Moc a moment obrotowy

Zacznę od wspomnianej wcześniej zależności. Otóż moc jest to nic innego jak iloczyn momentu obrotowego i prędkości obrotowej, przy czym moment jest wyrażony w Nm, prędkość obrotowa w rad/s a moc w watach. Mimo iż są to jednostki podstawowe znacznie częściej używa się obr/min oraz KM – wtedy ta zależność wygląda następująco:

MOC = Moment * obroty / 7022

Niedowiarkom polecam sprawdzenie na przykładzie. Dla krzywej momentu jak na rysunku proponuję obliczenie krzywej mocy. Czyli:

3000 * 107 / 7022 = 46 KM

4000 * 100 / 7022 = 57 KM

5500 * 79 / 7022 = 62 KM

Ten krótki wstęp był konieczny, ponieważ często mam wrażenie, że sporo osób zapomina o tej zależności.

A teraz do rzeczy. Żeby auto mogło jechać, oraz przyspieszać ważna jest siła, jaka występuje na kołach. Aby przenieść moment obrotowy z silnika do kół stosuje się szereg przełożeń, które zazwyczaj zmniejszają prędkość obrotową a zwiększają moment obrotowy, natomiast moc jako iloczyn tych dwóch wielkości pozostaje stała (przynajmniej w przybliżeniu pomijając straty układu napędowego – jakieś 7-12%).
Moment jest odpowiednikiem siły w ruchu obrotowym, aby pojazd mógł jechać i przyspieszać musi działać tak zwana siła napędowa. Jeżeli założymy, że chcemy jechać z określoną prędkością, to będziemy potrzebować konkretnej wartości momentu obrotowego na kołach (przy określonych obrotach) – czyli określoną wartość mocy na kołach. Ponieważ niezbędna moc silnika będzie w przybliżeniu taka sama jak moc na kołach, jako iloczyn momentu obrotowego i prędkości obrotowej, to możemy wysnuć następujący wniosek: Istotna jest tylko moc silnika, odpowiednią wartość momentu i prędkości obrotowej uzyskamy dzięki zastosowani odpowiedniego przełożenia.

Niby wniosek słuszny, ale jednak coś nie gra. No nie gra, bo rzadko zdarza się sytuacja, kiedy jedziemy ze stałą prędkością i potrzebujemy stałego momentu obrotowego. Kolejny problem wynika ze sposobu zmiany biegów. Otóż silnik podczas przyspieszania pojazdu zwiększa swoją prędkość obrotową, jeśli następuje zmiana obrotów silnika to zmienia się również moment obrotowy, jaki może silnik w danych warunkach oddać, oraz zmianie ulega moc oddawana przez silnik. Czyli istotny jest przebieg krzywej mocy lub momentu obrotowego.

Jako ciekawostkę mogę podać, że czas rozpędzania do 100 km/h można w przybliżeniu wyznaczyć dzieląc masę własną pojazdu wyrażoną w kg przez moc maksymalną wyrażoną w KM. Dla pojazdów, dla których stosunek tych dwóch wielkości mieści się w zakresie 8-18 obliczony czas dość dobrze odpowiada faktycznemu (oczywiście jak na tak przybliżony sposób) np. VW Bora 1,9TDI (150KM) – masa własna 1360kg. 1360/150=9, wg danych fabrycznych czas rozpędzania do 100km/h wynosi 10,5s. Inny przykład Lancia Delta 1,6 103KM, masa własna 1130. 1130/103=10,97 – wg producenta 11s. I jeszcze coś słabszego Mazda 323 1.1 55KM, masa własna 825kg. 825/55=15s – dane producenta 15,8s. Jest to oczywiście zależność wyznaczona empirycznie i mimo, że jest niedokładna, pozwala na zobrazowanie wpływu mocy maksymalnej na zdolność przyśpieszenia pojazdu.

Zwolennikom hasła tylko moc proponuję pohamować falę entuzjazmu, teraz coś dla zwolenników momentu obrotowego. Dla lepszego zobrazowania tego, o czym mowa proponuję zajrzeć na krzywe momentu i mocy dla dwóch różnych silników.

 Podczas spokojnej jazdy zazwyczaj wykorzystujemy niskie obroty silnika, w momencie, gdy podczas takiej jazdy zdecydujemy się naglę przyspieszyć przydała by się jak największa siła napędowa dostępna przy danej prędkości jazdy – czyli jak największa moc. Aby uzyskać wysoką moc musimy zmienić przełożenie tak, aby obroty silnika znacznie wzrosły (redukujemy bieg) no, ale redukcja trwa, nie każdemu chce się wciskać sprzęgło itd. wtedy spora część kierowców po prostu dociska gaz. Jeżeli mamy prędkość obrotową na poziomie 2500 obr/min i silnik jak na pierwszym rysunku to jesteśmy w stanie przekazać do kół napędzanych moc około 35KM (bez uwzględnienia strat), natomiast w silniku 2, który ma taki sam moment maksymalny, ale maksimum wypada właśnie w pobliżu 2500 obr/min moc oddana przez silnik może wynieść nawet 40KM, czyli przy takiej samej prędkości jazdy mamy do dyspozycji znacznie większą siłę napędową – efekt lepiej przyspieszamy. Samochód z silnikiem oznaczonym numerem 1 będzie za to znacznie bardziej dynamiczny przy większych prędkościach obrotowych silnika (bo w zakresie wysokich prędkości obrotowych silnik 1 ma większe moce – choć moc maksymalna jest taka sama).

I jeszcze często pojawiający się błąd.

Bardzo często spotykam się z opinią, iż do samochodu najlepiej, jeśli silnik miałby stały moment obrotowy. Otóż nie, najlepiej jak moc będzie stała, a moment będzie miał kształt hiperboli. Właśnie zastosowanie skrzyni biegów powoduje przybliżenie maksymalnej dostępnej siły napędowej do hiperboli - zostało to przedstawione na rysunku.

Często stały przebieg momentu obrotowego wynika z trudności z obciążeniami mechanicznymi w układzie korbowym, aby nie przeciążyć układu korbowego, sterownik jest tak ustawiany żeby obciąć „górę” krzywej momentu.