Мощность двигателя, связь с крутящим моментом

Так принято, что во время оценки технических характеристик любого автомобиля, прежде всего, смотрят на его мощность, однако не менее значительным показателем считается крутящий момент. Что представляют собой оба этих понятия, какова история их появления – обо всем этом и многом другом пойдет речь в нашем сегодняшнем материале.

Оглавление

1. Лошадиная сила и Ватт
2. Мощность двигателя: как измеряют
3. Крутящий момент, его соотношение с мощностью
4. Обороты силовой установки
5. Что важнее?
6. Подводя итоги

Лошадиная сила и Ватт

Читайте также: Лошадиная сила — что это такое

Понятие «лошадиная сила» впервые использовал известный изобретатель и инженер конца 18-го – начала 19-го века Джеймс Уатт. Именно он придумал паровой мотор, а также первым просчитал мощность, которую развивает лошадь, поднимая уголь из шахты.  

С тех пор, а это уже более чем 200 лет, развиваемая одной лошадью мощность, то бишь одна лошадиная сила, составляет 33 тыс. футов в мин. Эта мера используется в некоторых мировых государствах, но если говорить о Европе, то большее распространение там получила еще одна единица измерения мощности, именуемая ваттами. Ученые даже вывели формулу, и в соответствии с ней 1 л.с. = 746 Вт. Говоря иными словами, 1 кВт, равный 1 тыс. ваттам, соответствует 1 л.с., которая была умножена на 1,34.

Мощность двигателя: как измеряют

Говоря о понятии «мощность двигателя», важно отметить, что для него существуют не только различные единицы измерения, но и разные их способы, причем, каждый из этих способов измерения демонстрирует другой результат. 

Важно

Стандартным способом измерения считается тот, который использует киловатты, он применяется в большинстве европейских стран. А вот когда мощность силовой установки дана в лошадиных силах, способы измерения могут розниться в зависимости от того, о каком именно государстве идет речь.  

Так, в Японии и Соединенных Штатах для этого привлекают две разновидности показателей:

•  Нетто. Подразумевается испытание мотора на стенде, причем, мотора, который оснащен всем, что необходимо для полноценной эксплуатации ТС – глушителем, вентилятором, генератором и т.д.
•  Брутто. Данным способом испытывают обычно силовые установки, которые не оснащены дополнительными агрегатами. Мощность брутто на 10-20 процентов превышает мощность нетто. 

 DIN. Этот способ расчета мощности был внедрен немецким институтом стандартизации специально для измерения показателей моторов с т.н. неотделимым оборудованием, которое присутствует в машине по умолчанию. В этом случае имеется в виду насос и вентилятор системы охлаждения, генератор без нагрузки, топливный и масляный насос. 

Крутящий момент, его соотношение с мощностью

Обе упомянутых выше единицы измерения мощности (лошадиные силы и ватты, а для укрупнения показателей последней единицы принято использовать понятие киловатт) придумал Дж. Уатт, однако движет авто крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах. Почему не от мощности двигателя машины зависит ее способность к движению?

Мощность и крутящий момент – тесно связанные между собой характеристики: мощность, измеряемая в ваттах, представляет собой пример умножения крутящего момента на 0,1047 и на число об./мин.

Говоря иными словами, мощность показывает объем работы, выполняемой за указанный промежуток времени. Крутящий момент демонстрирует саму способность двигателя выполнять эту работу. 

Например, если авто застряло в болоте и перестало двигаться, мощность мотора равняется нулю, т.к. никакая работа не выполняется, тогда как крутящий момент присутствует даже при том, что его показатели окажутся минимальными, недостаточными для начала движения. Таким образом, крутящий момент без мощности бывает, но не наоборот. 

На практике от мощности напрямую зависят скоростные показатели транспортного средства: чем она выше, тем быстрее может двигаться автомобиль. Крутящий момент (его еще называют «момент силы») — показатель силы вращения коленвала и его способность оказывать сопротивление вращению. Высокий крутящий момент двигателя нагляднее всего в процессе разгона или при езде в тяжелых условиях, когда мотор выдерживает критические нагрузки. 

Еще одним важнейшим показателем, отображающим возможности двигателя, по праву считается диапазон оборотов, когда достигается наибольшая тяга. Также немаловажное значение имеет эластичность мотора, то есть его возможность развивать высокие обороты под большой нагрузкой. Имеется в виду соотношение между числом оборотов для наивысшей мощности и для достижения максимально возможного крутящего момента. 

Это влияет на регулировку скорости движения посредством педалей акселератора и тормоза без использования КПП, а также возможность движения с маленькой скоростью на высших передачах.

Так, например, благодаря хорошей эластичности двигателя машина на 5-й передаче ускорится с 75-80-ти км/час до 120-ти, и чем быстрее это произойдет, тем эластичнее силовая установка. Если будет стоять выбор между двумя моторами с аналогичным объемом и мощностью, то лучше тот, который эластичнее, ведь он экономичнее, тише в работе, отличается большей износостойкостью. 

Обороты силовой установки

При указании технических характеристик ТС присутствует понятие не только крутящего момента, но и оборотов двигателя. Понять, как они связаны между собой, можно лишь разобравшись в самой природе ДВС, а он представляет собой агрегат, в котором химическая энергия сгорающего в рабочей зоне топлива превращается в механическую работу. 

Так, из-за возгорания топливной смеси начинается перемещение поршня, влекущее за собой проворачивание коленвала. Получается, что происходящие поочередные циклы расширения и сжатия активируют механизм, а он обеспечивает преобразование движений поршня в обороты коленвала.

Это позволяет нам сделать вывод, что основные характеристики любого ТС – это крутящий момент и мощность двигателя плюс обороты, когда требуемые показатели достигаются. Само понятие обозначает число выполненных коленвалом оборотов в мин. Мощность и крутящий момент – переменные величины, непосредственное воздействие на которые оказывает как раз количество оборотов.

Для расчета мощности специалисты пользуются обычными математическими вычислениями, в частности, существует формула крутящего момента через мощность, которая выглядит так:

Где

• М — крутящий момент;
• n — частота вращения, измеряемая в оборотах в минуту;
• w — угловая скорость вращения вала.

У многих людей возникает вполне логичный вопрос о том, зачем измерять мощность через обороты и крутящий момент. На самом деле это важно по ряду причин и во многих случаях, в частности составление графика крутящего момента двигателя — обязательная процедура в процессе разработки и сертификации каждой новой силовой установки.

Полученные данные нужны для возможного дальнейшего совершенствования двигателя и достижения максимальных эксплуатационных характеристик. Благодаря периодическому проведению всех требуемых замеров и составлению графика можно оценить реальное техническое состояние мотора.

Что важнее?

Ключевым достижением или главной целью любого работающего мотора является тяга, для нее тепловая энергия и трансформируется в механическую. Высокие тяговые показатели больше присущи силовым агрегатам, работающим на дизтопливе, которые отличаются большим ходом поршня. 

Высокий крутящий момент в этом случае сводится на нет сравнительно небольшим максимально допустимым количеством оборотов – это специальное решение конструкторов с целью увеличения ресурса мотора. 

Для бензиновых же агрегатов характерно большее число оборотов, а также определенный крен к мощности, и обусловлено это легкостью деталей и низкой степенью сжатия. Справедливости ради следует отметить, что с каждым годом оба вида моторов (и на дизельном топливе, и на бензине) совершенствуются, поэтому они становятся ближе не только с конструктивной точки зрения, но и в плане показателей, а вот простейшее правило рычага все еще сохраняется: если больше сила, ниже скорость и меньше расстояние и наоборот.

Однозначно никто не скажет, что важнее – мощность или крутящий момент, не существует, ведь оба показателя важны.

Важно

Машины с высокой мощностью мотора способны развивать большую скорость, да и сам скоростной диапазон у них заметно выше, а вот авто с высоким крутящим моментом гораздо быстрее разгоняется до первой сотни. 

Так как с ростом крутящего момента увеличивается мощность, то те силовые установки, обороты которых выше, обычно характеризуются и большим количеством «лошадок». 

Здесь целесообразно упомянуть понятие рабочего диапазона — расстояния, если можно так выразиться, между предельно высоким крутящим моментом и аналогичной мощностью, когда мотор работает наиболее эффективно и демонстрирует высокую производительность в сочетании с экономичным расходом топлива.

Подводя итоги

Подводя итоги, следует отметить, что и мощность двигателя, и крутящий момент неимоверно важны. Касаемо того, какую силовую установку предпочесть – более мощную или ту, у которой выше крутящий момент, то при сравнительно одинаковой мощности лучше взять мотор более «моментный». Это особенно актуально в машинах и механической коробкой передач. 

Мощность и крутящий момент двигателя

История развития мощностных измерений — новости компании МАХА

Истоки современных процедур измерения мощности можно найти в период изобретения парового двигателя. Во второй половине 18-ого века Джеймс  Уатт кардинально усовершенствовал существующую конструкцию,  увеличив  ее эффективность и создав универсальную паровую машину двойного действия. Несмотря на мизерную по современным понятиям эффективность всего в 3%,  двигатель Уатта все же получил первый патент. И в результате он стал тем двигателем, который способствовал процессу индустриализации; даже тогда двигатели должны были показывать оцениваемые результаты.

В любом случае, это означало, что уже была необходима единица измерения мощности.   Первое определение метрической единицы л.с. (лошадиной силы) восходит своими корнями также к Джеймсу Уатту.

Спустя 200 лет, новая единица мощности была названа именем изобретателя: Ватт и сейчас является унифицированной единицей измерения мощности. Старая добрая метрическая лошадиная сила была отменена с введением системы СИ (Система Интернациональная) и, в соответствии с официальными правилами,  допускалась к применению только в качестве дополнительной единицы измерения.

Победный марш парового двигателя задал направление развития прогресса: железные дороги и локомотивы с паровыми двигателями были еще одной вехой на пути к индустриальному обществу.  За 80 лет до появления первого автомобиля, в конце 80-х годов 19 века первый паровой локомотив уже двигался по железной дороге, и это направление промышленности развивалось чрезвычайно быстро.  Локомотивы были быстрые, тяжелые и, конечно же, дорогие. Для контроля  и, по возможности,  для снижения  грандиозных операционных расходов при эксплуатации этих монстров необходимо было измерять их эффективность. Для этих целей сначала использовали специальные измерительные тележки, которые цеплялись к локомотивам. 

Гидромеханические измерительные устройства и пружины передавали силу с валов этих «лабораторий»  на автоматические приборы измерений внутри тележек.  Совместно с другими измерительными системами это позволяло измерить постоянное тяговое усилие, работу, мощность, скорость движения и другие параметры с разрешением до 0,1 с.  Эти измерительные тележки заложили важный фундамент для финансово – успешного  производства и развития железнодорожной сети по всему миру. 

Во избежание нарушений плотного графика железнодорожного движения длительными  тестовыми заездами локомотивов с измерительными тележками, а также для того, чтобы сделать измерения независимыми от погодных условий, были созданы стационарные измерительные системы.  Это были гигантские залы с  внушительными роликовыми динамометрами, установленные на них локомотивы можно было испытывать под различными нагрузками с любой длительностью.   В тот же момент получили развитие, в соответствии с возможностями современных технологий измерений, системы оценки выхлопных газов и измерения расхода топлива, что также было обусловлено необходимостью оптимизировать эффективность паровых локомотивов в целом.  В этих динамометрах все еще использовали большие, относительно простые водяные тормоза под каждым приводным колесом для обеспечения различных нагрузок. Такие гидравлические динамометры были доступны для коммерческого применения, начиная с 1881 года после их изобретения Вильямом Фродом (William Froude). 

Пионеры автомобильной промышленности уже могли заимствовать опыт железнодорожной индустрии для тестирования своих двигателей и транспортных средств. Однако такие масштабные испытания не всегда были доступны только зарождающейся автомобильной промышленности. Приходилось сталкиваться со множеством сложностей начального периода развития в попытках увеличить общественное признание данного вида транспорта.

Также следует отметить тот факт, что вплоть до 1928 года, в соответствии налоговым законодательством Германии, для клиента более важным, чем фактическая мощность транспортного средства, была, так называемая, «налоговая лошадиная сила». Величина налоговой лошадиной силы (н.л.с.) рассчитывалась не от фактической мощности двигателя, а с помощью простой математической формулы, основанной на размерах цилиндра (одну налоговую лошадиную силу «выдавал» четырехтактный двигатель с рабочим объемом 261,8 см³).  

В начале ХХ века налоговая лошадиная сила была достаточно близка к реальной лошадиной силе (л. с.); с развитием же двигателей внутреннего сгорания реальная лошадиная сила стала больше, чем н. л. с. в десять и более раз. Данная практика делала не актуальным вычисление реальной лошадиной силы, поэтому часто она исчислялась неточно или просто выдавалась производителем. Так, например, производитель заявлял следующие характеристики Audi 18/70 PS 1925-го года (M-type выпускалась с 1924 по 1927, один из самых дорогих автомобилей того времени): автомобиль с 18 налоговыми лошадиными силами оснащен двигателем с объемом  4,5 литра и эффективной мощностью в 70 лошадиных сил. Действительно ли эти 70 лошадиных сил были достижимы данным автомобилем, оставалось скорее на совести маркетологов, нежели инженеров, хотя эффективную мощность даже в то время можно было измерить с достаточной точностью. 

Пока производство автомобилей еще не стало массовым, и процессы производства не отвечали более поздним индустриальным стандартам, каждый произведенный двигатель испытывался  и измерялась его мощность. Такие измерения производились при помощи упомянутого ранее динамометра с водяным тормозом.  Альтернативные средства были довольно устаревшими конструкциями со сравнительно примитивными датчиками силы, например, с простыми ленточными тормозами. Эта и последующие разработки, например тормоз де Прони (de Prony), имели в основе сухое трение, поэтому не подходили для автомобильной индустрии, по крайней мере для инженерного применения.  Электрификация технологий на рубеже веков имела решающее значение для зарождающейся автомобильной индустрии. Двигатель внутреннего сгорания занял лидирующие позиции по сравнению с паровым и электрическим двигателями.

Электродвигатели переменного, постоянного тока и электромагнитные индукционные тормоза начали использовать в динамометрических стендах  для автомобильной индустрии для применения значительно позже, где-то в 1930-х годах.

И даже после Второй мировой войны такие динамометры были доступны и использовались исключительно для исследований и разработок промышленного масштаба. Параллельно, еще до войны в Америке, в среде автомобильного спорта и механиков–энтузиастов начали зарождаться традиции измерений мощности автомобилей.   Относительно дешевые гидравлические тормоза, используемые в этих гаражах, стали широко распространенными в Америке.

Широкое распространение автомобилей порождает первые уличные состязания “на скорость”.  Любители гонок начинают перестраивать свои автомобили. Чаще всего это были массовые модели Ford в кузове родстер, из-за его меньшего веса, отсюда появился термин hot rod, сокращение от hot rodster. C 1949 года ведет свою историю Национальная Ассоциация гонок серийных автомобилей (NASCAR — National Association of Stock Car Auto Racing). Именно тогда Билл Франс-старший решил объединить проводившиеся на юго-востоке США полулюбительские гонки на серийных машинах в один чемпионат. Ни одна автоспортивная организация не взялась санкционировать это соревнование, и Франс основал санкционирующую организацию сам. Все это стало предпосылкой, чтобы североамериканские производители автомобилей обратили на характеристики мощности автомобилей свое пристальное внимание. 

Для обычных же автосервисов было довольно таки мало интереса инвестировать в такое диагностическое оборудование. Важные действия в этом направлении начались только в 1970-х годах, когда в США были определены первые экологические стандарты, описанные в  Федеральных законах о качестве воздуха и о качестве вод.  

Данное регулирование произвело настоящий бум спроса на функциональные динамометры для диагностики транспортных средств, особенно когда во многих странах законами стало предписано проводить экологические измерения под нагрузкой. Долгое время в Европе технологии измерений мощности и экологических показателей оставались прерогативой автопроизводителей и профессионального автоспорта. Но и здесь, параллельно с введением экологических стандартов в Америке, развивающееся законодательство стало требовать применения простых роликовых динамометров.  В последующие годы экологические стандарты во всем мире становились все жестче. Угроза загрязнения воздуха, нефтяной кризис и возрастающее внимание к экологии в развитых странах сильно повлияли на развитие автомобильной промышленности.

Не важно, изобретались ли полноприводные технологии, электронные системы управления или каталитические нейтрализаторы отработанных газов, процедуры измерений мощности и экологических показателей должны были идти в ногу с техническим прогрессом в автомобилестроении.

В Германии в 1985 году была введена предписанная законом специальная ежегодная проверка токсичности отработанных газов (ASU — Abgas-Sonder-Untersuchung), которая действовала вплоть до 1993 года. И хотя он распространялся только на бензиновые двигатели, но диагностическим оборудованием сразу же были оборудованы автосервисы по всей стране. Это произошло, потому что те, кто не мог провести диагностику согласно узаконенным нормам, сразу же вытеснялись с рынка конкурентами.  С декабря 1993 года закон о ежегодной проверке отработанных газов, известный теперь как «AU», так же стал распространяться и на дизельные двигатели.  Принцип действия опациметра (или дымомера —  оптического прибора для измерения дымности выхлопных газов дизельных двигателей) не изменился до сегодняшнего дня. Дизельные же двигатели претерпели большие изменения, как это повлияло на измерения, будет освещено в последующих статьях.

Относительно недавно (с 1 декабря 2008 года) для всех автомобилей, зарегистрированных после 1 января 2006 года начала действовать так называемая Директива 4 (Leitfaden 4 / Guideline 4). В настоящий момент полным ходом идет бурная дискуссия вокруг этой Директивы и заявлений

автомобильной индустрии о замене традиционных технологий экологического контроля «из выхлопной трубы» на контроль отвечающих за экологию компонентов посредством OBD. Тем не менее, этот динамический интернациональный процесс уже неопровержимо определил: развитие современных  технологий измерения мощности и экологических показателей не завершено и будет продолжаться еще долгое время.    

Мир Автобусов 2014

Сертификат средств измерения для дымомеров серии MDO 2

Пост-релиз выставок Интеравто 2015 и Comtrans/15

Встреча международной рабочей группы экспертов по экологии автомобильного транспорта состоялась в этом году на МАХА

В чем разница между BHP, HP, кВт и PS?

Производители часто могут выбирать между блоками питания, поэтому вот краткое изложение того, что они все приравнивают к

.

Напомнить позже

Силовые агрегаты

всегда являются главными цифрами, связанными с любым новым автомобилем с высокими характеристиками, и могут обеспечить интересные сравнения между автомобилями по всему спектру автомобильного производства.

Мощность как сущность является мерой того, как быстро и насколько далеко двигатель может толкать автомобиль вперед, причем эта сила представляет собой крутящий момент, создаваемый внутренним сгоранием. В технике это обобщается как количество «работы», которую должен выполнять автомобиль, чтобы двигаться вперед, и с первых дней внутреннего сгорания принимало множество форм. Обычно разделенные на три основные единицы, используемые в разных областях по всему миру, давайте углубимся в то, что означает каждая единица измерения и как они соотносятся друг с другом.

Киловатт

1 кВт = 1,341 л. с.

Технически эта форма измерения является наиболее унифицированным методом измерения мощности и используется всеми инженерами во всем мире. Ватты — это единица СИ (Международная система), что означает, что они основаны на метре, килограмме, джоуле и секунде, которые составляют метрическую систему. Это измерение передачи энергии с течением времени, и это именно та работа, которую выполняет двигатель внутреннего сгорания.

Используемый в качестве единицы для автомобилей в основном в Южном полушарии, киловатт можно измерить, найдя значение крутящего момента от колес на катящейся дороге, а затем применив следующее уравнение:

киловатта — это современный взгляд на выходную мощность автомобиля, и я не удивлюсь, если использование этой формы станет нормой в Европе, хотя может потребоваться гораздо больше, чтобы убедить американцев сделать переход.

Хотя с учетом появления электромобилей было бы очень разумно начать переход, поскольку возможности электродвигателей измеряются в кВтч (киловатт-часах), что определяет, как долго электродвигатели могут производить определенное количество энергии. мощность для.

Лошадиная сила

Созданная мастером парового двигателя — мистером Джеймсом Ваттом — эта единица мощности каким-то образом дожила до наших дней в качестве основной единицы измерения мощности новых автомобилей там, откуда я родом. Лошадиная сила считалась эквивалентной лошади, передвигающей 33 000 фунтов массы на один фут за одну минуту. Теперь никто не знает, насколько большой была эта лошадь, была ли она особенно здоровой или нет… но давайте просто продолжим. Эта новообретенная единица позволила Уатту провести прямое сравнение между его паровозами и обыкновенными лошадьми, которые доминировали в транспортном бизнесе вплоть до изобретения парового двигателя.

Лошадиные силы по-прежнему остаются основным источником энергии для нас, автолюбителей в Великобритании и многих других в США, предотвращая любое внешнее влияние из континентальной Европы и Австралазии. Опять же, этот силовой агрегат можно найти путем преобразования крутящего момента, используя уравнение, аналогичное тому, что и у Ватта:

.

Это может показаться немного беспорядочным, но это уравнение упрощается до чего-то очень похожего на уравнение Ватта 9.Однако 0002 Лошадиная сила может оказаться непростым делом, поскольку значения измеряются по-разному. BHP (тормозная мощность) относится к оборудованию, необходимому для проверки двигателей на их выходную мощность, с большим барабаном с водяным тормозом внутри него, измеряющим тормозную силу, когда двигатель вращается с желаемой скоростью. В США это измеряется только с некоторыми вспомогательными компонентами, прикрепленными к трансмиссии, без таких вещей, как насос гидроусилителя руля, что привело бы к отсутствию паразитных потерь, если бы они были на месте. Поэтому в США рассчитываются более высокие показатели «HP», чем значения BHP, рассчитанные в Европе, где каждый компонент остается на месте.

WHP, или мощность на колесе, является более важным показателем полезной мощности, производимой двигателем, поскольку она рассчитывается с использованием точного крутящего момента, который проходит через трансмиссию и приводит в движение колеса.

ПС

1 л.с. = 0,986 л.с.

л.с. расшифровывается как pferdestärke, что переводится просто как лошадиная сила, но у него были некоторые метрические настройки, чтобы попытаться вывести старый добрый HP в 21 век. Эта метрическая лошадиная сила была принята по всей Европе в качестве нового стандарта измерения мощности и, вероятно, полностью проникнет в сознание британцев в недалеком будущем.

Официальным техническим стандартом для метрической лошадиной силы является мощность, необходимая для подъема груза массой 75 кг на один метр по вертикали за одну секунду, что после преобразования британских единиц в метрические соответствует цифре на 1,4 % больше, чем старые имперские единицы. Производители часто выбирают между PS и HP в зависимости от того, какая цифра кажется более округлой и презентабельной. Хотя я всегда видел PS как «лошадиные силы плюс несколько».

Чтобы обобщить эти три единицы мощности, давайте разберем известные автомобили и их соответствующие цифры, чтобы сравнить новые и старые единицы измерения:

Nissan Skyline GTR R34: 206 кВт = 276 л.

с. = 280 л.с. (рекламируется)

McLaren 570S: 419 кВт = 562 л.с. = 570 л.с.

Honda Civic Type-R FK2: 228 кВт = 306 л.с. = 310 л.с.

Bugatti Chiron: 1103 кВт = 1479 л.с. = 1500 л.с.

Какое измерение мощности вы используете? Вы поклонник лошадиных сил старой школы или перешли на современный образ мышления с помощью PS или даже киловатт? Комментарий ниже с вашими мыслями по этому вопросу!

Гидравлические силовые агрегаты | Power & Motion

При выборе компонентов для гидравлического силового агрегата (HPU) размер первичного двигателя определяется исходя из требований к крутящему моменту, скорости и мощности гидравлического насоса. Это довольно просто для электродвигателей, потому что они обычно имеют пусковой крутящий момент, который намного превышает рабочий крутящий момент. Однако часто конструкторы указывают двигатели большего размера, чем необходимо. Это приводит к напрасной трате энергии, поскольку двигатель работает с эффективностью ниже максимальной.

Дизельные и бензиновые двигатели — другое дело. У них гораздо более пологая кривая крутящий момент-скорость, поэтому они обеспечивают примерно такой же крутящий момент на высокой скорости, как и на низкой. Это означает, что двигатель внутреннего сгорания может развивать достаточно высокий крутящий момент для привода нагруженного насоса, но недостаточный, чтобы разогнать его до рабочей скорости. Следовательно, при прочих равных условиях для силовой установки, требующей электродвигателя данной номинальной мощности, обычно требуется бензиновый или дизельный двигатель с номинальной мощностью, более чем вдвое превышающей мощность электродвигателя.

Выбор оптимального размера двигателя

Стоимость электроэнергии для работы электродвигателя в течение всего срока его службы обычно во много раз превышает стоимость самого двигателя. Таким образом, правильный подбор двигателя для гидравлической силовой установки может сэкономить значительную сумму денег в течение всего срока службы машины. Если давление и расход в системе постоянны, размер двигателя просто включает стандартное уравнение:

л.с. = ( Q × P ) ÷ (1714 × E _M ), где: л.с. — мощность в лошадиных силах, Q — расход в галлонах в минуту, P — давление в фунтах на квадратный дюйм и E _M — механический КПД насоса.

Однако, если приложение требует различных давлений на разных этапах рабочего цикла, часто можно рассчитать среднеквадратичную (среднеквадратичную) мощность и выбрать меньший и менее дорогой двигатель. Наряду с расчетом среднеквадратичной мощности (рис. 1) также необходимо найти максимальный крутящий момент, требуемый при самом высоком уровне давления в приложении. На самом деле, два расчета довольно просты.

Например, в таком приложении может использоваться шестеренчатый насос со скоростью 6 галлонов в минуту и ​​скоростью 3450 об/мин для питания рычажного механизма цилиндра, который работает в течение 85-секундного цикла (рис. 2) . Системе требуется 3000 фунтов на квадратный дюйм в течение первых 10 секунд, 2200 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 30 секунд, 1500 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 10 секунд и 2400 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 10 секунд. Затем насос работает по инерции при 500 фунтов на квадратный дюйм в течение 20 секунд, а затем еще 15 секунд при выключенном двигателе.

Заманчиво использовать стандартную формулу, включить сегмент цикла с самым высоким давлением, а затем вычислить:

л.с. = (6 × 3000) ÷ (1714 × 0,9) = 11,7 л.с. за 10 сек.

Для обеспечения такой мощности некоторые конструкторы выбрали двигатель мощностью 10 л.с.; другие были бы ультраконсервативны и использовали двигатель мощностью 15 л.с.; некоторые могут рискнуть с 7-1/2 л.с. Эти двигатели в открытых водонепроницаемых моделях C-образной формы с опорами будут иметь относительную цену около 900, 1200 и 600 долларов соответственно, поэтому вы можете сэкономить сотни долларов на единицу мощности, выбрав двигатель мощностью 7,5 л. с. если это будет делать работу.

Чтобы определить это, сначала рассчитайте мощность, необходимую для каждого сегмента давления цикла:

л.с. ₁ = (6 × 2200) ÷ (1,714 × 0,9) = 8,5 л.с. за 30 сек.

л.с. ₂ = (6 × 1500) ÷ (1714 × 0,9) = 5,8 л.с. за 10 сек.

л.с. ₃ = (6 × 500) ÷ (1714 × 0,9) = 1,9 л.с. за 30 сек.

Среднеквадратическая мощность в лошадиных силах рассчитывается путем извлечения квадратного корня из суммы этих значений мощности в квадрате, умножения на интервал времени при этой мощности и деления на сумму времен плюс член ( t _от ÷ F ), как указано в рис. 1 .

Подстановка значений из примера в уравнение в рамке и решение показывают, что л.с. _{среднеквадратичное значение} = 7,2. Таким образом, двигатель мощностью 7,5 л.с. можно использовать только с точки зрения мощности. Тем не менее, второй пункт, максимальный крутящий момент, все же необходимо проверить перед принятием окончательного решения. Максимальный крутящий момент, необходимый для привода этого конкретного насоса, достигается при максимальном давлении, поскольку выходной поток шестеренчатого насоса постоянен. Используйте это уравнение:

T = DP ÷ (12 × 6,28 × E _M ) , где T является крутящим моментом в LB.-FT., и D -это перемещение.

В этом примере D = (6 × 231) ÷ (3450) = 0,402 дюйма ³

Тогда T = (0,402 × 3000) ÷ (12 × 6,28 × 17,9 фунта) 7,9 -фт.

Поскольку электродвигатели, работающие со скоростью 3450 об/мин, генерируют 1,5 фунт-фута/л.с., 17,8 фунт-фута. крутящего момента требуется 11,9л.с. (17,8 ÷ 1,5) при 3000 фунтов на квадратный дюйм. Это достаточно точно соответствует примеру приложения. (При других стандартных скоростях двигателя: 1725 об/мин генерирует 3 фунт-фута на л.с.; 1150 об/мин — 4,5 фунт-фута на л.с.; 850 об/мин — 6 фунт-фут на л.с.)

Теперь второй критерий можно сравнить с крутящим моментом предлагаемого двигателя. Каков тяговый момент выбранного двигателя мощностью 7,5 л.с.? Поскольку крутящий момент минимален при разгоне двигателя от 0 до 3450 об/мин, он должен быть выше 11,9 фунт-фут. с приемлемым запасом прочности. Обратите внимание, что двигатель, работающий с пониженным напряжением на 10 %, создаст только 81 % номинального тягового момента: другими словами, (208 ÷ 230) ² = 0,81. Обзор кривых производительности производителей двигателей покажет несколько доступных моделей мощностью 7-1/2 л.с. с более высоким пусковым моментом. Любой из этих двигателей может быть хорошим выбором для этого приложения.

Теперь оба критерия двигателя проверены. Среднеквадратическая мощность равна или меньше номинальной мощности двигателя. Тяговый момент двигателя больше максимально необходимого.

Мощность газового и дизельного двигателя

Правильный выбор размера электродвигателя для гидравлического силового агрегата является простой процедурой. И если давление нагрузки и расход остаются довольно постоянными, определить требуемую мощность относительно просто с помощью знакомого уравнения:

л. с. = ( q × p ) ÷ (1,714 × E _M ), где: q — расход, гал/мин (и учитывает 905 p 90 объемный КПД насоса). давление при полной нагрузке, фунт/кв. дюйм и E _M – механический КПД насоса

Например, предположим, что приложение требует расхода 13,7 галлонов в минуту при максимальном давлении 2000 фунтов/кв. дюйм и КПД насоса 0,80. Из приведенного выше уравнения: л.с. = (13,7 × 2000) ÷ (1714 × 0,80) = 20 л.с.

Может показаться, что бензиновый или дизельный двигатель в качестве первичного двигателя будет иметь такую ​​же номинальную мощность, как и электродвигатель. Однако общее эмпирическое правило заключается в том, чтобы указать двигатель внутреннего сгорания с номинальной мощностью, в 2-1/2 раза превышающей мощность эквивалентного электродвигателя (рис. 2) . Это связано в первую очередь с тем, что у двигателей внутреннего сгорания соотношение крутящий момент-скорость иное, чем у электродвигателей. Изучение различных характеристик крутящего момента позволит сделать выбор на основе твердых рассуждений, а не полагаться на эмпирическое правило.

Требования к крутящему моменту насоса

Мощность, конечно же, является комбинацией крутящего момента и скорости вращения. Требуемый крутящий момент насоса является основным фактором, определяющим, подходит ли двигатель или двигатель для применения. Скорость менее критична, потому что, если насос работает медленно, он все равно будет перекачивать жидкость. Однако, если первичный двигатель не развивает достаточный крутящий момент для привода насоса, насос не будет производить выходной поток.

Чтобы определить крутящий момент, требуемый гидравлическим насосом, используйте следующее уравнение:

T = ( p × D ) ÷ (6,28 × 12 × E _M ), где: T — крутящий момент, фунт-фут, 5 — рабочий объем, а D ³ /revolution

Рабочий объем насоса указан в документации производителя. Продолжая приведенный выше пример, если рабочий объем насоса составляет 1,75 дюйма ³ об/об, требуемый крутящий момент рассчитывается следующим образом:

T = (2000 × 1,75) ÷ (75,36 × 0,80) T = 58 фунто-футов.

Крутящий момент также можно рассчитать по известному уравнению мощности в лошадиных силах:

л.с. = ( T × n ) ÷ 5250, где: n – частота вращения вала, об/мин. Подставляем значения из примера: 20 = ( T × 1800) ÷ 5250 T  = 58 фунто-футов.

Подпись крутящего момента электродвигателя

Чтобы понять разницу в характеристиках мощности между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания, мы сначала рассмотрим характеристики стандартного трехфазного электродвигателя. На рис. 3 показано соотношение крутящий момент-скорость для двигателя NEMA Design B мощностью 20 л.с., 1800 об/мин. При получении питания двигатель развивает первоначальный крутящий момент с заблокированным ротором , и ротор вращается. По мере ускорения ротора крутящий момент немного уменьшается, а затем начинает увеличиваться, когда ротор ускоряется выше 400 об/мин. Этот провал на кривой крутящего момента обычно упоминается как подтягивающий крутящий момент . В конечном итоге крутящий момент достигает максимального значения примерно при 1500 об/мин, что составляет 9 оборотов двигателя.0064 Опрокидывающий момент . Когда скорость ротора превышает эту точку, крутящий момент, приложенный к ротору, резко уменьшается. Это известно как рабочий крутящий момент , который становится крутящим моментом при полной нагрузке , когда двигатель работает с номинальной скоростью при полной нагрузке — обычно 1725 или 1750 об/мин.

Кривая крутящий момент-скорость для двигателя со скоростью 3600 об/мин будет выглядеть почти так же, как для двигателя со скоростью 1800 об/мин. Разница будет заключаться в том, что значения скорости будут удвоены, а значения крутящего момента будут уменьшены вдвое.

Обычной практикой является обеспечение того, чтобы крутящий момент, требуемый от двигателя, всегда был меньше опрокидывающего крутящего момента. Применение крутящего момента, равного или превышающего опрокидывающий момент, приведет к внезапному и резкому падению скорости двигателя, что приведет к остановке двигателя и, скорее всего, к его сгоранию. Если двигатель уже работает, можно мгновенно нагрузить двигатель почти до предельного крутящего момента. Но для простоты обсуждения предположим, что электродвигатель выбирается на основе крутящего момента при полной нагрузке.

Обратите внимание, что Рис. 3 показывает временное превышение большого крутящего момента, которое может обеспечить дополнительную силу для привода гидравлического насоса при кратковременном увеличении нагрузки. Эти типы электродвигателей также могут работать неограниченное время при их номинальной мощности плюс дополнительный процент в зависимости от их эксплуатационного фактора — обычно от 1,15 до 1,25 (на высоте до 3300 футов).

Каталожные характеристики электродвигателей указывают их полезную мощность при номинальной скорости. Если нагрузка увеличивается, скорость двигателя снижается, а крутящий момент увеличивается до значения, превышающего крутящий момент при полной нагрузке (но меньше крутящего момента пробоя). Таким образом, при работе насоса на скорости 1800 об/мин запаса крутящего момента электродвигателя более чем достаточно для привода насоса.

Характеристика крутящего момента двигателей

Бензиновый двигатель имеет резко отличающуюся кривую (рис. 4) крутящий момент-скорость, чем электрический двигатель. Это означает, что бензиновый двигатель демонстрирует гораздо менее переменный выходной крутящий момент во всем диапазоне скоростей. В зависимости от своей конструкции дизельные двигатели с той же номинальной мощностью могут генерировать немного более высокий или более низкий крутящий момент на более низких скоростях, чем бензиновые двигатели, но дизели демонстрируют аналогичную кривую крутящего момента во всем диапазоне рабочих скоростей.

Вышеприведенные расчеты показали, что 58 фунто-футов. крутящий момент необходим для привода насоса на любой скорости. Что касается , рис. 4 , бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. развивает максимальный крутящий момент всего 31 фунт-фут. — явно недостаточно для привода насоса. Это связано с тем, что его мощность в 20 л.с. основана на производительности при 3600 об/мин. Максимальный крутящий момент возникает на скоростях около 3000 об/мин, но все еще значительно ниже 58 фунт-футов. требуется насосу. Даже если бы двигатель создавал достаточный крутящий момент на этой скорости, мощности все равно было бы недостаточно из-за более низкой скорости.

Вот откуда взялось правило размера 2-1/2. Для гидравлической силовой установки, требующей электродвигателя мощностью 20 л.с. для привода насоса со скоростью 1800 об/мин, потребуется газовый или дизельный двигатель мощностью около 50 л.с. Кроме того, эти значения основаны на двигателе, работающем с максимальным крутящим моментом и номинальной мощностью. Тем не менее, производители рекомендуют, чтобы бензиновые и дизельные двигатели работали непрерывно только при 85% их максимальных номинальных значений, чтобы предотвратить серьезное сокращение их срока службы. Итак, снова ссылаясь на Рис. 4 , бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. будет развивать чуть более 26 фунто-футов. максимального крутящего момента и всего 24 фунт-фута. при 3600 об/мин.

Также интересно сравнить эти показатели с расходом топлива. Диаграмма расхода топлива (рис. 5) показывает, что бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. достигает наибольшей эффективности использования топлива при частоте вращения около 2400 об/мин, где он потребляет чуть более 8,2 фунта/ч (0,41 фунта/л.с. × 20 л.с.). При 3600 об/мин двигатель будет значительно менее экономичным.

Действия

К настоящему моменту должно быть ясно, что указание бензинового или дизельного двигателя для привода HPU осуществляется по другой процедуре, чем определение электродвигателя. Если вы привыкли указывать электродвигатели для ГЭС, у вас может возникнуть соблазн выбрать насос, который будет работать со скоростью 1800 об/мин, а затем указать двигатель увеличенной мощности, который может развивать достаточный крутящий момент для привода насоса на этой скорости. Этот метод позволит получить надежную силовую установку, но относительно тяжелую, громоздкую, неэффективную и шумную.

Вместо этой процедуры следует рассмотреть любой из нескольких вариантов. Один из них — управлять насосом со скоростью выше 1800 об/мин. В литературе по насосам для мобильного оборудования должны быть указаны номинальные значения для различных скоростей. Если это не так, обратитесь к производителю насоса. Работа насоса на более высокой скорости уменьшает его требуемый рабочий объем, тем самым уменьшая его размер, вес и требуемый крутящий момент. Таким образом, работа силового агрегата на более высокой скорости обеспечивает более точное соответствие характеристик двигателя условиям применения за счет увеличения крутящего момента, создаваемого двигателем, и снижения крутящего момента, требуемого насосом.

В частности, работа насоса в нашем примере при 2800 об/мин увеличила бы крутящий момент двигателя более чем до 30 фунто-футов. и уменьшите крутящий момент, требуемый насосом, примерно до 38 фунт-футов. Хотя крутящий момент двигателя по-прежнему не соответствует требуемому, очевидно, что он гораздо ближе к соответствующему крутящему моменту насоса, чем при работе на 1800 об/мин.

У конструкторов может возникнуть соблазн запустить газовый или дизельный двигатель на скорости или близкой к такой, при которой он демонстрирует оптимальную топливную экономичность. Однако рабочая скорость, при которой двигатель развивает максимальный крутящий момент, обычно имеет приоритет. Это связано с тем, что, если двигатель не развивает достаточный крутящий момент при скорости оптимального расхода топлива, потребуется двигатель большего размера. Но более крупный двигатель потребляет больше топлива, что противоречит цели экономии топлива за счет работы на определенной скорости.

Кроме того, у насосов обычно есть диапазон скоростей, при котором они наиболее эффективны. Таким образом, даже если двигатель работает на несколько сотен оборотов в минуту выше или ниже оптимальной скорости топливной экономичности, создаваемый крутящий момент и динамика насоса обычно оказывают более выраженное влияние на общую эффективность силового агрегата. Поэтому скорость, с которой работает бензиновый или дизельный двигатель, должна учитывать все эти соображения.

Что касается производительности насосов, многие конструкции демонстрируют более высокие механические и объемные КПД при работе на скоростях выше 1800 об/мин. С другой стороны, работа насоса на скорости выше той, на которую он рассчитан, сократит срок его службы. Поэтому важно выбрать скорость насоса, обеспечивающую наилучшее сочетание производительности насоса и двигателя.

Возможно, еще лучше было бы установить коробку передач или другой тип редуктора скорости между двигателем и насосом. Хотя это добавит компоненты силовой установке, это увеличит крутящий момент и снизит скорость, позволяя двигателю и насосу работать на оптимальных скоростях. Дополнительная стоимость редуктора может быть компенсирована более низкой стоимостью меньшего, более легкого и менее дорогого двигателя.

Прочие соображения

Поскольку газовые и дизельные двигатели не обладают запасом крутящего момента электродвигателей, особенно при разгоне из состояния покоя, особенно важно, чтобы насос был разгружен при каждом запуске ГСУ. Это можно сделать гидравлически или механически с помощью центробежной муфты или другого типа приводного элемента.

Наконец, как и в случае с ГЭС, приводимыми в действие электродвигателями, размер насоса — и, следовательно, размер первичного двигателя — часто можно уменьшить за счет включения аккумуляторов в гидравлическую систему. Если гидравлическая система работает в циклах, когда полный поток необходим только в течение коротких периодов времени, аккумулятор может накапливать гидравлическую мощность в периоды низкого расхода и высвобождать эту энергию, когда требуется полный поток.

Эта статья является частью электронной книги Power & Motion Fundamentals of Fluid Power: Hydraulics; загрузите полное руководство, чтобы узнать о новейших технологиях и методах проектирования для разработки современных гидравлических систем.