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Was sind PS und Drehmoment, und wo befinden sie sich?
Inhaltsverzeichnis
Warum sprechen wir immer nur von PS und Drehmoment?
Wenn Sie eine Autozeitschrift aufschlagen oder einem Verkäufer zuhören, der auf einer Automesse ein neues Auto vorstellt,PS"Und"Drehmoment„Leistung“ und „Drehmoment“ sind heutzutage fast unvermeidliche Begriffe. Manche sagen: „Dieses Auto hat ein starkes Drehmoment und sorgt beim Anfahren für einen ordentlichen Schub“, während andere behaupten: „Jenes Auto hat eine hohe PS-Zahl und erreicht locker über 250 km/h Höchstgeschwindigkeit.“ Doch was genau sind PS und Drehmoment? In welchem Verhältnis stehen sie zueinander? Warum beeinflussen diese Leistungsindikatoren so unterschiedliche Fahreigenschaften?
I. Pferdestärke: Eine Leistungseinheit, die sich von Dampfmaschinen zu Verbrennungsmotoren weiterentwickelt hat.
1.1 Die Entstehung der Pferdestärke: Um die Arbeitskräfte der „Pferde“ zu ersetzen
Der Begriff „Pferdestärke“ entstand im Zusammenhang mit dem Fortschritt der Industriellen Revolution. Ende des 18. Jahrhunderts verbesserte James Watt die Dampfmaschine. Um der Öffentlichkeit den Wert dieser Erfindung zu verdeutlichen, benötigte er eine anschauliche Einheit zur Beschreibung der Leistung der Dampfmaschine. Da zu jener Zeit das Pferd die gebräuchlichste Energiequelle war, schlug Watt das Konzept der „Pferdestärke“ vor.
Watt stellte fest, dass ein Pferd ein Gewicht von 330 Pfund (ca. 150 kg) in einer Minute 100 Fuß (ca. 30,48 m) hochheben konnte und definierte daher „1 britisches Pferdestärke (PS) = 33.000 Fuß-Pfund pro Minute“. Später wurde diese Einheit in das Internationale Einheitensystem (SI) umgerechnet: 1 britisches Pferdestärke ≈ 745,7 Watt (W), 1 metrische Pferdestärke (PS, deutsche Pferdestärke) ≈ 735,5 Watt.
1.2 Das Wesen der Pferdestärke: ein Maß für die Leistung
Aus physikalischer Sicht ist Pferdestärke eine Einheit für „Leistung“. Leistung ist definiert als „die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit“, und die Formel lautet:
Leistung = Arbeit ÷ Zeit
Die Formel zur Berechnung von Arbeit lautet „Kraft × Weg“, daher lässt sich Leistung auch als „Kraft × Weg ÷ Zeit“ oder „Kraft × Geschwindigkeit“ ausdrücken. Dieser Zusammenhang ist für Automobile entscheidend: Wenn ein Auto fährt, muss die Motorleistung letztendlich in das Produkt aus der auf die Räder wirkenden Kraft und der Geschwindigkeit umgewandelt werden – je höher die Geschwindigkeit, desto größer ist die Leistung, die benötigt wird, um diese Geschwindigkeit zu halten.
1.3 Die Entwicklung der Automobil-PS-Zahl: Von einstelligen Werten zu Tausenden
Seitdem der Verbrennungsmotor die Dampfmaschine als Hauptantriebsquelle für Automobile abgelöst hat, hat die Steigerung der Motorleistung einen Quantensprung in der Automobiltechnik erlebt. Nachfolgend sind typische Datenpunkte für wichtige Zeiträume aufgeführt (Tabelle 1):
| Zeitraum | Typische Modelle | Pferdestärke (PS) | Technischer Hintergrund |
|---|---|---|---|
| 1886 | Benz Patent-Motorwagen | 0.75 | Einzylinder-Benzinmotor, 0,954 l Hubraum. |
| 1920er Jahre | Ford Modell T (späteres Modell) | 20 | Vierzylindermotor, Serienfertigungstechnologie |
| 1950er Jahre | Chevrolet Corvette C1 | 195 | V8-Motor, Vergasertechnik |
| 1970er Jahre | Ferrari 365 GTB/4 (Daytona) | 352 | Hochdrehender V12-Motor, mechanische Kraftstoffeinspritzung |
| 1990er Jahre | McLaren F1 | 627 | V12-Saugmotor, Karosserie aus Kohlefaser |
| 2020er Jahre | Tesla Model S Plaid | 1020 | Elektromotor, Dreiradantrieb |
Tabelle 1: Vergleich der PS-Zahlen typischer Modelle von 1886 bis 2020
Die Daten zeigen, dass die PS-Zahl von Automobilen in über 130 Jahren um das 1.360-fache gestiegen ist, dank bahnbrechender Technologien wie Kraftstoffeinspritzung, Turboaufladung und Elektrifizierung.
II. Drehmoment: Die „Rotationskraft“, die die Räder zur Rotation antreibt.
2.1 Definition des Drehmoments: Die Kraft, die einen Körper in Rotation versetzt.
Drehmoment ist die Kraft, die einen Körper um seine Achse dreht. Beispielsweise ist beim Anziehen einer Schraube mit einem Schraubenschlüssel die Kraft umso größer, je länger der Schraubenschlüssel (und damit der Hebelarm) ist. Die Formel lautet:
Drehmoment = Kraft × Hebelarmlänge
Im Auto wird das Drehmoment vom Motor erzeugt durch...KurbelwelleDas Drehmoment wird üblicherweise in Newtonmetern (N·m) oder Pfund-Fuß (lb·ft) gemessen. Es bestimmt direkt, ob die Räder die Fahrzeugkarosserie antreiben können – je höher das Drehmoment, desto stärker die Beschleunigung des Fahrzeugs bei niedrigen Geschwindigkeiten, beispielsweise beim Bergauffahren, beim Transport schwerer Lasten oder beim Anfahren.
2.2 Das Verhältnis zwischen Drehmoment und Leistung: Zwei Dimensionen der Leistung
PS (Leistung) und Drehmoment sind keine voneinander unabhängigen Phänomene; sie sind eng über die Drehzahl miteinander verbunden. In der Physik lautet die Formel, die Leistung, Drehmoment und Drehzahl in Beziehung setzt:
Leistung (kW) = Drehmoment (N·m) × Drehzahl (U/min) ÷ 9549
(Umrechnung in imperiale Pferdestärken: 1 PS = Drehmoment (lb·ft) × Motordrehzahl (U/min) ÷ 5252)
Diese Formel offenbart ein Kernprinzip:Die Leistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl.Die gleiche Leistung kann entweder "niedriges Drehmoment + hohe Drehzahl" (wie bei einem Rennmotor) oder "hohes Drehmoment + niedrige Drehzahl" (wie bei einem Dieselmotor) sein.
2.3 Drehmomentcharakteristik: Die „Persönlichkeit“ verschiedener Motoren
Unterschiedliche Motortypen weisen deutlich unterschiedliche Drehmomentkurven (das Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl) auf, was ihre Einsatzszenarien bestimmt:
DieselmotorHohes Drehmoment ist bereits bei niedrigen Drehzahlen verfügbar (das Maximum wird üblicherweise bei 1500–3000 U/min erreicht), wodurch sich der Motor für Anwendungen mit hoher Traktion und für schwere Nutzfahrzeuge (wie Lkw und Geländewagen) eignet. Beispielsweise erreicht der 3,3-Liter-Turbodieselmotor im Toyota Land Cruiser (Modelljahr 2020) ein maximales Drehmoment von 650 Nm (2000–3000 U/min).
SaugmotorDas Drehmoment steigt mit der Motordrehzahl allmählich an und erreicht typischerweise zwischen 4000 und 6000 U/min seinen Höchstwert, was für eine ausgewogene Leistungsentfaltung (z. B. bei Familienautos) geeignet ist. Beispielsweise weist der 1,8-Liter-Motor des Honda Civic (Baujahr 2010) ein maximales Drehmoment von 174 Nm (bei 4300 U/min) auf.
TurbomotorDurch den Einsatz eines Turboladers zur Beschleunigung der Luftansaugung lässt sich über einen breiten Drehzahlbereich (z. B. 2000–5000 U/min) ein hohes Drehmoment erzielen, wodurch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Durchzugskraft im unteren Drehzahlbereich und hoher Leistung bei hohen Drehzahlen (wie bei Sportwagen) erreicht wird. Beispielsweise liefert der 3.0T-Motor im BMW M3 (2023) ein maximales Drehmoment von 650 Nm (2750–5500 U/min).
III. Beispiele für Drehmoment- und Leistungskurven
| Drehzahl | Drehmoment (N·m) | Pferdestärke (PS) | veranschaulichen |
|---|---|---|---|
| 1000 | 80 | 15 | Start bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment |
| 2000 | 100 | 38 | Das Drehmoment steigt, die Leistung steigt allmählich. |
| 3000 | 120 | 68 | Bereich des maximalen Drehmoments |
| 4000 | 115 | 87 | Drehmomentstabilität |
| 5000 | 110 | 105 | Schnittpunkt (ca. 5252 U/min) |
| 6000 | 100 | 114 | Dominanz der Pferdestärke |
| 7000 | 90 | 120 | Hohe Drehzahl, maximale Leistung |
| 8000 | 80 | 122 | Vor der roten Linie |
| 9000 | 70 | 120 | Drehmomentverringerung |
PS und Drehmoment sind komplementäre Konzepte: Drehmoment ist Kraft, PS hingegen Geschwindigkeit.
IV. Das Wesen extremer Geschwindigkeit: Warum ist die PS-Zahl wichtiger als das Drehmoment?
4.1 Die physikalischen Grenzen extremer Geschwindigkeiten: Ein Kampf zwischen Luftwiderstand und Leistung
Die Höchstgeschwindigkeit eines Autos bezeichnet die Geschwindigkeit, bei der die Motorleistung den Fahrwiderstand ausgleicht. Zum Fahrwiderstand gehören im Wesentlichen:
- RollwiderstandDie Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn ist direkt proportional zum Gewicht des Fahrzeugs, Geschwindigkeitsänderungen haben darauf nur geringen Einfluss.
- LuftwiderstandSie ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit (Formel: F_air = 0,5 × ρ × A × Cd × v², wobei ρ die Luftdichte, A die Stirnfläche, Cd der Widerstandsbeiwert und v die Geschwindigkeit ist).
Ab einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 100 km/h wird der Luftwiderstand zum primären Widerstand und steigt mit zunehmender Geschwindigkeit rapide an. Ab diesem Punkt muss der Motor ausreichend Leistung erbringen, um den Luftwiderstand zu überwinden. Der Zusammenhang zwischen Leistung und Geschwindigkeit lässt sich aus der Formel „Leistung = Widerstand × Geschwindigkeit“ ableiten.
P = F_Luft × v = 0,5 × ρ × A × Cd × v³
Das heisst:Die dritte Potenz der Geschwindigkeit ist proportional zur Leistung.Mit anderen Worten: Wenn Sie die Höchstgeschwindigkeit von 200 km/h auf 300 km/h erhöhen möchten (eine Steigerung um 501 PS), muss die benötigte Leistung auf das 3,375-fache (1,5³) der ursprünglichen Leistung erhöht werden – dies ist der entscheidende Einfluss der PS-Zahl (Leistung) auf die Höchstgeschwindigkeit.
4.2 Warum hat das Drehmoment nur einen begrenzten Einfluss auf die Höchstgeschwindigkeit?
Das Drehmoment bestimmt die Leistung eines Motors bei einer bestimmten Drehzahl, aber nicht direkt die Höchstgeschwindigkeit. Beispielsweise kann ein Geländewagen ein hohes Drehmoment von 600 Nm aufweisen, aber da er nur 300 PS leistet, erreicht er oft nicht mehr als 180 km/h. Ein Sportwagen mit 600 PS hingegen, selbst wenn sein Drehmoment „nur“ 500 Nm beträgt, kann problemlos über 300 km/h erreichen.
Der Grund dafür ist, dass Drehmoment und Motordrehzahl kombiniert werden müssen, um in Leistung umgewandelt zu werden. Um ein hohes Drehmoment zu erzeugen, ist die Motordrehzahl eines Geländewagens üblicherweise niedrig (z. B. unter 4000 U/min), und da Leistung = Drehmoment × Motordrehzahl gilt, ist die Leistung begrenzt. Sportwagenmotoren hingegen können durch den Betrieb mit hohen Drehzahlen (z. B. über 8000 U/min) auch mit moderatem Drehmoment eine hohe Leistung erbringen.
4.3 Fallstudie: Vergleich der Höchstgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Leistungsparametern
Nachfolgend ein Datenvergleich von drei verschiedenen Fahrzeugtypen (Tabelle 2), der den Zusammenhang zwischen PS-Zahl und Höchstgeschwindigkeit direkt aufzeigt:
| Modell | Pferdestärke (PS) | Drehmoment (N·m) | Höchstgeschwindigkeit (km/h) | Hauptmerkmale |
|---|---|---|---|---|
| Toyota Land Cruiser 300 | 304 | 650 | 190 | Drehmomentstarker, langsam laufender Dieselmotor |
| BMW M4 Competition | 510 | 650 | 290 | Hochleistungs-Turbobenzinmotor |
| Bugatti Chiron Pur Sport | 1500 | 1600 | 350 | Extrem hohe PS-Zahl, W16-Vierfachturbo |
Vergleich der Höchstgeschwindigkeit verschiedener PS/Drehmoment-Modelle
Wie man sieht, haben der Land Cruiser und der M4 das gleiche Drehmoment, aber der M4 hat 681 PS mehr und eine um 521 PS höhere Höchstgeschwindigkeit; der Chiron hat das 2,9-fache der PS des M4 und eine um 211 PS höhere Höchstgeschwindigkeit, was der Regel entspricht, dass „Leistung die Höchstgeschwindigkeit bestimmt“.
fünf,Kerndefinition
Pferdestärke (PS)
Die Formel zur Messung des „Gesamtwirkungsgrades“ des Motors lautet wie folgt:Drehmoment × Drehzahl ÷ 5252Je höher der Wert, desto besser die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs (z. B. streben Sportwagen nach einer hohen PS-Zahl).
Drehmoment (Nm/U/min)
Die „Momentanleistung“ eines Motors wird durch das Drehmoment der Kurbelwellenrotation gemessen. Je höher der Wert, desto stärker die Beschleunigung und die Tragfähigkeit (z. B. ist bei Lkw/Geländefahrzeugen ein hohes Drehmoment wichtig).
Wesentliche Unterschiede
| Merkmal | PS | Drehmoment |
|---|---|---|
| Wirkung | Ermitteln Sie die Höchstgeschwindigkeit | Momentanbeschleunigung/Last bestimmen |
| Ausgangszeitpunkt | Signifikant bei hohen Geschwindigkeiten | Es kann bereits bei niedriger Geschwindigkeit explodieren. |
| Anwendungsszenarien | Autobahnfahrt | Hügel erklimmen/schwere Gegenstände ziehen |
VI. Fazit: Arbeitsteilung und Synergie zwischen PS und Drehmoment
PS und Drehmoment sind zwei wichtige Indikatoren zur Beschreibung der Leistung eines Autos, aber sie erfüllen unterschiedliche Funktionen:
- DrehmomentEs handelt sich um eine Manifestation des „sofortigen Kraftschubs“, der die Anfahrbeschleunigung, die Steigfähigkeit und die Tragfähigkeit des Fahrzeugs bestimmt und es somit für Szenarien geeignet macht, die „niedrige Drehzahl und hohe Last“ erfordern (wie z. B. Offroad-Fahrten und Anhängerbetrieb).
- PSDie „Leistung pro Zeiteinheit“ bestimmt die Höchstgeschwindigkeit, die ein Fahrzeug erreichen kann, und macht es somit geeignet für Szenarien, die einen „kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb“ erfordern (wie Rennstrecken und Autobahnen).
Im Laufe der Automobilgeschichte ist die PS-Zahl deutlich schneller gestiegen als das Drehmoment, was direkt mit dem menschlichen Streben nach höheren Geschwindigkeiten zusammenhängt. Mit dem Beginn des Elektrozeitalters verändern die Eigenschaften von Elektromotoren – hohes Drehmoment und hohe Leistung – unser Verständnis von Leistung. Doch ungeachtet der technologischen Entwicklung bleibt das grundlegende physikalische Gesetz, dass die Leistung die Höchstgeschwindigkeit bestimmt, unverändert.
Das Verständnis des Wesens von PS und Drehmoment hilft uns nicht nur bei der Auswahl besserer Autos, sondern ermöglicht es uns auch, die treibende Kraft des technologischen Fortschritts im Automobilbereich zu erkennen: von „gut genug“ zu „stärker“, von „leistungsstark“ zu „effizient“ – die Erforschung der Leistung durch die Menschheit ist endlos.
Weiterführende Literatur:
