2023.07.11
全面解析扭矩詞彙：額定扭矩、輸出扭矩、工作扭矩的定義和相互關係
當談到機械或動力系統時，扭矩是一個關鍵的概念。它代表著力矩或轉動力量，而扭矩的不同形式也具有不同的定義和用途，究竟什麼是額定扭矩、輸出扭矩、工作扭矩呢？讓我們先從扭矩的基本定義開始介紹。參考維基百科的解說，在物理學中，作用力促使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向，稱為力矩（英語：moment of force, moment），也就是作用力使物體產生「轉」、「扭」或「彎」效應的量度。
使機械元件轉動的力矩又稱轉矩（turning moment, moment of rotation）即轉動力矩。
在材料力學、土木工程和建築學中，作用引起的結構或構件某一截面上的剪力所構成的力偶矩，稱為扭矩（torsional moment, torque），而作用引起的結構或構件某一截面上的正應力所構成的力矩，則稱為彎矩（bending moment）。
舉一些生活上的例子，讓各位更能理解「轉」、「扭」、「彎」是什麼意思?
- 轉：將門或外推窗推開，使門窗產生旋轉的運動，所需要施加的力量。
- 扭：將濕毛巾扭乾，所需要施加的力量。
- 彎：將甘蔗折斷，所需要施加的力量。
上述施加力量的方法就是力矩、轉矩、扭矩、彎矩的生活應用。
接下來就針對機械設備，想要在一個安全的條件下正常運行，所要注意的扭矩問題，如：額定扭矩、輸出扭矩、工作扭矩是什麼意思。
額定扭矩：行星減速機本身的一個特性，是一個定值，與齒輪模數的大小、減速比、減速機種類有關係，不同大小和不同減速比的行星式減速機的額定扭矩值，是不一樣的。設計者會透過模擬或實測後得到建議使用的扭矩值上限，讓使用者參考，避免使用者超載使用，導致行星式減速機使用壽命縮短。一般都可以在各家型錄的性能規格表中，查詢到行星式減速機的額定扭矩值。
輸出扭矩：則是在行星式減速機搭配馬達後，實際輸出的扭矩值，它與搭配的馬達功率，減速機傳遞效率，能耗和減速機大小等都有關係，可透過計算得到數值。
公式如下：
行星齒輪減速機輸出扭矩(T)=9550×馬達功率(P)×速比(i)×負載係數(η)/馬達額定轉數(n)
其中，9550是常數，沒有單位。馬達功率(P)單位為kw。馬達額定轉數(n)單位為rpm(r/min)
負載係數(η)：每小時的運動週期次數，從靜止→加速→等速→減速→停止，為一個完整的運動週期。即為每一小時中的週期次數。
例如：靜止(1S)→加速(0.5S)→等速(1S)→減速(1.5S)→停止(1S)，5秒/週期，3600/5=720。
對照下表得到負載係數為1。
負載係數(η), 週期次數/小時
1, 0~1000
1.1, 1000~1500
1.3, 1500~2000
1.6, 2000~3000
1.8, 3000~5000
輸出扭矩 計算範例：
馬達功率400w，馬達額定轉速3000rpm，馬達額定輸出扭矩1.3Nm，連接5比行星減速機，傳動效率≤97%，運動時間:靜止(1S)→加速(0.5S)→等速(1S)→減速(1.5S)→停止(1S)
算法一、減速機輸出扭矩=9550×馬達功率×速比×負載係數÷馬達額定轉數
T=9550*0.4*5*1/3000=6.367Nm
算法二、減速機輸出扭矩=馬達額定輸出扭矩×速比×傳動效率
T=1.3*5*0.97=6.305Nm
算法三、減速機輸出扭矩=馬達額定輸出扭矩×速比
T=1.3*5*=6.5Nm
一般計算較常使用算法三的方法，因為它是三種算法中最容易計算的方式，也是數值最大的，用來比對是否超過額定扭矩也更安全一些。
此案例以GearKo的GCB060-5比行星減速機(搭配60框400W馬達剛好)，額定扭矩55Nm，來進行比對。
輸出扭矩(6.5Nm)<減速機額定扭矩(55Nm)
輸出扭矩小於減速機額定扭矩，可放心使用。
工作扭矩：則是設備實際在運行時，真正需要的扭矩，其力量大小可以通過經驗法則估算得知，或者使用專門的扭矩測量設備或儀器來測量出來，或者透過物理和數學的方法，用公式計算出來。
以上三種扭矩的關係是：額定扭矩 > 輸出扭矩 ≧ 工作扭矩。
滿足這樣的條件才能夠確保減速機，在安全的條件下正常運行，如此才能延長減速機的使用壽命。不會突然發生斷軸、齒輪崩齒、馬達高溫發燙等異常現象。
台灣格高GearKo減速機具有極好的精度、剛性和很高的可靠性，CP值不輸任何有品質的品牌。