错过这个,可能你这辈子都不懂什么是“扭矩”了|技术流

autocarweekly 2021-12-10

文 | 嗷嗷胡


千万别羞赧,相信我,某些几十上百万粉丝的汽车大V,假如你突袭式提问“什么是扭矩”,现场回答也多半是支支吾吾、含含糊糊、企图蒙混过关。


什么是扭矩、马力、功率,这一类问题是被无数先辈们翻来覆去,炒过足足八百遍的文物级陈年冷饭了。然而讲真,我看过无数号称零门槛科普,最终也没发现一篇浅显到能让物理零分学渣(no offense)直呼“搜打死内”的。


但偏偏,这几个词对于任何汽车相关的从业者、消费者乃至吃瓜人,都属于抬头不见低头见,避不开的老熟人。前两年特斯拉发布Roadster2和Cybertruck时,动辄上万牛·米的“轮上扭矩”给大伙吓懵逼,除非有人给你解释:这个轮上扭矩啊,它不是你以为的那个扭矩……


此扭,非彼扭

圆周运动的马甲


我愿赌五毛钱,你一定刷到过“加速看马力还是看扭矩”这样的滥大街问题&回答。不论你是否点进去看了,无论你点进去是否看懂了,走过路过很难错过。


对于扭矩这类正常人看见就打瞌睡的物理词汇,这确实大概是最抓眼球的讨论姿势,车迷们看到就来劲儿。因为人们都很容易落入一个思维模式:非要把问题简单化总结化,是A还是B?A重要还是B重要?由A决定还是B决定?


但最吸引人的,不一定就是最有用的。具体到我们的问题,更符合人脑认知逻辑的是先搞明白“扭矩/马力/功率各自是什么”,自然而然你就会明白“加速由谁决定”等等衍生问题。相反,假如你前面零基础就直接接触后者,多半这俩问题会一起难住你很久。


确实这可比物理课刺激多了……


我们之所以先从扭矩(Torque)说起,是因为扭矩你可以理解为,它是功率的两个“来源”或“组成”之一。扭矩的计量单位是牛·米/N·m,中间的点表示乘号,这个点有时会被省略。


“扭矩”加上“牛·米”这个单位,看上去仿佛很高深,其实没必要自己唬自己。所谓扭矩,不过就是我们再熟悉不过的“力”——唯一使它显得故作高深的是,这个力是旋转的力,而非高中物理常见的直线力。



不信你瞧瞧人家隔壁火箭发动机,输出的是直线推力,于是描述火箭发动机的推力直接用“xxxx吨”、“xxxx牛”就行了,一目了然。


直线力很简单,哪怕文科生也都能轻易理解,比如朝这边推是+10牛,朝反方向推是-10牛嘛。但汽车行驶是靠轮子,驱动车轮的力是旋转力,这样情况就稍稍复杂了,因为旋转力不像直线力那么方便量化。



同样的一个旋转物体,在离旋转轴心不同距离/半径处,表现出的力的大小一定是不同的。


杠杆效应各位都懂:越是离轴心近/半径小,对外表现出的力越大;离轴心越远/半径大,对外表现出的力越小——但实际上,那个使物体旋转的力,并没有变。


反过来,杠杆定理告诉我们,要给一个物体施加某个大小的旋转力,可以在离轴心较近的位置(小半径)施加较大的力,也可以在离轴心较远的位置(大半径)施以较小的力。只要力和力臂的乘积相同,二者最终的效果是完全一致的。


力臂OA×力Fa=力臂OB×力Fb


于是问题来了:对于一个旋转的力,“xx牛”无法确定其大小。


比方说,假如我们说一个旋转的力是“10牛”,怎么知道是在离轴心/半径0.5米处是10牛?还是在离轴心/半径1米处是10牛呢?反过来,是在离轴心0.5米处施加10牛的力,这个旋转力算“10牛”?还是在离轴心1米处施加10牛的力,这个旋转力算“10牛”呢?


说不清了这就。


直线力的单位“xx牛”不行,但力与力臂的乘积却可以。


因为根据杠杆定理,只要力与力臂的乘积是同一个定值,那么对于杠杆中心施加的作用效果就是相同的。既然描述直线力的“xx牛”无法描述一个旋转的力,我们借来杠杆定理公式,取力与力臂的乘积,作为旋转力的计量单位。



于是,就有了这个看上去好复杂、好高级、好难懂的扭矩单位,“牛·米/N·m”——其实不过是“牛/N”的“旋转版本”。很多人对扭矩不理解,罪魁祸首就是这个奇怪的单位。但恰恰是,如果结合“牛·米/N·m”这个单位,对于扭矩理解起来反而更容易一些。


在离旋转物体轴心/半径1米处,施以1牛顿大小的力,作用于这个物体的旋转力即为1牛·米;反之同理,在1牛·米的旋转力作用下,离旋转轴心1米半径处,力的大小为1牛顿。


所谓扭矩、牛·米,其实就这么点事儿,无非是旋转力需要一些额外骚操作罢了。


浦东就是上海


扭矩说穿了就是力,只不过这个力在转圈,功率则是更进了一个层级。

单纯的“力”其实毫无意义,因为再大的力,也需要作用距离才能有实际效果。哪怕你全身憋足了力量,但拳头一毫米都不动杵那儿杵着,那杀伤力也是零,除非是在金庸小说里。



要衡量力“干了多少活儿”,人类确立了“功”的概念:用力的大小乘以力作用的距离。功代表一个总量,那么要评判“出活儿的效率”,可以用这个总量除以花掉的时间,即功率=功/时间。又因为总量=速度×时间,可以得到功率=力(的大小)×(力作用下的)速度。


其实就和打工差不多……工作量、时间、工作效率



再回到现实中去理解,当我们谈论车“快不快”时,说的其实是单位时间内做功的多少,即“做功的效率”。“功”用来描述一个总量,“功率”则是描述一个效率。效率越高,动力越强;效率越低,动力越差——很像打工人的日常是不是。

再将“发动机输出旋转力”套进去,扭矩只表示单纯的“(旋转)力的大小”,而这个力需要作用一段距离才有实际效果(功);这个实际效果除以花了多少时间,得到的就是“单位时间内干的活儿”,即出活儿效率(功率)

或者,还是利用总量=转速×时间,直接用力的大小(扭矩)乘以力的作用速度(转速),也可以得到功率。



说到这,该请出一个公式:功率kW)=扭矩(N·m)*转速(RPM)/9549。

这个公式的推导过程不必细说,虽然你可能看着眼晕,但其实无非是角度弧度、速度时间的互相转化罢了——属于“我虽然看不懂但我知道我不是真的看不懂”型知识。“9549”是精确到个位的近似数,后面原本带着一串无限不循环小数,由将圆周运动角速度转化为线速度时除以π而得。

9549是个恒定常数,所以,功率与扭矩转速之乘积是直接相关的。我们平时看到的那些发动机功率-扭矩图,其实功率曲线上任何一点的功率千瓦数,都可以通过该点对应的扭矩、转速之乘积,再除以这个常数9549而得到。



甚至,功率本来就是一个无法直接测量得到的数据。发动机功率曲线,是在台架上测得扭矩与实时转速,再经过计算才得到的。常见的功率-扭矩图,其实只要给出扭矩曲线,功率曲线我们自己就能手算然后画出来,毕竟转速就在下面坐标轴上摆着呢。

所以不妨这么说:扭矩“就是”功率(的一部分),因为功率由扭矩和转速相乘得到。二者相伴而生,零扭矩高速空转的发动机,是无功率可言的;只要转速不变或增加,更高的扭矩一定意味着更高的功率。


世间万物皆杠杆


回到扭矩本身,你其实很容易找出一个bug:很多汽车发动机的扭矩不过100-200N·m,按照上面的理解,相当于在发动机输出轴装个1米长的把手,在把手上施以100牛也就是10千克的力——这几乎是个成年人都能做到。


一方面,这样的力就足以驱动一两吨重的车飞奔吗?一方面,一台发动机燃烧汽油做功,结果就这?


要回答第一个问题,首先需要明确:燃油车世界说到的“扭矩”,指的皆是“曲轴扭矩”,即发动机输出轴上力的大小。发动机后面有什么?变速箱,主减速器,差速器。在低挡位,变速箱会将发动机动辄几千转的转速降低数倍,再经主减速器,最终到车轮上的转速可以被降低十几倍。

功率并没有变(不计传动损耗),而转速被降低了。根据功率=扭矩×转速(*常数),轮端的转速被降了多少倍,轮端的扭矩就会提升多少倍——这就是所谓的“轮上扭矩”。

抛开数学公式,实际中也好理解:用小齿轮去带动大齿轮,转速会变慢,但力量被放大。代价则是需要转过更多的圈数,才能跑完原先的行程。齿轮传动本也符合杠杆原理,被放大的力量来自更长的行程,二者的乘积始终不变——正如扭矩与转速乘积也始终是定值(功率不变)


动力稍微靠谱的乘用车,在一挡时的轮上扭矩都可以达到5000-10000牛·米,所以说特斯拉的10000牛·米轮上扭矩,是一个走信息不对称路线的营销话术。并且,轮端扭矩其实与车辆动力性能并不直接相关,而是与偏好设定更紧密。比如硬派越野车很多可以轻松越过10000N·m——无非把减速齿轮做得更大一些罢了,根本就没有啥成本。


几千上万牛·米的轮上扭矩,才是真正驱动车辆跑起来的那个力。



至于第二个问题,为何一台汽油发动机轰轰烈烈就搞出这么10千克的力呢?别忘了还有个转速在那儿。发动机并不仅仅是产生一个“1米半径处10千克的力”,还能以最高每分钟几千转的频率持续产生这样的力——这可就不是哪个人类能做到的了。


所以说汽油燃烧机械运转的结果,不光是产生了一个100-200N·m的静态扭矩(力),更带动着发动机活动部件以动辄数千转/分高速运转,最终是以每分钟几千转的频率持续产生100-200N·m的扭矩。



扭矩和功率,差不多是汽车动力性能最最核心、也最最基本的参数。如果不理解扭矩和功率的含义和关系,对于动力性能更细节、更深层的认识,就很容易受到局限乃至误导。而一旦掌握了这个基本知识,对于理解车辆动力系统会有很大帮助——不限于燃油车或电动车。


扭矩是理解所有动力话题的基础,无论是“加速看哪个”这样的市井老题,还是正确理解响应等动力特性、梳理引擎技术发展脉络、评判电机与燃油机的不同等等。如果不理解扭矩的含义和与其他参数间的关系,也许不影响你对汽车的了解和爱好,但终将停留在浅尝辄止,更别谈形成自己的主观判断。


其实呢,扭矩无非就是个力,可别被一个圆周运动附带的唬人单位给吓跑了。


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