初探发动机的马力和扭矩（扭矩篇）

上一篇文章，探讨了发动机马力，这次探讨下发动机扭矩。

什么是发动机的扭矩（也有其它的叫法：转矩，转劲，扭力?）？

扭矩是力矩的一个特例， 所以要先搞清楚什么是力矩，

物理学上的定义：力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。

力矩等于转动半径与切向作用力的乘积。

M=F*L

M为力矩（矢量），单位：N*M (牛顿*米) ; F是作用力（矢量），单位：N （牛顿）; L称为力臂（矢量，方向由支点指向力的作用线）,单位：M （米）

由定义可知力矩的几个关键点：1，力矩用于描述和分析转动物体。

研究转动物体的物理规律，单纯用力来描述和分析，不方便。 引入力矩这个物理量，能更方便的研究转动物体的物理规律。

类似于，当人们掌握了加法计算方法，但为了方便计算，引入乘法计算方法，虽然乘法都能用加法来完成。

2，力矩是一种“转动趋向”，两个矢量的积，所以它也是个矢量（有大小，且有方向的量，叫矢量）。它的数值等于“转动半径与切向作用力的乘积”，因此，这种趋向的强弱，与两个物理量相关：“转动半径”和“作用力”。

3，“转动轴，支点”。 力矩既然是为研究转动物体的物理规律而设立的物理量。那么转动物体必然有转动轴或支点， 不同的转动轴或支点，将决定不同的转动半径。也就决定不同的力矩。

图1

如图1。 F1, F2是作用力，L1 ,L2为力臂 ，O为支点。

其中F1为动力， L1为动力臂， F2为阻力 ， L2为阻力臂。

杠杆原理：

当F1 X L1 = F2 X L2 时，

杠杆处于静止状态或者匀速转动的状态。

省力杠杆：

L1>L2时 ，F1<F2,省力、费距离。

如拔钉子用的羊角锤、铡刀，开瓶器，轧刀，动滑轮，手推车 剪铁皮的剪刀及剪钢筋用的剪刀等。

费力杠杆：

L1<L2时， F1>F2,费力、省距离。

如钓鱼竿、镊子，筷子，船桨裁缝用的剪刀 理发师用的剪刀等。

等臂杠杆

L1=L2时 ，F1=F2,既不省力也不费力，又不多移动距离，

如天平、定滑轮等。

我们常说的发动机的扭矩，是力矩的一个特例。

力矩与扭矩的区别：二者所涵盖的范围不同，力矩的范围更宽泛，一切力乘以力臂的结果

都可以称之为力矩。

但是扭矩一般指旋转的物体所受到的力矩，

举例来说，活塞推动曲轴旋转，可称为扭矩。

扳手扭动螺母，可称之为扭矩。它们都是力矩的一种。

而用瓶起子开啤酒瓶，一般称之为力矩，而不能说是扭矩。

发动机曲轴输出的力矩，我们称之为发动机的扭矩。

下面看看发动机扭矩从何而来。

发动机曲轴连杆机构里，同样遵守这些物理定律，如图：

图2

图2中，曲柄两个中心点的距离“R”就是力臂长度。

作用力由爆炸力对连杆产生的分力传递过来。

发动机中，力的传递如下：

混合气在气缸内燃烧爆炸，产生推动活塞下行的力F_G, F_G的部分分力，通过连杆，传递到曲轴曲柄上的连杆轴颈上，这样，主轴颈和连杆轴颈之间就形成一个杠杆，支点是主轴颈，动力臂就是R（曲柄两个中心点的距离）。

假设爆炸力通过连杆轴颈产生的旋转切向分力为F_t

发动机此时此缸的扭矩T = F_t*R （注意，是此时。每个瞬间，扭矩值T都是不同的，是变化的）

多缸发动机若此时N个缸同时做功，扭矩就是T=N* F_t*R

图3

看完以上的介绍，可以发现，发动机扭矩（单位：牛顿*米 ，N*M）是力矩的特例， 是表示发动机曲轴旋转输出的力矩， 这个力矩的大小由爆炸力和曲柄长度决定。曲轴旋转输出的力矩就是发动机扭矩，这个力矩越大，代表转动趋向越强，最终输出到车轮，产生的牵引力就越大。

扭矩和马力的区别在于，马力表示的是发动机功率大小，是发动机单位时间内能做多少功。 而发动机要做功，是通过扭矩来完成的。 发动机扭矩，通过各种变速机构，最终输出到车轮，产生牵引力，使汽车前进。

马力和扭矩，一个是度量功率的单位，一个是物理名词，表示转动趋向的强度。

那么，马力和扭矩的关系是什么呢？

扭矩作用在物体上，使物体发生了转动，我们就说，扭矩做了“功”。单位时间做功的多少用“马力”来表示。

有扭矩是做功的前提，但是，有扭矩不一定做功。两头牛一起拉磨，如果方向相反，磨就拉不动了，这时是光有扭矩没做功。

扭矩大是不是功率（马力）就大呢？不一定。

大车的行驶阻力比较大，小车的行驶阻力比较小，显然大车需要更大的扭矩，但是大车走100公里用了两小时，小车走同样的路程只要半小时，小车的功率就可能比大车大。

想一想用轱辘打井水，用大吊桶，需要的扭矩大，用小吊桶，需要的扭矩小。

但是，如果用小吊桶的人，转动轱辘的速度快，在同样的时间里，小吊桶打上来的水的总量也可以超过用大吊桶的。

图4

图5

所以，对于发动机来说，不能单纯的说，马力大，扭矩就大或者说扭矩大，马力就大。

要有个附加条件，才能这样说，这个条件就是：在相同转速下。

只有在同样转速下，才能说扭矩大的发动机， 它的马力就大。 反过来说也一样，同样转速下，马力大的的发动机，扭矩就大。

类似于上面轱辘打井水，只有在轱辘转速相同情况下，才可以说，同样时间内，大桶打的水比小桶多。

不限定轱辘转速的话，就不能这样说，因为用小吊桶的人，如果转动轱辘的速度快，在同样的时间里，小吊桶打上来的水的总量也可以超过大吊桶。

发动机的扭矩和功率，遵循以下的公式：

T=9550P/n

（T为扭矩，单位:牛*米 ；P为功率,单位: 千瓦； n为转速，单位：转/分钟. 可见，转速一定时，功率和扭矩成正比，功率越大，扭矩越大，反之亦然。）

汽车参数表里，通常标注 某转速下的最大扭矩，如下图：

图6

从表里可知，此车在3500转时，能达到最大扭矩110 N*m。

由上面的公式，我们可以算一算，在最大扭矩时，功率是多少？

T=9550P/n =》

P=T*n / 9550 = 110*3500/9550≈40.31 千瓦

上表可见该车最大功率是63千瓦。 当转速超过最大扭矩转速3500转后，功率还在增加，但扭矩却在下降了。

下一篇文章将探讨，为何发动机超过最大扭矩转速后（上表是3500转），马力（功率）在升高， 而扭矩反而开始下降。