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汽车驱动理论-马力和扭力

发布时间:2011年06月03日 12:13 | 进入体育论坛 | 来源:CNTV

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    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 速箱的檔位作用而产生,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?