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，論述了理論創新與應用創新的關系。

物理學；機械設計；創新設計

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的優化設計，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，一些經典理論是在實際運用過程中被完善以至于被發現的，比如說流體動壓現象就是在一次偶然的工程試驗中發現的，由此進一步研究所得出的雷諾方程可以說是現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

傳動系統是自行車的重要子系統。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電機轉子的旋轉。目前國家正大力推動新能源汽車的發展，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，電動汽車和傳統燃油汽車在驅動布置結構上也有不同，傳統燃油車的發動機前置，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節，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）發電機

發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時，啟動燃油機給電池充電直至理想狀態。這樣既可以避免電池深度放電造成的壽命損耗，又可以保持燃油發電機處于最佳的工作狀態（因為只發電，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，因此要實現微型飛行器的創新，必然先有理論上的突破。同樣，諧波減速器是現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，理論創新起著關鍵性作用。

結論

機械行業是整個制造業中極其重要的一環，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，也是實現創新設計的重要方法，好的設計必然原理正確，功能完整，結構精簡。目前我國制造業正處于向著高端制造發展的重要階段，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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