1、机械原理主讲主讲:王王 君君 玲玲工程学院机械设计教研室工程学院机械设计教研室10 机械的传动效率1）机械的传动效率；2）运动副的摩擦分析；3）机械的自锁现象及自锁条件；4）摩擦的利用；5）提高机械效率的途径。教学目标教学目标10 机械的传动效率1）机械传动效率的计算；2）运动副中总反力的确定；3）机械的自锁现象及自锁条件；本章重点本章重点10.1 机械的传动效率10.1.1 机械效率的定义及其表达式驱动力生产阻力有害阻力输入功Wd输出功Wr损耗功WfdfdrWWWW1机械效率：1机械效率表达形式：机械效率表达形式：功的形式：功率的形式：力的形式：力矩的形式：dfdrWWWW1dfdrpppp
2、100QQFF 00QQFFMMMMFQdrFQpP理想情况：理想情况：实际驱动力理想驱动力FFFFFF0010FQFQ理想情况：理想情况：理想生产阻力实际生产阻力00QQQQQQ10FQQF例10-1 计算斜面的效率正行程：)tan(QF)tan(tan)tan(tan0QQFF反行程：)tan(QFtan)tan(0FF10.1.2 组合机构的效率（1）串联）串联dkPPk 321123121 kkdPPPPPPPP),min(321mink min（2）并联）并联kdPPPp 21 krPPPp21 kkkdrPPPPPPPP 212211kkPPP 2211（2）并联）并联kkkdrP
3、PPPPPPP 212211),min(321mink k 321若：),max(321maxk maxmink 321则：（3 3）复合机构）复合机构可先将输入功至输出功的路线弄清，然后分别按各部分的组合方式，参照上面两种计算方法推倒出总机械效率的计算公式。10.2 运动副中的摩擦运动副中的摩擦运动副中的摩擦滚动摩擦（高副）滚动摩擦（高副）摩擦小摩擦小三种情况，即平面摩擦、三种情况，即平面摩擦、10.2.1 10.2.1 移动副的摩擦移动副的摩擦滑动摩擦（低副）滑动摩擦（低副）移动副移动副螺旋副螺旋副转动副转动副21v12vv2圆柱面摩擦。圆柱面摩擦。槽面摩擦、槽面摩擦、QN21)(大大小小
4、2121fNF滑块滑块1 1的总反力的总反力212121FNRfarctan 1 1、总反力、总反力R R2121的方向恒与相对运动速度方向成（的方向恒与相对运动速度方向成（9090+），），与接触面公法线成与接触面公法线成。2 2、当移动副的几何形状改变时，会改变、当移动副的几何形状改变时，会改变N N2121的大小，产生的大小，产生较平面摩擦大的摩擦力。较平面摩擦大的摩擦力。摩擦角摩擦角总反力总反力 R21法向反力法向反力N21摩擦力，与摩擦力，与v12反向。反向。F212V12水平力水平力P铅垂载荷铅垂载荷Q1P P 第四章 运动副中的摩擦和机械效率10.2.1.1 10.2.1.1 平
5、面移动副的摩擦平面移动副的摩擦楔形滑块楔形滑块槽形角槽形角2 QN sin2221 sinQN21VfQfQfNF sin2121当量摩擦系数当量摩擦系数 sinffV当量摩擦角当量摩擦角VVfarctan结论：结论：fV f,常用槽面摩擦力大于平面摩擦力。常用槽面摩擦力大于平面摩擦力。第四章 运动副中的摩擦和机械效率10.2.1.2 10.2.1.2 槽面移动副的摩擦槽面移动副的摩擦总反力总反力R21总与相对速度总与相对速度v12成成 90+v 角角。10.2.1.2 槽面移动副的摩擦槽面移动副的摩擦QfFv21kQfF21kffv21k总反力总反力R21总与相对速度总与相对速度v12成成
6、90+v 角角。10.2.2 螺旋副中的摩擦螺旋副中的摩擦 下面就下面就矩形螺纹螺旋副矩形螺纹螺旋副和和锐角螺锐角螺纹螺旋副纹螺旋副中的摩擦进行研究。中的摩擦进行研究。研究螺旋副中的摩擦时研究螺旋副中的摩擦时,通常通常假设螺旋与螺母之间的作用力假设螺旋与螺母之间的作用力Q集中在中径为集中在中径为d2 的螺旋线上。的螺旋线上。10.2.2 螺旋副中的摩擦螺旋副中的摩擦)tan(QF)tan(2222QddFM)tan(tan0FF锐角螺纹摩擦分析锐角螺纹摩擦分析)tan(22vQdMcosarctanfv10.2.3 10.2.3 转动副中的摩擦转动副中的摩擦 转动副在各种机械中应用很广转动副在
7、各种机械中应用很广,常见的有常见的有轴和轴承轴和轴承以及各种以及各种铰链铰链。转动副可按载荷作用情况的不同分成。转动副可按载荷作用情况的不同分成:载荷垂直载荷垂直于轴的几于轴的几何轴线何轴线 载荷沿轴的载荷沿轴的轴线轴线方向方向第四章 运动副中的摩擦和机械效率QNMd 12QO12R21F21N21 静止静止 （1 1）径向轴颈的摩擦）径向轴颈的摩擦 轴颈在驱动力矩的作用下，在轴承中等速回转。轴颈在驱动力矩的作用下，在轴承中等速回转。1 1）摩擦阻力矩）摩擦阻力矩rfQrFMVf21驱动力矩：驱动力矩：QRMd211）总反力）总反力R21恒切于摩擦圆。恒切于摩擦圆。2）R21与与Q等值反向，组
8、成力偶，等值反向，组成力偶，其力偶矩与其力偶矩与Md等值反向。等值反向。第四章 运动副中的摩擦和机械效率rfv摩擦圆半径：摩擦圆半径：总反力的确定：总反力的确定：R21轴承轴承2对轴颈对轴颈1的总反力；的总反力；12Q12R21Q12R21 121221Q12R21 121221转动副总反力方位线的确定：转动副总反力方位线的确定：自锁 第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦（2）轴端摩擦）轴端摩擦RrRrfffpddMM22非跑合轴端非跑合轴端 p=常数常数223332rRrRQfMf跑合轴端跑合轴端p =常数常数fQrRdrRQfMRrf2)(10.2.4 平面高副中的摩擦平面高副中
9、的摩擦常常只考虑滑动摩擦，忽略滚动摩擦，其滑动摩擦力及总反力的确定方法与平面移动副的分析相同。例：例：若不计各构件的重力和若不计各构件的重力和惯性力，试惯性力，试分析在图示分析在图示位置时作用在连杆位置时作用在连杆2 2上的上的力的位置与方向。力的位置与方向。各回转副摩擦圆半径均为各回转副摩擦圆半径均为 曲柄滑块机构中曲柄滑块机构中原动件曲柄原动件曲柄1 1驱动力矩为驱动力矩为M Md d作用于滑块作用于滑块3 3上上生产阻力为生产阻力为P P第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦1 1）在不计摩擦时，各转动副中的作用力应通过轴颈中心）在不计摩擦时，各转动副中的作用力应通过轴颈中心 构
10、件构件 2 2为二力杆为二力杆此二此二力大小相等、方向相反、作用在同一力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，作用线与轴颈条直线上，作用线与轴颈A A、B B的中心连线重合。的中心连线重合。分析：分析：由机构的运动情况由机构的运动情况连杆连杆2 2 受拉力。受拉力。二力杆二力杆(受拉受拉)第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦2 2）当计及摩擦时，作用力应切于摩擦圆。）当计及摩擦时，作用力应切于摩擦圆。分析：分析：转动副转动副A A处：构件处：构件2 2、1 1之间的夹角之间的夹角 逐渐减小逐渐减小w w2121为顺时针方向为顺时针方向2 2受拉力受拉力作用力作用力R R1212切于
11、摩擦圆上方。切于摩擦圆上方。在转动副在转动副B B处：构件处：构件2 2、3 3之间的夹角逐渐增大之间的夹角逐渐增大w w2323为顺时针方向。为顺时针方向。R R3232切于摩擦圆下方。切于摩擦圆下方。构件构件2 2在在R12、R R3232二力个作用下平衡二力个作用下平衡 R12和和R32共线共线 作用线切于作用线切于A A 处摩擦圆上方和处摩擦圆上方和B B处摩擦圆的下方。处摩擦圆的下方。R32R12 21 23第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦R21R41R12R32R23R43PR43R23 第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦 1 1 2 23 3 4 4 考
12、虑摩擦时的受力分析考虑摩擦时的受力分析 不考虑摩擦不考虑摩擦R R1212 R R3232R R12 12 R R32 32 M M1 1 M M3 3 M M1 1 R R21 21 R R41 41 R R41 41 R R23 23 R R43 43 R R43 43 M M3 3 力的方向力的方向力的切点力的切点机构力分析 第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦10.3 10.3 机械的自锁条件机械的自锁条件 机械自锁的概念：机械自锁的概念：在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱动力作用方向的问题，有时会出现无论驱动力动力作用方向的问题，有时会出现
13、无论驱动力如何增大，机械都无法运转的现象，这种现象如何增大，机械都无法运转的现象，这种现象称为机械的自锁。称为机械的自锁。一个机械是否会发生自锁，可以通过分析一个机械是否会发生自锁，可以通过分析组成机械的各个环节的自锁情况来判断。若一组成机械的各个环节的自锁情况来判断。若一个机械的某个环节发生自锁个机械的某个环节发生自锁,则该机械必发生自则该机械必发生自锁。锁。也可借也可借机械效率的计算式机械效率的计算式来判断机械是否自锁来判断机械是否自锁和分析自锁产生的条件。和分析自锁产生的条件。（1）从受力的角度分析机械自锁条件）从受力的角度分析机械自锁条件 e 将将Q Q与与M Md d合并得合并得R2
14、121 12Q eR2121 12Q eR2121 12Q e1 1）当）当ee 时，时，M Md d MMf f 有输出功有输出功 2 2）当）当e=e=时，时，M Md d=M Mf f 保持平衡，原转动保持平衡，原转动仍匀速转动；原静止仍匀速转动；原静止仍静止仍静止3 3）当）当ee 时，时，M Md d MMf f 输入功不足输入功不足 结论：结论：转动副转动副单力作用时当单力作用时当 e 时，不论时，不论Q多大，也无法多大，也无法使轴转动使轴转动 自锁自锁NMd12QO12R21F21N21第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦（2）从效率角度分析机械自锁条件 自锁时dfWW
15、 01dfdrWWWW所以此时的此时的 已失去一般效率的意义，它已失去一般效率的意义，它只表示机械的自锁程度。只表示机械的自锁程度。例例10-2 求该机构正反行程的效率及反行程的自锁条件。)2tan(QF)2sin90sin(32（）FR)290sin90sin(32（）QR)2tan(tan)2tan(tan0QQFF0正行程效率：反行程：)2tan(QFtan)2tan(tan)2tan(0QQFF自锁时：2所以反行程自锁条件：作者：潘存云教授作者：潘存云教授1DA3O2BODA123应用实例：应用实例：图示钻夹具在图示钻夹具在F F力夹紧，去掉力夹紧，去掉F F后要求不能松开，即后要求不
16、能松开，即反行程具有自锁性。分析其几何条件。反行程具有自锁性。分析其几何条件。在直角在直角ABCABC中有：中有：在直角在直角OEAOEA中有：中有：反行程具有自锁条件为：反行程具有自锁条件为：s-ss-s1 1 e esin(sin()(Dsin(Dsin)/2)/2 s=OEs=OEs s1 1=AC =AC e分析：若总反力分析：若总反力R R2323穿过摩擦圆穿过摩擦圆发生自锁发生自锁=(Dsin=(Dsin)/2 )/2 =e=esin(sin()-FR23Bss1EEOACBC第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦例：已知尺寸，滑块楔角例：已知尺寸，滑块楔角，摩擦系数，摩擦
17、系数 f f，回转副摩擦圆直径。不计重量，求驱动力回转副摩擦圆直径。不计重量，求驱动力P P R R51 51 R R21 21 R R12 12 R R52 52 R R32 32？R R54 54 R R34 34 R R23 23 R R32 32 R R43 43 90+90+90-90-90-(90-(+)机械的效率和自锁 第四章 运动副中的摩擦和机械效率运动副中的摩擦10.4 摩擦在机械中的应用（1）摩擦传动机构（2）摩擦离合器（3）摩擦制动器（4）摩擦联接（5）摩擦夹紧机构（6）钳夹式握持器（7）摩擦式缓冲器（8）摩擦分选10.5 提高机械效率的途径（1）尽量简化机械传动系统、缩短传递路线、采用最简单的机构来满足工作要求。（2）选择合适的运动副形式。（3）在满足强度、刚度等要求的情况下，对于转动副尺寸应尽量减小。（4）尽量减小当量摩擦系数。（5）进行机构或机器组合时，应使每一个机构或机器均具有较高的机械效率，最好不要并入或串入一个机械效率很低的机构或机器。（6）减少机械中由惯性力所引起的动载荷，亦可提高机械效率。
