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扭矩和加速度有什麼關系

汽車 更新时间:2024-08-26 17:27:12

汽車發動機的扭矩越大,它的加速能力就越強,這幾乎是所有老司機的共識。他們在給别人提供買車建議時也會說:買車要買發動機扭矩大的,加速快,開起來爽!那麼這種說法究竟對不對呢?發動機扭矩越大汽車加速就越快嗎?汽車加速能力究竟取決于功率還是扭矩呢?下面我們詳細地分析一下。

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首先來看看什麼是汽車加速能力。所謂的汽車加速能力,是指汽車在各種使用條件下迅速增加行駛速度的能力。它的衡量标準一般有兩種:一種是原地起步加速時間,指汽車以最大加速度加速到某一預定的車速或距離所需的時間,主要參數有0~100km/h加速時間和0~60km/h加速時間,它反映的是汽車在中低速時的加速能力;另一種是汽車超車加速時間,是指汽車由某一較低車速全力加速至某一較高車速所需的時間,主要參數有60~100km/h加速時間和80~120km/h加速時間,它反映的是汽車在中高速時的加速能力,即汽車的超車能力。

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汽車加速能力是汽車動力性的一個重要指标,它與汽車的最高車速、爬坡能力合稱為汽車動力性三要素。汽車加速能力越強,汽車的動力性越好,我們開起來就越順手。同時,汽車加速能力也是行車安全的重要保障,它可以讓汽車以最快的速度脫離危險區域,比如我們在高速公路上超越大貨車時,超車時間越短我們越安全。所以,買車時在預算許可的範圍内,盡可能選擇動力性好的車型。

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那麼汽車的加速能力是由哪些因素決定的呢?相信很多人都會說是發動機。但是大家必須明确一點,就是再優秀的發動機,也不可能直接驅動車輪。發動機發出的動力,必須經過變速箱、驅動橋減速增扭後,再傳遞給車輪,驅動車輪旋轉,車輪給地面一個摩擦力。與此同時,地面給車輪一個反作用力,這個反作用力,才是驅動汽車前進的力量,也就是我們俗稱的驅動力。根據牛頓第二定律,

F=m·a

在汽車質量一定的前提下,驅動力越大,加速度越大,即汽車加速越快。所以,汽車加速能力的強弱,從最本質上來說,是由車輪上的驅動力決定的。

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大家都知道,發動機是汽車的動力之源,車輪上的驅動力也是由發動機提供的。衡量發動機動力性強弱的參數有功率和扭矩。那麼發動機的功率和扭矩哪一個對車輪上的驅動力影響更大呢?是不是扭矩越大,作用在車輪上的驅動力就越大呢?

為了更好地說明這個問題,我們取同一款車型的兩輛車,分别命名為甲車和乙車。甲車搭載最大功率100千瓦、最大扭矩140牛米的發動機,乙車搭載最大功率86千瓦、最大扭矩170牛米的發動機,匹配相同的五速手動變速箱,相同速比的驅動橋,傳動系統效率相同,使用同樣的輪胎,汽車整備質量相等,地面附着力足夠,車輪不會打滑。在這種條件下,我們來比較它們的加速能力。

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我們讓兩輛車同時以一檔最大油門起步加速。在不換擋的情況下,乙車的扭矩更大,傳遞到車輪上的驅動力更大,所以在起步是瞬間,乙車的加速是更快的。随着車速的增加,發動機轉速快速提升,發動機發出的扭矩開始下降,而功率持續上升。這個趨勢可以從發動機外特性曲線圖上看出來。

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根據功率與驅動力、速度關系的公式

P=F·v

可知,汽車的驅動力與功率成正比,與車速成反比。因此,在功率一定的前提下,汽車的車速越高,車輪所獲得的驅動力越小。當驅動力與行駛阻力平衡時,汽車就達到了這個檔位的最高車速,此時發動機也發出了這個檔位上的最大功率。所以,在行駛阻力相同的情況下,發動機功率越高,可以達到的最高車速越大。通過這些分析,我們可以得出一個結論:

功率低、扭矩大的乙車,在起步瞬間加速更快,但是随着車速的增加,驅動力減小,加速會越來越慢,最終達到一個較低的最高車速;而功率高、扭矩小的甲車,在起步瞬間加速稍慢,随着車速的增加,驅動力也會逐漸地減小,但是由于發動機扭矩平台更寬泛,減小的幅度小于乙車,所以它的持續加速的能力更強,最終達到一個較高的最高車速。比如乙車一檔的最高車速是42km/h,而甲車一檔的最高車速可以達到49km/h。也就是說,功率較高、扭矩較小的甲車,最終一定會超過功率較低、扭矩較大的乙車。

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同樣的道理,甲車在每一個檔位上的最高車速都要高于乙車。比如甲車二擋的最高車速是102km/h,而乙車二擋的最高車速隻有89km/h;甲車三擋的最高車速是135km/h,而乙車三擋擋的最高車速隻有106km/h;甲車四擋的最高車速是158km/h,而乙車四擋的最高車速隻有129km/h;在挂入五檔全力加速後,甲車可以達到的最高車速是185km/h,而乙車隻能達到155km/h的最高車速。

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上面讨論的是汽車在不換擋的情況下。在實際駕駛中,汽車是不斷地變換檔位的。在不同的檔位上,汽車會獲取不同的驅動力。下面是汽車的檔位-驅動力圖,可以看出,随着檔位的升高,汽車的驅動力逐漸減小,汽車的加速能力也越來越弱。這也是汽車為什麼要降檔超車的理論基礎。

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那麼在這種情況下,功率高與扭矩大哪一個加速更快呢?

還是以上面的車為例,我們要讓汽車獲得最大加速度,就要在最大功率點換擋。功率低、扭矩大的乙車,會更早地達到每一個檔位的最高車速,所以它必須提前換入更高的檔位,才能讓車速持續增加,但這樣操作會降低車輪上的驅動力;而功率高、扭矩小的甲車,可以延遲換入更高的檔位,用較高的轉速來持續輸出最大扭矩,用較低的檔位獲取更大的車輪驅動力。所以,功率高的甲車加速能力一定會好于扭矩大的乙車。在實踐中也證實了這一點,比如甲車用二擋、10秒就可以達到100km/h的車速,而乙車用三擋、12秒才能達到這樣的車速。

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從以上的分析中,我們得出的結論就是:功率才是決定汽車加速能力的最終因素,它是發動機綜合能力的天花闆。在同等條件下,發動機功率越大,汽車的加速能力越強。發動機扭矩較大而功率較低,汽車在低速時的驅動力較大,起步時的瞬間爆發力較強,但持續加速能力不足。比如柴油機就是典型的低功率、大扭矩的發動機,它一般應用在載重量較大的貨車上,它在中低速時有較強的驅動力,但是加速能力一般。

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此外,聰明的變速箱以及合适傳動比的傳動系統,也是影響汽車加速能力的重要因素。聰明的變速箱,能夠根據發動機負荷以及行駛阻力的變化随時調整擋位,汽車就可以得到更迅猛的加速。而愚笨的變速箱,不能在合适的轉速切換檔位,發動機動力沒有得到充分的發揮,會極大地影響汽車的加速能力。經常有車評人說某款車型是“一個變速箱毀所有”,就是這個意思。

還有就是,變速箱的檔位數量也是影響汽車加速能力的重要因素。檔位越多,換擋點越接近于最大功率曲線,可以最大程度地利用發動機功率,汽車的加速能力也就越強。這也是很多八速、九速變速箱的車型,百公裡加速比六速變速箱更好的重要原因。如果忽略傳動效率的因素,CVT無級變速箱是加速最快的變速箱,它幾乎可以緊貼着最大功率線換擋,發動機的動力浪費最少。

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在這裡有人提出了一個疑問,說汽車要想獲得最大加速度,為什麼要在最高功率點換擋而不是在最大驅動力點換擋。我們還是從汽車檔位-驅動力圖上來分析。如果汽車在最大驅動力點換擋,那麼汽車在提升檔位後,驅動力會有一個斷崖式的下降,會下落到下一個檔位上驅動力較低的轉速上,進而導緻汽車加速度減小。而在最高功率點換擋,可以把每一個檔位的驅動力全部用盡,換擋點更接近于最大功率曲線,換擋後汽車的驅動力會與下一個檔位有較好的銜接,驅動力更持續,從而獲取最大的加速度。

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此外,我們還可以用這個結論來解釋電動車起步加速較快、持續加速能力不足的現象。電動汽車的驅動力是由電機提供的,而電機的扭矩輸出特性是:在非常低的轉速時就可以輸出最大扭矩,而随着轉速的升高,電機阻抗增加,輸出扭矩反而下降。所以電動車起步加速較快、而持續加速能力不足,它的最高車速也是由電機的功率決定的。如果你的燃油車最高功率超過電動車的最高功率,雖然你起步時沒有它快,但你放心,最終你一定會超過它的。

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那麼我們在選購汽車時,如何用簡單的方法來比較汽車加速能力的強弱呢?單純地看發動機功率或者扭矩都不行,因為不同的車型,車重是不同的。大卡車幾百千瓦的功率,加速能力弱雞;而普通的家用車幾十千瓦的功率,輕輕松松超越大卡車。所以,我們一般用一個叫做推重比的概念來簡單衡量汽車的加速能力。

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用汽車重量(公斤)除以汽車的最大功率值(馬力或千瓦),稱為重量功率比,也叫推重比。比如某輛汽車的最大功率是150馬力,重量是1.5噸,那麼它的推重比就是

1500÷150=10公斤/馬力

這個數據表明,該車型1馬力隻負責驅動10公斤的重量。

推重比可以更直觀形象地表示汽車的加速潛力。推重比越小,表示汽車的加速潛力越大。比如上面的車型,換裝為180馬力的發動機,那麼它的推重比就是

1500÷180=8.3公斤/馬力

這表示該車型1馬力隻負責驅動8.3公斤的重量。顯然比1馬力推動10 公斤的重量更輕松,加速能力也更強。

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