第五章 平面機(jī)構(gòu)的力分析

1、第五章 平面機(jī)構(gòu)的力分析,內(nèi)容簡介1.平面機(jī)構(gòu)的力分析: 確定各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力和平衡力（或平衡力矩）; 動(dòng)態(tài)靜力分析法中的解析法； 平衡力和平衡力矩的概念及其直接解析確定法； 構(gòu)件慣性力的確定。2.運(yùn)動(dòng)副中的摩擦和機(jī)械效率及自鎖: 移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦; 機(jī)構(gòu)的自鎖。學(xué)習(xí)要求會(huì)確定慣性力和慣性力偶并將其合成為總慣性力；掌握平衡力和平衡力矩、平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析和機(jī)械效率的概念及

2、其計(jì)算；會(huì)確定考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)中各總反力作用線的方向和位置;掌握機(jī)構(gòu)自鎖的概念及其判斷。,本章重點(diǎn)平衡力（包括平衡力矩）的概念及其直接確定的方法；用解析法作平面機(jī)構(gòu)力分析的方法；機(jī)械效率的概念及其計(jì)算；機(jī)構(gòu)自鎖的概念及其判斷。本章的難點(diǎn)是：考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)中各總反力作用線的方向和位置如何確定。主要內(nèi)容第一節(jié) 概述 第二節(jié) 作用在機(jī)械上的力第三節(jié)

3、 不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析第四節(jié) 平衡力和平衡力矩的直接解析確定第五節(jié) 機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,第一節(jié) 概述,學(xué)習(xí)要求本節(jié)要求了解機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、原理和方法主要內(nèi)容機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)；機(jī)構(gòu)力分析的原理和方法。,機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù),1. 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù) (1) 確定各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力，用于強(qiáng)度設(shè)計(jì) 、估算機(jī)械 效率、研究運(yùn)動(dòng)副中的摩擦和潤滑;(2) 確定需加于機(jī)構(gòu)上的

4、平衡力或平衡力矩。2. 平衡力和平衡力矩的概念所謂平衡力（矩）是與作用在機(jī)械上的已知外力（包括外力矩）以及當(dāng)該機(jī)械按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件的慣性力（包括慣性力矩）相平衡的未知力（矩）。3. 說明在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行力分析的過程中，不考慮運(yùn)動(dòng)副中的間隙，且只涉及由剛性構(gòu)件構(gòu)成的平面機(jī)構(gòu)力分析的有關(guān)問題。,概述,機(jī)構(gòu)力分析的原理和方法,1. 機(jī)構(gòu)力分析的原理根據(jù)達(dá)倫伯爾原理，將慣性力和慣性力矩看作外力加在相應(yīng)的構(gòu)件上,動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)就可以被

5、看作處于靜力平衡狀態(tài)，從而用靜力學(xué)的方法進(jìn)行分析計(jì)算，稱為機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析法。2. 機(jī)構(gòu)力分析的方法(1) 圖解法: 形象、直觀；但精度低，不便于進(jìn)行機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的力分析。 (2) 解析法: 不但精度高，而且便于進(jìn)行機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的力分析，便于畫出運(yùn)動(dòng)線圖；但直觀性差。這里只介紹后者。,概述,第二節(jié) 作用在機(jī)械上的力,學(xué)習(xí)要求 熟悉作用在機(jī)械上的各力的名稱及其概念，掌握作轉(zhuǎn)動(dòng)、移

6、動(dòng)和一般平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件慣性力和慣性力偶的確定方法。主要內(nèi)容作用在機(jī)械上的力；構(gòu)件慣性力和慣性力偶的確定；本節(jié)例題。,作用在機(jī)械上的力,慣性力（矩）:由于構(gòu)件的變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。當(dāng)構(gòu)件加速運(yùn) 動(dòng)時(shí)，是阻力（矩）；當(dāng)構(gòu)件減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，是驅(qū)動(dòng)力(矩)。1．給定力 驅(qū)動(dòng)力 和驅(qū)動(dòng)力矩 輸入功 外加力

7、 工作阻力（矩） 輸出功或有益功 阻力和阻力矩

8、 有害阻力（矩） 損失功 法向反力 2．約束反力 切向反力, 即摩擦力 約束反力對機(jī)構(gòu)而言是內(nèi)力，對構(gòu)件而言是外力。 單獨(dú)由慣性力（矩）引起的約束反力稱為附加動(dòng)壓力。,,,,,,,,作用在機(jī)械上的力,構(gòu)件慣性力和慣性力偶的確定,1．作一般平面運(yùn)動(dòng)

9、且具有平行于運(yùn)動(dòng)平面的對稱面的構(gòu)件 構(gòu)件2作一般平面運(yùn)動(dòng); S2— 質(zhì)心; as2—質(zhì)心加速度;

10、 Js2—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，α2—角加速度; 其慣性力系可簡化為一個(gè)通過質(zhì)

11、心 的慣性力FI2和一個(gè)慣性力偶MI2 ； m2是 構(gòu)件2的質(zhì)量，負(fù)號表示FI2的方向與as2 的方向 相反以及

12、MI2的方向與α2 的方向相反。 通?？蓪I2和MI2合成一個(gè)總慣性力 ， 與FI2間的距 離 2．作平面移動(dòng)的構(gòu)件因角加速度α為零，故只可能有慣性力 ， 如圖示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊3，若其質(zhì)量為m3、加速度為a3，則其慣性力若加速度也為零，則慣

13、性力也為零。,作用在機(jī)械上的力,,,,,,3．繞通過質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件因質(zhì)心的加速度as=0，故只可能有慣性力偶。如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲柄1；上式中 α1 是角加速度，Js1 是過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，若α1 =0，則MI1=0。 4．質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸不重合的轉(zhuǎn)動(dòng)件如圖所示，轉(zhuǎn)動(dòng)件的質(zhì)心S與轉(zhuǎn)軸不重合。其運(yùn)動(dòng)可以看作隨質(zhì)心的移動(dòng)和繞該質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，可以用式（5-1）和（5-2）求慣心力和慣性力偶。即

14、 若角加速度α2=0 則 ，而慣性力為離心慣性力。,（5-2）,（5-1）,作用在機(jī)械上的力,,,,,本節(jié)例題,已知：求：活塞的慣性力以及連桿的總慣性

15、力。解：活塞3：連桿2：總慣性力：,,作用在機(jī)械上的力,lAB=0.1, lBC=0.33,,n1=1500r/min=常數(shù)，,G3=21N，,G2=25N,JS2=0.0425kg/m2，,lBS2=lBC/3,aC=1800m/s2,aS2=2122.5m/s2，,α2=5000rad/s2（逆時(shí)針方向）,,,,,,,,,,,,,第三節(jié) 不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,學(xué)習(xí)要求掌握不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的

16、解析法 和平衡力及平衡力矩的直接解析確定法。二者包括建立數(shù)學(xué)模型、編制框圖和程序以及上計(jì)算機(jī)調(diào)試通過得出正確結(jié)果。尤其要注意編程注意事項(xiàng)。主要內(nèi)容 解析法作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的步驟解析法作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的注意事項(xiàng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的數(shù)學(xué)模型鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的框圖設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的編程注意事項(xiàng),解析法作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的步驟,1. 將所有的外力、外力矩（包括慣性力和慣性力矩以及待求的平衡力和平衡力矩）

17、加到機(jī)構(gòu)的相應(yīng)構(gòu)件上；2. 將各構(gòu)件逐一從機(jī)構(gòu)中分離并寫出一系列平衡方程式；3. 通過聯(lián)立求解這些平衡方程式，求出各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力和需加于機(jī)構(gòu)上的平衡力或平衡力矩。 一般情況下，可把這些平衡方程式歸納為解線性方程組的問題?？捎孟鄳?yīng)的數(shù)值計(jì)算方法利用電子計(jì)算機(jī)解這些方程組算出所求的各力和力矩。,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,解析法作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的注意事項(xiàng),1. 運(yùn)動(dòng)副中的約束反力: 因它們大小相

18、等而方向相反。常用Fi k表示構(gòu)件i對構(gòu)件k的作用力， Fk i表示構(gòu)件k對構(gòu)件i的作用力。為了減少未知量的數(shù)目，常將Fk i表示為- Fi k，一般可先將Fi k設(shè)為正，如求出的力為負(fù)，則表示實(shí)際力的方向與所設(shè)方向相反；反之，若為正，則表示二者的方向相同。 2. 力矩：一般設(shè)逆時(shí)針方向?yàn)檎?，順時(shí)針方向?yàn)樨?fù) 。若已知力或其分量的方向與所設(shè)坐標(biāo)軸的正向相反，則用負(fù)值代入；否則，用正值代入。已知力矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向時(shí)，用正值代入；否則

19、，用負(fù)值代入。,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的數(shù)學(xué)模型,1.已知： 、 、 、和 ； 、 、 、和 ； 、 和 ； 、 和 ； 、 和 ；

20、 、 和 ； 、 、 、 、 和2.求：各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力； 應(yīng)加在原動(dòng)件1上的平衡力矩Mb 為了后面計(jì)算方便，先求出構(gòu)件3上的 β 角。設(shè)

21、 則,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,,,（5-4）,（5-5）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(5-8),(5-9),(5-10),這里,從而得,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,3.構(gòu)件1的力和力矩的平衡方程式,由上面的兩式可得:,,由上面的兩個(gè)矢量方程并注意到 可得:,4.構(gòu)件2的力和力矩的平衡方程式,不考

22、慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,,,（5-12）,（5-11）,,,,（5-13）,,（5-14）,,（5-15）,,,因,,,,,,,,,和,故由式（5-16）和（5-17）可得,5.構(gòu)件3的力和力矩的平衡方程式,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,,,（5-16）,,,（5-17）,,,,,,,,,,,（5-18）,,（5-19）,,（5-20）,6. 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的矩陣元素表,將前面三個(gè)構(gòu)件的矩陣元素表合在一起后如下表

23、所示,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的框圖設(shè)計(jì),鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)力分析解析法的框圖設(shè)計(jì)如下圖所示,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的編程注意事項(xiàng),1.根據(jù)所解線性方程組中矩陣元素的多少和未知數(shù)的個(gè)數(shù)定義二維數(shù)組和一維數(shù)組 以及 的維數(shù), 用來存放線性方程組的解 ;2.將線性方程組的各矩陣元素賦給對應(yīng)的 ,將常數(shù)項(xiàng)的各矩陣

24、元素賦給對應(yīng)的 ，才可以調(diào)用解線性方程組的通用程序;3.在編程時(shí)，應(yīng)特別注意解線性方程組的通用程序中的形式參數(shù)和實(shí)際參數(shù) 之間的對應(yīng)關(guān)系; 4.在輸入程序時(shí)，應(yīng)注意大寫英文字母“I”與數(shù)字“1”的區(qū)別，以及數(shù)字“0” 與英文字母“O”的區(qū)別;5.已知重力G1、 G2和G3的方向均與所設(shè)坐標(biāo)系軸的負(fù)方向一致，故應(yīng)代入 負(fù)值;6.已知的工作阻力矩Mr為順時(shí)針方向，故也應(yīng)代入負(fù)值。,不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)

25、構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析,,,,,,,第四節(jié) 平衡力和平衡力矩的直接解析確定,學(xué)習(xí)要求 了解直接確定平衡力和平衡力矩的意義；掌握用解析法直接確定平衡力和平衡力矩的方法，包括數(shù)學(xué)模型、框圖設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，并能上計(jì)算機(jī)調(diào)試通過得出正確結(jié)果。主要內(nèi)容 直接確定平衡力和平衡力矩的意義 虛位移原理在直接確定平衡力和平衡力矩中的應(yīng)用 直接確定有源機(jī)構(gòu)的平衡力 直接求轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的平衡力矩的數(shù)學(xué)模型 直

26、接求轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的平衡力矩的框圖設(shè)計(jì)和編程注意事項(xiàng),直接確定平衡力和平衡力矩的意義,如前所述，平衡力或平衡力矩可用動(dòng)態(tài)靜力分析法連同各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力一起求出。但在很多情況下，例如，當(dāng)決定機(jī)器的功率、進(jìn)行飛輪的設(shè)計(jì)和決定工作機(jī)的最大負(fù)荷時(shí)，只需要求出平衡力或平衡力矩即可，而不必求出機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副中的反力。這樣，若仍用動(dòng)態(tài)靜力分析法計(jì)算，必然要花費(fèi)許多時(shí)間和精力計(jì)算無用的運(yùn)動(dòng)副中的約束反力，這是很不經(jīng)濟(jì)的。若用虛位移原理直接求平衡力或平衡

27、力矩就簡捷得多。,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,虛位移原理在直接確定平衡力和平衡力矩中的應(yīng)用,1. 虛位移原理 若系統(tǒng)在某一位置處于平衡狀態(tài)，則在這個(gè)位置的任何虛位移中，所有主動(dòng)力的元功之和等于零。 2. 虛位移原理在直接確定平衡力和平衡力矩中的應(yīng)用(1) 一般表示式Fi—任一作用外力； δSi —Fi作用點(diǎn)的線虛位移; vi ——Fi作用點(diǎn)的線虛速度θi—力Fi與δSi （或vi ）之間的夾角; Mi—作用

28、在機(jī)構(gòu)上的任意一個(gè)力矩； δφi —受Mi作用的構(gòu)件的角虛位移; ωi ——受Mi作用的構(gòu)件的角虛角速度; δWi—虛功，也稱元功。則,（5-37）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,,(2) 坐標(biāo)軸分量表示式 若Fi用沿三個(gè)坐標(biāo)軸的分量Fix 、 Fiy和Fiz表示，用δxi、 δyi和δzi表示沿三個(gè)坐標(biāo)軸的線虛位移，則 為了便于實(shí)際應(yīng)用，將上面兩式的每一項(xiàng)都用元時(shí)間δt除，并求在δt 0時(shí)的

29、極限，便可得式（5-39）和（5-40）表明：如果機(jī)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，那么，所有作用在機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件上的外力及外力矩的瞬時(shí)功率之和等于零。,（5-39）,（5-40）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,（5-38）,,,,,直接確定有源機(jī)構(gòu)的平衡力,右上圖所示有源機(jī)構(gòu)為軸承襯套壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)簡圖。已知: lCB、 lCD、 lEC、x、y、L和壓桿4所受的壓縮力 Fr 求：構(gòu)件5在垂直位置時(shí)作用在活塞2上的平衡力Fb。 1

30、. 求活塞的微位移δs首先求出與水平方向所夾銳角α。設(shè)則由虛位移原理得：由右下圖可的向量方程將上式分別投影在x軸和y軸上可得,（5-42）,（5-43）,（5-44）,（5-45）,（5-46）,由式（5-45）和（5-46）可得則：,（5-47）,（5-48）,對式（5-47）微分可得,（5-49）,（5-50）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,,,,,,,,,,,2. 求Fr作用力方向的微位移δyD由封閉矢量多邊形FE

31、CDG得另一矢量方程 將上式投影在y軸上可得對上式微分可得(5-53)式3. 求平衡力Fb將式（5-53）和（5-50）代入式（5-43）可得,（5-51）,（5-52）,（5-53）,（5-43）,（5-54）,（5-50）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,,,,,,,直接求轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的平衡力矩的數(shù)學(xué)模型,已知: , , , , , ,

32、, ;求:當(dāng) 和 時(shí)應(yīng)加于構(gòu)件1上的平衡力矩 。1. 運(yùn)動(dòng)分析 在封閉向量多邊形ABC中用余弦定理并解以S為未知數(shù)的一元二次方程可求得:,（5-56）,用與第四章的第五節(jié)中的 擺導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的位移分析、速度分析和 加速度分析相類似的方法可得:,（5-59）,（5-61）,（5-63）,（5-62）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,（5-60）,,,,,,,,,,,

33、,,,,,,,,,,,,3. 求平衡力矩Mb,（5-40）,將式（5-40）用于該機(jī)構(gòu)可得,因?yàn)闃?gòu)件1的角加速度,，所以,又因?yàn)?，故,將其代入（5-55）式可得:,式中的其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)和慣性力及慣性矩已在前面求出。,由上式可得 ：,（5-66）,（5-55）,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,2. 求慣性力和慣性矩,,,,,,,,,,,直接求轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的平衡力矩的框圖設(shè)計(jì)和編程注意事項(xiàng),1. 框圖設(shè)計(jì) 直接確定轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)平衡

34、 力矩的框圖設(shè)計(jì)如右圖所示.,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,2. 編程注意事項(xiàng) (1) 因已知的Mr方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，而G1和G3的方向與所設(shè)坐標(biāo)系中y的負(fù)方向致，故這三個(gè)已知量均應(yīng)輸入負(fù)值。

35、 (2) 因是轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu), 所以φ3的變化范圍是０ｏ～３６０ｏ，當(dāng)ｂ＝0時(shí), 由上面計(jì)算φ３的公式可知，此時(shí)因分母為零而無法計(jì)算, 但此時(shí)φ３ 的值可由a的正負(fù)號來確定為π/2或3π/2。 (3) 當(dāng)φ３位于Ⅱ、Ⅲ兩象限時(shí)，b<0。與實(shí)際不一致而需作角 度處理。 以上注意事項(xiàng)如前圖所示。,平衡力和平衡力矩的直接解析確定,,,,第五節(jié) 機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中

36、的摩擦及自鎖,學(xué)習(xí)要求 掌握機(jī)械效率的概念及其計(jì)算;掌握平面運(yùn)動(dòng)副中摩擦的概念及其總反力位置的確定方法;掌握自鎖的概念及其自鎖條件的確定;掌握摩擦圓和摩擦圓半徑的概念及其確定;了解考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的受力分析的方法。,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,主要內(nèi)容機(jī)械效率的概念機(jī)械效率的計(jì)算復(fù)雜機(jī)器和機(jī)組的效率移動(dòng)副中平面平滑塊的摩擦楔形滑塊的摩擦和當(dāng)量摩擦系數(shù)斜面平滑塊的摩擦 斜面機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的效率螺旋副概述

37、矩形螺紋螺旋副中的摩擦,三角螺紋螺旋副中的摩擦三角螺紋螺旋傳動(dòng)的效率轉(zhuǎn)動(dòng)副中徑向軸頸和軸承的摩擦及當(dāng)量摩擦系數(shù)摩擦力矩和摩擦圓及摩擦圓半徑轉(zhuǎn)動(dòng)副中總反力作用線位置的確定止推軸頸和軸承的摩擦平面高副中總反力方向的確定機(jī)構(gòu)自鎖的概念和平面平滑塊的自鎖徑向軸頸的自鎖,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,機(jī)械效率的概念,1. 有關(guān)概念輸入功（驅(qū)動(dòng)功）Wd－ 作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力所作的功;輸出功（有效功） Wr －克服生產(chǎn)阻力

38、所作的功;損失功 Wf － 克服有害阻力所作的功;2. 機(jī)械效率的概念在機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期，輸入功等于輸出功與損失功之和。即 用機(jī)械效率來表示機(jī)械功在傳遞過程中有效利用程度。它等于輸出功與輸入功的比值?；蛏鲜街械摩畏Q為機(jī)械損失系數(shù)（損失率）。 若將上面三式的各項(xiàng)均除以做功的時(shí)間t，分別以Pd、Pr和Pf表示輸入功率、輸出功率和損失功率。

39、則,（5-67）,（5-69）,（5-70）,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,（5-68）,,,,,,,3.分析： η總是小于 1，當(dāng)Wf 增加時(shí)將導(dǎo)致η下降。4. 努力方向,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，盡量減少摩擦損失。,（1）用滾動(dòng)代替滑動(dòng),（2）盡量簡化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng);,（3）考慮潤滑，合理選材,（5-69）,機(jī)械效率的計(jì)算,Fd－實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 ; Fr －實(shí)際的生產(chǎn)阻力 ;Vd － Fd作用

40、點(diǎn)并沿Fd作用線方向的速度 ; Vr － Fr作用點(diǎn)并沿Fr作用線方向的速度 ; 由式 可得,（5-71）,為了將上式變?yōu)楸阌谑褂玫男问?，設(shè)法將其中的速度消去。設(shè)想不存在有害阻力的機(jī)械特稱為理想機(jī)械，而理想機(jī)械的效率 。另設(shè)生產(chǎn)阻力Fr不變,理想機(jī)械克服Fr所需要的驅(qū)動(dòng)力（矩）為理想驅(qū)動(dòng)力（矩） Fdo(Mdo), 因

41、 故將式（5-72）代入（5-71）可得:上式表明：在生產(chǎn)阻力不變時(shí)，實(shí)際機(jī)械的效率等于理想驅(qū)動(dòng)力（矩）與實(shí)際驅(qū)動(dòng)力（矩）之比。,（5-72）,（5-73）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,,,復(fù)雜機(jī)器和機(jī)組的效率,1.串聯(lián),2.并聯(lián),總效率η不僅與各機(jī)器的效率ηi有關(guān)，而且與傳遞的功率Ni有關(guān)。,設(shè)各機(jī)器中效率最高最低者分別為ηmax和ηmin 則有：,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,（5-74）,η<ηi

42、 串聯(lián)的機(jī)組越多，總效率越低。,所以,（5-75）,,ηmin<η<ηmax,,,,,因,3.混聯(lián),先分別計(jì)算，合成后按串聯(lián)或并聯(lián)計(jì)算。,并聯(lián)計(jì)算,串聯(lián)計(jì)算,串聯(lián)計(jì)算,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,移動(dòng)副中平面平滑塊的摩擦,FQ —鉛垂載荷（包括自重）; FN21 —平面2對滑塊1作用的法向反力 ; Fd—作用在滑塊1上的外加驅(qū)動(dòng)力; V12—滑塊1相對于平面2 的運(yùn)動(dòng)速度 ; f —-滑塊1與平面

43、2間的摩擦系數(shù) ;將法向反力FN21 和摩擦力Ff21合成總反力FR21，則FR21與FN21間的夾角為摩擦角φ、與V12間的夾角為90o+ φ。根據(jù)FR21與V12間的夾角為90o+ φ。確定2給1的總反力的方向。 當(dāng)運(yùn)動(dòng)副兩元素間的f一定時(shí)， Ff21的大小決定于法向反力FN21的大??；當(dāng)外載荷一定時(shí)，法向反力FN21的大小還與運(yùn)動(dòng)副兩元素的幾何形狀有關(guān)。,（5-76）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,楔形滑塊的

44、摩擦和當(dāng)量摩擦系數(shù),兩構(gòu)件沿一槽形角為2θ的槽面接觸，F(xiàn)d—驅(qū)動(dòng)力 ； FQ—作用在滑快1上的鉛垂載荷（包括自重）； FN21 —平面2對滑塊1作用的法向反力 ; Ff21 —槽面2對滑塊1的摩擦力 ;由xy平面中的平衡條件可得: 式中的 為槽面摩擦的當(dāng)量摩擦系數(shù), φv稱為當(dāng)量摩擦角

45、。因θf ，即在其他條件相同的情況下，槽面摩擦的摩擦力大于平面摩擦的摩擦力。如三角皮帶傳動(dòng)的摩 擦力大于平皮帶傳動(dòng)的摩擦力；三角螺紋的螺旋副中的摩擦力大于方螺紋螺旋副中的摩擦力。,,（5-77）,,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,,,斜面平滑塊的摩擦,1．滑塊沿斜面等速上升時(shí)Fd—水平驅(qū)動(dòng)力；FR21—2作用于滑塊1的總反力； FQ—鉛垂載荷（包括滑塊的自重）。 方向：

46、 水平 √ 豎直 大?。?？ ？ √ 2．滑塊沿斜面等速下降時(shí) FQ—驅(qū)動(dòng)力，而F’—阻力（或滑塊等速下降的維持力）； F’R21—2作用于滑塊1的總反力；,（5-79）,,（5-78）,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,方向：水平 √ 豎直大?。?？ ？ √,,斜面機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的效率,1. 當(dāng)滑塊等速上

47、升時(shí) 由式（5-78）可知，理想的驅(qū)動(dòng)力（假設(shè)沒有摩擦）為: 此時(shí)斜面的效率為: 2. 當(dāng)滑塊等速下滑時(shí) 由式（5-79）可知，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)力F

48、Q和理想的驅(qū)動(dòng)力FQ0分別為故其效率為 :,（5-78）,（5-80）,（5-79）,（5-81）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,,,,螺旋副概述,1.螺紋的牙型有：,3.螺紋的用途：傳遞動(dòng)力或聯(lián)接,從摩擦的性質(zhì)可分為：矩形螺紋和三角形螺紋,2.螺紋的旋向：,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,矩形螺紋螺旋副中的摩擦,假設(shè):FQ集中作用在中徑的螺旋線上， 作用力是集中在一小段螺紋上。 將

49、螺旋的摩擦簡化為斜面的摩擦。擰緊螺母 :相當(dāng)于滑塊沿斜面等速 上升α—斜面的傾斜角 ， l—螺紋的導(dǎo)程，z—螺旋線的頭數(shù)， p —螺距 ，F(xiàn)d—中徑處施加的圓周力 ，Md—驅(qū)動(dòng)力矩松開 或擰松螺母 : 相當(dāng)于滑塊沿斜面等速 下降考慮到式 （5-79）， F ’—中徑處施加水平維持圓周力 ， M ’—松開螺母時(shí)應(yīng)加的維持力矩 ，

50、當(dāng)α<φ時(shí)， M ’為負(fù)值，則意味著要想使滑塊下滑，就必須加一個(gè)反向的力矩M ’，此時(shí)的M ’稱為擰松力矩。,（5-82）,（5-83）,（5-84）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,三角螺紋螺旋副中的摩擦,1. 三角螺紋螺旋副中的摩擦β—三角螺紋的半頂角，fv—當(dāng)量摩擦系數(shù)，φv—當(dāng)量摩擦角，f—實(shí)際摩擦系數(shù)， 引入當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角， f fv ，φ φv 便

51、可得到 ：擰緊螺旋時(shí)：松開螺旋時(shí)：,,楔形滑塊在槽面中的摩擦,,,（5-85）,（5-86）,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,用于矩形螺旋副時(shí)將上面兩式中的φ變換為φv即可,,,三角螺紋螺旋傳動(dòng)的效率,2. 螺旋傳動(dòng)的效率擰緊螺旋時(shí)，理想驅(qū)動(dòng)力矩為 ： 其效率為：松開螺旋時(shí)：實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為： 其理想驅(qū)動(dòng)力為:其效率為：

52、用于矩形螺旋副時(shí)將上面兩式中的φ變換為φv即可。,（5-87）,（5-88）,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,,轉(zhuǎn)動(dòng)副中徑向軸頸和軸承的摩擦及當(dāng)量摩擦系數(shù),1.徑向軸頸與軸承,軸頸,軸,軸承,靜止受力,動(dòng)態(tài)受力,FQ—徑向載荷 （包括自重），F(xiàn)N21—2給1的總法向反力 , M d—驅(qū)動(dòng)力矩,ω12—角速度, 總摩擦力 2.當(dāng)

53、量摩擦系數(shù) fV fV≈f～1.57f當(dāng)軸承與軸頸的間隙小、材料軟、接觸面大時(shí)選用較大的值； 當(dāng)軸承和軸頸的材料硬（如鉆石軸承）、接觸面小時(shí)選用較小值。 為了安全，在計(jì)算機(jī)械的效率時(shí)，選用較大值；利用機(jī)械的自鎖時(shí)，選用較小的值。,（5-89）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,摩擦力矩和摩擦圓及摩擦圓半徑,1.摩擦力矩r—軸頸的半徑, Mf—摩擦力矩,將FN21力與Ff21合成為總反力FR21 , ρ 為由FR2

54、1和FQ組成的力偶的力臂, 因 Md= -Mf 故 2. 摩擦圓及摩擦圓半徑 以轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1為圓心、以ρ為半徑畫的圓稱為摩擦圓， ρ稱為摩擦圓半徑。 若當(dāng)量摩擦角為φv，在圖5-20中的直角三角形o1CB中， ， 。由圖可知，上式中的摩擦圓半徑,（5-90）,（5-91）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,r為軸頸的半徑,圖 5-20,,,,,,轉(zhuǎn)動(dòng)副中總反力作用

55、線位置的確定,1.總反力判定方法:(1) 總反力FRij對軸心的力矩的方向必與角速度ωji的方向相反。(2) ωji的方向可由此時(shí)組成轉(zhuǎn)動(dòng) 副的兩構(gòu)件間的夾角增大還是 減小來確定。2. 舉例 Fd—驅(qū)動(dòng)力，Mr—阻力矩，（1）確定相對角速度的方向：α ，故 ω14 ；β 故 ω21 ；θ ，故 ω23 （2）連桿2：因連桿2受壓且可知FR12和FR32的大概方向，根據(jù)判定方法（1）可

56、知FR21應(yīng)切于B處摩擦圓的下方 ， FR32應(yīng)切于C處摩擦圓的上方。構(gòu)件2是二力桿，故FR21與FR32應(yīng)共線反向。（3）構(gòu)件1： FR21=- FR12，根據(jù) FR21=- FR41且二者組成的力偶=- Mr，確定出FR41的方向，再根據(jù)判定方法（1）可知FR41應(yīng)切于處摩擦圓的上方。 （4）滑塊3： FR23=- FR32， FR43的方向應(yīng)與V34成90o+φ且其作用線位置應(yīng)通過Fd與力與FR23的交點(diǎn) 。

57、 各力作用線位置如圖所示。,,,,,,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,圖 5-21,3. 確定反力作用線位置解題步驟小結(jié)：,（1）從二力桿入手，判斷桿2受壓，初步確定FR12 、FR32 的方向。,（2）由α、β、θ增大或變小來判斷各構(gòu)件的相對角速度方向。,（3）依據(jù)總反力判定準(zhǔn)則得出FR12和FR32切于摩擦圓的內(nèi)公切線。,（5）由三力平衡條件（交于一點(diǎn)）得出構(gòu)件3的總反力。,（4）由力平衡條件確定構(gòu)件1反力的作用線位置。

58、,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,圖 5-21,止推軸頸和軸承的摩擦,FQ—軸向載荷，Md—驅(qū)動(dòng)力矩，Mf—摩擦力矩，ω12—等角速度，從軸端接觸面上半徑為ρ處1. 取出環(huán)形微面積dS， 設(shè)dS上的壓強(qiáng)p為常數(shù)，則：正壓力摩擦力 ，摩擦力矩總摩擦力矩2. 未跑合的止推軸頸，摩擦系數(shù)f和壓強(qiáng)p均為常數(shù)，因

59、 故式代入（5-93）式可得未跑合軸端的摩擦力矩為： 3. 跑合過的止推軸頸，跑合后軸端各處壓強(qiáng)基本上符合常數(shù)的規(guī)律 軸端中心處因ρ非常小而使壓強(qiáng)p非常大，故將軸端做成空心的。將不經(jīng)常旋轉(zhuǎn)的軸端視為非跑合軸端，

60、而將經(jīng)常旋轉(zhuǎn)的軸端視為跑合軸端。,（5-92）,（5-93）,（5-95）,（5-96）,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,,,,,,,平面高副中總反力方向的確定,相對運(yùn)動(dòng): 滑動(dòng)+滾動(dòng)摩擦力: 滑動(dòng)摩擦力+滾動(dòng)摩擦力 ∵ 滾動(dòng)摩擦力<<滑動(dòng)摩擦力∴ 可忽略滾動(dòng)摩擦力 總反力為法向反力與滑動(dòng)摩擦力的合成： FR21=FN21+Ff21 總反力的方向：∠FR21V12＝(90&

61、#176;+φ),機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,機(jī)構(gòu)自鎖的概念和平面平滑塊的自鎖,1. 自鎖的概念和意義當(dāng)驅(qū)動(dòng)力（矩）從零增大到無窮大時(shí)，機(jī)械的受力件總不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。正行程—驅(qū)動(dòng)力作用在原動(dòng)件上而運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力從原動(dòng)件到從動(dòng)件傳遞; 正行程必須避免自鎖 ; 反行程—將正行程的生產(chǎn)阻力作為驅(qū)動(dòng)力作用在原來的從動(dòng)件上，而運(yùn)動(dòng)向相反方向傳遞;有些機(jī)械的工作 需要反行程自鎖。

62、 手搖螺旋千斤頂 自鎖機(jī)構(gòu)—反行程自鎖的機(jī)構(gòu)。,,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,2. 平面平滑塊的自鎖,（1）當(dāng)β>φ時(shí)：因 ， 滑塊將加速運(yùn)動(dòng)。,（2）當(dāng)β=φ時(shí)：因 ，滑塊將等速運(yùn)動(dòng)或靜止不動(dòng)。,,（3）當(dāng)β<φ時(shí)：因 滑塊將減速到零或靜止不動(dòng)。,由此可知，β≤φ是平面

63、平滑塊的自鎖條件。若用效率來確定自鎖的條件，則是效率小于等于零時(shí)，機(jī)構(gòu)便自鎖。,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,（5-101）,,（5-102）,,,徑向軸頸的自鎖,1. 自鎖條件驅(qū)動(dòng)力矩Md鉛垂載荷FQ,,,,ρ—摩擦圓半徑，Mf —摩擦力矩，（1）當(dāng)e>ρ時(shí) ：因Md >Mf，軸將加速轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）當(dāng)e=ρ時(shí) ：因Md =Mf，軸將等速轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止;（3）當(dāng)e<ρ時(shí)：因Md<Mf，軸將靜止或減速到

64、靜止 。,由上面的分析可知，徑向軸頸的自鎖條件是：e≤ρ 。,機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖,,,,,（5-104）,2. 偏心夾具的自鎖條件,正行程是夾緊工件，要求反行程自鎖。反行程是否自鎖決定于 FR23作用在O處摩擦圓的外面、還是與摩擦圓相割或相切，,AE平行于 FR23 ，DE平行于 AC，因