淺談物理知識在機械設計中的運用

孫千宸

北京師范大學附屬實驗中學

淺談物理知識在機械設計中的運用

孫千宸

北京師范大學附屬實驗中學

物理學作為理論科學，是諸如機械設計這一類應用科學的理論基石。物理學的發(fā)展對機械設計起著正向推動作用，機械設計的具體實踐為物理理論提供了反向驗證和逐步完善的條件。本文從力學、電學、熱學的角度，對共享單車、增程式電動車和常用機械零件的設計進行了分析，指出物理知識在機械設計中的運用場景。最后，論述了理論創(chuàng)新與應用創(chuàng)新的關系。

物理學；機械設計；創(chuàng)新設計

一、概述

1.基石與大廈

物理知識是機械設計的重要理論基石之一，機械設計的主要步驟包括前期的原理、功能設計，中期的結構設計和后續(xù)的優(yōu)化設計，物理知識貫穿其中，尤其是原理設計和功能設計。機械設計是建筑在物理知識上的大廈，沒有基石，就筑不成大廈，沒有大廈，就體現(xiàn)不了基石的作用。

2.正向推動與反向驗證

合理的機械設計必然基于一定的正確原理，如果原理錯了，那設計也會失敗。如果沒有能量守恒定律的提出，永動機的幻想也不會被打破，這是物理知識對機械設計的正向推動。某一理論在提出的時候不一定足夠完善，一些經(jīng)典理論是在實際運用過程中被完善以至于被發(fā)現(xiàn)的，比如說流體動壓現(xiàn)象就是在一次偶然的工程試驗中發(fā)現(xiàn)的，由此進一步研究所得出的雷諾方程可以說是現(xiàn)代流體動力學的原始基礎，這便是機械設計到對物理理論的反向驗證和完善作用。

二、運用實例

1.力學在共享單車中的運用

（1）摩擦力

自行車依靠驅動輪（后輪）與地面之間的靜摩擦力提供動力得以前進，而此時前輪所受滾動摩擦力為阻力。目前市場上的共享單車主要有兩類，一是制造成本低但報廢率高，二個是制造成本高但可靠耐用。第一類車使用了充氣輪胎，第二類車則使用了實心輪胎。當氣胎的氣不足時，車胎與地面的接觸面積會增大，此時前輪的滾動在一定程度上變成了滑動，使得摩擦力變大很多，騎行也變得費力，而實心輪胎則不用擔心氣不足的問題，能夠穩(wěn)定地保持與地面間滾動接觸。但實心輪胎也有彈性不足、容易顛簸的缺點，因此新一代的實心輪胎分布有大量的軸向通孔，既可以增加彈性，又可以減小重量。

（2）運動力學

傳動系統(tǒng)是自行車的重要子系統(tǒng)。第一類共享單車沿用了鏈傳動形式，腳踏板軸線的旋轉從大鏈輪經(jīng)由鏈條傳遞到小鏈輪上，由鏈條所連接的大小兩個鏈輪具有相同的線速度，而大鏈輪的半徑大于小鏈輪的半徑，根據(jù)公式：

V=ωR

后輪就有了比前輪更大的角速度，即轉速。這樣的傳動比設計減小了輸出轉矩，但放大了輸出轉速，一般腳踏轉一圈，后輪可以轉三至四圈。鏈傳動成本低，結構簡單，但工作時間久了鏈條松動則容易脫落。第二類共享單車則使用了封閉式的錐齒輪傳動，通過齒輪嚙合傳遞轉動，這種傳動不易故障，但成本高，而且受限于布置空間，通常傳動比不大，很多用戶使用之后反映齒輪傳動的車騎行速度太慢，因此新批次的第二類共享單車又改成鏈傳動。另外，為了使騎行省力，腳踏板、龍頭把手、車剎都利用了杠桿原理，增大驅動力臂，使較小的驅動力也能產(chǎn)生較大的驅動力矩，使得蹬踏、轉向、剎車都變得輕便。

2.電學在增程式電動車中的運用

（1）電動機

電動機的作用是將電能轉化為機械能，通過電磁感應原理實現(xiàn)電機轉子的旋轉。目前國家正大力推動新能源汽車的發(fā)展，其中在電動汽車上使用較多的是永磁同步電機和交流感應電機。除了動力來源上的差別，電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車在驅動布置結構上也有不同，傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機前置，通過后輪驅動，動力由傳動軸和驅動橋傳遞到后輪上，類似的方式也應用于電動汽車，這是集中式驅動，傳動鏈本身會消耗一部分能量；電動汽車還有分布式驅動，即由四個電機分別直接驅動四個車輪，并且可將電機與輪轂結合以省去傳動環(huán)節(jié)，稱為輪轂電機，這種驅動方式能量利用率高，在純電動方程式賽車中已得到廣泛應用。

（2）發(fā)電機

發(fā)電機的作用是將其他形式的能源轉化為電能，這里主要指機械能轉化為電能，同樣是利用電磁感應原理，使金屬線圈在磁場中沿垂直于磁場方向的軸轉動，其工作過程正好與電動機相反。增程式電動汽車作為燃油車向純電動車轉變的過渡車型，其最大特點在于當車載電池電量低于理想狀態(tài)時，啟動燃油機給電池充電直至理想狀態(tài)。這樣既可以避免電池深度放電造成的壽命損耗，又可以保持燃油發(fā)電機處于最佳的工作狀態(tài)（因為只發(fā)電，不驅動車），以保證最大能源利用效率。由物理學中相關的發(fā)動機特性可知，不良的轉速和轉矩搭配會大大影響能量的利用，增程式電動車正式克服了這樣的缺陷。

3.熱學在常用零件中的運用

（1）熱脹冷縮

為了保證精度和承載能力，有相當一部分軸承是需要實行過盈配合的，即軸承外圈的直徑比軸承孔略大，安裝時將軸承擠壓進軸承孔。為了便于安裝，通常會將軸承孔所在的零件放在熱油里加熱，使孔擴張，然后在冷卻之前完成安裝，這里就運用了熱學當中的熱脹冷縮原理。

（2）布朗運動

布朗運動是指微小粒子不停地做無規(guī)則的運動，溫度越高，這種溫度越劇烈。在一些場合中，需要零件有較好的韌性，但表面硬度又要高，通常單一的材料是不能滿足要求的，因此可以在較強韌的零件表面滲入其他元素使表面硬度升高，比如滲碳。這一過程需要在合適的氣體環(huán)境下將零件加熱至合適的溫度，使碳原子進入零件表面，其根本原理便是布朗運動。

三、創(chuàng)新設計

物理學在機械設計中起到基石的作用，而對基礎理論的深入研究與運用，是推動機械設計創(chuàng)新的必要步驟。人類模仿鳥類的滑翔造出了固定翼飛機，旋翼形式的微型無人機近幾年十分火熱，而要使飛行器變得更小、能量利用效率更高，則需要采用蜜蜂那樣的撲翼形式，但對相應的空氣動力學理論要求極高，因此要實現(xiàn)微型飛行器的創(chuàng)新，必然先有理論上的突破。同樣，諧波減速器是現(xiàn)代高精度機器人的關鍵部件，但國內相關理論研究尚不成熟，因此這項產(chǎn)品還依賴于進口。由此可見，在高精尖的機械設計領域，理論創(chuàng)新起著關鍵性作用。

結論

機械行業(yè)是整個制造業(yè)中極其重要的一環(huán)，而機械設計又是整個機械工程中高屋建瓴的一步，掌握充足的物理知識是做好機械設計的基礎，也是實現(xiàn)創(chuàng)新設計的重要方法，好的設計必然原理正確，功能完整，結構精簡。目前我國制造業(yè)正處于向著高端制造發(fā)展的重要階段，作為新時代的青年，打好基礎，面向未來，是義不容辭的責任。

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