riko46
15-10-2009, 21:26
Εισαγωγή
-Το άρθρο αυτό φιλοδοξεί να διασαφηνίσει ένα θέμα που αν και σημαντικό οι περισσότεροι έχοντας συνηθήσει να το βλέπουμε παντού θεωρούμε την γνώση του δεδομένη ενω τελικά μάλλον αγνοούμε πλήρως την ουσία του και το τι εκφράζει.
Το θέμα αυτό είναι φυσικά οι έννοιες της ισχύος και της ροπής όσον αφορά τα αυτοκίνητα και τις μοτοσυκλέτες.
Σε όλες τις δοκιμές των περιοδικών αλλα και σε διαφημίσεις ή ανακοινώσεις των κατασκευαστών για κάθε όχημα δίνεται η τιμή της μέγιστης ισχύος, της μέγιστης ροπής και φυσικά οι στροφές λειτουργίας οπου οι τιμές αυτές αποδίδονται.
Eδώ αρχίζουν οι μεγάλες παρανοήσεις και τα στερεότυπα που έχουν δημιουργηθεί. Μερικά απο αυτά λένε πως "η ισχύς μας δείχνει πόσο γρήγορο είναι ενα αυτοκίνητο και η ροπή πόσο δυνατό", "για δύναμη σε χαμηλές ταχύτητες χρειαζόμαστε μεγάλη ροπή σε χαμηλές στροφές", "ενα ντίζελ αυτοκίνητο είναι πιο δυνατό απο ενα 'πολύστροφο' βενζινοκινητο μεγαλύτερης ισχύος" κλπ
Τα παραπάνω φυσικά είναι είτε υπεραπλουστευσεις είτε εντελώς λάνθασμένες απόψεις που όμως για κάποιον που έχει πλήρη άγνοια του αντικειμένου μπορούν να περιγράψουν αποσπασματικά την αίσθηση που δίνει κάποιο αυτοκίνητο, γι'αυτό άλλωστε έχουν επικρατήσει και καθιερωθεί τόσα χρόνια.
Ομως η μισή αλήθεια ισοδυναμεί με ψέμα, οπότε εδώ θα προσπαθήσουμε να εξετάσουμε το θέμα απο την αρχή και σφαιρικά ενω στο τέλος του άρθρου παρατίθονται κάποια παραδείγματα με πραγματικά δεδομένα για καλύτερη κατανόηση του θέματος
Ενέργεια ισχύς
Απο ενα αυτοκίνητο (ή μοτοσυκλέτα) το ζητούμενο είναι να μπορεί να μεταφέρει το φορτίο του (επιβάτες κλπ) και να μπορεί να επιταχύνει ή να διατηρεί την ταχύτητά του σε ανηφόρες ή όταν επικρατούν δυσμενείς εξωτερικές συνθήκες.Για το λόγο αυτό υπάρχει προφανώς ο κινητήρας ο οποίος παράγει ενέργεια η οποία θα καταλήξει εν τέλει στα λάστιχα και θα ωθήσει το όχημα.
Στους εμβολοφόρους ΜΕΚ των αυτοκινήτων η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται απο πολλές παραμέτρους, αν θεωρήσουμε πως εδώ εξετάζουμε την λειτουργία των κινητήρων υπο πλήρες φορτίο και απλοποιώντας εξωγενείς παράγοντες (ποιότητα καυσίμου, θερμοκρασία περιβάλλοντος κλπ) τότε μπορούμε με καλή προσέγγιση να θεωρήσουμε πως ο κινητήρας παράγει ενέργεια σε συνάρτηση με τις στροφές περιστροφής του.
Δηλαδή για το μέγεθος της ισχύς (παραγωγή ενέργειας στη μονάδα του χρόνου) θεωρούμε πως ενας κινητήρας σε συγκεκριμένες στροφές παράγει πάντα την ίδια ισχύ (πχ στις 3500rpm αποδίδει 100ps).
Αν ρίξουμε μια ματιά σε ενα οποιοδήποτε διάγραμμα ισχύος όπως το παρακάτω θα δούμε πως κάθε κινητήρας έχει ενα συγκεκριμένο φάσμα λειτουργίας και πως αν θέλουμε να έχουμε την μέγιστη δύναμη στους κινητήριους τροχούς (για να επιταχύνουμε ή για να υπερκεράσουμε κάποιο εμπόδιο, πχ ανηφόρα) τότε θα πρέπει να βρούμε ενα τρόπο ωστε να λειτουργούμε τον κινητήρα στις στροφές οπου αποδίδει το μέγιστο της ισχύος του.
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/power_GV20.jpg
Ο κινητήρας συνδέεται με τους τροχούς με τη βοήθεια του συστήματος μετάδοσης, οπότε η ταχύτητα περιστροφής του εξαρτάται άμεσα απο την ταχύτητα που κινείται το όχημα.Το σύστημα μετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό και τροχοί) είναι αυτό που με τον κατάλληλο 'συγχρονισμό' της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα και της ταχύτητας κίνησης του αυτοκινήτου θα μας βοηθήσει να διατηρούμε τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα στο σημείο οπου παράγει την επιθυμητή ισχύ για οποιαδήποτε ταχύτητα κίνησης.
Μέχρι τώρα αναφερθήκαμε στην ισχύ αλλα όχι στην ροπή, όπως θα δούμε και στην επόμενη παράγραφο η ροπή είναι ενα μέγεθος που μεταβάλεται συνέχεια στα διάφορα στάδια μεταξύ κινητήρα και τροχού ενω η ισχύς είναι το μέγεθος αυτό που παραμένει αναλλοίωτο (εκτός των απωλειών βέβαια).
ροή ισχύος
Ποια είναι λοιπόν η σχέση μεταξύ ροπής και ισχύος? Σε ενα μη περιστρεφόμενο σύστημα, αν πχ έχουμε μια μάζα που μετακινείται η ισχύς με βάση τη Νευτώνεια μηχανική μας δίνεται απο τον ρυθμό μεταβολής της ενέργειας. Αν θέλουμε να συμπεριλάβουμε το μέγεθος της ταχύτητας με απλές πράξεις προκύπτει πως η ισχύς δίνεται απο το γινόμενο ταχύτητας επι την δύναμη.
Δηλαδή για να μετακινήσουμε ενα βαρύ κιβώτιο με μικρή ταχύτητα θα καταναλώσουμε ίδια ισχύ με το να μετακινήσουμε ενα ελαφρύ κιβώτιο με μεγάλη ταχύτητα.
Στην περίπτωσή μας οπου το σύστημα είναι περιστρεφόμενο η ισχύς ισοδυναμεί με το γινόμενο της γωνιακής ταχύτητας (στροφές ανα λεπτό) επι την ροπή στρέψης, οπότε για δεδομένη ισχύ μπορούμε είτε να έχουμε μεγάλη ροπή και χαμηλή ταχύτητα περιστροφής είτε μικρή ροπή και υψηλή ταχύτητα περιστροφής.
Για την καλύτερη κατανόηση των μεγεθών της ισχύος, της ροπής και της ταχύτητας περιστροφής χρησιμοποιούμε τα παρακάτω διαγράμματα με το τετράγωνο ισχύος (περισσότερα στο κουτάκι δεξιά).
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube1.gif
(Μ=ροπή, ω=γωνιακή ταχύτητα, Thrust=ώση, Rw=ακτίνα τροχού)
Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε πως το -σταθερό- ποσό ισχύος που παράγει ο κινητήρας (σε συγκεκριμένες στροφές) αντιπροσωπεύεται απο το πλάτος του κάθε τετραγώνου. Σε κάθε στάδιο του συστήματος μετάδοσης μπορούμε να επιλέξουμε όποια 'στάθμη' του τετραγώνου μας βολεύει ωστε να έχουμε τον επιθυμητό συνδυασμό rpm και ροπής, ωστε στο τελικό στάδιο να έχουμε στην αντίστοιχη με την ταχύτητα κίνησης του οχήματος γωνιακή ταχύτητα την επιθυμητή ροπή η οποία πολλαπλασιαζόμενη με την ακτίνα του τροχού θα μας δώσει την δύναμη που ασκείται στο δρόμο (ώση).
Μια παρατήρηση εδώ, το σύστημα μετάδοσης είναι πολύ σημαντικό, ίσως εξίσου σημαντικό με τον κινητήρα, όπως βλέπουμε και στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να φτάσουμε στο ίδιο αποτέλεσμα ώσης στον τροχό (σε συγκεκριμένη ταχύτητα) απο δύο διαφορετικούς κινητήρες (Κ1 και Κ2 στο σχήμα) με εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας:
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube2.gif
Αν είχαμε μόνο μια σταθερή σχέση μετάδοσης (συγκεκριμένες στροφές ανα λεπτό λειτουργίας του κινητήρα να αντιστοιχούν σε συγκεκριμένη ταχύτητα κίνησης) τότε θα μπορούσαμε να εκμεταλευτούμε το φάσμα της λειτουργίας του κινητήρα στο μέγιστο της απόδοσής του μόνο σε πολύ συγκεκριμένες ταχύτητες κίνησης.
Για το λόγο αυτό λοιπόν υπάρχει το κιβώτιο ταχυτήτων, ωστε να μπορούμε να ρυθμίζουμε τον συσχετισμό ταχύτητας κίνησης και ταχύτητας περιστροφής κινητήρα σε μεγαλύτερο εύρος:
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube3.gif
Βλέπουμε εδώ πως με 3 ταχύτητες μπορούμε να λειτουργούμε τον κινητήρα στη μέγιστη ισχύ για 5 συγκεκριμένες ταχύτητες κίνησης, στις ενδιάμεσες ταχύτητες κίνησης ο κινητήρας δουλεύει αποδίδοντας μικρότερη της μέγιστης ισχύς, οπότε στο διάγραμμα θα ήταν σαν να είχαμε μικρότερο πλάτος τετραγώνου.
...........................:cool:
-Το άρθρο αυτό φιλοδοξεί να διασαφηνίσει ένα θέμα που αν και σημαντικό οι περισσότεροι έχοντας συνηθήσει να το βλέπουμε παντού θεωρούμε την γνώση του δεδομένη ενω τελικά μάλλον αγνοούμε πλήρως την ουσία του και το τι εκφράζει.
Το θέμα αυτό είναι φυσικά οι έννοιες της ισχύος και της ροπής όσον αφορά τα αυτοκίνητα και τις μοτοσυκλέτες.
Σε όλες τις δοκιμές των περιοδικών αλλα και σε διαφημίσεις ή ανακοινώσεις των κατασκευαστών για κάθε όχημα δίνεται η τιμή της μέγιστης ισχύος, της μέγιστης ροπής και φυσικά οι στροφές λειτουργίας οπου οι τιμές αυτές αποδίδονται.
Eδώ αρχίζουν οι μεγάλες παρανοήσεις και τα στερεότυπα που έχουν δημιουργηθεί. Μερικά απο αυτά λένε πως "η ισχύς μας δείχνει πόσο γρήγορο είναι ενα αυτοκίνητο και η ροπή πόσο δυνατό", "για δύναμη σε χαμηλές ταχύτητες χρειαζόμαστε μεγάλη ροπή σε χαμηλές στροφές", "ενα ντίζελ αυτοκίνητο είναι πιο δυνατό απο ενα 'πολύστροφο' βενζινοκινητο μεγαλύτερης ισχύος" κλπ
Τα παραπάνω φυσικά είναι είτε υπεραπλουστευσεις είτε εντελώς λάνθασμένες απόψεις που όμως για κάποιον που έχει πλήρη άγνοια του αντικειμένου μπορούν να περιγράψουν αποσπασματικά την αίσθηση που δίνει κάποιο αυτοκίνητο, γι'αυτό άλλωστε έχουν επικρατήσει και καθιερωθεί τόσα χρόνια.
Ομως η μισή αλήθεια ισοδυναμεί με ψέμα, οπότε εδώ θα προσπαθήσουμε να εξετάσουμε το θέμα απο την αρχή και σφαιρικά ενω στο τέλος του άρθρου παρατίθονται κάποια παραδείγματα με πραγματικά δεδομένα για καλύτερη κατανόηση του θέματος
Ενέργεια ισχύς
Απο ενα αυτοκίνητο (ή μοτοσυκλέτα) το ζητούμενο είναι να μπορεί να μεταφέρει το φορτίο του (επιβάτες κλπ) και να μπορεί να επιταχύνει ή να διατηρεί την ταχύτητά του σε ανηφόρες ή όταν επικρατούν δυσμενείς εξωτερικές συνθήκες.Για το λόγο αυτό υπάρχει προφανώς ο κινητήρας ο οποίος παράγει ενέργεια η οποία θα καταλήξει εν τέλει στα λάστιχα και θα ωθήσει το όχημα.
Στους εμβολοφόρους ΜΕΚ των αυτοκινήτων η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται απο πολλές παραμέτρους, αν θεωρήσουμε πως εδώ εξετάζουμε την λειτουργία των κινητήρων υπο πλήρες φορτίο και απλοποιώντας εξωγενείς παράγοντες (ποιότητα καυσίμου, θερμοκρασία περιβάλλοντος κλπ) τότε μπορούμε με καλή προσέγγιση να θεωρήσουμε πως ο κινητήρας παράγει ενέργεια σε συνάρτηση με τις στροφές περιστροφής του.
Δηλαδή για το μέγεθος της ισχύς (παραγωγή ενέργειας στη μονάδα του χρόνου) θεωρούμε πως ενας κινητήρας σε συγκεκριμένες στροφές παράγει πάντα την ίδια ισχύ (πχ στις 3500rpm αποδίδει 100ps).
Αν ρίξουμε μια ματιά σε ενα οποιοδήποτε διάγραμμα ισχύος όπως το παρακάτω θα δούμε πως κάθε κινητήρας έχει ενα συγκεκριμένο φάσμα λειτουργίας και πως αν θέλουμε να έχουμε την μέγιστη δύναμη στους κινητήριους τροχούς (για να επιταχύνουμε ή για να υπερκεράσουμε κάποιο εμπόδιο, πχ ανηφόρα) τότε θα πρέπει να βρούμε ενα τρόπο ωστε να λειτουργούμε τον κινητήρα στις στροφές οπου αποδίδει το μέγιστο της ισχύος του.
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/power_GV20.jpg
Ο κινητήρας συνδέεται με τους τροχούς με τη βοήθεια του συστήματος μετάδοσης, οπότε η ταχύτητα περιστροφής του εξαρτάται άμεσα απο την ταχύτητα που κινείται το όχημα.Το σύστημα μετάδοσης (κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό και τροχοί) είναι αυτό που με τον κατάλληλο 'συγχρονισμό' της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα και της ταχύτητας κίνησης του αυτοκινήτου θα μας βοηθήσει να διατηρούμε τις στροφές λειτουργίας του κινητήρα στο σημείο οπου παράγει την επιθυμητή ισχύ για οποιαδήποτε ταχύτητα κίνησης.
Μέχρι τώρα αναφερθήκαμε στην ισχύ αλλα όχι στην ροπή, όπως θα δούμε και στην επόμενη παράγραφο η ροπή είναι ενα μέγεθος που μεταβάλεται συνέχεια στα διάφορα στάδια μεταξύ κινητήρα και τροχού ενω η ισχύς είναι το μέγεθος αυτό που παραμένει αναλλοίωτο (εκτός των απωλειών βέβαια).
ροή ισχύος
Ποια είναι λοιπόν η σχέση μεταξύ ροπής και ισχύος? Σε ενα μη περιστρεφόμενο σύστημα, αν πχ έχουμε μια μάζα που μετακινείται η ισχύς με βάση τη Νευτώνεια μηχανική μας δίνεται απο τον ρυθμό μεταβολής της ενέργειας. Αν θέλουμε να συμπεριλάβουμε το μέγεθος της ταχύτητας με απλές πράξεις προκύπτει πως η ισχύς δίνεται απο το γινόμενο ταχύτητας επι την δύναμη.
Δηλαδή για να μετακινήσουμε ενα βαρύ κιβώτιο με μικρή ταχύτητα θα καταναλώσουμε ίδια ισχύ με το να μετακινήσουμε ενα ελαφρύ κιβώτιο με μεγάλη ταχύτητα.
Στην περίπτωσή μας οπου το σύστημα είναι περιστρεφόμενο η ισχύς ισοδυναμεί με το γινόμενο της γωνιακής ταχύτητας (στροφές ανα λεπτό) επι την ροπή στρέψης, οπότε για δεδομένη ισχύ μπορούμε είτε να έχουμε μεγάλη ροπή και χαμηλή ταχύτητα περιστροφής είτε μικρή ροπή και υψηλή ταχύτητα περιστροφής.
Για την καλύτερη κατανόηση των μεγεθών της ισχύος, της ροπής και της ταχύτητας περιστροφής χρησιμοποιούμε τα παρακάτω διαγράμματα με το τετράγωνο ισχύος (περισσότερα στο κουτάκι δεξιά).
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube1.gif
(Μ=ροπή, ω=γωνιακή ταχύτητα, Thrust=ώση, Rw=ακτίνα τροχού)
Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε πως το -σταθερό- ποσό ισχύος που παράγει ο κινητήρας (σε συγκεκριμένες στροφές) αντιπροσωπεύεται απο το πλάτος του κάθε τετραγώνου. Σε κάθε στάδιο του συστήματος μετάδοσης μπορούμε να επιλέξουμε όποια 'στάθμη' του τετραγώνου μας βολεύει ωστε να έχουμε τον επιθυμητό συνδυασμό rpm και ροπής, ωστε στο τελικό στάδιο να έχουμε στην αντίστοιχη με την ταχύτητα κίνησης του οχήματος γωνιακή ταχύτητα την επιθυμητή ροπή η οποία πολλαπλασιαζόμενη με την ακτίνα του τροχού θα μας δώσει την δύναμη που ασκείται στο δρόμο (ώση).
Μια παρατήρηση εδώ, το σύστημα μετάδοσης είναι πολύ σημαντικό, ίσως εξίσου σημαντικό με τον κινητήρα, όπως βλέπουμε και στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να φτάσουμε στο ίδιο αποτέλεσμα ώσης στον τροχό (σε συγκεκριμένη ταχύτητα) απο δύο διαφορετικούς κινητήρες (Κ1 και Κ2 στο σχήμα) με εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας:
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube2.gif
Αν είχαμε μόνο μια σταθερή σχέση μετάδοσης (συγκεκριμένες στροφές ανα λεπτό λειτουργίας του κινητήρα να αντιστοιχούν σε συγκεκριμένη ταχύτητα κίνησης) τότε θα μπορούσαμε να εκμεταλευτούμε το φάσμα της λειτουργίας του κινητήρα στο μέγιστο της απόδοσής του μόνο σε πολύ συγκεκριμένες ταχύτητες κίνησης.
Για το λόγο αυτό λοιπόν υπάρχει το κιβώτιο ταχυτήτων, ωστε να μπορούμε να ρυθμίζουμε τον συσχετισμό ταχύτητας κίνησης και ταχύτητας περιστροφής κινητήρα σε μεγαλύτερο εύρος:
http://www.robotpig.net/automotive/thrust/cube3.gif
Βλέπουμε εδώ πως με 3 ταχύτητες μπορούμε να λειτουργούμε τον κινητήρα στη μέγιστη ισχύ για 5 συγκεκριμένες ταχύτητες κίνησης, στις ενδιάμεσες ταχύτητες κίνησης ο κινητήρας δουλεύει αποδίδοντας μικρότερη της μέγιστης ισχύς, οπότε στο διάγραμμα θα ήταν σαν να είχαμε μικρότερο πλάτος τετραγώνου.
...........................:cool: