Vääntö

Vääntömomentti on voima, joka vaikuttaa akseliin tai muuhun tukipisteeseen kinnitettyyn objektiin kiertävästi. Ts. aivan kuten voimaa voidaan mitata työntövänä tai vetävänä voimana, vääntö on kiertävä voima.

Matemaattisesti ajateltuna, vääntö on vipuvarren pituuden ja siihen vaikuttavan voiman tulo (tarkemmin: vektorien ristitulo). Ajoneuvopuolella käytännön esimerkkinä tästä voi toimia pyöränpultin avaaminen. Ristikkoavaimen ja rannevoiman yhdistelmä tuottaa tietyn vääntövoiman, jolla pyöränpultin tulisi normaalisti aueta. Juuttunut tai liian tiukalle kiristetty pultti saattaa vaatia voiman lisäämistä, joko lyhyen varren päälle jalalla painaen tai vääntävän varren pituutta lisäten. Näille toimenpiteille on olemassa matemaattiset termit ja laskukaavat, mutta käytännön elämässä niitä ei tarvita.

Vääntö on myös se voima, joka moottorin kampiakselin välityksellä siirtyy moottorista ulos, eli laajasti ajatellen moottorin käyttökelpoinen voima. Moottorista ulostuleva vääntö riippuu hyvin pitkälle moottorin rakenteesta, yksisylinterinen ja pienen iskutilavuuden omaava moottori saa aikaan pienemmän vääntömomentin kuin yksisylinterinen, suuremmalla iskutilavuudella varustettu moottori. Moottorin tuottaman vääntömomentin määrään voidaan vaikuttaa sylinteriluvulla ja iskutilavuudella ja esim. venttiilikoneiston ajoituksella. Ennenkuin moottorin tuottama vääntömomentti on välitetty ajoneuvon vetäville pyörille, on sen määrä usein kasvatettu moninkertaiseksi. Parhaana esimerkkinä tästä toimii raskaaseen käyttöön tarkoitettu kuorma-auto, jonka alin vaihde on usein hyvinkin tiheäksi välitetty, tasauspyörästön välitykset ja mahdollinen napavälitys muuttavat omalta osaltaan vääntömomenttia, mahdollistaen hyvinkin raskaiden taakkojen liikuttamisen.

Väännön ja tehon suhde

Vääntömomentin ja moottorin suurimman nimellistehon suhde toisiinsa on monimutkainen. Eräs usein kuultu väite on, että vääntö ja teho kamppailevat toisiaan vastaan, ts. samaan moottoriin ei voida saada molempia ominaisuuksia. Osittain tämä pitänee paikkaansa, mutta väite lienee lähtöisin moottorivalmistajien halusta korostaa jotain määrättyä ominaisuutta. Tällöin puhutaan usein ns. vääntömoottoreista ja kierroskoneista. Toinen väittelyn aihe on, kumpi liikuttaa autoa, vääntö vai teho.

Lähestytään asiaa esimerkkien kautta. Jos meillä on kaksi 68 tonnin ajoneuvoyhdistelmää, joista toisen moottori on 700 hevosvoimainen, toisen 500 hevosvoimaa ja iskutilavuus on molemmissa sama, on täysin selvää, että tehokkaampi moottori liikuttaa samaa massaa tehokkaammin, ts. kevyemmällä työlä, kuin pienempitehoinen. Suurempitehoisen moottorin vääntömomentti on toki myös suurempi, mutta mikäli kaikki muut muuttujat ovat vakioita, suurempi teho antaa paremman hyödyn.

Jos meillä on kaksi 500 hv:n moottoria, toinen kuorma-auton 14-litrainen dieselmoottori ja toinen henkilöauton 6,5-litrainen moottori, on selvää että samasta nimellistehostaan huolimatta suurempi moottori jaksaa liikuttaa suuremman vääntömomenttinsa ansiosta 68 tonnin yhdistelmää. Esimerkin 6,5-litrainen moottori voisi saada saman massan kyllä liikkeelle, mutta huolimatta samasta nimellistehosta, käytännön töihin siitä tuskin olisi.

Kuten näistä kahdesta käytännönläheisestä esimerkistä käy ilmi, väännön ja tehon suhde toisiinsa on läheinen. Vastauksena aiemmin esitettyyn kysymykseen on vastauksena; kumpaakin tarvitaan, ajoneuvon käyttötarkoitus sanelee hyvin pitkälle sen, millaisia moottorin ominaisuuksia korostetaan. Tässä ei ole olemassa hyvää tai huonoa vaihtoehtoa.

Vääntökäyrä

Polttomoottorin suureita voidaan esittää graafisella kuvaajalla, kuten alempana olevasta kuvasta käy ilmi. Vääntökäyrä voi olla jyrkästi nouseva sitten pitkään tasainen ja sitten laskeva. Tai se voi olla loivasti nouseva ja sillä on selkeämpi huippu. Tässäkään ei ole hyvää tai huonoa vaihtoehtoa, on vain sellainen, joksi moottori-insinööri on käyrän halunnut.

Kuorma-autokäytössä moottorin paras vääntöalue on usein merkitty kierroslukumittariin vihreänä kenttänä, koska erityisesti raskaassa käytössä voimansiirron rasituksen ja ajoneuvon polttoainetalouden kannalta on oleellisen tärkeää, että moottoria käytetään optimaalisella kierrosalueella. Vaihteiston oikeat välityssuhteet mahdollistavat sen, että kiihdytettäessä ajoneuvoa, täyden vaihteen väli on yleensä vihreän alueen ylälaidasta alalaitaan, puolittajalla kierrosluku laskee vihreän asteikon puoliväliin. Tasauspyörästön lopulliset välitykset ratkaisevat sen, onko marssivauhdin kierrosluku vihreän asteikon ylä-, ala- vai keskivaiheella.

Nykyisin, kun henkilöautojen moottoreiden iskutilavuus on laskenut, siitä on ollut seurauksena myös joko vääntömomentin väheneminen etenkin alakierroksilla tai vääntökäyrän jyrkkä, kapeakärkinen muoto. Näitä ominaisuuksia paikkaamaan on henkilöautojen vaihteistojen välityssuhteita lisätty, manuaalivaihteita on nykyisin yleisesti kuusi, automaativaihteistossa voi olla jopa kahdeksan eri välityssuhdetta.

Vaihteiden kasvanut määrä ei kuitenkaan automaattisesti indikoi alhaista vääntömomenttia. Saattaa vain olla että kuudes vaihde on ylivaihde, jolla ajoneuvon marssivauhdin kierrokset saadaan laskettua alas. Tai sitten ajoneuvon lopullinen välitys on niin harva, että kuudennella vaihteella saavutettavan 200 - 300 km/h:n huippunopeuden lisäksi tarvitaan enemmän tiheämmällä välityssuhteella olevia vaihteita. Näissä esimerkeissä ensin mainittu edellyttää mootorilta hyvää vääntömomenttia, jälkimmäinen suurta nimellistehoa.

Polttomoottorin vääntökäyrä on usein alaspäin avautuvan laakean kaaren muotoinen. Kuvassa vääntökäyrä on merkitty sinisellä.

Mittayksiköt

Väännön mittayksiköitä ovat newtonmetri (Nm) ja pound-foot (lbs-ft), joista ensin mainittu on kansainväliseen SI-järjestelmään ja eurooppalaiseen kymmenjärjestelmään perustuva, jälkimmäinen anglo-amerikkalaisissa maissa aiemmin käytössä olleeseen Imperial- eli tuuma-järjestelmään perustuva. Muita aiemmin käytettyjä yksiköitä ovat kilopondi (kp), kilopondimetri (kpm) tai kilogram-force (kgf, myös kgm).