浅谈物理知识在机械设计中的运用

2017-01-28孙千宸

科学中国人 2017年24期

关键词：链轮基石轴承

孙千宸

北京师范大学附属实验中学

浅谈物理知识在机械设计中的运用

孙千宸

北京师范大学附属实验中学

物理学作为理论科学，是诸如机械设计这一类应用科学的理论基石。物理学的发展对机械设计起着正向推动作用，机械设计的具体实践为物理理论提供了反向验证和逐步完善的条件。本文从力学、电学、热学的角度，对共享单车、增程式电动车和常用机械零件的设计进行了分析，指出物理知识在机械设计中的运用场景。最后，论述了理论创新与应用创新的关系。

物理学；机械设计；创新设计

一、概述

1.基石与大厦

物理知识是机械设计的重要理论基石之一，机械设计的主要步骤包括前期的原理、功能设计，中期的结构设计和后续的优化设计，物理知识贯穿其中，尤其是原理设计和功能设计。机械设计是建筑在物理知识上的大厦，没有基石，就筑不成大厦，没有大厦，就体现不了基石的作用。

2.正向推动与反向验证

合理的机械设计必然基于一定的正确原理，如果原理错了，那设计也会失败。如果没有能量守恒定律的提出，永动机的幻想也不会被打破，这是物理知识对机械设计的正向推动。某一理论在提出的时候不一定足够完善，一些经典理论是在实际运用过程中被完善以至于被发现的，比如说流体动压现象就是在一次偶然的工程试验中发现的，由此进一步研究所得出的雷诺方程可以说是现代流体动力学的原始基础，这便是机械设计到对物理理论的反向验证和完善作用。

二、运用实例

1.力学在共享单车中的运用

（1）摩擦力

自行车依靠驱动轮（后轮）与地面之间的静摩擦力提供动力得以前进，而此时前轮所受滚动摩擦力为阻力。目前市场上的共享单车主要有两类，一是制造成本低但报废率高，二个是制造成本高但可靠耐用。第一类车使用了充气轮胎，第二类车则使用了实心轮胎。当气胎的气不足时，车胎与地面的接触面积会增大，此时前轮的滚动在一定程度上变成了滑动，使得摩擦力变大很多，骑行也变得费力，而实心轮胎则不用担心气不足的问题，能够稳定地保持与地面间滚动接触。但实心轮胎也有弹性不足、容易颠簸的缺点，因此新一代的实心轮胎分布有大量的轴向通孔，既可以增加弹性，又可以减小重量。

（2）运动力学

传动系统是自行车的重要子系统。第一类共享单车沿用了链传动形式，脚踏板轴线的旋转从大链轮经由链条传递到小链轮上，由链条所连接的大小两个链轮具有相同的线速度，而大链轮的半径大于小链轮的半径，根据公式：

V=ωR

后轮就有了比前轮更大的角速度，即转速。这样的传动比设计减小了输出转矩，但放大了输出转速，一般脚踏转一圈，后轮可以转三至四圈。链传动成本低，结构简单，但工作时间久了链条松动则容易脱落。第二类共享单车则使用了封闭式的锥齿轮传动，通过齿轮啮合传递转动，这种传动不易故障，但成本高，而且受限于布置空间，通常传动比不大，很多用户使用之后反映齿轮传动的车骑行速度太慢，因此新批次的第二类共享单车又改成链传动。另外，为了使骑行省力，脚踏板、龙头把手、车刹都利用了杠杆原理，增大驱动力臂，使较小的驱动力也能产生较大的驱动力矩，使得蹬踏、转向、刹车都变得轻便。

2.电学在增程式电动车中的运用

（1）电动机

电动机的作用是将电能转化为机械能，通过电磁感应原理实现电机转子的旋转。目前国家正大力推动新能源汽车的发展，其中在电动汽车上使用较多的是永磁同步电机和交流感应电机。除了动力来源上的差别，电动汽车和传统燃油汽车在驱动布置结构上也有不同，传统燃油车的发动机前置，通过后轮驱动，动力由传动轴和驱动桥传递到后轮上，类似的方式也应用于电动汽车，这是集中式驱动，传动链本身会消耗一部分能量；电动汽车还有分布式驱动，即由四个电机分别直接驱动四个车轮，并且可将电机与轮毂结合以省去传动环节，称为轮毂电机，这种驱动方式能量利用率高，在纯电动方程式赛车中已得到广泛应用。

（2）发电机

发电机的作用是将其他形式的能源转化为电能，这里主要指机械能转化为电能，同样是利用电磁感应原理，使金属线圈在磁场中沿垂直于磁场方向的轴转动，其工作过程正好与电动机相反。增程式电动汽车作为燃油车向纯电动车转变的过渡车型，其最大特点在于当车载电池电量低于理想状态时，启动燃油机给电池充电直至理想状态。这样既可以避免电池深度放电造成的寿命损耗，又可以保持燃油发电机处于最佳的工作状态（因为只发电，不驱动车），以保证最大能源利用效率。由物理学中相关的发动机特性可知，不良的转速和转矩搭配会大大影响能量的利用，增程式电动车正式克服了这样的缺陷。

3.热学在常用零件中的运用

（1）热胀冷缩

为了保证精度和承载能力，有相当一部分轴承是需要实行过盈配合的，即轴承外圈的直径比轴承孔略大，安装时将轴承挤压进轴承孔。为了便于安装，通常会将轴承孔所在的零件放在热油里加热，使孔扩张，然后在冷却之前完成安装，这里就运用了热学当中的热胀冷缩原理。

（2）布朗运动

布朗运动是指微小粒子不停地做无规则的运动，温度越高，这种温度越剧烈。在一些场合中，需要零件有较好的韧性，但表面硬度又要高，通常单一的材料是不能满足要求的，因此可以在较强韧的零件表面渗入其他元素使表面硬度升高，比如渗碳。这一过程需要在合适的气体环境下将零件加热至合适的温度，使碳原子进入零件表面，其根本原理便是布朗运动。

三、创新设计

物理学在机械设计中起到基石的作用，而对基础理论的深入研究与运用，是推动机械设计创新的必要步骤。人类模仿鸟类的滑翔造出了固定翼飞机，旋翼形式的微型无人机近几年十分火热，而要使飞行器变得更小、能量利用效率更高，则需要采用蜜蜂那样的扑翼形式，但对相应的空气动力学理论要求极高，因此要实现微型飞行器的创新，必然先有理论上的突破。同样，谐波减速器是现代高精度机器人的关键部件，但国内相关理论研究尚不成熟，因此这项产品还依赖于进口。由此可见，在高精尖的机械设计领域，理论创新起着关键性作用。