Che tu stia acquistando una nuova auto o costruendo una hot rod nel tuo garage, due fattori entrano in gioco quando si determinano le prestazioni del motore: potenza e coppia. Se sei come la maggior parte dei meccanici fai-da-te o degli appassionati di automobili, probabilmente hai una buona comprensione della relazione tra potenza e coppia, ma potresti lottare per comprendere come vengono raggiunti questi numeri "di peso". Che ci crediate o no, non è davvero così complesso.
Prima di diventare troppo tecnici, analizziamo alcuni semplici fatti e definizioni che rendono più facile comprendere perché sia la potenza sia la coppia sono fattori importanti da considerare. Dovremmo iniziare definendo i tre elementi di misurazione delle prestazioni di un motore a combustione: velocità, coppia e potenza.
Parte 1 di 4: Capire come la velocità del motore, la coppia e la potenza influiscono sulle prestazioni generali
In un recente articolo della rivista Hot Rod, uno dei più grandi misteri nelle prestazioni del motore è stato finalmente capito tornando alle origini di come viene effettivamente calcolata la potenza. La maggior parte della gente presuppone che i dinamometri (dinamiche del motore) siano progettati per misurare la potenza di un motore.
In realtà, i dinamometri non misurano la potenza, misurano la coppia. Tale cifra di coppia viene moltiplicata per il numero di giri al quale viene misurata e quindi divisa per 5.252 per produrre una cifra di potenza.
Per più di 50 anni, i dinamometri usati per misurare la coppia e il regime del motore semplicemente non potevano gestire l'intensa potenza prodotta da questi motori. In effetti, un cilindro su questi 500 pollici cubici di spostamento, il nitruro che brucia Hemis produce circa 800 libbre di spinta attraverso un singolo tubo di scarico.
Tutti i motori, sia a combustione che elettrici, funzionano a velocità diverse. Per la maggior parte, più velocemente un motore completa la sua corsa o ciclo, più potenza produce. Per quanto riguarda un motore a combustione, i tre elementi che influiscono sulle prestazioni complessive di quel motore sono velocità, coppia e potenza.
La velocità è definita dalla velocità con cui il motore esegue il suo lavoro. Quando applichiamo la velocità del motore a un numero o un'unità di misura, misuriamo la velocità del motore in giri al minuto o RPM. Il "lavoro" che il motore esegue è una forza applicata su una distanza misurata. La coppia è definita come un tipo speciale di lavoro che produce la rotazione. Ciò si verifica quando una forza agisce su un raggio (o, per un motore a combustione, il volano) e viene tipicamente misurata in sterline.
Potenza è la velocità con cui il lavoro è compiuto. Ai vecchi tempi, se gli oggetti dovevano essere spostati, gli umani usavano tipicamente un cavallo per spostarlo. È stato stimato che un cavallo poteva muovere circa 33.000 piedi libbre al minuto. Questo è dove il termine "potenza" ha origine. A differenza della velocità e della coppia, è possibile misurare la potenza in più unità, tra cui: 1 HP = 746 Watt, 1 HP = 2.545 BTU e 1 HP = 1.055 joule.
Questi tre elementi lavorano insieme per produrre la potenza del motore. Poiché la coppia rimane costante, la velocità e la potenza rimangono proporzionali. Tuttavia, all'aumentare della velocità del motore, aumenta anche la potenza per mantenere una coppia costante. Dove molte persone si confondono, tuttavia, è il modo in cui la coppia e la potenza del motore influiscono sulla velocità del motore. Molto semplicemente, all'aumentare della coppia e della potenza, aumenta anche la velocità del motore. È vero anche il contrario: quando la coppia e la potenza diminuiscono, aumenta anche la velocità del motore.
Parte 2 di 4: Come sono costruiti i motori per massimizzare la coppia
Il moderno motore a combustione può essere modificato per aumentare potenza o coppia manipolando le dimensioni o la lunghezza della biella e aumentando l'alesaggio o il diametro del cilindro. Questo è spesso indicato come il rapporto alesaggio / corsa.
La coppia viene misurata in metri Newton. In termini semplici, ciò significa che la coppia viene misurata in un movimento circolare a 360 gradi. Il nostro esempio prende due motori identici che hanno la stessa dimensione del foro (o il diametro del cilindro di combustione). Tuttavia, uno dei due motori ha una "corsa" più lunga (o la profondità del cilindro prodotta da una biella più lunga). Il motore con la corsa più lunga ha un movimento più rettilineo mentre ruota nella camera di combustione e ha più potenza per svolgere lo stesso compito.
La coppia viene misurata in piedi di libbra o quanta "forza di torsione" viene applicata per completare un compito. Ad esempio, immagina che stai cercando di allentare un bullone arrugginito. Supponiamo che tu abbia due diverse chiavi a tubo, una è lunga 2 ', l'altra è lunga 1'. Supponendo che si applichi la stessa quantità di forza (in questo caso 50 libbre di pressione) si stanno effettivamente applicando 100 piedi libbra di coppia per la chiave inglese a due piedi (50 x 2) e solo 50 libbre. di coppia (1 x 50) con la chiave a un piede. Quale chiave ti aiuterà ad allentare il bullone più facilmente? La risposta è semplice: quella con più coppia.
Gli ingegneri sviluppano un motore per produrre un rapporto coppia / cavalli più elevato per i veicoli che hanno bisogno di una "potenza" extra per l'accelerazione o per l'arrampicata. Tipicamente, si vedono valori di coppia più elevati per autocarri pesanti utilizzati per applicazioni di rimorchio o motori ad alte prestazioni in cui l'accelerazione è fondamentale (come l'esempio del motore a combustibile superiore NHRA sopra riportato).
Questo è il motivo per cui i produttori automobilistici spesso sottolineano l'elevato potenziale di coppia dei motori negli spot dei camion. La coppia del motore può anche essere amplificata cambiando i tempi di accensione, regolando l'aria alle miscele di carburante e persino manipolata per aumentare la coppia in alcuni scenari.
Parte 3 di 4: Comprensione di altre variabili che influiscono sulla valutazione di coppia complessiva di un motore
Quando si tratta di misurare la coppia, ci sono tre variabili uniche all'interno del motore a combustione che è necessario considerare:
La forza creata a un RPM specifico: questa è la potenza massima del motore prodotta ad un RPM desiderato. Quando un motore accelera, c'è una curva RPM o potenza. All'aumentare del regime del motore aumenta anche la potenza, fino a raggiungere il livello massimo.
La distanza: questa è la lunghezza della corsa della biella: più lunga è la corsa, più coppia viene creata come spiegato sopra.
La costante della coppia: questo è un numero matematico assegnato a tutti i motori, 5252 o il numero di giri costante in cui la potenza e la coppia sono bilanciate. Il numero 5252 derivava dall'osservazione che un cavallo vapore equivaleva a 150 libbre che coprivano 220 piedi in un minuto. Per esprimere questo in termini di coppia di torsione, una formula matematica è stata introdotta da James Watt, che ha inventato il primo motore a vapore.
La formula è la seguente:
Supponendo che la forza di 150 libbre sia applicata a un piede di raggio (o un cerchio che si trova all'interno del cilindro di un motore a combustione, per esempio) dovresti convertire questo valore in libbre di coppia.
220 piedi in un minuto devono essere estrapolati in giri al minuto. Per fare ciò, prendi due volte Pi (o 3.141593) che equivale a 6.283186 piedi. Prendi 220 piedi e dividi per 6.28 e otteniamo un RPM di 35.014 per ogni giro.
Prendi i 150 piedi e moltiplicale per 35.014 e ottieni 5252.1 - che è la nostra costante che viene calcolata per misurare il peso della coppia.
Parte 4 di 4: come calcolare la coppia di un veicolo
La formula per calcolare la coppia è coppia = potenza del motore x 5252, che viene poi divisa per gli RPM.
Il problema con la coppia, tuttavia, è che viene misurato in due punti diversi: direttamente dal motore e dalle ruote motrici. Altri componenti meccanici che possono aumentare o diminuire i valori di coppia alle ruote includono: dimensioni del volano, rapporti del cambio, rapporti di trasmissione dell'asse motore e circonferenza pneumatico / ruota.
Per calcolare la coppia alla ruota, tutti questi elementi devono essere presi in considerazione nell'equazione, che è meglio lasciare a un programma computerizzato incluso in un banco di prova. Su questo tipo di equipaggiamento, l'auto viene posizionata su un rack e le ruote motrici vengono posizionate accanto a una serie di rulli. Il motore è collegato a un computer che monitora il regime del motore, la curva del carburante e i rapporti del cambio. Questi numeri sono calcolati con la velocità della ruota, l'accelerazione e il numero di giri del cambio quando il veicolo viene guidato sul banco prova per un periodo di tempo desiderato.
Il calcolo della coppia del motore è molto più facile da determinare. Seguendo la formula di cui sopra, è chiaro come la coppia del motore sia proporzionale alla potenza e ai giri del motore come spiegato nella prima sezione. Usando questa formula, è possibile calcolare i valori di coppia e potenza in ciascun punto della curva RPM. È necessario avere i valori di potenza del motore che sono prodotti dal costruttore del motore per calcolare la coppia.
Calcolatore di coppiaAlcune persone utilizzano un calcolatore online, offerto da MeasureSpeed.com che richiede l'immissione dei valori nominali di potenza massima del motore (forniti dal produttore o completati durante un tiro di prova del motore professionale) e l'RPM desiderato.
Se noti che le prestazioni del tuo motore sono difficili da accelerare e non hanno la potenza che pensi che dovrebbe, chiedi a uno dei meccanici certificati di Vermin-Club di eseguire un'ispezione per determinare l'origine del problema.