汽车的马力扭力详解

汽车的马力扭力详解 越来越多车迷了解如何改装爱车，可以提高动力的输出，但仍有许多车友并不了解引擎输出的动力到底如何转化成推动汽车行进的力量。对于加速能力与极速而言，到底是扭力与 马力到底何者比较重要,本文将给大家一个圆满的解答。 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、JIS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JIS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、JIS、DIN、EEC各种测试标准之 间亦有些许差异，这个老问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。 马力、扭力 先从最基本的观念开始。一般我们所习称的扭力并非力的单位，而是指做功的能力，从字面上笼统地来看，,,,正是指将,公斤重的物体举高,公尺的能力，由于这是力矩的一种，所以称其为扭力其实是有些不妥的。而马力(,,,,, ,,,,,)更不是力的单位，而是功率的单位，那是指单位时间内做功的大小，而不是如同字面上的意义是一个力的单位。 不知道各位读者有没有听过这句话:就是两部车在性能上的高低可以直接从原厂数据看出个所以然，关键判断就在于“加速拼扭力、极速看马力”。如果这个说法成立的话，那各个 试车报告的测试不是多余的吗, 前文我们提到，扭矩(力)是做功的能力，而马力是单位时间内所能做的功的大小。我们现在以这句话为基础来作一个讨论，假设在任何条件相同的理想状况下，如果,车的扭矩比,车的扭矩大，那很明显的就是,车的加速会比,车快。同理假设两台车在全力奔驰的时候所需要保持的驱动力,都是一样的，然后,车的功率也远比,车来的大，我们最后得到的结果一定是在相同时间内,车所跑的距离一定会比,车来的远，也就是说,车的最高速一定比,车来的高。这样说来，马力高低已经决定了,、,两车极速高低。事实上不然，因为前述的实验里，除了,、,两车的引擎输出不同之外，其他的变因是完全相同的，但是在真实世界里面，这是不可能存在的事情，变速系统变速比的影响、动力损耗、车重、风阻，其中变速系统的影响什至于不会低于引擎输出的差异，齿轮比的高低设定、挡位与挡位之间的衔接落差，绝对可以决定一部车子的速度表现，没有两部车会完全一样，所以，存在于两部车性能 上的差异绝对不是只看表面数据就可以判定的。 引擎气门数 气门数的多寡与引擎性能输出的好坏是有直接的影响也是不容否认的，多气门进、排气道设计与整个排气系统的设计，对于高峰值马力输出，绝对有着关键性的影响，这也就是我们常建议的:如果要提升引擎马力，最简单的就是提升进气效率与排气效率是一样的道理。 另一方面，先前奔驰中坚车款所搭载的单凸轮轴,,引擎，全球专业媒体早已肯定其各项性能以及低油耗、低污染的优异表现，此具,,引擎气门数的设计，竟是采取每缸,气门的设计，较先前奔驰搭载的直列六缸、,,,,、,,,引擎(虽说每缸减少了一个排气门的设计)整体性能表现却是不遑多让，透过此例，对于引擎气门数多寡与优劣好坏的定论问题，相信车迷会有另一个深入省思考的空间。所以，建议您评断一具引擎的好坏和先进与否，绝 对不是单纯看马力输出、或者是看简单的机械结构，就断定这具引擎的好坏。 再讲得具体点，一般商用车或经济型用车要求的是耐用、低油耗、可靠性高、优异的低速扭力，以此降低保养维修成本，以及更有效率的载重是其主要的特性，因此在这种情况下，多气门引擎的优势就不见得一定要存在，反倒是每缸,气门引擎低速扭力充足、耐用度高、维 修便宜的特性，就显得特别重要了。 发动机基本参数详解 许多读者朋友来信说，对有关发动机的参数有的不是很明白，在阅读专业报刊或购车时，对 这些专业术语更是茫然，在这里向大家简要介绍一下: 汽车发动机的基本参数包括发动机缸数，气缸的排列形式，气门，排量，最高输出功率，最 大扭矩。 缸数:汽车发动机常用缸数有3、4、5、6、8缸。排量1升以下的发动机常用3缸，1-2.5升一般为4缸发动机，3升左右的发动机一般为6缸，4升左右为8缸，5.5升以上用12缸发动机。一般来说，在同等缸径下，缸数越多，排量越大，功率越高;在同等排量下，缸 数越多，缸径越小，转速可以提高，从而获得较大的提升功率。 气缸的排列形式:气缸的排列形式主要有直列、V形、W形等。一般5缸以下的发动机的气缸多采用直列方式排列，少数6缸发动机也有直列方式的。直列发动机的气缸体成一字排开，缸体、缸盖和曲轴结构简单，制造成本低，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛，缺点是功率较低。直列6缸的动平衡较好，振动相对较小。大多6到12缸发动机采用V形排列，V形即气缸分四列错开角度布置，形体紧凑，V形发动机长度和高度尺寸小，布置起来非常方便。V8发动机结构非常复杂，制造成本很高，所以使用的较少， V12发动机过大过重，只有极个别的高级轿车采用。 气门数:国产发动机大多采用每缸2气门，即一个进气门，一个排气门;国外轿车发动机普遍采用每缸4气门结构，即2个进气门，2个排气门，提高了进、排气的效率;国外有的公司开始采用每缸5气门结构，即3个进气门，2个排气门，主要作用是加大进气量，使燃烧更加彻底。气门数量并不是越多越好，5气门确实可以提高进气效率，但是结构极其复杂， 加工困难，采用较少，国内生产的新捷达王就采用五气门发动机。 排气量:气缸工作容积是指活塞从上止点到下止点所扫过的气体容积，又称为单缸排量，它取决于缸径和活塞行程。发动机排量是各缸工作容积的总和，一般用于(L)来表示。发动机排量是最重要的结构参数之一，它比缸径和缸数更能代表发动机的大小，发动机的许多指标 都同排气量密切相关。 最高输出功率:最高输出功率一般用马(PS)或千瓦(KW)来表示。发动机的输出功率同转速关系很大，随着转速的增加，发动机的功率也相应提高，但是到了一定的转速以后，功率反而呈下降趋势。一般在汽车使用说明中最高输出功率同时每分钟转速来表示(r,min)，如 100PS,5000r,min，即在每分钟5000转时最高输出功率100马力。 最大扭矩:发动机从曲轴端输出的力矩，扭矩的表示方法是N.m,r,min，最大扭矩一般出现在发动机的中、低转速的范围，随着转速的提高，扭矩反而会下降。当然，在选择的同时要权衡一下怎样合理使用、不浪费现有功能。比如，北京冬夏都有必要开空调，在选择发动机功率时就要考虑到不能太小;只是在城市环路上下班交通用车，就没有必要挑过大马力的 发动机。尽量做到经济、合理选配发动机。