齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-07 10:18:31

前几篇文章的评论区,看到不少网友在争论,发动机性能参数中,扭矩和功率(马力),谁才是王者?

本想写一篇文章探讨一下,希望能得出一个统一的结论。但发现要写的通俗易懂,篇幅太长。

只能将需要用到的一些知识,先发文探讨一下。后面才能发文继续探讨扭矩和功率(马力),谁才是王者。

为了描述方便,先看几条需要用到的物理定律:

定律1,T=9550P/n (T为扭矩,单位:牛*米 ;P为功率,单位: 千瓦; n为转速,单位:转/分钟. 可见,转速一定时,功率和扭矩成正比,功率越大,扭矩越大,反之亦然。)

定律2,驱动轴输出扭矩一定时,其轴上的齿轮输出扭矩也一定。

定律3,两根轴上互相啮合的齿轮,主动轮半径为r1 ,从动轮半径为r2,r2:r1=k, 主动轮扭矩为T1, 从动轮扭矩为T2, 那么T2:T1=k . 即是说,从动轮与主动轮的半径比,就是扭矩比。

而半径比=周长比=齿数比。(周长公式为2πr, 周长比就是2πr2 : 2πr1=r2:r1, 齿数本质上就是周长)

所以从动轮与主动轮的齿数比,就是扭矩比。(汽车上常说的是齿数比,所以这点很重要)。

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(1)

图1

略为推导一下(后面需要用到推导过程中的结论):主动轮周长为2πr1,主动轮转速为n1, 即主动轮t分钟转过的弧长为n1*2πr1*t 。 从动轮转速为n2, 即从动轮t分钟转过的弧长为n2*2πr2*t .

主从动齿轮是啮合的,所以t分钟转过的弧长相等,即:n1*2πr1*t= n2*2πr2*t

=> n2 : n1 = r1 : r2 =1/k(1)

此式说明, 从动轮与主动轮的转速比,等于 主动轮与从动轮的半径比。

由于能量守恒,主动轮,从动轮,任意时刻做的功都相等。 功率也就相等,设功率都为P.

根据定律1有,主动轮扭矩 T1=9550P/n1 ,从动轮扭矩 T2=9550P/n2

=> T2:T1 = n1 : n2 (2)

由(1)式有n2 : n1 =1/k

=> n2 = n1/k ,代入(2)式有

T2: T1 = k , 即是说,从动轮与主动轮的半径比,就是扭矩比。而半径比=周长比=齿数比,所以,从动轮与主动轮的齿数比,就是扭矩比。

喜欢探讨的网友,可以从推导过程举一反三,继续发现更多有趣的规律。

本文需要用到上述结论:从动轮与主动轮的齿数比,就是扭矩比。

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(2)

图2

有了这些结论,我们就可以从公开的发动机参数中的扭矩数据,计算出车轮与地面之间的最终推力,毕竟这才是推动车子前进的最终动力。

车辆能前进,靠的是车轮与地面之间的静摩擦力(不打滑情况下),这是车轮对地面作用力的反力。 类似于人走路,人要往前走,就用力往后蹬路面,路面就给脚一个反作用力,推动人前进。

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(3)

图3

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(4)

图4

举个例子计算一下:某车车重1吨,发动机参数,最大扭矩(Nm/rpm): 110/3500,

(表示该车发动机转速3500转/分的时候,发动机曲轴输出最大扭矩 110 N*M)

1挡齿比是3 (即输出轴从动齿轮,与输入轴主动齿轮的齿数比是3),

尾牙为4(也叫终传比。即:最终减速齿轮组,从动齿轮与主动齿轮的齿数比是 4)

轮胎半径0.3米.

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(5)

图5

发动机3500转,1档,由上面所说的定律3可知,轮轴的扭矩就变成110*3*4=1320 N*M

假设车辆是前驱车,那么两个前轮轮轴获得的扭力和就是1320 N*M,

因为扭矩T=F*R , 所以车轮对地面之间的静摩擦力 F=T/R = 1320/ 0.3 = 4400 N(牛顿)

牛顿这个力的单位不直观,可以换算成重量(重力),

1公斤物体所受的重力(就是1公斤物体的重量)约为10牛顿。

4400牛顿就约为440公斤力(大约就是440公斤物体的重量)。

这440公斤的推力,能产生多大加速度?

为简化估算,这里先不考虑车辆的另3格阻力: 1,风阻. 2,车辆轮胎滚动阻力. 3,车辆自身转动部件的转动惯性阻力。

牛顿第二定律: F =ma

加速度 a= F/m =4400/1000 =4.4 (米/秒2)

由此可见,增加车轮与地面之间的静摩擦力 F, 或是减轻车重m ,都能使 F/m变大, a=F/m 就变大。即加速度变大。

车轮与地面之间的静摩擦力 F ,由上面的计算过程知道,是由发动机扭矩和变速箱齿比还有轮胎大小决定,因此发动机扭矩越大,能得到的车轮与地面之间的静摩擦力 F就越大,加速度 a=F/m 就越大。

简单说就是,在不考虑变速箱,轮胎大小的情况下。 发动机扭矩决定加速。

如果以这样的加速度, 车辆从静止到100公里/小时,需要多长时间?

100公里/小时=100000/3600 (米/秒)≈28 米/秒

假设车辆以匀加速直线运动,那么 时间 t=(28-0)/4.4≈6.36 (秒)

即车辆从静止到时速100公里/小时, 只需6.36秒。

小钢炮级别啊,当然这是假设车辆始终以最大扭矩行驶,实际这个最大扭矩仅在3500转出现,因此实际行驶中,时间要大于6.36秒。

而且这是1档, 再加上发动机转速有限,假如这车最大转速是7000转。

如果1档能达到7000转,那么1档时,车辆极速是多少?

发动机7000转/分钟,因为1档齿比为3,由前面所说的定律3推导过程可知,1档从动齿轮转速就是 7000/3 =2333 转/分钟。尾牙为4,所以此时车轮转速为 2333/4 =583转/分钟。

车轮半径0.3 米, 周长就是 2πr = 1.88米

1分钟车轮前进 583*1.88 = 1096米

一小时前进:1096*60=65760米 ≈65.76公里

意思就是1档7000转时,时速最高65.76。

可见,1档虽然能让车辆获得最大扭矩,最大扭矩就能有最快的加速度,但耗尽发动机转速,也只能到65.76公里/小时。

时速从0加速到65.76, 1档所用时间最少。 但发动机转速已被耗尽,要想继续加速,就需要换挡了。 至于如何换挡,能让车辆以最短时间达到极速。 如何换挡,能让车辆最平顺省油。后续再发文探讨。

这篇发文,主要为了后篇,探讨扭矩和功率(马力)谁才是王者,做个铺垫。

齿轮输出扭力怎么算,齿轮大小与扭矩公式(6)

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