【科普】什么是扭矩？如何计算转矩？

SunFMEA

什么是扭矩？

扭矩是可以导致物体绕轴旋转的力的量度。正如力是导致物体在线性运动中加速的原因一样，转矩是导致物体获得角加速度的原因。

扭矩是矢量，转矩矢量的方向取决于轴上力的方向。

任何曾经打开过门的人都会对扭矩有一个直观的了解。当一个人打开门时，他们将门推到离铰链最远的一侧。向最靠近铰链的一侧推动需要更大的力。尽管在两种情况下所做的工作都是相同的（在较小的距离上会施加较大的力），但人们通常更喜欢施加较小的力，因此通常是门把手的位置。

                               
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图1：以最大扭矩打开门

扭矩可以是静态的或动态的

静态力矩是一种不产生角加速度的。有人推着关闭的门正在向门施加静态扭矩，因为尽管施加了力，但门并未绕其铰链旋转。有人以恒定速度踩踏自行车也会施加静态扭矩，因为它们没有加速。

从起跑线加速的赛车中的驱动轴承载着动态扭矩，因为在赛车沿轨道加速的情况下，它必须产生车轮的角加速度。

描述扭矩时使用的术语可能会造成混淆。工程师有时将“ 力矩 ”或“ 扭力”与“扭矩”互换使用。力作用的半径有时称为力矩臂。

扭矩如何计算

转矩矢量的大小给定力产生的扭矩是

      τ=F⋅Rsin （θ）

R 是力矩臂的长度，θ 是力矢量和力矩臂之间的角度。对于图1所示的门，力为直角90°到力矩臂，因此正弦项变为1且τ=F⋅r。

按照惯例，使用右手抓握规则可以找到扭矩矢量的方向。如果手沿旋转轴卷曲，而手指指向力的方向，则转矩矢量指向拇指的方向，如图2所示。

                               
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图2：使用右手法找到的转矩矢量的方向

如何测量扭矩 ？

扭矩的单位是牛顿米（N.m）。

在标称单位中，通常使用千克•力。这是令人困惑的，因为通俗地说，千克•力有时被用作质量单位，有时被用作力。这里的意思是千克•力，这是由于地球重力作用在一千克物体上的力。这些单位的大小通常与1千克•力≈9.8牛顿米（N.m）。

在非旋转系统中测量静态扭矩通常很容易，并且可以通过测量力来完成。给定力矩臂的长度，可以直接找到扭矩。在旋转系统中测量扭矩要困难得多。一种方法是通过测量传动轴金属内的应变来工作，该应变传递扭矩并无线发送此信息。

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