发信人: xtx (鱼非鱼), 信区: AutoSpeed
标 题: 决定汽车牵引力的是功率而不是扭矩
发信站: 南京大学小百合站 (Sat Feb 14 04:36:21 2015)
以前知乎上写的
对于发动机来说，汽车的最大加速度理论上只与最大马力有关，只是因为日常驾驶，汽车
很少运行在最大马力的状态下，我们才要关心最大扭矩。
对于非汽车专业的人来说，这个结论可能很耸人听闻。不对吧，最大功率（即最大马力，
区别只在于单位量纲）应该是决定了最大速度啊，功率是移动车辆做功的速度啊。最大加
速度应该是最大扭矩决定的啊，扭矩越大，传导到车轮上的力矩就越大。所以加速度就越
快啊！实不相瞒，我曾经也被这种观点蒙蔽过。后来查了不少资料，才总算解了惑。
我这里用三种不同的方法，证明为什么功率决定了加速度，都是高中物理
方法一：加速度=（牵引力-阻力）/车重，车重一定，任意给定速度下阻力也一定，所以加
速度决定于牵引力。牵引力=轮上扭矩/车轮半径=发动机扭矩*扭矩的放大倍数/车轮半径=
发动机扭矩*(发动机转速/车轮转速)/车轮半径=发动机功率/(车轮转速*车轮半径)。车轮
半径一定，在任意给定速度下，车轮转速是一定的，所以看加速度能达到多大的水平，就
应该看功率.
方法二：功率=牵引力x速度，P=FV。在每个给定的汽车速度下，功率越大，也就是牵引力
越大（注意牵引力跟扭矩并没有直接关系）；而牵引力越大，加速度也就越大（给定速度
下阻力也是一定的）
方法三：动能=功率x时间，E=PT。车的动能等于二分之一的质量与速度平方的乘积（1/2*
m*v^2）。同样从速度a到速度b，增加的动能是一定的。而功率越大，所需的时间也就越小
。
后两种描述的方法，都对实际车辆运行有一定的简化，对于第二种方法，有发动机输出功
率并不等于轮上功率的问题。对于第三种方法有动能增加的过程中，发动机做功有通过各
种摩擦变成热能损耗的情况。
不过想必看到这里，你已经开始怀疑最大扭矩决定最大加速度这种说法了。下面开始更详
细的讲解。
首先，功率和扭矩并不是无关的两个变量。功率=扭矩x转速， P=Tw。功率和扭矩是直接正
相关的。那你可能要问，为什么有的车最大扭矩大，但最大功率小；有的车最大功率大，
但最大扭矩小呢？
这是因为，一个发动机的最大扭矩大，并不一定在各个转速下扭矩都大。如果一台发动机
偏低转发力，比如柴油发动机和涡轮增压发动机，那么虽然它的最大扭矩大，但最大扭矩
时的转速低，二者的乘积并不大；而高转时扭矩又太低，二者的乘积依然很小。而发力偏
高转的发动机，比如本田的VTEC发动机，最大扭矩在很高的转速出现，此时二者的乘积也
能达到非常大的水平。
因为这种功率等于扭矩和转速的乘积的关系，对于一个发动机，在转速超过了最大扭矩区
间以后，最大功率却可能是上升的。
那么问题来了，当汽车以某个档位行驶的时候，因为我们一直踩油门加速，转速会不断升
高，以至超过最大扭矩输出的转速区间，此时扭矩在下降，功率在上升，在超过最大扭矩
两秒之后，现在转速已经到达了最大功率区。现在我们有两个选择，一：继续维持现有档
位，保持最大功率。二、选择升档，降低转速，使得转速落在最大扭矩区。这两个选择哪
个可以达到更快的提速？
你是不是觉得应该选择第二个呢？但其实正确答案是一，虽然此时档位不变，扭矩输出相
比两秒之 前已经减小，车的加速度确实在下降，但已经到了这个地步，继续在该档位死撑
，比升档降转速到最大扭矩区的方式加速度更快。
看到这你是不是又觉得我在胡扯？既然『两秒前的最大扭矩转速的加速度』比『现在的最
大功率转速的加速度』高，为什么『现在的最大扭矩转速的加速度』反而比『现在的最大
功率转速的加速度』低呢？
实际上，真实的大小关系是这样的『两秒前的最大功率转速的加速度』>『两秒前的最大扭
矩转速的加速度』>『现在的最大功率转速的加速度』>『现在的最大扭矩转速的加速度』
。实际上在两秒前，你档位放的太高了，转速太低，以至于两秒前你在最大扭矩转速的时
候，根本没有达到这辆车能达到的最大加速度。
这里就要涉及变速箱是起什么作用的了。
发动机的转速大家知道是很高的，几千转，但车轮是不可能以这么高的转速运行的。而且
发动机的扭矩一般也就上百牛米，而扭矩=力x力臂，如果车轮上是同样的扭矩的话，因为
力臂比发动机曲轴更短，反而力更小。假设车轮半径是0.3m，扭矩是90nm的话，牵引力才
只有300牛顿，差不多相当于一条30公斤的大狗所受的重力，是不可能能驱动汽车这个一吨
多的庞然大物的。
那么汽车传动机构的作用，就是根据功率=扭矩x转速的原理，把转速变慢，再把扭矩放大
。越低的档位，这个放大的倍数就越明显，就越是低转速，高扭矩。所以这是为什么爬坡
要用低档，超车要降档（只要你的转速没有超过最大功率转速）的原理。
那么回到我们刚才的问题，为什么升高了档位，达到最大扭矩以后，加速度反而下降了呢
？因为在车速一定的情况下，升高档位，降低了转速，意味着减少转速缩小的倍数，也就
是扭矩放大的倍数。此时虽然发动机扭矩变大，但车轮上的扭矩却是减少了。
所以说，认为最大扭矩决定了最大加速度的同学，在两步推理里面，其中一步是错的。车
轮上的扭矩确实决定了汽车的加速度，但车轮的扭矩却不是发动机的扭矩决定的，而是发
动机的扭矩和转速共同决定的，也就是发动机的功率决定的。同样的扭矩，转速越高，对
于一定的汽车速度，也就可以用更低的档位，更高的放大倍数，去放大发动机的扭矩。用
公式来说，就是：
轮上扭矩=发动机扭矩*扭矩的放大倍数=发动机扭矩*发动机转速/车轮转速=发动机功率/车
轮转速。
理论上，一台发动机扭矩可以非常小，但只要转速极高，达到上百万转，一样可以让汽车
加速非常快。只不过承受这么高转速的发动机和倍数如此大的变速箱目前还造不出来。
现在 大家明白了吧？
不过可能好奇的同学此时又要问，那为什么很多汽车媒体在评测车的时候还要提最大扭矩
呢？这是因为两个原因：
一、因为不存在完美的无级变速器，可以使发动机一直维持在最大功率的转速，所以在升
档的过程中，转速可能会掉到比较低的区间。对于没有弹射起步模式的汽车来说，起步初
段要用到比较低的转速下的功率。而最大扭矩高低常常能反映较低转速时功率输出怎么样
。但此时更好的办法是去看实际的功率输出曲线。
二、日常驾驶，我们很少会用到六七千转那么高的转速，此时虽然加速快，但噪音大，抖
动大，油耗高，既不经济也不舒适。而家用车则是追求经济舒适的。一台车最大功率较低
，最大扭矩较高，一般说明这台车的发动机偏低转发力，能更好的平衡经济性、舒适性和
动力性。
另外不排除国内有些媒体加速度到底是由什么决定的这个基本问题没搞懂。
对于发动机研发来说，扭矩是发动机的最重要特性，但对于用户，如果要追求极限动力，
还是看最大马力就可以了。这也是为什么国外权威的媒体比较动力性，只看最大马力/车重
。不看最大扭矩/车重的原因
如果你追求的是动力性和油耗的平衡，那么看参数的话，对于同排量的汽油和柴油的自然
吸气发动机，你应该看最大扭矩。如果你还要 考虑噪音，那么应该看1500-3000转的扭矩
输出。不过要注意的一点的是，虽然涡轮增压发动机常常在这一区间扭矩优势很大，但因
为涡轮运转本身有噪音，所以并不见得舒适。
--
※ 来源:．南京大学小百合站 http://bbs.nju.edu.cn [FROM: 104.32.111.25]
标 题: 决定汽车牵引力的是功率而不是扭矩
发信站: 南京大学小百合站 (Sat Feb 14 04:36:21 2015)
以前知乎上写的
对于发动机来说，汽车的最大加速度理论上只与最大马力有关，只是因为日常驾驶，汽车
很少运行在最大马力的状态下，我们才要关心最大扭矩。
对于非汽车专业的人来说，这个结论可能很耸人听闻。不对吧，最大功率（即最大马力，
区别只在于单位量纲）应该是决定了最大速度啊，功率是移动车辆做功的速度啊。最大加
速度应该是最大扭矩决定的啊，扭矩越大，传导到车轮上的力矩就越大。所以加速度就越
快啊！实不相瞒，我曾经也被这种观点蒙蔽过。后来查了不少资料，才总算解了惑。
我这里用三种不同的方法，证明为什么功率决定了加速度，都是高中物理
方法一：加速度=（牵引力-阻力）/车重，车重一定，任意给定速度下阻力也一定，所以加
速度决定于牵引力。牵引力=轮上扭矩/车轮半径=发动机扭矩*扭矩的放大倍数/车轮半径=
发动机扭矩*(发动机转速/车轮转速)/车轮半径=发动机功率/(车轮转速*车轮半径)。车轮
半径一定，在任意给定速度下，车轮转速是一定的，所以看加速度能达到多大的水平，就
应该看功率.
方法二：功率=牵引力x速度，P=FV。在每个给定的汽车速度下，功率越大，也就是牵引力
越大（注意牵引力跟扭矩并没有直接关系）；而牵引力越大，加速度也就越大（给定速度
下阻力也是一定的）
方法三：动能=功率x时间，E=PT。车的动能等于二分之一的质量与速度平方的乘积（1/2*
m*v^2）。同样从速度a到速度b，增加的动能是一定的。而功率越大，所需的时间也就越小
。
后两种描述的方法，都对实际车辆运行有一定的简化，对于第二种方法，有发动机输出功
率并不等于轮上功率的问题。对于第三种方法有动能增加的过程中，发动机做功有通过各
种摩擦变成热能损耗的情况。
不过想必看到这里，你已经开始怀疑最大扭矩决定最大加速度这种说法了。下面开始更详
细的讲解。
首先，功率和扭矩并不是无关的两个变量。功率=扭矩x转速， P=Tw。功率和扭矩是直接正
相关的。那你可能要问，为什么有的车最大扭矩大，但最大功率小；有的车最大功率大，
但最大扭矩小呢？
这是因为，一个发动机的最大扭矩大，并不一定在各个转速下扭矩都大。如果一台发动机
偏低转发力，比如柴油发动机和涡轮增压发动机，那么虽然它的最大扭矩大，但最大扭矩
时的转速低，二者的乘积并不大；而高转时扭矩又太低，二者的乘积依然很小。而发力偏
高转的发动机，比如本田的VTEC发动机，最大扭矩在很高的转速出现，此时二者的乘积也
能达到非常大的水平。
因为这种功率等于扭矩和转速的乘积的关系，对于一个发动机，在转速超过了最大扭矩区
间以后，最大功率却可能是上升的。
那么问题来了，当汽车以某个档位行驶的时候，因为我们一直踩油门加速，转速会不断升
高，以至超过最大扭矩输出的转速区间，此时扭矩在下降，功率在上升，在超过最大扭矩
两秒之后，现在转速已经到达了最大功率区。现在我们有两个选择，一：继续维持现有档
位，保持最大功率。二、选择升档，降低转速，使得转速落在最大扭矩区。这两个选择哪
个可以达到更快的提速？
你是不是觉得应该选择第二个呢？但其实正确答案是一，虽然此时档位不变，扭矩输出相
比两秒之 前已经减小，车的加速度确实在下降，但已经到了这个地步，继续在该档位死撑
，比升档降转速到最大扭矩区的方式加速度更快。
看到这你是不是又觉得我在胡扯？既然『两秒前的最大扭矩转速的加速度』比『现在的最
大功率转速的加速度』高，为什么『现在的最大扭矩转速的加速度』反而比『现在的最大
功率转速的加速度』低呢？
实际上，真实的大小关系是这样的『两秒前的最大功率转速的加速度』>『两秒前的最大扭
矩转速的加速度』>『现在的最大功率转速的加速度』>『现在的最大扭矩转速的加速度』
。实际上在两秒前，你档位放的太高了，转速太低，以至于两秒前你在最大扭矩转速的时
候，根本没有达到这辆车能达到的最大加速度。
这里就要涉及变速箱是起什么作用的了。
发动机的转速大家知道是很高的，几千转，但车轮是不可能以这么高的转速运行的。而且
发动机的扭矩一般也就上百牛米，而扭矩=力x力臂，如果车轮上是同样的扭矩的话，因为
力臂比发动机曲轴更短，反而力更小。假设车轮半径是0.3m，扭矩是90nm的话，牵引力才
只有300牛顿，差不多相当于一条30公斤的大狗所受的重力，是不可能能驱动汽车这个一吨
多的庞然大物的。
那么汽车传动机构的作用，就是根据功率=扭矩x转速的原理，把转速变慢，再把扭矩放大
。越低的档位，这个放大的倍数就越明显，就越是低转速，高扭矩。所以这是为什么爬坡
要用低档，超车要降档（只要你的转速没有超过最大功率转速）的原理。
那么回到我们刚才的问题，为什么升高了档位，达到最大扭矩以后，加速度反而下降了呢
？因为在车速一定的情况下，升高档位，降低了转速，意味着减少转速缩小的倍数，也就
是扭矩放大的倍数。此时虽然发动机扭矩变大，但车轮上的扭矩却是减少了。
所以说，认为最大扭矩决定了最大加速度的同学，在两步推理里面，其中一步是错的。车
轮上的扭矩确实决定了汽车的加速度，但车轮的扭矩却不是发动机的扭矩决定的，而是发
动机的扭矩和转速共同决定的，也就是发动机的功率决定的。同样的扭矩，转速越高，对
于一定的汽车速度，也就可以用更低的档位，更高的放大倍数，去放大发动机的扭矩。用
公式来说，就是：
轮上扭矩=发动机扭矩*扭矩的放大倍数=发动机扭矩*发动机转速/车轮转速=发动机功率/车
轮转速。
理论上，一台发动机扭矩可以非常小，但只要转速极高，达到上百万转，一样可以让汽车
加速非常快。只不过承受这么高转速的发动机和倍数如此大的变速箱目前还造不出来。
现在 大家明白了吧？
不过可能好奇的同学此时又要问，那为什么很多汽车媒体在评测车的时候还要提最大扭矩
呢？这是因为两个原因：
一、因为不存在完美的无级变速器，可以使发动机一直维持在最大功率的转速，所以在升
档的过程中，转速可能会掉到比较低的区间。对于没有弹射起步模式的汽车来说，起步初
段要用到比较低的转速下的功率。而最大扭矩高低常常能反映较低转速时功率输出怎么样
。但此时更好的办法是去看实际的功率输出曲线。
二、日常驾驶，我们很少会用到六七千转那么高的转速，此时虽然加速快，但噪音大，抖
动大，油耗高，既不经济也不舒适。而家用车则是追求经济舒适的。一台车最大功率较低
，最大扭矩较高，一般说明这台车的发动机偏低转发力，能更好的平衡经济性、舒适性和
动力性。
另外不排除国内有些媒体加速度到底是由什么决定的这个基本问题没搞懂。
对于发动机研发来说，扭矩是发动机的最重要特性，但对于用户，如果要追求极限动力，
还是看最大马力就可以了。这也是为什么国外权威的媒体比较动力性，只看最大马力/车重
。不看最大扭矩/车重的原因
如果你追求的是动力性和油耗的平衡，那么看参数的话，对于同排量的汽油和柴油的自然
吸气发动机，你应该看最大扭矩。如果你还要 考虑噪音，那么应该看1500-3000转的扭矩
输出。不过要注意的一点的是，虽然涡轮增压发动机常常在这一区间扭矩优势很大，但因
为涡轮运转本身有噪音，所以并不见得舒适。
--
※ 来源:．南京大学小百合站 http://bbs.nju.edu.cn [FROM: 104.32.111.25]
No comments:
Post a Comment