摩擦力矩

更新时间:2024-06-25 18:23

力矩(Torque):力(F)和力臂(L)的乘积(M)。即:M=F·L。其中L是从转动轴到力的矢量,F是矢量力。故摩擦力矩就是摩擦力和摩擦力臂的乘积。

定义

概念

力矩的量纲是距离×力;与能量的量纲相同。但是力矩通常用牛顿-米,而不是用焦耳作为单位。力矩的单位由力和力臂的单位决定。

力对物体产生转动作用的物理量。可分为力对轴的矩和力对点的矩。力对轴的矩是力对物体产生绕某一轴转动作用的物理量。它是代数量,其大小等于力在垂直于该轴的平面上的分力同此分力作用线到该轴垂直距离的乘积;其正负号用以区别力矩的不同转向,按右手螺旋定则确定:以右手四指沿分力方向,且掌心面向转轴而握拳,大拇指方向与该轴正向一致时取正号,反之则取负号。力对点的矩是力对物体产生绕某一点转动作用的物理量。它是矢量,等于力作用点位置矢r和力矢F的矢量积。例如,用球铰链固定于O点的物体受力F作用,以r表示自O点至F作用点A的位置矢,r和F的夹角为a(见图)。物体在F作用下,绕垂直于r与F组成的平面并通过O点的轴转动。转动作用的大小和转轴的方向取决于F对O点的矩矢M,M=r×F;M的大小为rFsina,方向由右手定则确定。力矩M在过矩心O的直角坐标轴上的投影为Mx、My、Mz。可以证明Mx、My、Mz就是F对x,y,z轴的矩。力矩的计算公式为M=r×F,其中r与F都为矢量,其国际制单位为N·m。例如,3牛顿的力作用在离支点2米的杠杆上的力矩等于1牛顿的力作用在离支点6米的力矩,这里假设力与杠杆垂直。一般地,力矩可以用矢量叉积定义:其中r是从转动轴到力的矢量,F是矢量力。

分类

摩擦与摩擦力存在于两个相互作用的物体表面之间,总是阻碍物体之间的相互运动或相对运动的趋势,摩擦力矩产生在当接触表面的切向摩擦力与物体的运动速度间存在距离的时侯,它和摩擦力产生摩擦热,阻碍轴承中的相对运动,这种与轴运动方向相反的阻碍轴运动的综合力矩就是轴承的摩擦力矩。摩擦力矩是一项极其重要的技术指标,研究摩擦力矩对于机械的运转精度、信息传递的精确率以及旋转的灵活性都有极为重要的现实意义。

按照摩擦力矩的特性和测量方法的不同,轴承摩擦力矩可以分为动摩擦力矩和静摩擦力矩,静摩擦力矩又指启动力矩,动摩擦力矩又包括相对运动时产生的最大力矩和平均力矩。按照轴承运动速度的不同,我们又可以将摩擦力矩分为启动摩擦力矩、低速动态摩擦力矩以及高速动态摩擦力矩。按照影响摩擦力矩的因素和导致的结果的不同,我们又可以将摩擦力矩分为需要消耗能量的耗散力矩以及不需要能量的保守力矩。也有学者将摩擦力矩分为粘性力矩、变动力矩以及滞后力矩三个部分。粘性力矩顾名思义是由弹性材料和润滑剂的粘性产生的,变动力矩受速度、工艺以及使用条件等许多因素的共同影响,而材料的弹性滞后导致了轴承滞后力矩的产生

单位

力矩的量纲是距离乘以力;依照国际单位制,力矩的单位是牛顿-米。虽然牛顿与米的次序,在数学上,是可以变换的。BIPM(国际重量测量局)设定这次序应是牛顿-米,而不是米-牛顿。

依照国际单位制,能量与功量的单位是焦耳,定义为1牛顿-米。但是,焦耳不是力矩的单位。因为,能量是力点积距离的标量;而力矩是距离叉积力的伪矢量。当然,量纲相同并不尽是巧合;使1牛顿-米的力矩,作用一全转,需要恰巧2*Pi焦耳的能量。

相关观念

静力观念

当一个物体在静态平衡时,净作用力是零,对任何一点的净力矩也是零。关于二维空间,平衡的要求是:x,y方向合力均为0,且合力矩为0.

动力观念

力矩是角动量随时间的导数,就像力是动量随时间的导数。刚体的角动量是转动惯量乘以角速度

摩擦力矩的影响因素

摩擦力矩的产生归根结底是由于轴承各处摩擦共同作用的结果,它们分为滚动接触面不可避免产生的差动滑动以及结构上引起的微小滑动的滑动摩擦、润滑剂本身和接触面上所引起的旋转和搅动所具有的粘性摩擦、速度和空气引起的摩擦、没有滑动时材料弹性滞后带来的纯滚动摩擦、滑动接触面上引起的滑动摩擦以及滚动体自旋和密封装置带来的滑动摩擦。通过分析上述摩擦产生的机理,我们可以得出摩擦力矩的影响因素。它们有引起滚动表面形状误差的因素,例如轴承内部的间隙、零件的现状与尺寸、零件的变形多少、轴承所受到的污染等,有轴承和保持架的结构形式、轴承的球径和球数、轴承的接触角等带来的影响,有加工工艺和润滑剂带来的影响,有负荷和转速带来的影响等。

摩擦力矩的补偿研究

摩擦力矩可以造成双向运动的系统运动的不连续、单向低速运动的系统产生爬行现象而导致系统运行不稳定以及造成双向、高速运动的系统产生跟踪误差。摩擦力矩对系统的性能造成了比较严重的影响,为了克服这一影响,传统的增益反馈的方法已经不能满足对克服摩擦力矩影响、不断提高系统性能的要求。于是,直接针对摩擦力矩的补偿研究越来越受到科研人员的重视,也由于微处理器技术的高速发展,使摩擦力矩的补偿技术的研究成为非常热门的一个研究方向,国内外也出现了很多关于摩擦补偿研究的文献。我们可以用摩擦补偿的方法消除或减小双向运动的系统的不连续运行,可以消除或减小单向、低速运行的系统产生的爬行现象,可以消除或减小双向、高速运行的系统产生的跟踪误差。在运动控制领域,可以考虑用适当的摩擦补偿的方法实现定位和跟踪的精度也已成为科研人员的一个普遍认识。

综合国内外各种文献资料,对摩擦的补偿研究主要分为两大类:基于摩擦模型的补偿研究和非基于摩擦模型的补偿研究。

相关词语

刚度 角动量 加速度 应力扭矩 惯性参照系 功率 位移 动量 冲量 角位移 压强 角速度 拉力

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