什么是扭力？什么是扭矩？两者有何区别

已重置 2024-06-24 06:07:26

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汽车驱动理论　　马力与扭力哪一项最能具体代表车辆性能？有人说「起步靠扭力，加速靠马力」，也有人说「马力大代表极速高，扭力大代表加速好」，其实这些都是片段的错误解释，其实车辆的前进一定是靠引擎所发挥的扭力，所谓的「扭力」在物理学上应称为「扭矩」，因为以讹传讹的结果，大家都说成「扭力」，也就从此流传下来，为导正视听，　　本文以下皆称为「扭矩」。　　扭矩的观念从小学时候的「杠杆原理」就说明过了，定义是「垂直方向的力乘上与旋转中心的距离」，公制单位为牛顿-米(n-m)，除以重力加速度 9.8m/sec2之后，单位可换算成国人熟悉的公斤-米(kg-m)。英制单位则为磅-呎(lb-ft)，在美国车的型录上较为常见，若要转换成公制，只要将lb-ft的数字除以7.22即可。　　汽车驱动力的计算方式：　　将扭矩除以车轮半径即可由引擎马力－扭力输出曲线图可发现，在每一个转速下都有一个相对的扭矩数值，这些数值要如何转换成实际推动汽车的力量呢？答案很简单，就是「除以一个长度」，便可获得「力」的数据。举例而言，一部1.6升的引擎大约可发挥15.0kg-m的最大扭力，此时若直接连上185/ 60r14尺寸的轮胎，半径约为41公分，则经由车轮所发挥的推进力量为15/0.41=36.6公斤的力量(事实上公斤并不是力量的单位，而是重量的单位，须乘以重力加速度9.8m/sec2才是力的标准单位「牛顿」)。　　36公斤的力量怎么推动一公吨的车重呢？而且动辄数千转的引擎转速更不可能恰好成为轮胎转速，否则车子不就飞起来了？幸好聪明的人类发明了「齿轮」，利用不同大小的齿轮相连搭配，可以将旋转的速度降低，同时将扭矩放大。由于齿轮的圆周比就是半径比，因此从小齿轮传递动力至大齿轮时，转动的速度降低的比率以及扭矩放大的倍数，都恰好等于两齿轮的齿数比例，这个比例就是所谓的「齿轮比」。　　举例说明，以小齿轮带动大齿轮，假设小齿轮的齿数为15齿，大齿轮的齿数为45齿。　　当小齿轮以3000rpm的转速旋转，而扭矩为20kg-m时，传递至大齿轮的转速便降低了1/3，变成1000rpm；但是扭矩反而放大三倍，成为60kg-m。这就是引擎扭矩经由变速箱可降低转速并放大扭矩的基本原理。　　在汽车上，引擎输出至轮胎为止共经过两次扭矩的放大，第一次由变速箱的档位作用而产生，第二次则导因于最终齿轮比（或称最终传动比）。扭矩的总放大倍率就是变速箱齿比与最终齿轮比的相乘倍数。举例来说，手排六代喜美的一档齿轮比为3.250，最终齿轮比为4.058，而引擎的最大扭矩为14.6kgm/5500rpm，于是我们可以算出第一档的最大扭矩经过放大后为14.6×3.250×4.058=192.55kgm，比原引擎放大了13倍。此时再除以轮胎半径约0.41m，即可获得推力约为470公斤。然而上述的数值并不是实际的推力，毕竟机械传输的过程中必定有磨耗损失，因此必须将机械效率的因素考虑在内。　　论及机械效率，每经过一个齿轮传输，都会产生一次动力损耗，手排变速箱的机械效率约在95%左右，自排变速箱较惨，约剩88%左右，而传动轴的万向接头效率约为98%，各位自己乘乘看就知道实际的推力还剩多少。整体而言，汽车的驱动力可由下列公式计算：　　扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率　　驱动力= ————————————————————　　轮胎半径（单位为公尺）　　马力亦非「力」乃「功率」的一种　　了解如何将扭矩经由变速箱的齿比放大成为实际推力之后，接着可以研究什么叫做「马力」。马力其实也不是一种「力」，而是一种功率 (power)的单位，定义为单位时间内所能做「功」的大小。尽管如此，我们不得不继续使用「马力」这个名字，毕竟已经用太久了，讲「功率」恐怕没几个消费者听得懂？　　功率是由扭矩计算出来的，而计算的公式相当简单：功率(w)＝2π× 扭矩(n-m)×转速(rpm)/60，简化计算后成为：功率(kw)=扭矩(n-m) ×转速(rpm)/9549，详细的推导请参看方块文章。然而功率kw要如何转换成大家常见的「马力」呢，这又有一段故事得讲。　　英制或公制？　　1ps=735w；1hp=746w　　马力定义竟然不一样！　　谈到引擎的马力，相信不少人会直觉地想到什么din、sae、eec、j**等等不同测试标准，到底这些标准的差异在哪儿，以后有空再研究；有点夸张的是由于英制与公制的不同，对「马力」的定义基本上就不一样。英制的马力(hp)定义为：一匹马于一分钟内将200磅(lb)重的物体拉动165英呎(ft)，相乘之后等于33,000ft-lb/min；而公制的马力(ps)定义则为一匹马于一分钟内将75公斤的物体拉动60公尺，相乘之后等于4500kg-m/min。经过单位换算，(1lb=0.454kg;1ft=30.48cm)竟然发现1hp=4566kg-m/min，与公制的1ps=4500kg-m有些许差异，而如果以功率w(1w=1nm/sec= 9.8kgm/sec)来换算的话，可得1hp=746w;1ps=735w两项不一样的结果。　　同样是「马力」，英制马力与公制马力的定义竟然不一样！难道英国马比较「有力」吗？　　到底世界上为什么会有英制与公制的分别，就好像为什么有的汽车是右驾，有的却是左驾一样，是人类永远难以协调的差异点。若以大家比较熟悉的几个测试标准来看，德国的din与欧洲共同体的新标准 eec还有日本的j**是以公制的ps为马力单位，而sae使用的是英制的 hp为单位，但为了避免复杂，本刊一率将马力的单位标示为hp。近来，越来越多的原厂数据已改提供绝对无争议的kw作为引擎输出的功率数值。　　不过话说回来，1ps与1hp之间的差异仅1.5%，每一百匹马力差1.5匹，差异并不大。一般房车的马力多半仅在200匹马力以下，两者由于定义的差异也仅3匹马力左右，因此如果您真要「马马计较」，就把sae 标准的数据多个1.5%吧！不过sae、j**、din、eec各种测试标准之间亦有些许差异，这个老问题已经争论过很多次了，单位之间不能真正划上等号，然而在差别不怎么多的情况之下，就当作相同吧！因此管他是ps或hp，都差不多可以视为相等。　　终于可以做结论了！将上述获得的马力与功率换算方式代入功率与扭矩的换算公式，并且将扭矩的单位换算为大家熟悉的kg-m之后，可得下列结果：　　英制马力hp=扭力(kg-m)×引擎转速(rpm)／727　　公制马力ps =扭力(kg-m)×引擎转速(rpm)／716　　知道这些公式之后有什么用呢？从「马力hp=扭力×转速/727」看来，如果能增加引擎转速，扭力不变的情况下，便能增加马力。例如若能将转速从6000rpm增加到8000rpm，等于增加了33%，但因为凸轮轴的限制使得8000rpm时的扭力下降了10%，则仍能使马力增加19.7%，这说明了时下改装计算机的为何能在解除断油后大幅增加马力。　　所以不要被「增加？？匹马力」的广告所著魔。　　让我们从另外一个角度来想：如果在同样的转速下，增加20匹马力，代表能增加多少推力呢？以最大扭力点发挥于5000rpm的情况下，将公式稍微变换一下，可发现增加的扭力=20hp×727／ 5000rpm=2.9kgm。再将这个结果代入汽车驱动力的公式，同样以喜美的一档计算，2.9×3.250×4.058/0.41=93公斤。对于一吨重的车身而言，影响似乎也不怎么大；再者如果相差5匹马力的话，推力更仅增加23公斤，可见相差5匹马力，根本也没差多少，所以能「增加5匹马力」的产品，到底应该花多少钱去改装，您自个儿会拿捏了吧？　　大马力决定真性能！　　到底大马力的车子跑得快，还是大扭力的车子跑得快？从公式可以知道大马力的原因是「高转速的时候仍保有高扭力数值」，也就是说要有大马力，不只是低转速的扭力要好，连高转速的扭力都得继续维持，这表示扭力与马力的争论根本是多余的，只要能做到高马力，除了表示各转速区域的扭力都很大之外，更代表材料技术的优越性，将活塞、进排气阀门的材质与重量予以强化与轻量化，才能将引擎转速提高。　　扭矩与功率的换算公式推导　　假设一圆的半径为r(单位为m)，扭矩为t(单位为n-m)，则圆周上切线方向的力f=t/r，由于功率的定义为「每秒钟所作的功」，对于圆周?动而言，每旋转一圈所作的功为：f×圆周总长2πr 将f=t/r代入计算，每一圈所作的功work=f×2πr=(t/r)×2πr=2πt　　再乘上引擎转速rpm就是每分钟所作的功，但功率p的单位是n-m/sec ，所以需除以60，转换成每秒所作的功。代入公式：p=t2πrpm/60，将常数整理后，则可得p(kw)=trpm/9545。　　由上文可见，一台车的动力由发动机传输到车轮，需要经过多组齿轮因此有所损耗，如果德制马力测的是传递到车轮上的动力，那么同样发动机用在不同车型上的动力输出应该不同，试拿bmw330和bmw530做比较，其功率均是225hp/5900rpm；结论，要么bmw在数据上造假，要么它测的是发动机输出净值。 20210311

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