1、第三章 平面机构的动力分析?3.1 机构力分析的目的和方法?3.2运动副中摩擦力的确定?3.3平面机构的静例分析?3.4构件惯性力的确定?3.5不考虑摩擦时机构的动态静力分析?3.6机械的效率和自锁 3.1 机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法 力分析的必要性：作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能 的主要因素；是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。3.1.1 作用在构件上的力 1.驱动力（驱动力矩）驱使机械运动，其方向与力的作用点速度之间 的夹角为锐角，所作功为正功。2.阻力：有效阻力机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或 状态所受到的阻力，克服了阻力就完成了有效的工 作。如车
2、削阻力、起重力等。有害阻力机械运转过程受到的非生产阻力，克服了这类阻力所 作的功纯粹是浪费能量。如摩擦力、介质阻力等。4.重力 重心下降作正功，重心上升作负功 5.惯性力加在变速运动构件上的假想力。3.运动副反力运动副中的反力（构件间的互相作用力）3.1.2 机构力分析的目的和方法 1.机构力分析的目的 1）确定运动副中的反力（运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力）为进一步研究构件强度、运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能等作准备。2）确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机械上的平衡力（机械在已知外力作用下，为了使机械按给定的运动规律运动所必需添加的未知外力）。目的是已知生产负
3、荷确定原动机的最小功率；或由原动机的功率来确定所能克服的最大生产阻力。2.机构力分析的方法 1）对于低速度机械：采用静力分析方法；2）对于高速及重型机械：一般采用动态静力分析法。概述：摩擦产生源运动副元素之间相对滑动。摩擦的缺点：优点：研究目的：减少不利影响，发挥其优点。发热 效率 磨损 强度 精度 寿命 利用摩擦完成有用的工作：如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、离合器(摩托车)、制动器（刹车）。润滑恶化 卡死。低副产生滑动摩擦力 高副滑动兼滚动摩擦力。运动副中摩擦的类型：3.2 运动副中摩擦力的确定（1）摩擦力的确定 移动副中滑块在力F 的作用下右移时,所受的摩擦力为 Ff21=f FN21 式中
4、 f 为 摩擦系数。FN21 的大小与摩擦面的几何形状有关：1）平面接触:FN21=G，2）槽面接触:FN21=G/sin 3.2.1 移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定 G FN21 2 FN21 2 G FN21 1 2 G FN21 F v12 3）半圆柱面接触:FN21=k G，（k=1/2）摩擦力计算的通式:Ff21=f NN21=fvG 其中,fv 称为当量摩擦系数,其取值为:平面接触:fv=f；槽面接触:fv=f/sin；半圆柱面接触:fv=k f，（k=1/2）。说明 引入当量摩擦系数后,使不同接触形状的移动副中的 摩擦力计算的大小比较大为简化。因而也是工程中简化处理问
5、题的一种重要方法。G（2）总反力方向的确定 运动副中的法向反力与摩擦力的合力FR21称为运动副中的总反力，总反力与法向力之间的夹角，称为摩擦角，即 总反力方向的确定方法：1）FR21偏斜于法向反力一摩擦角；2）其偏斜的方向应与相对速度v12的方向相反。FR21 Ff21 FN21 F G v12 1 2 arctan f a)求使滑块沿斜面等速上行所需水平力F b)求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力F 作图 作图 若，则F F为阻力;根据平衡条件：F+R+Q=0 大小：？方向：1 2 Q R N F21 n n v F R F Q 得：F=Qtg(+)1 2 Q N F21 n n v F R
6、Q F R -+根据平衡条件：F+R+Q=0 若斜面摩擦 拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：假定载荷集中在中径d2 圆柱面内，展开斜面其升角为：d1 d3 d2 Q d2 l Q F tg 螺纹的拧松螺母在 F和Q的联合作用下，顺着 Q等速向下运动。v 螺纹的拧紧螺母在 F和Q的联合作用下，逆着 Q等速向上运动。v=l/d2=zp/d2 )(?QtgFF螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的 拧紧所需力矩M为：拧松时直接引用斜面摩擦的结论有：)(2222?QtgddFMF 螺纹拧松时必须施加在中径处的圆周力，所产生 的拧松所需力矩M为：)(?QtgF)(2222?QtgddFM若，则M为正
7、值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；若0 b)稳定运转阶段 输入功大于有害功之和 在一个循环内：WdWrWf=EE00,匀速稳定阶段 常数，任意时刻：a)启动阶段 速度0,动能0E 变速稳定阶段 在m上下周期波动,(t)=(t+Tp)WG=0,E=0 Wd=Wr+Wf WdWrWf=EE00，Wd=WrWf c)停车阶段 0 二、机械的效率 机械在稳定运转阶段恒有:比值Wr/Wd反映了驱动功的有效利用程度，称为机械效率 Wr/Wd 用功率表示：Nr/Nd 分析：总是小于 1，当Wf 增加时将导致 下降。m t 稳定运转 停止 启动 WdWrWfWG=EE00 Wd=Wr+Wf P vp vQ
8、 Q 机械 1Wf/Wd (WdWf)/Wd(NdNf)/Nd 1Nf/Nd 0 用力的比值表示：Nr/Nd 对理想机械，有理想驱动力P0 设计机械时，尽量减少摩擦损失，措施有：设计机械时，尽量减少摩擦损失，措施有：0Nr/Nd=Q vQ/P0vp 代入得:P0 vp/PvpP0/P b)考虑润滑 c)合理选材=Q vQ/P vp 1 a)用滚动代替滑动 用力矩表示：Md0/Md 同理：当驱动力P一定时，理想工作阻力Q0为：Q0vQ/Pvp1 得：Qvp/Q0 vpQ/Q0 用力矩来表示有：M Q/MQ0 结论：实际驱动力理想驱动力?理想工作阻力实际工作阻力实际驱动力矩理想驱动力矩理想工作阻力
9、矩实际工作阻力矩计算螺旋副的效率：拧紧：)(22vQtgdM?理想机械：M0d2 Q tg()/2 M0/M 拧松时，驱动力为Q，M为阻力矩，则有：实际驱动力：Q=2M/d2 tg(-v)理想驱动力：Q0=2M/d2 tg()Q0/Q 以上为计算方法，工程上更多地是用实验法测定 ，下表列出由实验所得简单传动机构和运动副的机械效率 tg()/tg(v)tg(-v)/tg()P vp vQ Q 机械 0 表表 简单传动机械和运动副的效率 名 称 传传 动动 形形 式式 效率值 备备 注注 圆柱齿轮传动 67级精度齿轮传动 0.980.99 良好跑合、稀油润滑 8级精度齿轮传动 0.97 稀油润滑
10、9级精度齿轮传动 0.96 稀油润滑 切制齿、开式齿轮传动 0.940.96 干油润滑 铸造齿、开式齿轮传动 0.90.93 圆锥齿轮传动 67级精度齿轮传动 0.970.98 良好跑合、稀油润滑 8级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.940.97 稀油润滑稀油润滑 切制齿、开式齿轮传动 0.920.95 干油润滑 铸造齿、开式齿轮传动铸造齿、开式齿轮传动 0.880.92 蜗杆传动 自锁蜗杆 0.400.45 单头蜗杆 0.700.75 双头蜗杆 0.750.82 润滑良好 三头、四头蜗杆 0.800.92 圆弧面蜗杆 0.850.95 续表 简单传动机械和运动副的效率 名 称 传 动 形 式
11、 效率值 备 注 带传动 平型带传动 0.900.98 滑动轴承 球轴承 0.99 稀油润滑 滚子轴承 0.98 稀油润滑 滑动螺旋 0.300.80 滚动螺旋 0.850.95 V型带传动 0.940.96 套筒滚子链 0.96 无声链 0.97 链传动 平摩擦轮传动 0.850.92 摩擦轮传动 润滑良好 槽摩擦轮传动 0.880.90 0.94 润滑不良 0.97 润滑正常 0.99 液体润滑 滚动轴承 螺旋传动 复杂机械的机械效率计算方法：1.)串联：2.)并联 总效率 不仅与各机器的效率i有关，而且与传递的功率Ni有关。设各机器中效率最高最低者分别为max和min 则有：dkNN?k
12、idNN1Nd Nk?kirNN1drNN?123121?kkdNNNNNNNNk?21kNNN?21kkkNNNNNN?212211?N1 N2 Nk-1 1 2 k 21kNNN?kkNNN?2211N1 N2 Nk N1 N2 Nk 1 2 k Nd Nr min max N1 N2 Nd2 N”d2 N”d3 Nd3 Nr N”r 1 2 3 3“4 4“3.)混联 先分别计算，合成后按串联或并联计算。Nd Nk N1 N2 Nd2 N”d2 N”d3 Nd3 Nr N”r 1 2 3 3“4 4“N1 N2 Nd2 N”d2 N”d3 Nd3 Nr N”r 1 2 3 3“4 4“N
13、d Nr N”r Nr 串联计算 Nd Nk 并联计算 串联计算 3.6.2 机械的自锁 无论P多大，滑块在P的作用下不可能运动 法向分力：Pn=Pcos 水平分力：Pt=Psin 正压力：N21=Pn 最大摩擦力：Fmax=f N21 当时,恒有：分析平面移动副在驱动力P作用的运动情况：PtFmax=Pn tg =Pntg 发生自锁。当驱动力的作用线落在摩擦角（锥）内时，则机械发生自锁。1 2 设计新机械时，应避免在运动方向出现自锁，而有些机械要利用自锁进行工作(如千斤顶等)。Pt N21 Pn P 自锁的工程意义：自锁的工程意义：F21 R21 O D A B 1 2 3 1 2 对仅受单
14、力P作用的回转运动副 最大摩擦力矩为：Mf=R 当力P的作用线穿过摩擦圆(a Q0 举例：(1)螺旋千斤顶,螺旋副反行程(拧松)的机械效率为：0 得自锁条件：tg(-v)0，(2)斜面压榨机 力多边形中，根据正弦定律得：提问：如P力反向，该机械发生自锁吗？P 1 3 2 R32 R13 Q R12 Q=R23 cos(-2)/cos Q R13 R23 P R12 R32 90+90-+2-90-(-)-2 90-tg(-v)/tg()v v32 R23 R13+R23+Q=0 大小：？方向：R32+R12+P=0 大小：？方向：P=R32 sin(-2)/cos 令P0得：P=Q tg(-2)tg(-2)0 2 由R32R23可得：v=8.7 f =0.15 根据不同的场合，应用不同的机械自锁判断条件：根据不同的场合，应用不同的机械自锁判断条件：驱动力在运动方向上的分力PtF摩擦力。令生产阻力Q0；令 0；驱动力落在摩擦锥或摩擦圆之内；驱动力落在摩擦锥或摩擦圆之内；
