Vääntömomentti (myös kiertomomentti) kuvaa kiertävän liikkeen vääntövoimaa. Autoilijoille vääntömomentti on tuttu autojen maailmasta: autoja vertaillessa esitetään yleensä niiden teho ja niiden vääntömomentti.
Mitä moottorin vääntömomentti sitten tarkoittaa käytännössä? Onko se sama asia kuin moottorin teho? Tässä artikkelissa kerromme, mitä eroa näillä on.
Mikä on moottorin vääntömomentti
Kun selailet autoilmoituksia ja luet niiden tietoja, törmäät erilaisiin lukemiin, joilla pyritään osoittamaan auton tehoa. Näihin kuuluvat esimerkiksi moottorin teho (kilowatti kW tai hevosvoima hv tai hp), huippunopeus (km/h), suurin vääntömomentti (N⋅m) ja kiihtyvyys 0–100 sekunneissa mitattuna. Näillä äkkiseltään selkeiltä vaikuttavilla parametreilla on tärkeitä eroja, jotka eivät ole kaikille selkeitä. Kaikkia moottoreita yhdistää se, että mitä nopeammin se käy, sitä enemmän tehoa se tuottaa. Polttomoottorin osalta kolme tekijää, jotka vaikuttavat moottorin kokonaissuorituskykyyn ovat nopeus, vääntömomentti ja hevosvoima.
Vääntömomentin ymmärtämiseen on tärkeää ymmärtää se, että voimaa voidaan mitata eri tavoin sen luonteesta riippuen. Voima voi olla työntävää, vetävää tai kiertävää – jälkimmäistä mittaava suure on nimeltään momentti, automaailmassa usein ”vääntömomentti”. Momenttiin vaikuttavat sekä voiman suuruus että voiman etäisyys kiertoakselista – mitä kauemmas voima kohdistetaan, sitä pienempää voimaa tarvitaan. Fysiikassa käytetty momentin määritelmä on, että se on vektorien ristitulo: voima, joka vaikuttaa kiertävästi nivel- tai tukipisteeseen vipuvarren avulla. Voiman momentti ilmaistaan tunnuksella M, ja momentin yksikkö taas on N⋅m (myös NM, N m tai Nm) eli newtonmetri. Autossa jälkimmäinen kuvaa moottorin tuottamaa vääntömomenttia.
Vääntömomentin kaava on seuraava: vääntömomentti = N (voima) × m (vipuvarren ristitulo). Se voidaan ilmaista myös kaavalla τ = r × F, jossa kreikan kirjaimiston kirjain tau (τ) tarkoittaa vääntömomenttia, r tarkoittaa vipuvarren pituutta vektorina (m) ja F tarkoittaa vipuvarteen vaikuttavaa voimaa vektorina (N). Ajoneuvossa tämä tarkoittaa seuraavaa: vääntömomentti = moottorin hevosvoima × 5252 / kierrosluvulla.
Autonvalmistajat pyrkivät suunnittelemaan ajoneuvonsa niin, että myös moottorin alhaisella kierrosnopeudella saavutetaan mahdollisimman suuri vääntömomentti. Suuri vääntömomentti näkyy käytännössä niin, että kuljettajan painaessa kaasupoljinta moottorin vasteen viive on mahdollisimman lyhyt: auto reagoi nopeasti. Se parantaa ajomukavuutta ja ennakoitavuutta. Täysin viiveestä ei kuitenkaan ole mahdollista päästä eroon.
Moottorin vääntömomentin ja tehon eroon palaamme alempana.
Mikä on moottorin teho
Fysiikassa teho (tunnus P) tarkoittaa työn tai energian määrää jossain aikamäärässä eli käytännössä se kuvaa työn (tunnus J eli joule) tekemisen nopeutta. Tämä ei tietenkään ole aina vakio, joten pääasiassa teholla kuvataan keskimääräistä tehoa tiettynä aikana. Tehon yksikkö on watti eli W, joka on sama kuin 1 J sekunnissa. Tehon kaava on P = W / t, eli watti jaettuna ajalla. Autot ovat niin tehokkaita, että niistä puhuttaessa käytetään tuhatta wattia tarkoittavaa yksikköä kilowatti (kW). Lisäksi teho ilmoitetaan usein hevosvoimina (hv tai hp), joka on vanhahtava mutta yleisesti käytetty tehon yksikkö, joka ei kuulu kansainväliseen yksikköjärjestelmään. Yksi hevosvoima on noin 735,5 wattia.
Autonvalmistajilla on yleensä tapana ilmoittaa auton moottorin suurin teho. Se ei ole kerro moottorin yleisestä suorituskyvystä vaan kuvaa vain suurinta tehoa, jonka ajoneuvo kykenee saavuttamaan tietyillä kierrosluvuilla esimerkiksi kiihdytettäessä. Suurin teho voi olla siis huomattavastikin korkeampi kuin ajoneuvon keskimääräinen teho tavallisessa ajossa.
Moottorin vääntömomentin ja tehon ero
Vääntömomentin ja tehon eron ymmärtämiseksi on tärkeää ymmärtää näiden kahden suhde. Polttomoottori saavuttaa suurimman vääntömomenttinsa alhaisemmalla kierrosnopeudella kuin suurimman tehonsa: myös pienillä moottorin kierrosnopeuksilla momentti on suuri. Ilmiön voisi ilmaista myös graafina: moottori käynnistyy jo valmiiksi suurella vääntömomentilla mutta sen teho on aluksi pieni mutta kasvaa eksponentiaalisesti. Tehon saavuttaessa huippunsa vääntömomentti alkaa laskea. Kuljettajan havaitessa moottorin tehon laskevan sen nopeuteen verrattuna kuljettaja vaihtaa isommalle vaihteelle. Tällöin moottorin nopeus putoaa jälleen ja sama ilmiö käynnistyy jälleen alusta, kunnes vaihdetaan taas suuremmalle tai pienemmälle vaihteelle.
Yllä kuvatun voi tiivistää myös seuraavasti: mitä tehokkaampi moottori, sitä parempi kiihtyvyys ja sitä suurempi huippunopeus. Mitä tehokkaampi vääntömomentti, sitä parempi on moottorin ”vetovoima”, joka auttaa sitä kiihtymään, kun moottori käynnistetään. Vääntömomentilla tarkoitetaan siis moottorin työkapasiteettia, kun taas teholla tarkoitetaan moottorin kykyä suorittaa työ tietyn ajan sisällä. Raskaissa ajoneuvoissa, kuten katumaastureissa tai kuorma-autoissa, käytetään pääsääntöisesti suuren vääntömomentin moottoreita, sillä enemmän vääntömomentteja tarvitaan tällöin ajoneuvon saamiseksi liikkeelle ja etenkin kun tällaisia ajoneuvoja käytetään ylämäkeen ajettaessa. Lisäksi tällaiset ajoneuvot ovat usein dieselkäyttöisiä, sillä dieselmoottorit tuottavat suuremman vääntömomentin bensiinikäyttöisiin verrattuna.
Yhteenvetona voi todeta, että täydellisesti toimiva moottori tuottaa korkean vääntömomentin matalalla moottorin kierrosluvulla ja ylläpitää tätä vääntömomenttia, kunnes moottorin teho saavuttaa huippunsa. Moottorin virtaavalla ilmalla on olennainen vaikutus suorituskykyyn; suuret moottorit käyttävät enemmän ilmaa ja tuottavat näin suuremman vääntömomentin. Tämän vuoksi ajoneuvoissa käytetään turboahtimia.
Myös moottorin tehon lisäämiseksi on erilaisia tapoja: sytytysjärjestelmän osien parantaminen, hyvän puristuksen varmistaminen, sopivien voitelu- ja lisäaineiden käyttö ja mikä tärkeintä – hyvän huolen pitäminen ajoneuvosta.
Yhteenveto
Kommentoi