什么是扭矩？了解驅(qū)動運動的力

文章出處：新聞資訊責(zé)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(guān)，也與汽車有關(guān)。這是所有旋轉(zhuǎn)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(rèn)識。

什么是扭矩？扭矩如何工作？

使物體繞其軸線旋轉(zhuǎn)所需的力的大小稱為扭矩。對于線性運動學(xué)中的物體來說，力是加速的原因。類似的關(guān)系適用于由扭矩產(chǎn)生的角加速度。因此，扭矩可以被認(rèn)為相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力。想象一下蹺蹺板：當(dāng)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(zhuǎn)）。你施加的力越大，推離支點越遠，產(chǎn)生的扭矩就越大，導(dǎo)致蹺蹺板旋轉(zhuǎn)得更猛烈。

這個原理適用于所有旋轉(zhuǎn)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(fēng)車葉片的風(fēng)。從施力點到旋轉(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)力，不會導(dǎo)致物體旋轉(zhuǎn)。想象一下拿著扳手來擰緊螺栓而不實際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

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

動態(tài)扭矩

這種類型的扭矩是一種扭轉(zhuǎn)力，它會導(dǎo)致物體旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)車輪，推動車輛前進。

動態(tài)扭矩是機械旋轉(zhuǎn)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(shè)計高效系統(tǒng)和控制運動至關(guān)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(guān)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(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致物體繞軸旋轉(zhuǎn)。它本質(zhì)上是對所施加的力的旋轉(zhuǎn)有效性的測量。施加的力越大，施加的力離旋轉(zhuǎn)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?。?/p>

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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)力就越大，從而導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)力。它是發(fā)動機動力背后的動力，導(dǎo)致曲軸旋轉(zhuǎn)并最終推動車輛前進。以下是發(fā)動機扭矩的細(xì)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(zhuǎn)。

? 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(zhuǎn)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(zhuǎn)力來移動額外的重量，它允許車輛牽引重物。

? 與馬力的關(guān)系： 雖然發(fā)動機扭矩是扭轉(zhuǎn)力，但馬力是做功速率（功率輸出）的衡量標(biāo)準(zhǔn)。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?fàn)顟B(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(zhuǎn)速下具有高扭矩的汽車。對于頻繁牽引，較低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的高扭矩更為重要。

? 燃油效率： 在較低發(fā)動機轉(zhuǎn)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(chǔ)。

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機器人應(yīng)用中的扭矩

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

? 精確操縱： 組裝復(fù)雜電子設(shè)備或處理易碎物體等微妙任務(wù) 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(wù)的成功完成。

? 關(guān)節(jié)運動和穩(wěn)定性： 機器人依靠多個關(guān)節(jié)進行運動。精確的扭矩控制可確保這些關(guān)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(guān)節(jié)運動將導(dǎo)致災(zāi)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(dāng)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?qū)崟r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(dǎo)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(yīng)性和安全性執(zhí)行任務(wù)。