什么是扭矩？了解驅動運動的力

文章出處：新聞資訊責任編輯：深圳市廣陵達科技有限公司發(fā)表時間：2024-10-30 15:38:30

您有沒有想過，為什么一輛強大的跑車可以加速得如此之快，而一輛大型卡車上坡卻很難加速？

答案在于一種稱為扭矩的強大力量。

這種看不見的力量不僅僅與速度快的汽車有關，也與汽車有關。這是所有旋轉運動背后的基本原理，從改變工業(yè)的機器人到為我們?nèi)粘Ｉ钐峁﹦恿Φ臋C器。

但什么是扭矩？為什么它是一個如此重要的概念？讓我們深入探討有趣的扭矩概念，并對日常機器（從我們駕駛的車輛到塑造我們未來的機器人）中令人印象深刻的工程壯舉有更深入的認識。

什么是扭矩？扭矩如何工作？

使物體繞其軸線旋轉所需的力的大小稱為扭矩。對于線性運動學中的物體來說，力是加速的原因。類似的關系適用于由扭矩產(chǎn)生的角加速度。因此，扭矩可以被認為相當于旋轉中的線性力。

現(xiàn)在讓我們簡單地定義扭矩。這是一種使物體繞軸旋轉的扭轉力。想象一下蹺蹺板：當您向下推一端（施加力）時，另一端向上抬起（圍繞中心支點旋轉）。你施加的力越大，推離支點越遠，產(chǎn)生的扭矩就越大，導致蹺蹺板旋轉得更猛烈。

這個原理適用于所有旋轉的物體。該力可以是人推動杠桿、機器內(nèi)發(fā)電的電機，甚至是推動風車葉片的風。從施力點到旋轉軸的距離稱為力臂。力臂越長，相同的力產(chǎn)生的扭矩越大。

這是一個簡單的數(shù)學扭矩定義：

扭矩 = 力 x 力臂

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力和力臂的乘積越大，扭矩越大，旋轉效果越強。

靜態(tài)和動態(tài)扭矩

因為我們試圖回答這個問題：什么是扭矩；值得一提的是，兩個主要類別定義了力隨時間的變化方式：

靜態(tài)扭矩

這是指施加到物體上的恒定扭轉力，不會導致物體旋轉。想象一下拿著扳手來擰緊螺栓而不實際轉動它。您施加的力（扭矩）是靜態(tài)的，因為它將螺栓固定到位但不會啟動旋轉。

了解靜態(tài)扭矩對于各種應用至關重要，例如螺栓緊固、用機械臂抓取物體或設計需要抵抗扭轉力而不旋轉的組件。

動態(tài)扭矩

這種類型的扭矩是一種扭轉力，它會導致物體旋轉并在物體移動時繼續(xù)作用。汽車中的發(fā)動機產(chǎn)生動態(tài)扭矩，該扭矩通過傳動系統(tǒng)傳輸并最終旋轉車輪，推動車輛前進。

動態(tài)扭矩是機械旋轉運動的主力。從車輛發(fā)動機到工廠電機，了解動態(tài)扭矩對于分析性能、設計高效系統(tǒng)和控制運動至關重要。

不要將力與扭矩混淆

我們已經(jīng)解釋了什么是扭矩，并提供了非常清晰的扭矩定義，但對于剛接觸這個概念的人來說，可能需要理解很多內(nèi)容。澄清力和扭矩之間的關系很重要。力是施加在物體上的推或拉作用。

另一方面，扭矩是該力產(chǎn)生的扭轉效應，導致物體繞軸旋轉。它本質(zhì)上是對所施加的力的旋轉有效性的測量。施加的力越大，施加的力離旋轉軸越遠（力臂越長），產(chǎn)生的扭矩就越高。這就是為什么扳手位置遠離螺栓頭（更長的力臂）可以讓您更輕松地松開螺栓（相同扭矩所需的力更?。?。

簡單來說，力是原始肌肉，而扭矩是由此產(chǎn)生的扭曲。它們共同作用：更大的力可以產(chǎn)生更高的扭矩，但施力點到軸（力臂）的距離也起著至關重要的作用。

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汽車中的扭矩

對于汽車愛好者來說，了解什么是扭矩可以解開車輛真正潛力背后的秘密。想象一下踩油門踏板。該動作指示發(fā)動機燃燒燃料并產(chǎn)生扭矩。然后，該旋轉力通過離合器（在手動變速器中）或液力變矩器（在自動變速器中）傳遞到傳動系統(tǒng)，最終到達車輪。

發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩越高，車輪上可用的扭轉力就越大，從而導致：

? 更快的加速： 高扭矩使汽車能夠克服慣性并在更短的時間內(nèi)達到更高的速度。這就是為什么以快速爆發(fā)而聞名的跑車通常專注于在較高發(fā)動機轉速下提供高扭矩。

? 卓越的牽引能力： 另一方面，卡車優(yōu)先考慮在較低發(fā)動機轉速下產(chǎn)生高扭矩。這使得它們能夠牽引重物并在需要強大牽引力的困難地形中行駛。

什么是發(fā)動機扭矩？

簡單來說，發(fā)動機扭矩是汽車發(fā)動機產(chǎn)生的扭轉力。它是發(fā)動機動力背后的動力，導致曲軸旋轉并最終推動車輛前進。以下是發(fā)動機扭矩的細分：

? 來源： 發(fā)動機氣缸中燃料的燃燒產(chǎn)生向下推動活塞的力。然后，該力通過連桿傳遞到曲軸，使其旋轉。

? 測量： 發(fā)動機扭矩通常以磅英尺 (lb-ft) 或牛頓米 (Nm) 為單位測量。額定扭矩越高表示發(fā)動機產(chǎn)生的扭轉力越大。

? 對性能的影響： 發(fā)動機扭矩直接影響汽車的加速度和牽引力。較高的扭矩使汽車能夠更容易地克服慣性（運動阻力），從而加速得更快。此外，通過提供必要的扭轉力來移動額外的重量，它允許車輛牽引重物。

? 與馬力的關系： 雖然發(fā)動機扭矩是扭轉力，但馬力是做功速率（功率輸出）的衡量標準。將扭矩視為發(fā)動機的原始力量，將馬力視為其整體工作效率。高扭矩的汽車可能會從停止狀態(tài)快速加速，而高馬力的汽車可能擅長保持高速。

車輛扭矩規(guī)格由汽車制造商提供，是選擇車輛時要考慮的重要因素。他們可以幫助您了解：

? 汽車對特定駕駛需求的適用性： 如果您優(yōu)先考慮快速加速，您可能會尋找一輛在較高發(fā)動機轉速下具有高扭矩的汽車。對于頻繁牽引，較低發(fā)動機轉速下的高扭矩更為重要。

? 燃油效率： 在較低發(fā)動機轉速下具有高扭矩的汽車有時可以實現(xiàn)更好的燃油效率。

重要的是要記住，在評估汽車性能時，扭矩規(guī)格只是難題的一部分。馬力、重量和傳動類型等因素也發(fā)揮著作用。然而，了解扭矩可以為您解釋車輛功能并根據(jù)您的特定需求選擇合適的汽車奠定堅實的基礎。

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機器人應用中的扭矩

扭矩控制對于確保機器人在各種應用中平穩(wěn)、高效和安全的運行起著至關重要的作用。方法如下：

? 精確操縱： 組裝復雜電子設備或處理易碎物體等微妙任務需要機器人施加精確的力。精確的扭矩控制使機器人能夠以輕柔的觸感操縱物體，防止損壞并確保任務的成功完成。

? 關節(jié)運動和穩(wěn)定性： 機器人依靠多個關節(jié)進行運動。精確的扭矩控制可確保這些關節(jié)平穩(wěn)穩(wěn)定地運行，從而實現(xiàn)精確定位和高效執(zhí)行運動。想象一下，一只機械臂正在繪制一幅杰作；不穩(wěn)定或不受控制的關節(jié)運動將導致災難性的后果。扭矩控制通過提供必要的穩(wěn)定性和精度來防止這種情況發(fā)生。

? 力控制與交互： 當機器人與物理世界交互時，它們會遇到外力。測量扭矩的傳感器（如 Bota Systems 提供的傳感器）使機器人能夠“感受”這些力。這使他們能夠實時調(diào)整握力或運動策略，確保在動態(tài)環(huán)境中安全抓取物體或安全導航。

通過整合Bota Systems 的力-扭矩傳感器，機器人可以更深入地了解它們相互作用的力。

這些傳感器不僅測量施加的力，還測量產(chǎn)生的扭矩，為機器人提供更全面的環(huán)境圖景。這使他們能夠以更高的精度、適應性和安全性執(zhí)行任務。