используют Triumph, Benelli и MV Agusta (с недавних пор и Yamaha), комплектуя им свои стриты, спортбайки и туристы.
Трехцилиндровый мотор – разумный компромисс между не очень мощным параллельным твином и мощным, но сложным 4-цилиндровым рядником. Преимущества: относительная компактность, небольшие вибрации, хорошие мощность и крутящий. Недостатки: возможные проблемы с сервисным обслуживанием.
 |
| Модель четырехцилиндрового четырехтактного рядного двигателя. |
4-цилиндровый рядник. Этот мотор устанавливают на быстрые байки. Главная особенность рядника – любовь к высоким оборотам. Такой двигатель можно и нужно крутить, только тогда он покажет все, на что способен. Преимущества: высокая мощность, минимум вибраций, эластичность, широкий выбор кубатуры – от 400 до 1450 см3. Недостатки: широта конструкции, сложное ТО, мало крутящего на низких оборотах.
Оппозит. Эта компоновка и аббревиатура BMW – близнецы-братья. По сути, тот же V-твин, но с развернутыми на 180° цилиндрами. На самом деле немцы позаимствовали такую компоновку у англичан. В свою очередь, СССР украл ее у BMW, выпустив на просторы нашей бывшей необъятной родины популярные до сих пор «Днепры» и «Уралы». Преимущества оппозита: высокий крутящий момент, эффективное охлаждение цилиндров, низкий центр тяжести. Недостатки: ширина и сложность конструкции (в частности системы ГРМ).
Отдельно нужно сказать о единственном в своем роде 6-цилиндровом оппозите, который устанавливается на Honda Gold Wing. Этот 1832-кубовый мотор жидкостного охлаждения считается идеально сбалансированным (то есть в нем почти отсутствуют вибрации), у него низкий центр тяжести и отличный крутящий момент на низких и средних оборотах. Впрочем, такой рабочий объем делает движок почти автомобильным по своим характеристикам.
Помимо мотоциклов с бензиновым двигателем в современном мире можно встретить еще несколько типов мотоциклетных двигателей, среди которых дизельный двигатель, электродвигатель и пневмодвигатель. Такие мотоциклы — большая редкость.
Чтиво
Наш скромный уголок, для любителей почитать интересные статьи о мото спорте, технике вождения, различные нюансы и полезности…
Администраторы (1)
Модераторы (0)
Читатели (1237)
Чтиво → Что такое «крутящий момент»
Расписать можно до бесконечности формулами, скучными терминами и т.д. Я расскажу простым русским языком.
Синоним фразы «крутящий момент» – вращательный момент или момент силы. Простыми словами, крутящий момент – это единица измерения двигателя. В системе СИ единицей измерения крутящего момента является Hm (ньютон-метр)
А мощность определяется произведением силы на скорость, для поступательного движения и измеряется в килловатах.
Вспомним физику. Например, я тяну груз 10 кг со скоростью 1 м/секунду (3,6 км/ч), тогда моя мощность – 10 кгм/сек.
Рассчитаем мощность в киловаттах, формула такая: сила * скорость / 102
10 * 1 / 102 = 0,098
Теперь рассчитаем мои лошадиные силы:
В 1 киловатте 1,36 л.с., значит 0,098 * 1,36 = 0,13 л.с.
В Европе принято считать 1 л.с. = 75 кгм/сек. В Америке всё обстоит намного сложней 🙂 Вечно всё как не у людей 🙂
Единицу измерения кгм можно перевести в Hm по формуле: кгм * на коэффициент 9,8 = 98Hm
Мощность так же можно определить произведением крутящего момента – произведением силы на плечо ёё действия.
Например:
К рычагу плечом в 1 м прилагается усилие в 10 кг. (т.е. под углом 90 градусов относительно оси), то тем самым создается крутящий момент в 10 кгм. * на частоту вращения вала – для вращательного движения.
Если на валу мотора байка 5000 оборотов в минуту замерен крутящий момент в 10 кгм, рассчитаем его мощность в киловаттах, а затем переведём в лошадиные силы:
5000 * 100 / константа 9549 = 52,36 кгм и тут же переводим в л.с. умножив на 1,36 = 71,2 л.с.