Как рассчитать крутящий момент электродвигателя — таблица, формула

Вращающий момент электродвигателя – это сила вращения его вала. Именно крутящий момент определяет выходную мощность вашего двигателя. Она измеряется в Ньютонах на метр Н*м или килограммах силы на метр кгс*м.

Содержание

Расчет крутящего момента двигателя

Крутящий момент электродвигателя – это сила вращения его вала. Именно крутящий момент определяет выходную мощность вашего двигателя. Она измеряется в Ньютонах на метр Н*м или килограммах силы на метр кгс*м.

Виды крутящего момента:

• Номинальный – Значение крутящего момента для стандартного режима работы и стандартной номинальной нагрузки двигателя.
• Крутящий момент при запуске – Является табличным значением. Сила вращения, которую способен развить электродвигатель после запуска. При выборе электродвигателя необходимо следить за тем, чтобы это значение было больше статического момента устройства – насоса, вентилятора и т. д. В противном случае двигатель не сможет запуститься, а обмотка может перегреться и сгореть.
• Максимальный – это предел, при котором нагрузка выравнивается и останавливает двигатель.

Высокий крутящий момент двигателя обеспечивает автомобилю лучшую динамику разгона даже при низкой частоте вращения коленчатого вала и значительно повышает тяговую способность двигателя и способность к движению по пересеченной местности.

Крутящий момент и мощность

Водители часто спорят между собой о том, какой двигатель мощнее. Но иногда они понятия не имеют, из чего состоит этот параметр. Общепринятый термин “лошадиная сила” был введен изобретателем Джеймсом Уаттом в 18 веке. Он придумал его, наблюдая, как лошадь запрягают для подъема угля из шахты. Он подсчитал, что одна лошадь может поднять 150 кг угля на высоту 30 метров за одну минуту. Одна лошадиная сила эквивалентна 735,5 Вт, поэтому 1 кВт равен 1,36 л.с.

Прежде всего, мощность каждого двигателя указывается в лошадиных силах, и только потом упоминается крутящий момент. Однако эта тяговая характеристика также дает представление о конкретных буксировочных и ходовых возможностях автомобиля. Крутящий момент – это мера производительности двигателя, а мощность – ключевой параметр его работы. Эти показатели тесно связаны между собой. Чем больше лошадиных сил производит двигатель, тем больше потенциал крутящего момента. Этот потенциал реализуется в реальном мире через трансмиссию и оси машины. Сочетание этих элементов вместе определяет, сколько именно мощности может быть преобразовано в крутящий момент.

Самый простой пример – сравнить трактор с гоночным автомобилем. Гоночный автомобиль имеет много лошадиных сил, но ему необходим крутящий момент для увеличения скорости через коробку передач. Такой машине требуется очень мало работы для движения вперед, поскольку большая часть энергии используется для развития скорости.

Что касается трактора, то он может иметь двигатель такого же рабочего объема, который производит такое же количество лошадиных сил. Однако в этом случае мощность используется не для развития скорости, а для создания тяги (см. тяговый класс). Для этого он приводится в движение многоступенчатой трансмиссией. Поэтому трактор не развивает высоких скоростей, но может тянуть большие грузы, пахать и обрабатывать землю и т.д.

В двигателе внутреннего сгорания мощность передается от выхлопных газов к поршню и от поршня к кривошипно-шатунному механизму, а затем к коленчатому валу. А коленчатый вал, через коробку передач и трансмиссию, вращает колеса.

Конечно, крутящий момент двигателя не является постоянным. Она становится сильнее, когда на руку действует большая сила, и слабее, когда сила ослабевает или прекращается. Это означает, что когда водитель нажимает на педаль акселератора, сила, действующая на рычаг, увеличивается, и соответственно увеличивается крутящий момент двигателя.

Эта сила обеспечивает преодоление любых сил, мешающих движению автомобиля. К ним относятся силы трения в двигателе, коробке передач и трансмиссии, аэродинамические силы, силы качения и т. д. Чем больше мощность, тем большую силу сопротивления сможет преодолеть автомобиль и тем больше будет скорость. Однако мощность не является постоянной силой, а зависит от оборотов двигателя. На холостом ходу мощность одинаковая, но на максимальной скорости она совершенно разная. Многие производители автомобилей указывают, при каких оборотах двигателя достигается максимальная мощность.

Водители часто сталкиваются с ситуациями, когда им необходимо значительно ускорить свой автомобиль, чтобы выполнить необходимый маневр. Когда он нажимает акселератор до пола, он чувствует, что автомобиль разгоняется плохо. Быстрый разгон требует большого крутящего момента. Именно это характеризует быстрый разгон автомобиля.

Основная сила в двигателе внутреннего сгорания создается в камере сгорания, где происходит воспламенение топливно-воздушной смеси. Именно это приводит в движение кривошипно-шатунный механизм, а через него – коленчатый вал. Шатун – это длина кривошипа, а значит, если длина больше, то и крутящий момент увеличится.

Однако увеличить шатун до бесконечности невозможно. Если да, то ход поршня придется увеличить, а вместе с ним и размер двигателя. Также необходимо снизить обороты двигателя. Двигатели с большим коленчатым рычагом можно использовать только на больших лодках. Однако в легковых автомобилях небольшие размеры коленчатого вала не позволяют проводить какие-либо эксперименты.

Например, мы часто получаем запросы: “Нам нужно измерить двигатель мощностью 200 л.с.” или “Какой гидравлический тормоз вы бы порекомендовали для 140 кВт?”.

Что это означает на практике?

Если отойти от теории, то графики мощности и крутящего момента являются основными характеристиками двигателя. Когда вы ведете автомобиль в гору и пытаетесь сохранить прежнюю скорость, вам приходится сильнее нажимать на акселератор. Многие люди думают, что мощность останется прежней, потому что скорость не изменится. Но это не так!

При движении в гору двигатель получает больше мощности при тех же оборотах.
(В той же передаче). Вы можете легко проверить это, посмотрев на текущий расход топлива.

Это также объясняет, почему двигателю нужна коробка передач, поскольку нам необходимо поддерживать обороты в пределах максимального диапазона мощности двигателя, чтобы эффективно ускоряться и преодолевать подъемы в гору.

С другой стороны, электромобили обходятся без него. Кривая крутящего момента и мощности электродвигателя гораздо более линейна, и электродвигатель производит гораздо больше мощности на низких скоростях.

Обе эти единицы измерения мощности (лошадиные силы и ватты, причем термин киловатт обычно используется для увеличения числовых значений последней единицы) были изобретены Дж. Уаттом, но именно крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах, приводит в движение автомобиль. Почему не мощность двигателя определяет способность автомобиля двигаться?

Крутящий момент, его соотношение с мощностью

Дж. Уатт изобрел обе вышеупомянутые единицы измерения мощности (лошадиные силы и ватты, причем термин киловатт обычно используется для увеличения показателей последнего), но именно крутящий момент, выраженный в ньютон-метрах, приводит автомобиль в движение. Почему не мощность двигателя автомобиля определяет его способность двигаться?

Мощность и крутящий момент тесно связаны: мощность, измеряемая в ваттах, является примером крутящего момента, умноженного на 0,1047 и число оборотов в минуту.

Другими словами, мощность указывает на количество работы, выполненной за определенный период времени. Крутящий момент – это показатель способности двигателя выполнять работу.

Например, если автомобиль застрял в болоте и перестал двигаться, лошадиная сила двигателя равна нулю, потому что работа не выполняется, в то время как крутящий момент присутствует, хотя его величина минимальна, недостаточна для начала движения. Таким образом, крутящий момент возникает без мощности, но не наоборот.

На практике мощность напрямую влияет на скорость автомобиля: чем она выше, тем быстрее автомобиль может ехать. Крутящий момент (также называемый “крутящий момент”) – это мера силы, действующей на коленчатый вал, и его способность сопротивляться вращению. Высокий крутящий момент двигателя наиболее заметен при разгоне или при движении в сложных условиях, когда двигатель подвергается критическим нагрузкам.

Другим важным показателем возможностей двигателя является диапазон скоростей, в котором он достигает наибольшей тяги. Не менее важна гибкость двигателя, т.е. его способность достигать высоких оборотов при большой нагрузке. Это соотношение между количеством оборотов для получения наибольшей мощности и максимально возможного крутящего момента.

Это влияет на управление скоростью с помощью педалей акселератора и тормоза без использования коробки передач, а также на возможность движения на низкой скорости на высших передачах.

Например, благодаря хорошей эластичности двигателя автомобиль разгонится с 75-80 км/ч до 120 км/ч на 5-й передаче, и это произойдет тем быстрее, чем более эластичен силовой агрегат. Если у вас есть выбор между двумя двигателями одинакового рабочего объема и мощности, лучше выбрать более гибкий, так как он экономичнее, работает тише и имеет больший срок службы.

Чтобы решить эту дилемму, необходимо понять несколько фактов:

Мощность или крутящий момент – что важнее?

Чтобы решить эту дилемму, важно понять несколько фактов:

• Мощность линейно связана с частотой вращения коленчатого вала: более высокие обороты равны более высокой производительности;
• Мощность является производной от hp;
• До определенного значения мощность зависит от числа оборотов в минуту: более высокие обороты соответствуют большему километражу. Но после пика она снижается.

Из этого можно сделать вывод, что крутящий момент является приоритетным параметром, характеризующим возможности двигателя. В то же время нельзя пренебрегать мощностью: это означает, что производители автомобилей должны адаптировать характеристики машины таким образом, чтобы поддерживать баланс между этими величинами.

Момент нагрузки – это вращающий момент, создаваемый вращающейся механической системой, соединенной с валом асинхронного двигателя. В качестве синонима в литературе можно встретить термин “момент сопротивления”. Момент нагрузки зависит от геометрических и физических параметров тела в кинематической системе, соединенной с валом двигателя. Как правило, при расчетах предполагается, что момент сопротивления приложен к валу двигателя.

Как определить крутящий момент двигателя

Преобразователи частоты />Теория АЭД />Торки

В этом разделе мы собрали подборку статей о понятии крутящего момента, которое так важно в теории асинхронного привода. Здесь вы найдете материал, раскрывающий значение некоторых терминов, связанных с понятием крутящего момента. Кроме того, мы включили подборку статей с формулами, которые можно использовать для расчета конкретных значений крутящего момента или построения графиков их зависимости. Для наглядности здесь также приведены примеры, иллюстрирующие, как формулы могут быть использованы для расчета того или иного значения.

Асинхронные двигатели – теория – понятие крутящего момента

26. 10.2012 22:10

Из теории мы знаем, что номинальный крутящий момент двигателя – это крутящий момент, развиваемый при номинальной мощности и номинальных оборотах в минуту. Как мы объясняли ранее, номинальный крутящий момент – это крутящий момент на валу двигателя, значение которого постоянно при постоянной номинальной скорости вращения вала. Ранее мы подробно рассмотрели, что такое пусковой момент асинхронного электродвигателя и какие формулы используются для расчета пускового момента (новая статья). В этой статье мы приведем пример расчета пускового момента для различных асинхронных двигателей. Для расчета мы будем использовать данные, имеющиеся в техническом паспорте двигателя: номинальный крутящий момент и пусковой момент, умноженный на номинальный крутящий момент. Расчет будет произведен в соответствии с формулой: М старт = Мн*К старт где Мн – пусковой момент, Мн – номинальный крутящий момент, K release – коэффициент умножения пускового момента. Исходные данные и результаты расчетов представлены в таблице. Первая колонка таблицы содержит обозначение двигателей, для которых проводились расчеты. Вторая колонка содержит данные о номинальном значении крутящего момента. Третий столбец содержит коэффициент умножения начального крутящего момента. В четвертой колонке приведены результаты расчетов пускового момента. Таблица Результаты расчетов пускового момента для асинхронных двигателей на основе технических паспортов Прежде чем разрабатывать и анализировать формулы для расчета пускового момента, важно напомнить, что такое пусковой момент. Пусковой момент – это крутящий момент на валу двигателя при определенных условиях. Ключевыми условиями являются нулевая скорость вращения ротора, установившийся ток и номинальное напряжение на обмотках двигателя. Для начала вспомним, что означает термин “критический момент” в теории двигателей. Критический момент – это максимально возможный крутящий момент на валу двигателя при его остановке. Подробнее о критическом моменте асинхронных двигателей.. Эта формула может быть использована для определения численного значения критического момента: Mcr = Mn*P В некоторых машинах необходимо обеспечить максимальный пусковой момент на начальном этапе запуска привода. Для этой задачи хорошо подходит двигатель с фазированным асинхронным ротором. Давайте вкратце опишем, что это такое. Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет ротор с пазовыми обмотками. Обмотка ротора соединена в звезду. Фазные концы обмотки ротора соединены со специальными контактными кольцами. Кольца вращаются вместе с валом двигателя. Для запуска и регулировки обмотки ротора можно включить реостат. Реостат подключается с помощью щеточного контакта, который скользит по кольцам. Этот реостат является дополнительным активным резистором. Это сопротивление одинаково для каждой фазы обмотки. Благодаря возможности интегрировать реостат в обмотку ротора в этих двигателях, можно максимизировать пусковой момент уже на этапе запуска двигателя. Таким образом, можно уменьшить пусковые токи. Эти двигатели используются для привода приложений с высокими требованиями к пусковому моменту (например, пуск под нагрузкой). Дополнительная информация о пусковом моменте асинхронного двигателя Важным понятием в области физики твердого тела является крутящий момент. Эта концепция имеет особое значение в области электроприводов. В этой статье мы обсудим основные понятия, связанные с крутящим моментом. Для начала следует отметить, что крутящий момент часто также называют моментом силы, крутящим моментом, крутящим моментом и моментом кручения. Все эти термины являются синонимами. Хотя в некоторых практических приложениях их необходимо различать. Например, в технических приложениях “крутящий момент” относится к внешней силе, приложенной к объекту, а “вращающий момент” относится к внутренним силам, которые возникают в объекте из-за приложенных нагрузок. В нашей статье мы будем использовать понятие крутящего момента. Момент нагрузки – это вращающий момент, создаваемый вращающейся механической системой, соединенной с валом асинхронного двигателя. Термин “момент сопротивления” встречается в литературе как синоним. Нагрузочный момент зависит от геометрических и физических параметров тел в кинематической цепи, соединенной с валом двигателя. Как правило, при расчете момента нагрузки на валу двигателя принято использовать момент сопротивления. Тормозной момент – момент, развиваемый асинхронной машиной при торможении. В литературе можно найти синоним тормозного момента. В теории асинхронных двигателей рассматриваются три режима торможения: рекуперативное торможение, динамическое торможение и антиконденсатное торможение. Критический момент для асинхронных двигателей – Максимальное значение крутящего момента, развиваемого двигателем. Крутящий момент достигает этого значения при критическом скольжении. Если момент нагрузки на валу двигателя превышает критический момент, двигатель останавливается. Номинальный крутящий момент асинхронного двигателя – Крутящий момент, возникающий на валу двигателя при номинальной мощности и номинальной скорости. Номинальные данные относятся к данным, которые определяются при работе двигателя в режиме, для которого он был разработан и изготовлен. Пусковой момент на валу асинхронного двигателя – это момент, действующий на вал асинхронного двигателя при следующих условиях: скорость вращения ротора равна нулю (ротор неподвижен), ток установившийся, в обмотки двигателя подается ток номинальной частоты и напряжения, а соединение обмоток соответствует номинальному режиму работы двигателя. Электромагнитный крутящий момент – крутящий момент, приложенный к валу двигателя при протекании тока через обмотки. В литературе можно найти синонимы этого термина: крутящий момент двигателя или крутящий момент мотора. Также часто встречаются варианты с более конкретной формулировкой: электромагнитный момент или электромагнитный момент. В современной теории асинхронных электрических машин используется множество терминов, связанных с понятием крутящего момента. Некоторые из этих терминов относятся к крутящему моменту, возникающему на валу (роторе) электродвигателя. Другая группа терминов относится к крутящему моменту, создаваемому механической нагрузкой, подключенной к валу электродвигателя. Эти термины определяют как крутящий момент, развиваемый самим двигателем, так и различные состояния крутящего момента на выходном валу двигателя. Под состоянием понимается значение крутящего момента в критических точках. Например, номинальный крутящий момент или пусковой момент.

Читайте далее:

• Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
• Векторное и скалярное управление преобразователями частоты – принцип работы, система управления.
• Асинхронный электродвигатель – конструкция, принцип работы, типы асинхронных двигателей.
• Рабочие характеристики асинхронного двигателя; Школа для электриков: электротехника и электроника.
• Как найти начало и конец обмотки электродвигателя – ООО «СЗЭМО Электродвигатель».
• Векторное управление вентильным двигателем в безредукторном сервоприводе – темы научных работ по электротехнике, электронике, информатике читайте бесплатно тексты научных работ в электронной библиотеке КиберЛенинка.
• Управление скоростью, пуск, реверс и торможение двигателей постоянного тока.

Крутящий момент двигателя это…

  Каждый, кто хоть раз созерцал информацию о технических характеристиках автомобиля, украдкой, но все же обращали внимание на строку – «Крутящий момент двигателя…». Многие задерживались на ней, пытаясь соизмерить насколько он велик или мал, и как это будет влиять на динамику, словно они сами уже давили на педаль акселератора в представляемом ими авто. Другие просто «проходили» мимо, словно строки этой и не было.
  Что же такое крутящий момент двигателя? На что он влияет? Вопросы более риторические, и не требующие ангажирования для большинства, но мы не стремимся пойти на поводу у многих, так как истина не всегда является приоритетной прерогативой для большинства. А раз это так, то все же попробуем разобрать этот частный вопрос – что же такое крутящий момент двигателя?

Определение крутящего момента (момент силы) пока без привязки к двигателю машины

  Прежде, чем перейти к комплексному понятию как кутящий момент двигателя попробуем разобраться с частным, а именно с тем, что такое крутящий момент или его синонимы: вращательный момент, вертящий момент, вращающий момент, момент силы. Здесь в принципе мы не будем забивать голову формулами и умными изречениями из википедий, попробуем справиться сами, объяснив все так, как понимаем и своими словами.
 Явление крутящего момента встречается нам ежедневно и повсеместно, просто мы не часто задумываемся об этом и в большинстве случаев знаем о нем уже не понаслышке, разве что формулируем это не в виде нудных изречений, а интуитивно, словно были уже рождены с этими знаниями. Так предположим наши обычные двери, коих мы открываем за день порой не один десяток. Вспомните, где находится ручка у дверей. Да, конечно, на противоположной стороне от петель. И ни у кого из нас не возникает мысли открыть дверь поближе к ним. Мы даже иногда пробовали или пробуем это сделать, но в итоге, все ощущают на себе, насколько все же тяжело манипулировать дверным полотном вблизи петель на которых они весят. Теперь давайте разберемся в сути процесса.  Здесь можно провести аналогию с редуктором, когда крутишь много, но легко или пару оборотов, но ой как тяжело. Так и с крутящим моментом. Он велик, когда перемещения незначительны, при этом крутящий момент гораздо меньше, если добавить плечо и поворачивать через него, по большему радиусу, то есть с большим перемещением.  Отношения плеча и силы здесь прямо пропорциональны, чем больше плечо, тем легче поворачивать, чем больше сила, тем меньшее надо плечо для поворота.
 Итак, вроде все понятно, если нет, то попробуйте прочитать сначала этот абзац и все же вдуматься в суть каждого предложения.  Теперь, хоть мы вам и обещали не приводить формул, но удержаться не возможно, мы все же напишем одну, основную …

M=F*L;

…где М – наш крутящий момент; F – сила прикладываемая к концу плеча,  L – та самая длина плеча, к которому прикладывается сила.

В принципе, из формулы еще раз видно, что для сохранения значения крутящего момента, в случае изменения одной из величин (сила или плечо), вторая должна возрасти или уменьшится аналогично.

Крутящий момент двигателя создается на коленчатов валу

 Итак, с дверьми мы разобрались, но как же наш двигатель. Здесь все аналогично. У двигателя (ДВС) есть коленчатый вал, что не является новостью. Именно на нем и расположен маховик, через который посредством сцепления крутящий момент передается на КПП.  Так вот, тот самый крутящий момент на коленчатом валу двигателя является очень важным техническим показателем для любой из машин. Если он слишком мал, то двигателю придется «крутить много» (об/мин), чтобы через редуктор — КПП, обеспечить крутящий момент, который в состоянии будет сдвинуть нашу машину.  Опять же при большом крутящем моменте, двигатель будет «крутить мало» (об/мин), чтобы также сдвинуть машину и обеспечить ту же скорость. Развивая нашу мысль можно представить следующее. Если скажем к коленчатому валу двигателя приварить длинный стержень, для того чтобы удержать вал от вращения при работающем ДВС, то есть почувствовать силу крутящего момента. То в этом случае, в зависимости от крутящего момента силового агрегата, стержень на валу у двигателя с маленьким крутящим моментом будет короче, а с большим длинее. Вот в принципе и вся суть вопроса о крутящем моменте двигателя.

Крутящий момент двигателя для бензиновых и дизельных двигателей

Здесь хотелось бы сказать об одном удивительном обстоятельстве.  Кроме крутящего момента двигателя важно также и то, насколько он равномерно выдержан относительно частоты вращения коленчатого вала. Так у бензиновых двигателей пик крутящего момента двигателя появляется ближе к 5000-6500 обо/ мин, а вот у дизельных агрегатов он в максимуме уже на 2500-3000 об/мин. Такая особенность позволяет почувствовать намного лучшую приемистость машин с дизельным двигателем. Это очень важно при разгоне с места, а особенно при обгоне на трассе.
 Как вы поняли, значение крутящего момента будет различно от частоты вращения коленчатого вала. Так какую же характеристику крутящего момента мы видим в руководствах по эксплуатации, в технических характеристиках на сайтах с машинами? Ведь по сути, она изменяется во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала от 0 до максимального значения.

Какой крутящий момент нам предоставляют автопроизводители в характеристиках на машину?

 Здесь все банально как и всегда. Хочешь чем-то блеснуть перед другими, обязательно скажи о лучшем твоем результате. То же самое получается и с предоставленными характеристиками от автопроизводителей. Крутящий момент в технических характеристиках всегда пишется максимальный, пиковый. Больше этого крутящего момента машина просто не сможет выдать. А так как мы в предыдущем абзаце определились с тем, что крутящий момент и частота вращения коленчатого вала величины неразрывные, то максимальный крутящий момент всегда пишут вместе с той частотой, на которой он возникает.

В каком диапазоне частоты коленчатого вала должен быть максимальный крутящий момент двигателя?

 Наиболее правильный будет утверждение о том, что максимальный крутящий момент должен быть в «потребительском» диапазоне частота вращения двигателя. То есть в том, в каком диапазоне вращения коленчатого вала эксплуатируется машина.
 Наиболее востребованная частота для нас с вами, это порядка 1000-4000 оборотов. Именно с этой частоты мы стартуем, то есть включаем первую передачу, затем переключаемся на последующие и в итоге едем на последней. Очень редко обыватель использует частоту более 4000 об/мин, разве только в экстремальных случаях или если он «автогонщик».
 Из этого делаем вывод о том, что оптимальным будет тот вариант, когда максимальный крутящий момент двигателя находится в том же диапазоне 1000-4000 об/мин. Именно такой вариант и относится к дизельным двигателям, о чем мы уже упоминали выше.

 Итак, теперь вы не только будете знать, что собой представляет крутящий момент  двигателя, но и сможете кому-то поведать, насколько это важная характеристика.   Важность ее, прежде всего, в том, что двигатель работающий «без напряга», то есть с высоким крутящим моментом, может больше служить, от одного капитального ремонта до другого. Ведь он работает, что говорится «не на износ». Также в некоторых случая двигатель с большим объемом и большим крутящим моментом может оказаться более экономичным по топливу, так как меньшее количество оборотов и высокий крутящий момент на коленчатом валу будут более выигрышным вариантом, чем высокие обороты двигателя с меньшим объемом при меньшем крутящем моменте.  Часто такую аналогию мы можем наблюдать если сравнивать дизельный и бензиновый двигатель, особенно на низких оборотах. Подробнее о таких особенностях вы можете узнать из статьи «Какой двигатель лучше, бензиновый или дизельный».

Взаимосвязь крутящего момента и размера вала

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему различные типы электродвигателей с одинаковой мощностью в киловаттах имеют разные диаметры валов или почему валы некоторых насосов намного меньше, чем валы приводящих их двигателей? А как насчет двигателей с полым валом? Элементарное понимание того, как определяются размеры вала, может быть полезно любому, кто работает с насосами, вентиляторами, лифтами или любым другим оборудованием с приводом от двигателя.

Чем больше, тем лучше — по крайней мере раньше было

Частично по традиции валы электродвигателей часто больше, чем у оборудования, которое они приводят в движение. Инженеры были очень консервативны столетие назад, когда электродвигатели впервые стали широко использоваться в промышленности, поэтому они обычно проектировали со значительной погрешностью. Современные инженеры не сильно изменились в этом отношении. Например, стандартные размеры рамы NEMA, которые были пересмотрены только один раз с 1950 года, по-прежнему указывают гораздо большие размеры вала, чем требуют общепринятые принципы машиностроения.

Основы конструкции вала

Размер вала определяется крутящим моментом, а не мощностью в лошадиных силах. Но изменения мощности и скорости (об/мин) влияют на крутящий момент, как показывает следующее уравнение:

Крутящий момент (фунт-фут) = л.с. x 5252/об/мин будет снижение оборотов. Например, двигатель мощностью 100 л.с., рассчитанный на 900 об/мин, потребует вдвое большего крутящего момента, чем двигатель мощностью 100 л. с., рассчитанный на 1800 об/мин. Размер каждого вала должен соответствовать ожидаемой скручивающей нагрузке.

Для определения требуемого минимального размера вала двигателя используются два основных подхода, оба из которых дают консервативные результаты. Один метод требует, чтобы вал был достаточно большим (и, следовательно, достаточно прочным), чтобы без поломок передавать указанную нагрузку. Инженеры-механики определяют это как способность передавать требуемый крутящий момент без превышения максимально допустимого напряжения сдвига при кручении материала вала. На практике это обычно означает, что минимальный диаметр вала может выдерживать как минимум двукратный номинальный крутящий момент двигателя.

Другой способ проектирования вала заключается в расчете минимального диаметра, необходимого для контроля отклонения при кручении (скручивания) во время эксплуатации. Для инженеров это означает, что допустимый крутящий момент или крутящий момент является функцией допустимого напряжения сдвига при кручении (в фунтах на квадратный дюйм или кПа) и модуля полярного сечения (функция площади поперечного сечения вала).

Справочник по машинному оборудованию содержит следующие уравнения для определения минимальных размеров вала с использованием обоих подходов к проектированию: сопротивление отклонению при кручении и передача крутящего момента. Оба набора уравнений основаны на стандартных значениях для стали с допустимым напряжением 4000 фунтов на кв. дюйм (2,86 кг/мм 9 ).0029 2 ) для приводных валов и 6000 фунтов на кв. дюйм (4,29 кг/мм ² ) для линейных валов со шкивами (иногда называемыми шкивами). Некоторые уравнения также относятся к валам со шпонкой или без нее, что удобно для пользователей насосов, которым необходимо знать, как рассчитать валы со шпонкой и без нее.

Подход к передаче крутящего момента

Большинство валов двигателей снабжены шпонкой, что увеличивает усилие сдвига, воздействующее на вал. Учитывая это, конструкции вала двигателя обычно используют не более 75 % максимального рекомендуемого напряжения для вала без шпонки. Это еще одна причина, по которой валы электродвигателей часто больше, чем валы насосов, которыми они управляют.

> >  Уравнения 3–5 и примеры 1–4 см. на следующих страницах.

Пример 1

Рассмотрим двигатель мощностью 200 л.с. (150 кВт), 1800 об/мин. Для прямой пары стандартный размер рамы составляет 445TS с диаметром вала (со шпонкой) 2,375 дюйма (60 мм). Используя уравнение [1], минимальный размер вала будет:

Или, в метрических единицах:

Чтобы увидеть, какой запас прочности заложен в приведенных выше уравнениях, замените номинальную мощность в 200 л.с. на 400 л.с.

Поскольку рассчитанный диаметр вала для двигателя мощностью 200 л.с. рассчитан на удвоение номинального крутящего момента, диаметр вала 2,371 дюйма является абсолютным минимумом для двигателя мощностью 400 л.с.

Метод устойчивости к скручиванию

Другой способ расчета минимального размера вала двигателя заключается в установлении предела возможного отклонения при кручении (скручивания). Сопротивление скручиванию прямо пропорционально размеру вала: чем больше диаметр, тем больше сопротивление скручиванию.

Эмпирическое правило для этого метода заключается в том, что вал должен быть достаточно большим, чтобы он не отклонялся более чем на 1 градус на длине, в 20 раз превышающей его диаметр. Для расчета минимального размера вала, соответствующего этой спецификации, используйте следующую формулу:

Пример 2

Для двигателя мощностью 200 л. :

Или, в метрических единицах:

Минимальные диаметры вала, рассчитанные методами передачи крутящего момента и отклонения при кручении, практически одинаковы для примеров 1 и 2. Тем не менее, хороший подход заключается в расчете размера в обоих направлениях, а затем использовании большее значение как абсолютный минимум.

> > См. следующую страницу о конструкциях с полым валом, уравнение 5 и примеры 3-4.

Конструкции с полым валом

Непосредственно связанные нагрузки воздействуют на вал скручивающей силой (кручением), вызывая наибольшую нагрузку вблизи поверхности или радиуса и очень небольшую на внутренней части. Это делает конструкции с полым валом практичными для вертикальных двигателей. Эти конструкции позволяют валу насоса проходить через полый вал двигателя, что упрощает процесс соединения валов насоса, которые должны выдерживать столб тяжелой воды, связанный с глубокой скважиной.

Расчет диаметра вала не так прост для вертикального двигателя с полым валом. Две переменные — наружный и внутренний диаметры полого вала — не нормируются, что делает невозможным упрощение расчета коэффициентом. По этой причине легче продемонстрировать, достаточно ли конкретного полого вала для данной номинальной мощности.

Пример 3

Двигатель с полым валом мощностью 200 л.с. (150 кВт), 1800 об/мин имеет внешний диаметр вала 3 дюйма (76 мм) и внутренний диаметр 2 дюйма (51 мм). Чтобы определить, достаточен ли этот размер вала для передачи требуемого крутящего момента, решите следующее уравнение для P :

В этом примере P должно быть больше 200 л.с., чтобы вал был достаточно большим, чтобы выдерживать крутящий момент двигателя.

Теоретически этот вал способен передавать 1700 л.с., поэтому его более чем достаточно для требуемых 200 л.с.

Пример 4

Величина крутящего момента, который может передать полый вал, зависит от толщины стенки между его внутренним и внешним диаметрами. Более тонкая стенка не может выдержать такой большой крутящий момент, как более толстая. 3-в. вал в Примере 3 был способен передавать 1700 л.с. и имел стенку толщиной ½ дюйма: (3 дюйма – 2 дюйма) / 2 дюйма = ½ дюйма. Сколько лошадиных сил может 3-дюймовый? передача вала, если бы стена была толщиной всего ¼ дюйма?

Более тонкая стена дает потрясающий эффект. Вал с 0,25-дюймовым. стена может нести менее 20% крутящего момента вала с ½-дюймовой стенкой.

Подводя итоги

Инженеры склонны проектировать с учетом достаточного запаса прочности, и, в частности, старое оборудование проектировалось с запасом даже по сегодняшним стандартам. Конечно, это одна из причин, по которой многие из нас ценят старые машины. Это было достаточно жестко, чтобы противостоять человеческим ошибкам, таким как неправильное выравнивание.

В любом случае имейте в виду, что добавление шпоночного паза к существующему валу ослабляет вал. Точно так же увеличение диаметра отверстия полого вала снижает допустимый крутящий момент. Рассмотрите возможность модификации вала только при наличии хорошей инженерной поддержки. Даже в этом случае помните, что чем тяжелее последствия отказа, тем более щедрым должен быть запас прочности. В конце концов, кто захочет пользоваться лифтом, спроектированным и построенным без коэффициента безопасности?

Чак Юнг — старший специалист по технической поддержке Ассоциации по обслуживанию электрооборудования (EASA).

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Как рассчитать крутящий момент на валу

Обновлено 22 декабря 2020 г.

Кевин Бек

Вся физика занимается описанием того, как движутся объекты и как определенные величины, которыми они обладают (например, энергия, импульс), обмениваются друг с другом и с окружающей средой. Возможно, самой фундаментальной величиной, управляющей движением, является сила, которая описывается законами Ньютона.

Когда вы представляете силы, вы, вероятно, представляете объекты, которые толкают или тянут по прямой линии. На самом деле, когда вы впервые знакомитесь с концепцией силы в курсе физических наук, вам представляют такой сценарий, потому что он самый простой.

Но физические законы, управляющие вращательным движением, включают совершенно другой набор переменных и уравнений, даже если лежащие в их основе принципы одни и те же. Одной из таких специальных величин является крутящий момент , который часто действует для вращения валов в машинах.

Что такое Сила?

Проще говоря, сила — это толчок или тяга. Если суммарный эффект всех сил, действующих на объект, не компенсируется, то эта результирующая сила заставит объект ускоряться или изменять его скорость.

Возможно, вопреки вашей собственной интуиции, а также представлениям древних греков, для перемещения объекта с постоянной скоростью не требуется сила, ибо ускорение определяется как скорость изменения скорости.

Если ​ a ​ = 0, измените ​ v ​ = 0 и никакая сила не нужна для того, чтобы объект продолжал двигаться, при условии, что на него не действуют никакие другие силы (включая сопротивление воздуха или трение).

В закрытой системе, если сумма всех действующих сил равна нулю ​ и ​ сумма всех присутствующих крутящих моментов также равна нулю, система считается ​ равновесной ​, так как ничто не заставляет ее изменить свое движение.

Крутящий момент Объяснение

Вращательный аналог силы в физике представляет собой крутящий момент, представленный ​ ​ T ​ ​.

Крутящий момент является важнейшим компонентом практически любого мыслимого инженерного приложения; каждая машина с вращающимся валом включает в себя компонент крутящего момента, на долю которого приходится почти весь транспортный мир, наряду с сельскохозяйственным оборудованием и многим другим в промышленном мире.

Общая формула для крутящего момента имеет вид . Поскольку sin 0° = 0 и sin 90° = 1, вы можете видеть, что крутящий момент максимизируется, когда сила приложена перпендикулярно к рычагу. Когда вы думаете о любом опыте работы с длинными гаечными ключами, который у вас может быть, это, вероятно, интуитивно понятно.

• Крутящий момент имеет те же единицы измерения, что и энергия (ньютон-метр), но в случае крутящего момента это ​ и никогда не называют «Джоулями». И в отличие от энергии, крутящий момент является векторной величиной.

Формула крутящего момента вала

Чтобы рассчитать крутящий момент вала, например, если вы ищете формулу крутящего момента распределительного вала, сначала необходимо указать тип вала, о котором вы говорите.