扭矩、马力以及加速——自制推背图,帮你搞清楚!

扭矩、马力以及加速——自制推背图,帮你搞清楚!

要说马力重量比,你最能想起谁?

对我来说,科尼塞克One:1。因为它居然用名字来表示这一特性,1马力推1公斤,何其骄傲。你还能想起第二个这种方式命名的车吗?为何要用这个比值呢?

暗示其速度高?推高速其实和马力关系不大,高铁记录就已经快过500km/h的了,更完全无需1马力推1公斤。本田最近用台200匹的发动机破了NSX未曾实现的极速——421km/h。

可 以暗示其弯道快?也不对,马力再大,弯道也只用得上一部分。

既然也非速度、也非弯道,那还剩什么?你应该明确地想到——加速度。

关于车的直线性能,最本质的单位,不是速度,也非时间,而是加速度。

有人说我用时间也可以表示性能?但时间局限性较大,它只有一个结果,无法表明任意过程。譬如100km/h时的瞬间加速能力,很难用时间去表达。

为了测性能,绝大多数人会找个PBox去测时间。当你拿到了一笔这样的曲线,包含瞬时速度,以及用速度计算出来的g值

 

图1:速度-时间曲线

知道了自己的0-100曲线和结果,然后呢,有了谈资?但你除了看到中间换了两个档,或者这个值的大小,很难真的利用这个曲线去干什么。你不知道哪里是动作慢了,还是改装在哪一段起作用了。

再看对应的g值曲线,非PBox哦,而是来自传感器的,真正“纯”加速度数据:

图2:加速度-时间曲线

是不是顿时脑洞大开?这些时间里,人做了什么,车做了什么,一览无遗。

有了这个曲线,也就有了任意时刻的性能图谱。

回到主题,初中物理教过,F = m * a,力 = 质量x加速度,对于汽车来说基本是这样。另外,汽车之家也教过我们,加速性能 ≈ 马力 / 质量。

我们可以用两个维度来理解它们:

维度一,扭矩 与 加速度;

维度二,做功 与 能量变化。

我们先来聊聊1,扭矩与加速度。

因为我们已经知道性能式中,马力是分子,质量是分母。假设我们固定分母,则可以更好观察分子在这个式子中的作用:

加速度 = 发动机扭矩 * 传动比 /  轮胎半径 。(传动比即为总减速比,等于变速箱齿比*终传比)

再看加速度,是不是更清晰了?增大轮毂半径,会减小加速度;提高发动机扭矩,可以增大加速度;提高传动比,比如降低档、改大尾牙,可以增大加速度。

有了这个概念,再来定量看看对应速度:

速度 = 发动机转速 * 轮胎半径 / 传动比。因为汽车只要离合完全结合,则发动机转速与车速的关系是线性的。转速升几倍,速度就升几倍。如果刚才你升级了大尾牙,加速度升了,但同转速时速度就降了;如果改了大轮胎,同转速时加速度降了,但速度快了。最终依然符合功率的关系式P = F * V,对不?在不改变P的前提下,F 和 V是互相制约的,不可兼得。

如果你能坚持看到这里,一定是个爱车之人了。凉菜上完了,我们来点正餐吧:

以一台高尔夫R20的数据为基础,我用Excel制作了一个动力计算器。配置发动机扭矩、转速特性,就可以得到对应的马力、加速曲线。并可修改传动比来观察这些曲线的变化。绝对是你理解车辆移动本质的好工具。并且表格里增加了风阻、滚阻的设定,你可以修改车辆尺寸、轮胎半径,来观察更细微的影响。别处有没有我不知道,我这肯定是原创的,自制的哦!

QQ20161021-0

下载链接: Engine & gear vs. acceleration simulation

先来看计算器推算的第一笔数据,利用R20的发动机的扭矩资料,推导对应马力值,并计算对应速度下的最大加速度。同时模拟改了个略大的尾牙,做一个对比:

红色为尾牙改大后一档的加速特性

有了这个曲线,实际上就是不同速度下的推背感。也就是推背图

根据这个推背图,我们可以得到:

结论一:加速度取决于变速箱——同发动机扭矩,不同加速度

当然这里是为了简化描述,只的是传动减速的整个过程。同一个车,发动机确定后,加速度是可变的。取决于工程师对这个车的设定。要越野,变速箱前面还可以加个3倍放大。要买菜,做个经济的小齿比。小发动机,一样可以获得大轮上扭矩。更直白的例子就是绞盘了。不需要多大功率,齿轮慢慢转,力气可以很大。

有了结论一,你以后不必再与人争到底是扭矩决定加速,还是马力决定加速了。某人说的扭矩决定加速,只是静态的来看问题——抛开传动、轮毂,那当然是扭矩大的加速大了。但车与车不同,每个车的传动系数都不同。单看个发动机扭矩,未必“推背感强”。

从严格的字面来说,加速仅表示瞬时推背感,仅取决于当时的轮上扭矩。发动机扭矩只是轮上扭矩的一个因子,这个因子大,齿比因子小,轮上扭矩照样很小。

 

结论二:自吸未必力小——不同发动机扭矩,同样加速度

假如我找来一台本田的K24,并移植到这台R20上,别的什么都不改。假设两台发动机峰值马力一致。它们一档的加速曲线如下。

红线是R20的ea113换成k24后的加速表现. 这台K24配R20的变速箱,你会发现没法开得。在0-20的速度下没有足够的加速。而且整个1档,自吸都不如涡轮机创造的加速强。但随着转速的升高,自吸创造的加速可以维持到更高速度。这就是我们通常说的,自吸的后劲“绵长”。

但自吸的加速就一定弱于涡轮吗?我微调改了变速箱的传动比,现在再看:

通过替换更大的传动比,这台2.4的自吸车牺牲了一部分高速,创造了比涡轮更高的加速度。无非是齿比大,再大。当然,这样会牺牲经济性,还有进气、排气、以及其它问题会影响效率。这里暂不讨论。

结论三:0-1加速,手段在于传动比

既然某一段的加速度可以调节,那一台装了1.6 NA的高尔夫,能通过换变速箱实现GTI的成绩吗?

这里要先明确一点:上面讨论的,是瞬时的加速度。这个值决定了你的乘坐体验,爬坡能力,超车能力。一台霸道,4.0,在起步时可以获得非常大的加速,但它达到100km/h的提速时间却不少。

而我们有时说的加速快慢,是说0-1整段的用时。一台飞度g不大,但它的设定在0-1提速时非常平稳,最终时间也不多。这个时候我们说的“加速能力”,是指各个时间段的加速度的积分,是一个累加值。 这时候单看瞬时加速度,使用一个档显然不够了,需要多看几个档的曲线:

R20用不同档位能创造的加速度

一个好的0-1成绩,是寻求动力与传动双优解。上图是加速度图谱,如果是一位老奶奶开着R20,她的实际提速曲线可能是这样:

非常积极的升档,恨不得50km/h后就在6档了。这是最省油的开法。

而假如是年轻人玩命开,加速曲线可能是这样:

一个档恨不得用到断油,每次都切到底,干它!提速自然比老奶奶快。

如果你是手动挡,其实每天都在下意识利用这个曲线来应对各种场景,或者自动挡的变速箱在帮你思考选择哪个曲线(根据车速选择档位,既是从转速逻辑出发,本质亦是加速角度)。这时候我们讲一个车的提速,讲的就是多个档位的配合下的累加加速度。这个曲线的选择,关系到0-1的用时。这个曲线越饱满,转速越高、换挡越晚,用时越少。

很多人觉得发动机只有在极速时,发动机马力才能全部发挥。其实这是错的。来翻翻教材的功率图——

max power curve
《汽车理论》5,理论上CVT可以最暴力,当然这是理论

对于马力机来说,它不考量角加速度,只考量最高档时无加速的平衡状态。马力机认为只有最高档,接近极限速度时才能测出极限马力。但其实每个档都有机会达到发动机马力的峰值区间。因为对发动机来说,它的阻力不止来自坡、风、滚,同样也来自加速度。教材中是将加速度归为阻力的。

假设档位无限多,就能让发动机全程工作在峰值马力,自然性能也是最高的。因为根据P = F*V,更高的马力,意味着可以经过变速箱“调”出最大的轮上扭矩;另外,扭矩与马力是有固定公式的——马力=发动机扭矩*转速/9554,让每个档都工作在更高速下,对应转速越高,发挥的马力越大,配合对应的减速比,加速度才能更大。这是为啥在赛场上,很少提及扭矩,更多是强调马力多少。毕竟先确定发动机,再确定减速比。

如果我们要改一台专攻0-1的车,并可以任意改6个档的齿比,则车辆的极速设定为100km/h,根据上面的计算器,可以这台R20可以做成这样,这大概是3秒多的成绩。

gear ratio assume
如果是这个设定跑0-1,假设轮胎足够强,不改发动机也能进4秒了

如果是这个设定跑0-1,假设轮胎足够强,不到300匹的发动机拉1.5吨的车,也能进3秒了 。当然这只是示意,实际情况还有变速箱的换挡速度、轮胎极限、设计时速、油耗、机械结构等。

例如设计时速,上图的设定肯定不会出现在日常街道版的车上。我买了个600匹的车,发现最高档上不了200km/h,岂不是被外行笑话?所以实际给老百姓的车,这个曲线一定是尽可能拉伸到更高的速度的。

但如果一个600匹的车时速上不了200km/h,就一定不堪?感兴趣可以搜关键字:Ken Block Focus RS RX。砖叔这台车,600 匹,800NM, 1.3吨,极速203km/h,但0-100 1.9秒。多少600匹的车能做到?这车给你装X,你会嫌它上不了200,说它太慢了?说它有600匹也发挥不出?

intro

 

 

 

说到这里,我们已经从3个例子了解了扭矩、加速、马力、速度的关系。这其实是维度一。我还没有回答1.6的高尔夫能否跑出GTI的0-1成绩。

这时我们来看看维度二,

结论四:0-1加速,极限取决于马力/重量比

这是众所周知的结论,但我会从能量变化的角度来跟你解释。虽然它在设计上没有任何用处,但可以用来评估一个车的极限加速能力。

我们把上面老奶奶和小年轻开R20的加速曲线合并来看(苹果电脑不好用,画得草,大家谅解):

不同驾驶风格的加速度_速度曲线

这个曲线描述了两种驾驶风格,0-100km/h自然是两种结果。我们抛开枯燥的秒数结果,来看这两种风格的实际意义,这两个曲线所围成的面积,其实是同一个车在两个驾驶过程中的实际功率/重量比: ∑a*△v = (∑ma*△v )/m ≈ (∑F *△v )/m ≈ ∑Power / m

这里已经固定了质量M为1500kg,所以加速度-速度曲线,实际上是观察实际马力表现的好帮手。而一台车0-1的快慢,最终看的是轮上实际马力/重量。记住,是实际哦,如果遇到个笨变速箱,或者经济取向的齿比设定,那实际马力不会大的。

说了这么多,我所讲的性能,始终没有出现“时间”。换句话说,测试性能用时间,但测试性能,不唯时间。

就比如推算高尔夫1.6到底能跑多快,最终是看这个加速度-速度的曲线面积极限有多大。

简化情况,抛开各种坡、风阻、机械消耗、转动部件的动能,并且配备了宇宙终极变速箱,无限优化,让发动机始终满负荷工作在最大马力。则发动机做功 = 汽车动,1.6的发动机81kw,假设车重1500kg,则提速到100km/h所需时间最小值 =  ( mV^2 / 2) / 81000 = 7.10 秒。

好了,说到这里,我今天的存货也不多了。

总之,加速度,是测时间之外,了解性能非常重要的新途径。刷了程序,改了排气,换了轮圈?找个GSpot app,跑一圈g值图看看,会比0-1成绩更立体。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~······

很多人不明白加速的意义。但对我来说,想要了解一个车的加速特性,除了花3000买个pbox测0-1,也可以找个传感器测0-1过程中的g值。有了时间结果,你有了参照物。但g值,能给你解构过程的能力。

很多人一说到手机app测性能,首先想到手机app测0-1不准,误差多大。但其实是杀鸡用牛刀,用错地方了。只要你的手机自带g-sensor,找个好的app就可以画这样的曲线。一般iPhone的传感器测算g值的精度,高于0.01g。足以观察任何时间点的动力区别了。它天然与PBox这类用太空传来的信号测量米级位置的设备形成绝佳的互补。这时候即便是只有手机内置GPS,也足够来画精确的推背图。PBox?发达了再买吧。

蓝线为GSpot app输出g值。灰线为Pbox测算g值,原始Pbox文件点此,图表文件点此

 

所以,GSpot app可以给你一个0-100km/h的参考值,也可以配合Vbox sport给你一个与pbox一致的精确值。但GSpot app真正的价值,是任何速度下的g值。这也是性能的真正魅力所在。

 

2 thoughts on “扭矩、马力以及加速——自制推背图,帮你搞清楚!

  1. xiaokewu
    xiaokewu

    好文章

    1. admin
      admin

      谢谢支持!

Leave a Reply

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注