1、機(jī)械設(shè)計(jì)中的力矩問題【摘要】 在物理學(xué)中，作用力使物體圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)趨向，被稱為力矩(torque )。力矩能夠使物體改變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物體的推擠以及拖拉涉及到作用力，而物體的 扭轉(zhuǎn)則會(huì)涉及到力矩。國際單位制中，力矩的單位是牛頓米。在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，力矩產(chǎn)生的影響力是不可估量的，因此設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格注意力矩問題。本文針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的力矩問題展開研究和討論?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；力矩問題；0.引言力矩的定位通常為距離乘以作用力。單位為牛頓米，在數(shù)學(xué)上牛頓與米的次序是能夠調(diào)換的，國際重量監(jiān)測局 (Bureau In ternatio nal des Poids et Mesures)嚴(yán)格規(guī)定，力

2、矩的次序?yàn)榕ｎD.米“。機(jī)械設(shè)計(jì)的最終的目的是運(yùn)用各種現(xiàn)有條件(計(jì)算手段、材料、理論 知識(shí)以及加工能力等)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)秀的機(jī)械，或者稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)通常需要綜合 多方面的因素進(jìn)行考慮，通常的要求有：環(huán)境污染小、尺寸和重量小、總體性能良好、力矩、 耗損率低、制造成本低等等。其中，力矩的問題對(duì)于零件以及機(jī)械的日常工作是有一定的影 響的，因此，需要嚴(yán)格注意。1. 機(jī)械設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的力矩原理1.1力矩分配法力矩分配法(momentdistributionmethod ),力矩分配法與精確解的計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的 方法非常相似，是以力法或者移位法對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，都需要建立結(jié)算性方程組合。假如位置的

3、數(shù)目太多， 計(jì)算的工作將會(huì)變的非常復(fù)雜。 力矩的分配方法通常為傳遞力矩、固定節(jié)點(diǎn)以及放松節(jié)點(diǎn)。1.2力矩平衡原理力矩能夠使物體向不同的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。假如物體的力矩大小相同，那么杠桿就能夠保持平衡。這種現(xiàn)象是力矩平衡中最為常見的情況。若將物體往逆時(shí)針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，就可稱為正力矩，物體向順時(shí)針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，則力矩為負(fù)力矩，有固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸的物體的平衡 條件力矩代數(shù)和則為零。2. 機(jī)械設(shè)計(jì)原理中的力矩在機(jī)械設(shè)計(jì)中，力矩的定義作用力使物體圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)趨向，力使物體繞某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的量度就能成為力對(duì)點(diǎn)之矩。 力矩的表示通?？赏ㄟ^大矩的力臂、 矩心或 者物體的作用面、大小以及轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行。力矩的計(jì)算

4、公式為：M0(F)±Fh其中，力對(duì)點(diǎn)之矩是代數(shù)量， 對(duì)于正負(fù)號(hào)的規(guī)定通常為力使物體繞矩心進(jìn)行逆時(shí)針方向 轉(zhuǎn)動(dòng)，則為正力矩，若是順時(shí)針方向則為負(fù)力矩。計(jì)算單位為牛頓.米(N.m)。此時(shí)需注意的是力矩與矩心是相對(duì)的，沒有矩心，力矩就是毫無意義的。矩心的位置可設(shè)定為力作用 面的任意一點(diǎn)，也可以不是物體內(nèi)固定的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。合力矩定理：合力矩定理通常是指力系中合力對(duì)一點(diǎn)的矩，等同于力系中各分力對(duì)同一點(diǎn)之矩的代數(shù)和。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以假設(shè)某力系為Fi (i=1 , 2n ),合力為FR根據(jù)上述力矩的理論，表達(dá)公式為：他（耳2他（殆+嘰（碼）+ . +嘰（化）=工冊“）英中：Fr =FI+F

5、2+. + Fn =Fi合力矩定理建立了合力對(duì)點(diǎn)之矩與分力對(duì)同一點(diǎn)之矩的關(guān)系。能夠有效的計(jì)算力對(duì)點(diǎn)之矩，還能夠確定力系合力作用的地點(diǎn)。2.1力矩電機(jī)力矩的問題對(duì)于零件以及機(jī)械的日常工作是有一定的影響的，因此，需要嚴(yán)格注意。機(jī)械設(shè)計(jì)中力矩電機(jī)的使用是非常廣泛的。力矩電機(jī)具有專業(yè)軟件機(jī)械特性以及寬調(diào)速范圍的特殊電機(jī)。這種電機(jī)的軸通常不只是恒功率輸出動(dòng)力，也是恒力矩輸出動(dòng)力。力矩電機(jī)主要包括無刷直流力矩電機(jī)、 直流力矩電機(jī)以及交流力矩電機(jī)。當(dāng)負(fù)載開始增大時(shí)， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能力就會(huì)隨 之降低，輸出的力矩會(huì)越來越高， 以此維持與負(fù)載的平衡。 力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 矩高，堵轉(zhuǎn)對(duì)的電流就會(huì) 下降，在一定時(shí)間內(nèi)能

6、夠承受堵轉(zhuǎn)運(yùn)行：4：o因此轉(zhuǎn)子電阻高，耗損率就會(huì)增加，產(chǎn)生的熱量也會(huì)越來越大。這種情況在電機(jī)低速運(yùn)行以及堵轉(zhuǎn)時(shí)更加明顯。所以，電機(jī)的后端蓋上裝有獨(dú)立的離心式風(fēng)機(jī)以及軸流，輸出的力矩低于100機(jī)座號(hào)以下的不能考慮在內(nèi)。裝置離心式風(fēng)機(jī)能夠使促進(jìn)通風(fēng)，且將溫度降低，力矩電機(jī)可配置可控硅控制裝置，可以適當(dāng)?shù)乃俣瓤蓧毫M(jìn)行調(diào)整，調(diào)整速度的范圍通常為1:4，轉(zhuǎn)速的變化率能夠達(dá)到W 9% 2.2驅(qū)動(dòng)裝置在汽車驅(qū)動(dòng)中，扭矩（torsio nal mome n）發(fā)揮的作用是非常大的，扭矩的概念就是物 體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩實(shí)質(zhì)上就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。在電機(jī)功率固定的條件下，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速形成的

7、關(guān)系是呈反比的，轉(zhuǎn)速越小，扭矩就越大，能夠反映汽車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。在杠桿原理中就涉及到了扭矩的概念，扭矩是垂直方向的力乘上與旋轉(zhuǎn)中心之間的距離，供職單位為牛頓米（N.m），除以重力加速 9.8m/sec2后，單位便可換算成為公斤 - 米（kg-m）。英制單位為磅-呎（lb-ft）。這種公制在機(jī)械設(shè)計(jì)中較為常見，若要是轉(zhuǎn)換為公制，將lb-ft 的數(shù)字除以7.22即可。機(jī)械驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方式可按照下列計(jì)算方式進(jìn)行，將扭矩除以車輪的半徑，在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)相對(duì)的扭矩?cái)?shù)值，要想將這些數(shù)字轉(zhuǎn)換為推動(dòng)機(jī)械的力量，就需要除以長度從獲得力的參考結(jié)果 。假設(shè)一個(gè)1.6升的引擎大約能夠發(fā)揮 15.0kg-

8、m的扭力，此時(shí)若是直接 連上185/ 60R14尺寸的輪胎，半徑約為41公分，則由車輪所發(fā)揮的推進(jìn)力量為 15/0.41=36.6 公斤的力量（事實(shí)上公斤并不是力量的單位，而是重量的單位，須乘以重力加速度9.8mc2才是力的標(biāo)準(zhǔn)單位（牛頓米）。扭矩和功率一樣，是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)之一，主要反映在 汽車性上，主要包括了汽車的爬坡能力、加速等。2.3平面力偶力偶通常為兩個(gè)大小大約相同，方向卻相反且不 在共同線上的一對(duì)平行力。 作用在剛體上的的兩個(gè)或者以上的力偶就能夠組成力偶系。若是力偶系中的各力偶處于同一個(gè)平面內(nèi)， 則為力偶系，否則為空間力偶系。力偶與一個(gè)層面的力是不同的，那么力偶系簡化的結(jié)果的也不

9、會(huì)使同一個(gè)力，結(jié)果仍舊是同一力偶。此時(shí)可將力偶稱為力偶系的合力偶。通常情況下，作用與同一剛體上的大小基本相同，方向卻相反，且不再一個(gè)共同線上的平行力構(gòu)成的力系就是力偶。力偶屬于只有合轉(zhuǎn)矩沒有合力的力系統(tǒng)。因此，也可稱為純轉(zhuǎn)矩。作用于物體時(shí)，力偶能夠使物體不產(chǎn)生任何的平移運(yùn)動(dòng)，只呈現(xiàn)純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最簡單的力偶是由兩個(gè)大小相等，方向相反的力組成。力偶的國際單位制通常為牛頓米（N.m）。結(jié)語綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)中，力矩產(chǎn)生的影響是非常多大的。力矩關(guān)系到物體運(yùn)動(dòng)的過程， 以及物體使用的壽命，且力矩的問題對(duì)于零件以及機(jī)械的日常工作是有一定的影響的，因此,在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要嚴(yán)格注意?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 嚴(yán)繼東，牟吉平，Anastasia,李偉雄“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)綜合性、創(chuàng)新性、開放性實(shí)驗(yàn)”模式的實(shí)踐與探討J.高等理科教育 2009（01）01-032 尹碧菊，李彥長，熊艷菲，李翔龍基于概念設(shè)計(jì)思維模型的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程研 究1J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).2009 （ 11）10-133 郟維強(qiáng)，馮毅雄，譚建榮，安相華，趙鑫.面向維修的復(fù)雜裝備模塊智能聚類與優(yōu)化求解技術(shù)J.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng).2009 （ 08