扭矩

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發(fā)布時(shí)間：2013/9/17 11:53:14
作者：量值溯源

　　扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映了汽車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。

一、定義

　　扭矩（Torque，也稱為轉(zhuǎn)矩）在物理學(xué)中就是力矩的大小，等于力和力臂的乘積，國(guó)際單位是牛米Nm，此外還可以看見(jiàn)kgm、lb-ft這樣的扭矩單位，由于G=mg，當(dāng)g=9.8的時(shí)候，1kg的重量為9.8N，所以1kgm=9.8Nm，而磅尺lb-ft則是英制的扭矩單位，1lb=0.4536kg;1ft=0.3048m，可以算出1lb-ft=0.13826kgm。

二、原理

　　扭矩和功率一樣，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要指數(shù)之一，它反映在汽車性能上，包括加速度、爬坡能力等。它的準(zhǔn)確定義是：活塞在汽缸里的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)一次就會(huì)做一定的功，它的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位是焦耳（J）。在每個(gè)單位距離所做的功就是扭矩了。通俗點(diǎn)講，扭矩是衡量一個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，一輛車扭矩的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率成正比。

　　在某些場(chǎng)合能真正反映出汽車的“本色”，例如啟動(dòng)時(shí)或在山區(qū)行駛時(shí)，扭矩越高汽車運(yùn)行的反應(yīng)便越好。以同類型發(fā)動(dòng)機(jī)轎車做比較，扭矩輸出愈大承載量愈大，加速性能愈好，爬坡力愈強(qiáng)，換擋次數(shù)愈少，對(duì)汽車的磨損也會(huì)相對(duì)減少。尤其在轎車零速啟動(dòng)時(shí)，更顯示出扭矩高者提升速度快的優(yōu)越性。

三、計(jì)算

　　驅(qū)動(dòng)力=扭矩×變速箱齒比×最終齒輪比×機(jī)械效率÷輪胎半徑（單位：米）。

　　小結(jié)：1kgm=9.8Nm，1lb-ft=0.13826kgm，1lb-ft=1.355Nm。

　　在排量一定的情況下，缸徑小，行程長(zhǎng)的汽缸較注重扭矩的發(fā)揮，轉(zhuǎn)速都不會(huì)太高，適用于需要大載荷的車輛。而缸徑大，行程短的汽缸較注重功率的輸出，轉(zhuǎn)速通常較高，適用于快跑的車輛。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：功率正比于扭矩×轉(zhuǎn)速。

　　為什么引擎的功率能由扭矩計(jì)算出來(lái)？

　　功率P=功W÷時(shí)間t

　　功W=力F×距離s

　　所以，P=F×s/t=F×速度v

　　這里的v是線速度，而在引擎里，曲軸的線速度=曲軸的角速度ω×曲軸半徑r，代入上式得：功率P=力F×半徑r×角速度ω；而力F×半徑r=扭矩

　　得出：功率P=扭矩×角速度ω所以引擎的功率能從扭矩和轉(zhuǎn)速中算出來(lái)

　　角速度的單位是弧度/秒，在弧度制中一個(gè)π代表180度。

四、測(cè)量

　　在運(yùn)轉(zhuǎn)中，軸之間功率的傳遞是在一定轉(zhuǎn)速下通過(guò)軸上所受的扭矩來(lái)傳遞的（有些情況下軸是處于靜止?fàn)顟B(tài)下受扭的）。

　　傳統(tǒng)測(cè)量扭矩的方法一般是將傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速同時(shí)測(cè)量，此兩項(xiàng)參數(shù)的乘積即為該軸傳遞的功率。而扭矩測(cè)量?jī)x表按其工作原理可分為三大類：

　　第一類是根據(jù)牛頓第三定律作用力與反作用力相等的原理設(shè)計(jì)的，該方法有一定的局限性，只能測(cè)靜態(tài)力矩，采用這種方案的扭矩測(cè)量案例有：扭力扳手、靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置等；

　　第二類是利用扭力軸受扭要產(chǎn)生一定扭轉(zhuǎn)角或應(yīng)變的原理設(shè)計(jì)的，并可通過(guò)直接測(cè)量扭轉(zhuǎn)角或應(yīng)變的大小來(lái)確定扭矩的大小，已有的測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩的方案有：電磁式測(cè)轉(zhuǎn)交測(cè)扭矩、光電式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、激光式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩、電容式測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩等；

　　第三類是測(cè)應(yīng)變測(cè)扭矩，該方案首先測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸表面的應(yīng)力應(yīng)變值，再將測(cè)量值代入相應(yīng)的力學(xué)公式這算，最終獲得旋轉(zhuǎn)軸上承受的扭矩大小。例如：聲表面波傳感器、逆磁致伸縮材料傳感器、壓電式扭矩傳感器等。

　　對(duì)于電機(jī)扭矩的測(cè)量，一般采用機(jī)械式扭矩儀的測(cè)量方法，此方法存在如下缺陷：

　　1. 需要專用的聯(lián)接工裝，電機(jī)不同或扭矩傳感器不同都可能導(dǎo)致需要重新制作聯(lián)接工裝；

　　2. 安裝不當(dāng)會(huì)加大扭矩測(cè)量誤差甚至損壞扭矩傳感器；

　　3. 扭矩傳感器的扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍較窄，過(guò)大的扭矩，過(guò)高的轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致扭矩傳感器損壞，而過(guò)小的扭矩和過(guò)低的轉(zhuǎn)速又會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確；

　　4. 某些風(fēng)機(jī)、水泵與電機(jī)采取固定連接，由于電機(jī)和風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)軸不能分離，無(wú)法安裝傳統(tǒng)扭矩傳感器。

　　針對(duì)目前電機(jī)扭矩測(cè)量的這些缺陷，湖南銀河電氣有限公司推出一款新型的電機(jī)系統(tǒng)軸功率測(cè)量?jī)x器——TN4000電子式扭矩儀。該扭矩儀改變了傳統(tǒng)的扭矩測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量電機(jī)輸入點(diǎn)參量及轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)計(jì)算出電機(jī)的輸出軸功率，再根據(jù)電機(jī)軸功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算出電機(jī)的扭矩。TN4000電子式扭矩儀具有如下特點(diǎn)：

　　1、使用便捷

　　用戶無(wú)需花費(fèi)大量資金來(lái)購(gòu)買各種不同型號(hào)的扭矩傳感器及聯(lián)軸器以滿足不同型號(hào)電機(jī)的試驗(yàn)需要，也無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間和人力來(lái)安裝、耦合扭矩傳感器。

　　2、寬范圍測(cè)量

　　TN4000電子式扭矩儀采用寬測(cè)量范圍的SP系列變頻功率傳感器測(cè)量電機(jī)電參量、采用寬范圍的DM系列頻率測(cè)試子站測(cè)量轉(zhuǎn)速，一臺(tái)電子式扭矩儀可實(shí)現(xiàn)0.005%~100%額定軸功率的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于大多數(shù)電機(jī)系統(tǒng)的檢試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，只需按照最大電機(jī)功率配置一臺(tái)電子式扭矩儀即可實(shí)現(xiàn)所有型號(hào)電機(jī)的扭矩測(cè)試。

　　3、多參量測(cè)量

　　測(cè)量電機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速的同時(shí)，還可通過(guò)DM系列分布式電量測(cè)量子站、SP系列變頻功率傳感器測(cè)量電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率、諧波等輸入電參量，通過(guò)DM4022轉(zhuǎn)速測(cè)量子站及DM4032溫度測(cè)量子站測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行溫度等其它參量，采用同一套裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)。

TN4000電子式扭矩儀

TN4000電子式扭矩儀

五、應(yīng)用

　　TN4000電子式扭矩儀主要應(yīng)用場(chǎng)合包含：不能或不易安裝傳統(tǒng)扭矩傳感器的電機(jī)或電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)、風(fēng)機(jī)、水泵型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)、風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行能效監(jiān)測(cè)。其典型應(yīng)用原理框圖示意如下所示：

TN4000電子式扭矩儀應(yīng)用原理