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汽车的动力性,到底是马力还是扭矩?

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苏黎世贝勒爷,Control system engineer

经典问题,老生常谈,我来尝试总结概括一下。

这个问题应该是汽车爱好者和媒体很多时候经常讨论或者争执的一个问题,排名靠前的几个答案说的没错,主流认知的所谓扭矩越大加速越快的说法,在有变速箱的汽车上,不能说是错的,但是毋庸置疑是片面和有误导性的。我刚开始学习汽车的时候,在大一就被这种似是而非的论调迷惑过,不过大一暑假的时候就彻底搞清楚了。看着晒图和公式的这些年轻人,想起追求真理真相的那股冲劲儿,当时自己也是这样过来的,非常感慨。

只不过经过了这快十年的沉淀,现在这一切早已了然于胸,开过的车和做过的动力系统都有些量了,看这个问题也比较清晰简单,可以做以下几个简单的总结性陈述。如果你看了下面几段话,都能明白他的意思,你应该是比较透彻地理解了在汽车领域内,发动机扭矩、马力、加速以及极速之间的关系。我会从三部分来总结这个问题。

I. 事实

II. 对于事实第二点主流观点的一些评论和第二点的本质原因

III. 实际生活中的重要理解

 

I. 事实

1. 最高车速由最大马力决定。(毋庸置疑的)

2. 任何车速下,车辆的加速度由当时发动机输出的最大功率决定。(容易有争议的)

II. 对于事实第二点主流观点的一些评论和第二点的本质原因

扭矩越大加速越快在同一档位的情况下是没错的,可是这就等于在说你是你妈生的,是废话,错不了。

仔细想想这是对问题的以偏概全和偷换概念,因为真正比较加速不是这个比法,肯定是要在相同车速下,进行不同档位的比较(才能比出到底是扭矩还是功率是加速的本因)。所以同时比较一个自然吸气发动机 2 档 6000 转(最大功率转速)扭矩小但是功率大和 3 档 4000 转(最大扭矩转速)扭矩大但是转速小的加速区别,显然是 2 档快。原因就是 3 档扭矩虽然大,但是档位高所以扭矩要被变速器削减(按照 3/2 档位的比例),而削减完后输出端的扭矩和 2 档输出端的扭矩相比,比例正好是他们功率的比值,所以本质原因还是比功率。(以上类比适用于任何低档位高转速和高档位低转速,只要 W.O.T 全油门,只要在可行转速范围内,都是低档位的加速快,因为功率大)

这里斗胆给出一个个人认为最精简回答,就变速箱理论方面。如果有更精炼完善的方法,希望大神赐教,汽车的动力系统里加速看功率的本质物理学原因是:

扭矩在转动坐标系变换(换挡)的情况下是变幻量(根据齿比的变化反比例变化),而功率是坐标系变换的不变量。

感慨一下,其实要是没有转动坐标系这个东西,就没这么多 confusion 了,可偏偏汽车发动机输出的是扭矩而且转速是有区间的……所以才会有变速箱这个东西……所以……

(还不知道为什么发动机有怠速和红线??在之前我的回答里可以找到答案发动机输出最大扭矩时的转速为什么会出现一个范围?而有的则是一个定值? - 汽车 - 知乎

III. 实际生活中的重要理解

这还没完,对于大多数不是工程师的人来说,跟他说上面的加速靠功率还是比较不直观的,还容易把他们搞晕。所以对于想买车的人我一般的解释方法都是,加速不光看(一台发动机的)最大功率,还要看(这台发动机的)最大扭矩。任何状态下的加速是取决于当时的功率(不是这台发动机的最大功率),最大功率(发动机的)如果相同,扭矩越大就意味着动力系统越饱满,也就是所谓的低速扭矩(这个时候也就是低速功率)越多,也就是当时驾驶时的功率越大,加速越快,生活实用驾驶中动力性越好。这就是为什么,

相同最大功率输出下,大排量自吸比中小排量自吸起步和中段加速快。

相同最大功率输出下,涡轮增压比自然吸气起步和中段加速快。

相同最大功率输出下,柴油车比汽油车起步和中段加速快。

相同最大功率输出下,电动车加速比汽油车 / 柴油车快(而且还是在没有档位的情况下),也就是有些人标准中的理想动力系统(虽然我不太认同)

不过需要注意的,我说的是起步和中段加速(也就意味着是起步中低转速和巡航低转速),到了全油门每个档位输出最大功率(高转速区间)的时候,显然就没有什么区别了。

这里总结一句这部分的概括,实用中车辆的加速性取决于综合下来可使用的功率,这个要看最大功率和最大扭矩。最大功率决定了多数(变速箱非 CVT)速度下车辆加速的最大值,最大扭矩决定了这个最大值在日常驾驶中能够多大程度地被自然释放出来。换言之,最大功率决定最大动力,扭矩决定最大动力的可用性。

最后,上面回答中有一部分人我记得提到了最佳换挡时机,这也是理解这个加速靠什么的本质之后自然能够明白的一个问题,上面有人说清楚了,这里就不展开了。这部分我就说一句有用的话就是,不是转速越高换挡,车的加速就越快,能够在换挡完产生综合输出功率最大的换挡方式才是最快的换挡方式,这个最优换挡转速对于相同的动力系统不同档位是不同的,同时基本上都低于红线值。

如果到目前为止你都看懂了,那么恭喜你,你已经比较了解汽车动力系统的基本知识了。同时我觉得上面的总结,应该是系统屡清这个问题最简洁的办法了(即使不用任何公式),其他回答都可以被囊括在内,包括他们那些看似很复杂的公式和计算。

如果再简化到不能简化,只需要留下下面两句话(欢迎使用公式检验),从这两句话可以推出上面所有其他回答(如果是正确的)中的结论。

1. 扭矩在转动坐标系变换(换挡)的情况下是变幻量(根据齿比的变化反比例变化),而功率是坐标系变换的不变量。

2. 最大功率决定了多数(变速箱非 CVT)速度下车辆加速的最大值,最大扭矩决定了这个最大值在日常驾驶中能够多大程度地被自然释放出来。换言之,最大功率决定最大动力,扭矩决定最大动力的可用性。

大道至简,汽车的系统就是这么美。


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