Практически все автомобилисты наслышаны о таком понятии, как крутящий момент, так как производители активно указывают данное значение в полях с техническими характеристиками с описанием авто. Однако, далеко не каждый водитель, даже с богатым опытом, имеет точное представление о том, про какую именно величину идет речь, за что в транспортных средствах отвечает этот самый параметр, и в чем он измеряется. Так как в отношении этого показателя у многих автомобилистов имеется масса вопросов, здесь предстоит наглядно рассказать про крутящий момент, его применение, назначение, а также принцип расчета, чтобы впоследствии каждый автовладелец мог не просто смотреть на цифры, но и иметь представление о величине.
Что такое крутящий момент
Практически все современные автопроизводители в процессе создания и последующей маркировки своих моторов используют объем камер сгорания, либо мощность силового агрегата. Как показывает практика, эти параметры уже достаточно давно устарели. Если привести пример 50-летней давности, когда тяга атмосферных моторов напрямую зависела от расточки блока цилиндров, то теперь все поменялось и на первый план выходят полностью новые технологии. При этом, если брать в сравнение равные по объему силовые агрегаты прошлого и настоящего, то конечная мощность выросла почти в два раза. За примером ходить далеко не нужно. Взять можно в сравнение обычный 2,0-литровый мотор BMW или Volvo, которые при рядном расположении цилиндров способны выдавать до 400 лошадиных сил. Иными словами, современные 4-цилиндровые агрегаты с турбокомпрессором по своей мощности и тяге существенно превосходят прожорливые V8, используемые порядка 15 лет назад. Добиться такого эффекта производителям удалось за счет установки ступенчатого наддува, а также более сложной системы впрыска топлива.
По этой причине можно с уверенностью сказать, что лошадиные силы также уже не могут в полной мере описать характеристики силового агрегата. Транспортное средство с небольшим показателем «лошадей» на практике может оказаться существенно резвее и динамичней, нежели другое более мощное авто. Так, к примеру, современные дизеля существенно опережают бензиновые моторы в плане тяги, из-за чего и демонстрируют более внушительную динамику. По этой причине, автомобильным производителям потребовалась совершенно иная характеристика для силовых агрегатов, которая смогла бы в полной мере описать все возможности современного двигателя. По этой причине, производители как раз и задействовали такой термин, как крутящий момент силового агрегата.
Соответствие электродвигателя нагрузке
Если нужно определить, отвечает ли вращающий момент определённого электродвигателя требованиям нагрузки, Вы можете сравнить характеристики скорости вращения/вращающего момента электродвигателя с характеристикой скорости вращения/ вращающего момента нагрузки. Вращающий момент, создаваемый электродвигателем, должен превышать потребный для нагрузки вращающий момент, включая периоды ускорения и полной скорости вращения.
Характеристика зависимости вращающего момента от скорости вращения стандартного электродвигателя и центробежного насоса.
Если мы посмотрим на характеристику , то увидим, что при ускорении электродвигателя его пуск производится при токе, соответствующем 550% тока полной нагрузки.
Когда двигатель приближается к своему номинальному значению скорости вращения, ток снижается. Как и следовало ожидать, во время начального периода пуска потери на электродвигателе высоки, поэтому этот период не должен быть продолжительным, чтобы не допустить перегрева.
Очень важно, чтобы максимальная скорость вращения достигалась как можно точнее. Это связано с потребляемой мощностью: например, увеличение скорости вращения на 1% по сравнению со стандартным максимумом приводит к 3%-ному увеличению потребляемой мощности.
Потребляемая мощность пропорциональна диаметру рабочего колеса насоса в четвертой степени.
Уменьшение диаметра рабочего колеса насоса на 10% приводит к уменьшению потребляемой мощности на (1- (0.9 * 0.9 * 0.9 * 0.9)) * 100 = 34%, что равно 66% номинальной мощности. Эта зависимость определяется исключительно на практике, так как зависит от типа насоса, конструкции рабочего колеса и от того, насколько вы уменьшаете диаметр рабочего колеса.
Из чего берутся лошадиные силы двигателя
Примечательно, но такой вариант измерения, как лошадиные силы, появился еще в восемнадцатом веке, когда английский изобретатель Джеймс Уатт в 1789 году предложил установить данный термин, чтобы характеризовать мощность силового агрегата. Это произошло благодаря минувшим событиям, когда в самом начале промышленной революции на территории Англии в рудниках, а также на мельницах и в портах для подъемных механизмов в качестве основной силы применялись лошади. Этих животных запрягали, после чего запускали по кругу, чтобы создавалось необходимое усилие.
Примечательно, что на тот момент такое животное, как лошадь весом порядка 500 килограмм, могло благодаря налаженной системе обеспечить грузоподъемность крану до 90 кг. При этом, скорость вращения или подъема составляла 1 м/с. На тот момент большие груза поднимали отдельными бочками либо соответствующими кулями, чей вес мог достигать отметки 140 – 190 килограмм. Исходя из этого можно сделать вывод, что стандартная лошадь за восемь часов работы при движении со скоростью 3 км/ч свободно могла перегрузить порядка 14 тонн груза. В итоге, такую работу животного и прописали в качестве основного термина для характеристики мощности двигателя.
Примечательно, что первые механизированные средства или паровые машины могли выполнять такую же работу заметно быстрее, чем обычная лошадь. Это было возможно благодаря моторам, чья мощность доходила до нескольких лошадиных сил. Учитывая это можно подытожить, что мощность в текущем понимании — это не спортивная динамика автомобиля, не иная величина, а ничто иное, как определенная работа, которая совершается за определенную единицу времени. Отчасти, это также относится и к такому параметру, как крутящий момент, который также характеризует мощность силового агрегата.
Число пусков электродвигателя в час
Современные сложные системы управления электродвигателями могут контролировать число пусков в час каждого конкретного насоса и электродвигателя. Необходимость контроля этого параметра состоит в том, что каждый раз, когда осуществляется пуск электродвигателя с последующим ускорением, отмечается высокое потребление пускового тока. Пусковой ток нагревает электродвигатель. Если электродвигатель не остывает, продолжительная нагрузка от пускового тока значительно нагревает обмотки статора электродвигателя, что приводит к выходу из строя электродвигателя или сокращению срока службы изоляции.
Обычно за количество пусков, которое может выполнить электродвигатель в час, отвечает поставщик электродвигателя. Например, Grundfos указывает максимальное число пусков в час в технических данных на насос, так как максимальное количество пусков зависит от момента инерции насоса.
Крутящий момент
В любом современном двигателе внутреннего сгорания применяется, по сути, тот же принцип, что и описывался ранее. Однако, здесь в качестве силы выступает уже поршень, который в процессе работы проталкивает горючую смесь до того момента, пока не произойдет взрыв смеси воздуха и топлива. Как бы это странно не звучало, но в данном случае поршень как раз и выступает в роли той самой лошади, которая прилагает усилия, чтобы создать движение и передать его на колеса. Как правило, чем быстрее поршни вращаются в двигателе внутреннего сгорания, тем больше число оборотов. И соответственно выше отдача и мощность.
При этом, если взять за основу силу поршня, а после эту величину умножить на длину присутствующего рычага, то в конечном итоге и получается крутящий момент, который и демонстрирует тягу мотора. Этот показатель принято выражать в Ньютон-метрах, где один Н*м соответствует усилию в один ньютон, умноженный на рычаг, длиной в один метр. Учитывая это, можно сделать небольшой промежуточный вывод, что чем больше предусмотренный рычаг, тем больше тяги может выдавать силовой агрегат. Именно поэтому, если у двигателя внутреннего сгорания задан высокий крутящий момент, то и колеса автомобиля за определенную единицу времени смогут раскручиваться заметно быстрее. По этой причине транспортное средство заметно приобретает в динамике.
Нагрузка насосов и типы нагрузки электродвигателя
Выделяют следующие типы нагрузок:
Постоянная мощность
Термин «постоянная мощность» используется для определённых типов нагрузки, в которых требуется меньший вращающий момент при увеличении скорости вращения, и наоборот. Нагрузки при постоянной мощности обычно применяются в металлообработке, например, сверлении, прокатке и т.п.
Постоянный вращающий момент
Как видно из названия — «постоянный вращающий момент» — подразумевается, что величина вращающего момента, необходимого для приведения в действие какого- либо механизма, постоянна, независимо от скорости вращения. Примером такого режима работы могут служить конвейеры.
Переменный вращающий момент и мощность
«Переменный вращающий момент» — эта категория представляет для нас наибольший интерес. Этот момент имеет отношение к нагрузкам, для которых требуется низкий вращающий момент при низкой частоте вращения, а при увеличении скорости вращения требуется более высокий вращающий момент. Типичным примером являются центробежные насосы.
Вся остальная часть данного раздела будет посвящена исключительно переменному вращающему моменту и мощности.
Определив, что для центробежных насосов типичным является переменный вращающий момент, мы должны проанализировать и оценить некоторые характеристики центробежного насоса. Использование приводов с переменной частотой вращения обусловлено особыми законами физики. В данном случае это законы подобия, которые описывают соотношение между разностями давления и расходами.
Во-первых, подача насоса прямо пропорциональна частоте вращения. Это означает, что если насос будет работать с частотой вращения на 25% больше, подача увеличится на 25%.
Во-вторых, напор насоса будет меняться пропорционально квадрату изменения скорости вращения. Если частота вращения увеличивается на 25%, напор возрастает на 56%.
В-третьих, что особенно интересно, мощность пропорциональна кубу изменения скорости вращения. Это означает, что если требуемая частота вращения уменьшается на 50%, это равняется 87,5%-ному уменьшению потребляемой мощности.
Итак, законы подобия объясняют, почему использование приводов с переменной частотой вращения более целесообразно в тех областях применения, где требуются переменные значения расхода и давления. Grundfos предлагает ряд электродвигателей со встроенным частотным преобразователем, который регулирует частоту вращения для достижения именно этой цели.
Так же как подача, давление и мощность, потребная величина вращающего момента зависит от скорости вращения.
На рисунке показан центробежный насос в разрезе. Требования к вращающему моменту для такого типа нагрузки почти противоположны требованиям при «постоянной мощности». Для нагрузок при переменном вращающем моменте потребный вращающий момент при низкой частоте вращения — мал, а потребный вращающий момент при высокой частоте вращения — велик. В математическом выражении вращающий момент пропорционален квадрату скорости вращения, а мощность — кубу скорости вращения.
Это можно проиллюстрировать на примере характеристики вращающий момент/частота вращения, которую мы использовали ранее, когда рассказывали о вращающем моменте электродвигателя:
Когда электродвигатель набирает скорость от нуля до номинальной скорости, вращающий момент может значительно меняться. Величина вращающего момента, необходимая при определённой нагрузке, также изменяется с частотой вращения. Чтобы электродвигатель подходил для определённой нагрузки, необходимо чтобы величина вращающего момента электродвигателя всегда превышала вращающий момент, необходимый для данной нагрузки.
В примере, центробежный насос при номинальной нагрузке имеет вращающий момент, равный 70 Нм, что соответствует 22 кВт при номинальной частоте вращения 3000 мин-1. В данном случае насосу при пуске требуется 20% вращающего момента при номинальной нагрузке, т.е. приблизительно 14 Нм. После пуска вращающий момент немного падает, а затем, по мере того, как насос набирает скорость, увеличивается до величины полной нагрузки.
Очевидно, что нам необходим насос, который будет обеспечивать требуемые значения расход/напор (Q/H). Это значит, что нельзя допускать остановок электродвигателя, кроме того, электродвигатель должен постоянно ускоряться до тех пор, пока не достигнет номинальной скорости. Следовательно, необходимо, чтобы характеристика вращающего момента совпадала или превышала характеристику нагрузки на всём диапазоне от 0% до 100% скорости вращения. Любой «избыточный» момент, т.е. разница между кривой нагрузки и кривой электродвигателя, используется как ускорение вращения.
Как добиться быстрого разгона автомобиля
Подводя небольшой промежуточный итог можно подытожить, что крутящий момент — это крайне важная величина в характеристиках современного автомобиля, от которой напрямую зависит динамика транспортного средства. Если крутящий момент выше, то и лошадиные силы агрегата, размещенного в подкапотном пространстве, становятся заметно сильнее. Также не стоит забывать о том, что при помощи такого параметра, как крутящий момент, определяется заявленная эластичность двигателя. Иными словами, это указывает на продолжительность одинаковых показателей тяги в большом разбросе диапазона оборотов. В частности, многие автомобилисты предпочитают, чтобы самый высокий крутящий момент был на старте, так как это влияет на разгон, что отразится на ускорении автомобиля и его динамике.
По этой причине, для уверенного и резкого старта автомобилистам стоит рассматривать автомобили с дизельными силовыми агрегатами. Такие модели быстро стартуют, а в случае наличия турбокомпрессора и вовсе могут удерживать необходимую тягу вплоть до высоких оборотов. Существенно уступают дизелям стандартные атмосферные бензиновые моторы, которые для лучшего эффекта необходимо раскручивать до трех и выше тысяч оборотов. У двигателей с турбокомпрессорами такой беды нет, правда их крутящий момент также проваливается при достижении определенных показателей на тахометре.
Что же касается лошадиных сил, то они требуются совершенно для другого. С помощью такого термина выражается готовность силового агрегата оказывать сопротивление встречному ветру, а также иным нагрузкам, с которыми будет сталкиваться транспортное средство при последующей повседневной эксплуатации. Здесь необходимо отдать должное, что высокая мощность автомобиля, чаще всего отражается в максимальной скорости авто.
Также необходимо упомянуть, что лошадиные силы — это вполне надежная и проверенная характеристика, которая хоть и устарела, но все еще актуальна, учитывая современные реалии. Тем более, что с помощью данного параметра и применения некоторого хитрого программного обеспечения можно прибавить мощность мотору или наоборот ее снизить. Этим пользуются многие современные автомобильные компании, которые в теории раздувают мощность силового агрегата в своей модели, но по факту будущий автовладелец не замечает существенной отдачи. Именно поэтому количество крутящего момента (Н*м) в маркировке двигателя для очередного транспортного средства значительно важнее, нежели число лошадиных сил, которое заявлено производителем.
Потребляемая мощность электродвигателя
Ток ротора индуцируется через источник питания, к которому подсоединён электродвигатель, а магнитное поле частично создаётся напряжением. Входную мощность можно вычислить, если нам известны данные источника питания электродвигателя, т.е. напряжение, коэффициент мощности, потребляемый ток и КПД.
В Европе мощность на валу обычно измеряется в киловаттах. В США мощность на валу измеряется в лошадиных силах (л.с.).
Если вам необходимо перевести лошадиные силы в киловатты, просто умножьте соответствующую величину (в лошадиных силах) на 0,746. Например, 20 л.с. равняется (20 • 0,746) = 14,92 кВт.
И наоборот, киловатты можно перевести в лошадиные силы умножением величины в киловаттах на 1,341. Это значит, что 15 кВт равняется 20,11 л.с.
Вывод
Необходимо принимать во внимание тот факт, что термин крутящий момент – это довольно сложное определение, с которым разобраться сможет далеко не каждый автомобилист. Однако, это никак не умаляет значение такой характеристики, из-за чего современным автолюбителям будет полезно уточнить соответствующую информацию, чтобы в дальнейшем не вестись на громкие заявления автопроизводителей касательно мощности силового агрегата в своей новой модели, так как уже стало очевидно, что этот параметр нередко раздувается искусственно, и точные характеристики мотора можно будет отследить по крутящему моменту, чтобы сделать предположение, будет ли новое авто радовать своей динамикой и скоростью или нет.
Автор: Олег Мокров
Время пуска электрдвигателя
Если нам необходимо подобрать типоразмер электродвигателя для определённой нагрузки, например для центробежных насосов, основная наша задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствующий вращающий момент и мощность в номинальной рабочей точке, потому что пусковой момент для центробежных насосов довольно низкий. Время пуска достаточно ограниченно, так как вращающий момент довольно высокий.
Нередко для сложных систем защиты и контроля электродвигателей требуется некоторое время для их пуска, чтобы они могли замерить пусковой ток электродвигателя. Время пуска электродвигателя и насоса рассчитывается с помощью следующей формулы:
tпуск = время, необходимое электродвигателю насоса, чтобы достичь частоты вращения при полной нагрузке
n = частота вращения электродвигателя при полной нагрузке
Iобщ = инерция, которая требует ускорения, т.е. инерция вала электродвигателя, ротора, вала насоса и рабочих колёс.
Момент инерции для насосов и электродвигателей можно найти в соответствующих технических данных.
Мизб = избыточный момент, ускоряющий вращение. Избыточный момент равен вращающему моменту электродвигателя минус вращающий момент насоса при различных частотах вращения.
Мизб можно рассчитать по следующим формулам:
Как видно из приведённых вычислений, выполненных для данного примера с электродвигателем мощностью 4 кВт насоса CR, время пуска составляет 0,11 секунды.
Бытовой или профессиональный?
Перед походом в магазин, ну или по пути в него, обдумайте, для каких ремонтных или строительных работ вам нужен этот инструмент. А уже исходя из своих умозаключений и нужно делать выбор шуруповерта по параметрам. Если вы не увлеченный домашний мастер и вам нужно будет доставать устройство всего лишь несколько раз за месяц, то для чего вам покупать профессиональную модель, которая и стоить будет в несколько раз дороже. Ведь согласитесь же, что любительской модели, которая работает от батареи, вам вполне будет достаточно. У нее будут все нужные функции, да и весить бытовая модель будет значительно меньше, чем профессиональная.
Однако когда вам практически ежедневно требуется что-либо крутить, строить или собирать, то тут уже нужно обращать внимание не на бытовые дешевые модели, а на более дорогостоящие, но чрезвычайно мощные модели для профессионалов. Они, чаще всего, имеют питание от сети, а также обладают более значительным весом и размерами
Подобные сетевые дрель шуруповерты есть смысл покупать тем, кто имеет большие объемы работы с увеличенными нагрузками на инструмент. А как выбрать шуруповерт сетевой конструкции тоже необходимо изучить.
Бытовой или профессиональный
Как известно, профессиональные шуруповерты отличаются большей стоимостью, но это не случайно. Они сделаны с большим запасом прочности, для чего используются более качественные и дорогие материалы. Кроме того, они обладают большей мощностью, что дает возможность вкручивать более длинные саморезы и/или работать с более жесткими материалами.
Разница между профессиональным и бытовым шуруповертом в ресурсе
Чтобы решить бытовой или профессиональный шуруповерт вам нужен, оцените объем работ, который необходимо будет выполнить. Если вы начинаете стройку или капитальный ремонт, наверное, нужна профессиональная или полупрофессиональная модель. Если инструмент нужен будет периодически — что-то выкрутить/закрутить время от времени, бытового более чем достаточно. При такой работе ресурс профи инструмента просто не будет востребован. Так что выбрать шуруповерт по этому критерию не очень сложно.