Výkon a točivý moment: jak spolu souvisí?

19.3.2018, Milan Šurkala, článek

Účinky výkonu a točivého momentu na dynamiku aut jsou předmětem mnoha "hospodských" sporů. Zrychluje auto podle výkonu nebo točivého momentu? A co vlastně tyto veličiny říkají? Právě na to se dnes z mnoha úhlů pohledu podíváme.

Kapitoly článku:

Plochá křivka výkonu

Situaci s plochou křivku výkonu si ukážeme na Mazdě 3 2,0/88kW, která má plochý výkon od 4000 do 6000 otáček. I když jde o benzinový motor, má docela dieselový charakter právě softwarovým seškrcením motoru ve vyšších otáčkách. Podobně se totiž chovají i turbodiesely, jenže ty to mají ze své podstaty.

Vidíte, jak po dosažení 4000 otáček klesá točivý moment? To v praxi znamená např. to, že předjíždíte, auto příjemně zrychluje, blíží se ke 4000 otáčkám a jakmile je přesáhne, akcelerace je stále pomalejší a pomalejší. To neznamená, že by auto nezrychlovalo, jen už nezrychluje tak pěkně. Maximální výkon se pak celou dobu drží na 88 kilowattech.

klikněte pro zvětšení

Tady je zobrazena klasická 88kW verze se svou typickou dlouhou převodovkou (plná čára). Vedle toho tu máte i 88kW variantu v případě, že by měla výrazně kratší stálý převod ze 121kW verze (čárkovaně). Je dobře vidět, že krátká (čárkovaná) verze je na každém stupni velmi výrazně dynamičtější. Jenže kratší převody znamenají dříve řadit (zde to kvůli překryvu není vidět). Např. z dvojky na trojku to dlouhá verze musí udělat až při 109 km/h, krátká ale už při 90 km/h. Zatímco krátká verze tak od 90 km/h výše už musí na trojku, dlouhá verze může ještě stále na dvojku.

klikněte pro zvětšení

Znovu se můžete podívat na to, co udělají kratší převody u motoru s plochou křivkou výkonu. Lehčí převod výrazně zlepší jedničku, nicméně na dvojku je nutno řadit už při 47 km/h, zatímco delší převodovka jede na jedničku až do 57 km/h. Po překonání této rychlosti nabídnou obě dvě převodovky stejnou dynamiku při požadavku o co nejlepší akceleraci, tedy při točení až do maxima. Jinak řečeno, od 57 km/h výše už u tohoto auta nijak zvlášť nezáleží na tom, zda máte krátké nebo dlouhé převody. Zkusme se ti vyjádřit ještě číselně. Vezměme např. pružné zrychlení při rychlosti 140 km/h. Začněme převodovkou s delšími převodovými poměry.

3.stupeň (převod 1,300, stálý 3,619, celkový 4,705) - Motor točí 5400 otáček, při nich má 156 Nm. Na kola jde tedy 156 × 4,705 = 734 Nm. Výkon je 156 Nm × 5400 otáček / 9549 = 88 kW.
4. stupeň (převod 1,029, stálý 3,619, celkový 3,724) - Motor točí 4280 otáček, při nich má 197 Nm. Na kola jde tedy 197 Nm × 3,724 = 734 Nm. Výkon je 197 Nm × 4280 otáček / 9549 = 88 kW.

Je velmi dobře vidět, že 3. převodový stupeň zvýšil proti 4. stupni otáčky, což by teoreticky mělo zvýšit výkon (a akceleraci), nicméně motor má v těchto otáčkách nižší točivý moment, takže výsledek je stejný. Na kola se dostalo 734 Nm a výkon motoru je v obou případech 88 kW. Lehčí stupeň zvýšil násobení vyšším převodovým poměrem, ale snížil točivý moment vyššími otáčkami. Toto je ukázka ploché křivky výkonu. A co by se stalo s lehčí převodovkou? Zvýšila by se akcelerace?

4. stupeň (převod 1,029, stálý 4,388, celkový 4,515) - Motor točí 5190 otáček, při nichž má 162 Nm. Na kola jde tedy 162 × 4,515 = 731 Nm. Výkon je 162 Nm × 5190 otáček / 9549 = 88 kW.
5. stupeň (převod 0,837, stálý 4,388, celkový 3,673) - Motor točí 4220 otáček, při nichž má 200 Nm. Na kola jde tedy 200 × 3,673 = 735 Nm. Výkon je 200 × 4220 otáček / 9549 = 88 kW.

I kdybychom vzali lehčí převodovku, jakmile jsme nad 4000 otáčkami, kde je plochá křivka výkonu, dostaneme na kola vždy stejný točivý moment, a tedy i stejný výkon při shodné rychlosti. Proto u automobilů s plošší křivkou výkonu nezáleží tolik na zpřevodování. Nejen proto mají dnešní automobily, které jsou většinou vybavené turbodmychadly (díky nimž mají plošší křivku výkonu), tak často dlouhé převody, aniž by to nějak dramaticky vadilo. I když jeden problém tu je a povíme si o něm na konci této kapitoly.

Zkusme si to ještě trochu jinak a podívejme se např. na výsledky při jiné rychlosti. Opět to bude stejná Mazda s dlouhou převodovkou a opět si vyzkoušíme situaci s výkonem 88 kW na jiných stupních, jen tentokrát to nebudeme zkoumat při 140 km/h, ale např. při 104 km/h na dvojku a trojku, kde také dochází k překryvu výkonů.

2. stupeň (převod 1,947, stálý 3,619, celkový 7,046) - Motor točí 6010 otáček, při nichž má 140 Nm. Na kola jde tedy 140 × 7,046 = 986 Nm. Výkon je 140 Nm × 6010 otáček / 9549 = 88 kW.
3. stupeň (převod 1,300, stálý 3,619, celkový 4,705) - Motor točí 4020 otáček, při nichž má 210 Nm. Na kola jde tedy 210 × 4,705 = 988 Nm. Výkon je 210 × 4020 otáček / 9549 = 88 kW.

Opět vidíme, že když je při dané rychlosti stejný výkon, dostáváme na kola i stejný točivý moment, ačkoli se točivý moment motoru v obou případech liší. Všimněte si ale hlavně toho, že zatímco při 140 km/h s výkonem 88 kW šlo na kola přibližně 734 Nm, při rychlosti 104 km/h už je to cca 987 Nm. Stejný výkon při různé rychlosti znamená různou okamžitou akceleraci. Pozor na to!

Znovu upozorňuji na to, že je rozdíl, zda se bavíme o průběhu okamžitého zrychlení na daném stejném převodu (pak sledujeme tvar křivky točivého momentu v různých otáčkách a rychlostech) nebo o okamžitém zrychlení v dané stejné rychlosti (tedy hodnotu výkonu při různých převodech). Pokud to tedy otočíme a nebudeme studovat akceleraci při stejné rychlosti při různých stupních, ale akceleraci při stejných otáčkách při různých stupních, vyjde nám i jiná akcelerace.

2. stupeň (převod 1,947, stálý 3,619, celkový 7,046) - Motor točí 4000 otáček, při nichž má 210 Nm. Na kola jde tedy 210 × 7,046 = 1479 Nm. Výkon je 210 Nm × 4000 otáček / 9549 = 88 kW. Auto jede 69 km/h.
3. stupeň (převod 1,300, stálý 3,619, celkový 4,705) - Motor točí 4000 otáček, při nichž má 210 Nm. Na kola jde tedy 210 × 4,705 = 988 Nm. Výkon je 210 × 4000 otáček / 9549 = 88 kW. Auto jede 104 km/h

Vidíme, že z hlediska motoru se nic nezměnilo, máme stejný točivý moment 210 Nm, stejné otáčky (4000 ot/min), tedy i stejný výkon 88 kW. Přesto vyšla různá akcelerace (resp. jiný točivý moment na výstupu z převodovky, který ovlivní akceleraci), což může vypadat, že odporuje všemu, co jsme doposud říkali. Ale pozor, hovořili jsme o tom, že u okamžité akcelerace nás zajímá výkon (nebo točivý moment na kolech) při stejné rychlosti. Jenže to teď není splněno, rychlost je totiž různá. Je to proto, že máme jiný převod a s ním i jinou rychlost 104 km/h proti 69 km/h při stejných otáčkách motoru. V prvním případě tak jde na kola 1479 Nm, v druhém jen 988 Nm, přičemž motor má ale stále stejné otáčky a výkon. Stejný výkon při různé rychlosti tedy opravdu znamená jinou akceleraci.

Vraťme se k dlouhým převodům

Dlouhé převody znamenají především to, že se změní doby řazení. Např. u Mazdy 3 s 88kW motorem v podstatě 3., 4. a 5. převodový stupeň odpovídají otáčkami 4., 5. a 6. převodovému stupni u 121kW verze. Ve výsledku tak u 88kW varianty budete jezdit s řadící pákou na stupni o jedna nižším a pak si běžné jízdě většinou nelze stěžovat na horší dynamiku.

Vtip je totiž v tom, že otáčky si víceméně odpovídají, viz graf níže (trojka u 88kW verze točí při stejné rychlosti zhruba stejně jako čtyřka u 121kW varianty, totéž se opaku u vyšších stupňů), takže auto nabídne i stejný výkon (za předpokladu, že nepřelezete 4000 rpm), tedy i dynamiku, kvůli stejným otáčkám bude stejný i hluk a spotřeba. Lišit se bude jen poloha řadící páky. Výhodou 88kW verze bude ale to, že pokud chcete, můžete zařadit ještě dlouhou šestku a otáčky dále snížit. 121kW verze tohle neumí, tam je její šestka na úrovni pětky 88kW varianty a dál se už nedostanete.

Na dálnici je tak lepší slabší varianta. Kdo však bude namítat, že by mu vyhovovala kratší šestka ze 121kW verze (např. kvůli lepšímu pružnému zrychlení), nemá si vůbec nač stěžovat. Stačí na 88kW variantě zařadit na dálnici pětku. Dostane tytéž otáčky, tutéž dynamiku, tentýž hluk a tutéž spotřebu jako u 121kW verze na šestku. Mají stejné otáčky, jen řadicí páka bude směřovat jinam.

To ale rozhodně neznamená, že by byly dlouhé převody 88kW verze jen ku prospěchu věci. Kde je totiž skutečně problém, jsou u dlouhých převodovek první dva, někdy tři převodové stupně. Dlouhé (těžké) převodovky znamenají obvykle větší přeskoky mezi těmito převody a snadno se stane, že jednička točí moc, ale dvojka očividně ještě není ve své kůži a totéž platí mezi dvojkou a trojkou. S dlouhými převodovkami se hůře jezdí ve městě a v kolonách, kdy ji některé rychlosti sednou perfektně, ale spousta rychlostí je pro jeden převod moc, ale pro druhý ještě málo. S lehkou převodovkou tyto nízké rychlosti snáze pokryjete.