角加速度

总在网上看到各种自称专业人士的人说:“动力决定加速度”,还有人交换业务,真的会误导很多不深入了解的人,所以我决定说一下这个问题。

动力决定加速度,这在理想情况下是正确的,但在现实中是错误的。本文分为三个部分来阐述:

第一部分,引用事实,任何理论都必须符合实际,任何与实际相矛盾的理论都一定是错误的。

第二部分阐述其背后的理论,解释为什么这句话在现实中是错误的。不喜欢看理论的朋友可以跳过这部分。

第三部分说明如何运用该理论。

首先,与动力决定加速度的事实相反:

1.大众POLO GTI最大功率96KW,最大扭矩220Nm,重量1215Kg,0-100加速9秒。本田飞度最大功率96KW,最大扭矩155Nm,重量1088Kg,0-100加速10.6秒。同样的动力,更轻的贴合,更慢的加速。如果“动力决定加速”是对的,那么飞度应该加速更快,但现实恰恰相反。其他类似的例子太多了,不想一一列举。

2.同一个车,一档加速能力最强,提速最快,越高档加速能力越弱。变速箱无法增加动力。如果“动力决定加速”是正确的,同一辆车的输出动力在不同档位不会发生变化,那么各个档位的加速能力应该没有明显的差别,但事实恰恰相反,各个档位的加速能力明显不同。

3.看到这里,肯定有人想验证我说的话,但大多数人肯定没有专业的加速度测量设备,所以我就告诉你一个简单直接的验证方法。同样一辆车,看到不同状态下带给你的推背感就够了。后推感越强,当时的加速度就越大。注意,对于不同的车,因为不连续,比较感情强弱容易出错,不建议比较推背的感情。但是因为同车的状态变化是连续的,所以前后推背的感觉是可以比较的。最后一个事实来了。相同档位下,全油门加速,发动机的最大扭矩区间是最强的推背感。对于自吸为最大扭矩转速的点,推回感明显不如6000转左右的最大扭矩区间。如果“动力决定加速度”是对的,那么推背感应该是最大动力和速度最强,与现实相悖。

以上列举的事实都是反例,有兴趣的可以验证一下。不喜欢看理论的也可以跳过第二部分直接看第三部分。

二、理论解释:

愿意看这部分的人需要区分两个概念:速度和加速度,加速度是速度变化的速度。有人说拖拉机功率小扭矩大,但跑不快,证明了“功率决定加速度”。这些人就是分不清速度和加速度的区别。拖拉机只是速度极慢,但在其极快的速度范围内的某一速度范围内,拖拉机的加速度很大。

对于一辆在路上行驶的汽车,加速度=角加速度×轮胎周长,可以看作一个常数。此时可以简化为,车辆的加速度是轮胎的角加速度,角加速度是变速的速度。

与匀速不同,加减速改变的是运动的状态,所以必须考虑惯性,惯性是惯性的一种度量。于是就有了:角加速度=力矩÷转动惯量,角加速度就是速度变化的速度。惯性的特点是质量越大,惯性越大。对于车辆来说,发动机曲轴、变速箱、车身都有质量,自然有惯性。所以可以直接得出结论,车辆车轮上的扭矩越大,加速度越大。有人会问,发动机的扭矩和加速度有什么关系?这就涉及到“动力决定加速度”为什么理想状态是对的,理论上是错的。

这句话需要基于一个理想的模型,这个模型需要两个条件才是正确的:

1,等效惯性为零,即使扭矩只有1Nm,也能促进提速,和大扭矩提升一样快。

2、速度范围无限,从发动机到车轮的扭矩可以任意放大。

但现实中并不存在这样的条件。首先,在现实中,车辆各部分都有质量,有质量就有惯性,所以发动机必须有足够的扭矩克服阻力和惯性才能转动,否则车辆无法启动,扭矩越大,转速上升越快。其次,在现实中,变速箱要想扩大转速范围,必然要增加档位,这必然会增加变速箱的体积和质量,也增加了变速箱的转动惯量。变速箱的实际传动比设定需要综合考虑加速能力和燃油经济性。所以现实中看到的经过变速箱和各种减速机构后的传动范围都在一个差不多的范围内,所以发动机的扭矩直接决定了车轮上的扭矩。

这里单独说一下CVT。有人吹捧CVT,理由是加速时能保持发动机锁定在特定转速,第二档速度范围大。但第一个原因,保持发动机转速意味着CVT钢带会在伞齿轮上滑动,伞齿轮的压力必须降低,它能承受的扭矩会很小。发动机必须限制扭矩,否则钢带会打滑、损坏甚至报废,所以CVT在全油门加速时是不可能让发动机保持特定转速的。第二个原因,CVT只能比同体积的其他变速箱略大,不明显。

有人说“动力决定加速度”,依据是动力=恒×扭矩×转速。这是因为他们犯了一个逻辑错误。扭矩→动力和扭矩→加速,但是他们得不到动力→加速。事实上例2,变速箱不能改变动力,但是不同档位的加速度不一样,就是这个逻辑错误的证明。

这里已经可以看出“最大功率决定最大速度,最大扭矩决定加速度”这句话作为概述结论是正确的。

三、如何使用:

如何看待不同功率和扭矩的汽车加速能力,实际分析起来比较复杂,要结合不同转速下提供的扭矩分析。

但可以得出以下结论:

1.在相同的最大扭矩下,涡轮增压的最大扭矩和转速范围较宽,所以一般80以下的全油门加速更强,而自吸的最大功率高,最大扭矩相同时最高转速会更高。

2.这些车作为日常交通或者商务的车辆,因为大部分时间都是在市区低速行驶,所以经常会堵车,所以发动机转速低扭矩大的会有更好的体验。性能车或者跑车需要竞争到极限,扭矩达到轮胎抓地力极限后,需要更高的最大功率。

3.对于涡轮增压等最大扭矩范围较大的发动机,最佳换档正时是最大扭矩结束时的转速。以大众为例,不同的油门行程有两种不同的换挡逻辑。地板油是最大动力换挡,一般6100~6500转,另一种是快速踩油门行程,这是最大扭矩区间换挡。实践会发现,第二档换挡逻辑的加速性更强。这里有一个前提,发动机在一定转速范围内超过转速范围后,必须在最大扭矩范围外运行。自吸的话,因为最大扭矩只是在特定的转速下,所以会选择在最大功率转速下换挡。

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