1、机械原理实用教材目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容 l-2 学习本课程的目的学习本课程的目的 l-3 如何进行本课程的学习如何进行本课程的学习 第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的 2-2 机构的组成机构的组成 2-3 机构运动简图机构运动简图 2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 2-5 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 第三章第三章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析
2、 3-1 机构运动分析概述机构运动分析概述 3-2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用 3-3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析 4-1 机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定 第五章第五章 机械中的摩擦和机械效率机械中的摩擦和机械效率 5-1 研究机械中摩擦的目的和研究内容研究机械中摩擦的目的和研究内容 5-2 运动副中的摩擦运动副中的摩擦 5-3 机械的效率机械的效率 5-4 机械的自锁机械的自锁 第六章第
3、六章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计 6-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 6-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 6-3 有关平面四杆机构的一些基本知识有关平面四杆机构的一些基本知识 6 6-4 4 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 第七章第七章 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计 7-1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 7-2 推杆的运动规律推杆的运动规律 7-3 凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计 7-4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定 第八章第八章 齿轮机构及其设计齿轮机构及其设计 8-1 齿轮机构的应用及分类齿轮机构
4、的应用及分类 8-2 齿轮的齿廓曲线齿轮的齿廓曲线 8-3 渐开线的形成及其特性渐开线的形成及其特性 8-4 渐开线齿廓的啮合特性渐开线齿廓的啮合特性 8-5 渐开线标准齿轮各部分的名称和尺寸渐开线标准齿轮各部分的名称和尺寸 8-6 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 8-7 渐开线齿廓的切制渐开线齿廓的切制 8-8 变位齿轮概述变位齿轮概述 8-9 变位齿轮传动变位齿轮传动 8-10 斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动 8-11 蜗杆传动蜗杆传动 8-12 圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动 第九章第九章 轮系及其设计轮系及其设计 9-1 轮系及其分类轮系及其分类 9-2 定轴轮系
5、的传动比定轴轮系的传动比 9-3 周转轮系的传动比周转轮系的传动比 第十章第十章 机械的运转及其速度波动的调节机械的运转及其速度波动的调节 10-1 概述概述 10-2 机械的运动方程式机械的运动方程式 10-3 稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其 调调节节 10-4 机械的非周期性速度波动及其调节机械的非周期性速度波动及其调节 第十一章第十一章 机械的平衡机械的平衡 11-1 机械平衡的目的及内容机械平衡的目的及内容 11-2 刚性转子的平衡计算刚性转子的平衡计算 第一章第一章 绪绪 论论 “机械原理”(Mechanical Principle)研究
6、的对象是机械，研究的内容是有关机械(mechanism)的基本理论问题。机械机械是机器(machine)和机构(mechanism)的总称。右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成：活塞(piston)、连杆(connecting rod)、曲轴和机架(frame)组成连杆机构；大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；凸轮(cam)、推杆和机架组成凸轮机构。1-1本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容 除了机器外，实际中存在如图1-2所示的开窗机构和如图1-3所示的千斤顶，它们借助于人力驱动实现所需的运动或传递力。这些装置我们称之为机构。图1-2 开窗机构图1-3 千斤顶 机器
7、的特征机器的特征：1.它们是由零件人为装配组合而成的实物体；2.各实物体之间具有确定的相对运动；3.能完成有用的机械功或转化机械能。机构的特征：机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。本课程研究的内容：本课程研究的内容：1.机构结构分析的基本知识 2.机构的运动分析 3.机器动力学 4.常用机构的分析与设计 5.机构的选型及机械传动系统的设计 本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径。l-2 学习本课程的目的学习本课程的目的 本课程所学的
8、内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为专业课程打下基础。l-3 如何进行本课程的学习如何进行本课程的学习 在学习本课程的过程中，要着重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。在本课程的学习过程中，要注意培养自己运用所学的基本理论和方法去分析和解决工程实际问题的能力。为此要十分注意各种理论和方法的适用范围和条件，以求能逐步作到正确而灵活的应用。第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的 研究内容：研究内容：(1)研究机构的组成及其具
9、有确定运动的条件；(2)根据结构特点进行机构的结构分类；(3)研究机构的组成原理。研究目的：研究目的：在机构设计中，需要知道机构是怎样组合起来的，而且在什么条件下才能实现确定的运动；对机构组成原理的研究还可以为新机构的创造提供途径；通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三地研究机构的运动分析和动力分析提供方便。2-2 机构的组成机构的组成 1.构件构件 构件(link)机器中每一个独立的运动单元体。2.运动副运动副 由两个构件组成的可动的联接称为运动副运动副(kinematics pair)。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素运动副元素。例如轴与轴衬的配合(图2-1)，
10、滑块与导轨的接触(图2-2)。图图2-1 回转副回转副 图图2-1 移动副移动副 两齿轮轮齿的啮合(图2-3,a)，球面与平面的接触(图2-3,b)，圆柱与平面的接触(图2-3,c)。图图2-3,b图图2-3,c图图2-3,a 齿轮副齿轮副 任意两个构件1与2，当它们尚未构起运动副之前，构件1相对于构件2共有6个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1(如图2-3，b所示的运动副)，而最多为5(如图2-1和2-2所示的运动副)运动副的分类运动副
11、的分类：(1)按引入约束的数目分：I级副、级副、级副、级副、级副。(2)按两构件的接触情况进行分：点或线接触而构成的运动副统称为高副；面接触(surface contact)而构成的运动副则称为低副(lower pair)。(3)按两构件之间的相对运动的不同分：转动副或回转副(revolute pair)、移动副(sliding pair)、螺旋副、球面副、平面运动(plane motion)副、空间运动副。图图2-5 螺旋副螺旋副图图2-6 球面副球面副 3.运动链运动链 把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统称为运运动链动链(kinematics chin)。如运动链的各构
12、件构成了首末封闭的系统，则称其为闭式运动链或简称闭链(图2-7，a和b)；如运动链的构件未构成首末封闭的系统，则称其为开式运动链，或简称开链(图2-7，c和d)。3)分度圆压力角对机构组成原理的研究还可以为新机构的创造提供途径；3)按矢量作图法作图。因此，为求得轮系的传动比i15，可将上列各式的两端分别连乘起来，于是可得：1)齿顶圆(addendum circle)：以齿轮的轴心为圆心，过齿轮各轮齿顶端所作的圆。研究目的：由图可见，因bce与BCE相似，且其角标字母符号的顺序也是一致的。铰链四杆机构中两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构(double-rocker mechanism)。如上分析
13、可知，当两轮作无侧隙啮合时，其中心距a 等于图(b)摩擦力F21的大小为：1)尖顶推杆。蜗杆(worm)传动用来传递空间交错轴之间的运动和动力。实际上参加接触的这一段齿廓称为齿廓的实际工作段，如图中影线部分所示。2-1 机构结构分析的内容及目的如图7-17所示，当用作图法将凸轮廓线作出后，即可确定出推杆平底中心至推杆平底与凸轮廓线的接触点间的最大距离lmax，而推杆平底长度l应取为机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。机械速度波动的程度不能仅用速度变化的幅度maxmin来表示，平均角速度m也是一个重要指标。3-2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用图6-l，b所示的铰链四杆机构(所有
14、运动副都是回转副的四杆机构)是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。切制加工过程：铣刀转动，同时毛坯沿 4.机构机构 在运动链中，如果将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链便成为机构。机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件；而其余活动构件则称为从动件。从动件的运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构。2-3 机构运动简图机构运动简图 用简单的线条和规定的符号表示组成机构的构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置的简单图形称为机构运动简图机构运动简图(kinematic sketch of mechanism)。绘制步骤如下：(
15、1)分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。(2)合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。(3)选择适当的比例尺(scale)。(4)用简单的线条和规定的符号绘图。(5)检验。61AOF2345BDEC颚式碎石机ab图2-82-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，称为机构的自由度。机构具有确定运动的条件：机构的自由度必须大于或等于l，且机构原动件的数目应等于机构的自由度的数目。如图2-10，只有在给构件4确定运动规律后，此时系统才成为机构。图2-9图2-102-5 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算
16、平面机构自由度计算公式2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 1.复合铰链：两个以上的构件同在一处以转动副相联接，如图2-11所示。若有m个构件以复合铰链(joint)相联接时，其构成的转动副数应等于(m-1)个。图2-11 2.局部自由度 在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。我们把这种局部运动的自由度称为局部自由度，如图所示。在计算机构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。对于图示凸轮机构自由度为 F=33-(23+1)-1=1 凸轮机构三维实体图图2-12 3.虚约束 在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运
17、动实际上不起约束作用，我们把这类约束称为虚约束。在计算机构的自由度时应将这类虚约束除去。机构中的虚约束常发生在下列情况：1)在机构中如果两构件用转动副联接其联接点的运动轨迹重合，则该联接将带入1个虚约束。如图214所示的机构简图。F=3*n2PlPh=3*42*6=0 错 F=3*n2PlPh=3*32*4=1 对图2-13 2)如果两构件在多处接触而构成移动副，且移动方向彼此平行(如图2-14所示)，则只能算一个移动副。如果两构件在多处相配合而构成转动副，且转动轴线重合(如2-15所示)，则只能算一个转动副。如果两构件在多处相接触而构成平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合(如图2-16所示
18、)，则只能算一个平面高副。图2-14图2-15图2-16 3)在机构运动的过程中，若两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则如用双转动副杆将此两点相联，也将带入1个虚约束，图2-17所示。4)在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束亦为虚约束，如图2-18所示。F=3*n2PlPh=3*42*6=0 错 F=3*n2PlPh=3*52*56=-1 错F=3*n2PlPh=3*32*4=1 对 F=3*n2PlPh=3*32*32=2 对 图2-17图2-18第三章第三章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析3-1 机构运动分析概述机构运动分析概述 机构的运动分析：根据原动件的已知
19、运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移(displacement)、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。3-2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用 一、速度瞬心 瞬心为互相作平面相对运动的两构件上，瞬时相对速度为零的点；或者说，瞬时速度相等的重合点(即等速重合点)。若该点的绝对速度为零则为绝对瞬心；若不等于零则为相对瞬心。如图3-1所示。图3-1 二、机构中瞬心的数目 因为每两个构件就有一个瞬心，所以由N个构件(含机架)组成的机构，其总的瞬心数K由排列组合的知识可得：三、机构中瞬心位置的
20、确定 如上所述，机构中每两个构件之间就有一个瞬心，如果两个构件是通过运动副直接联接在一起的，那末其瞬心的位置，根据瞬心的定义可以很容易地加以确定。而一般情况下，两构件的瞬心则需藉助于所谓“三心定理”来确定。现分别介绍如下。1.通过运动副直接相联的两构件的瞬心 1)以转动副相联接的两构件，如图3-2,a所示，转动副的中心即为其瞬心P12。2)以移动副相联接的两构件，如图3-2,b所示，因两构件间任一重合点的相对运动速度方向均平行于导路，故其瞬心P12必位于移动副导路的垂直方向上的无穷远处。上式表明并联机组的总效率不仅与各机器的效率有关，而且也与各机器所传递的功率大小有关。又因pbmcos，将其代
21、入式(a)式后，可得两齿轮的正确啮合条件为：1)如前所述，两轮的节圆总是相切的，即两轮的中心距总是等于两轮节圆半径之和。在图6-12,a所示的曲柄滑块机构中，当曲柄AB的尺寸较小时，由于结构的需要，常将曲柄改作成如图b所示的一个几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称为偏心轮，这种机构则称为偏心轮机构。但为了保证啮合过程齿廓间的润滑，以及考虑到轮齿受力变形和因摩擦发热而膨胀所引起的挤轧现象，需要留有一定的齿侧间隙，这种齿侧间隙一般都很小，通常是由制造公差来保证。研究的主要内容有：按其端面齿形可分为以下三种。3)由于蜗杆蜗轮啮合轮齿间相对滑动速度大，使得摩擦损耗较大，用切制法加工齿轮齿廓的工艺
22、也是多种多样的，但就其原理来说可概括为仿形法和范成法两种，现而由PN1O1知2)按同一比例尺作出凸轮的基圆，表明转向和从动件的起始位置；(2)根据结构特点进行机构的结构分类；选比例尺，作出两连架杆及机架的已知位置，根据结构条件适当选取AB的长度，并选定新“机架”；标准齿轮传动 x1十x20，且x1=x2=0为此，先求出此轮系中各对啮合齿轮的传动比的大小：a a，y0，0二、平面四杆机构的演化型式则摩擦力矩Mr为：而为了调节机械的周期性速度波动，设在机械上安装的飞轮的等效转动惯量为JF，则由式(10-29)可得(2)并联 如图5-9所示为几种机器并联组成的 3)以平面高副相联接的两构件，如图3-
23、2，c、d所示。如果高副两元素之间为纯滚动则其两元素的接触点M即为瞬心P12；如果高副两元素之间既作相对滚动，又有相对滑动，则瞬心P12必位于高副两元素在接触点处的公法线nn上，具体位置尚需根据其他条件来确定。图3-2 2.用三心定理确定两构件的瞬心 三心定理(Kennedys throrem)：三个彼此作平面平行运动的构件的瞬心必位于同一直线上。如图3-3所示。图3-3 四、速度瞬心(instantaneous center of velocity)在机构速度分析中的应用 1)求构件的角速度 在图3-4所示的平面四杆机构中，设各构件的尺寸已知，原动件2以角速度2沿顺时针方向回转。因为已知瞬心
24、P24为构件2及构件4的等速重合点，故得：图3-4 2)求构件上某点的速度 如图3-5所示的凸轮机构。设各构件的尺寸已知，原动件2的角速度为2。利用瞬心来确定从动件3的移动速度，同样十分简便。如图所示，得从动件的移动速度的大小为：3-3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析 矢量方程图解法所依据的基本原理是理论力学中学过的运动合成的原理。在对机构进行速度和加速度分析时，首先要根据运动合成原理列出机构运动的矢量方程，然后再根据该方程进行作图求解。图3-5 一、同一构件上两点间的速度、加速度的关系 1.速度分析 图3-6 在如图3-6，a所示的曲柄滑块机
25、构中，连秆BC为一作平面运动的构件。由运动合成原理可知，此构件上任一点(如点c)的运动可认为是由其随同该构件上另一任意点(如点B)的平动(牵连运动)与绕该点(点B)的转动(相对运动)所合成。因此，点c的速度为：现设点B的速度为已知，求点c的速度。步骤：1)对机构进行运动分析，列出矢量方程式；2)取速度比例尺，定极点；3)按矢量作图法作图。(从已知到未知)其大小分别为：现如求连杆上点E的速度则利用B、E两点和C、E两点间的速度关系可分别列出矢量方程并将它们联立起来，可得矢量方程：用图解法求解，得：VE=lpe 图b所示的由各速度矢量构成的图形称为速度多边形速度多边形。p点称为速度多边形的极点极点
26、。其特点特点如下：1)由极点P向外放射的矢量，代表构件上相应点的绝对速度；2)相对速度是联接两绝对速度矢端的矢量，下标字母相反；3)极点的速度为零；4)速度影象原理。由图可见，因bce与BCE的对应边相互垂直，故知两者相似，且其角标字母符号的顺序也是一致的，只是前者的位置是后者沿的方向转过了900而已。所以，我们把图形bce称为构件图形BCE的速度影像。2.加速度分析 同理点c的加速度为：为求E点的加速度与进行速度分析相似，需利用点E与B、C两点的加速度关系联立求解，即得：图C所示的由各加速度矢量构成的图形称为加速度多边形加速度多边形。p点称为加速度多边形的极点极点。其特点如下：1)由极点P向
27、外放射的矢量，代表构件上相应点的绝对加速度；2)相对加速度是联接两绝对加速度矢端的矢量，下标字母相反；3)极点的加速度为零；4)加速度影象原理。由图可见，因bce与BCE相似，且其角标字母符号的顺序也是一致的。所以，我们把图形bce称为构件图形BCE的加速度影像。3.两构件重合点间的速度、加速度的关系 如图3-7所示的平面四杆机构中，构件1与构件2组成移动副，点c为此两构件上的一个重合点。由运动合成原理可知，构件2上的点c2的运动可以认为是由构件1上与其相重合的点c1的运动(牵连运动)和点c2相对于点c1的相对运动所合成。图3-7 哥氏加速度大小为：(3-7)方向：将相对速度VC1C2沿角速度
28、1的转向转过900所得的方向一致。(3-5)(3-6)第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析4-1机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法 一、作用在机械上的力 作用在机械上的力，包括由外部施于机械的原动力、生产阻力、重力和运动构件受到的空气和油液等的介质阻力；构件在变速运动时产生的惯性力；以及由于上述诸力在运动副中所引起的反力。根据各力对机械运动的影响的不同，可将它们概分为两大类：(1)驱动力 凡是驱使机械产生运动的力统称为驱动力。所作的功为正功，称为驱动功，或输入功。(2)阻抗力 凡是阻止机械产生运动的力统称为阻抗力。所作的功为负功，称为阻抗功。阻抗力又可分为有效阻力和有害阻力
29、两种：1)有效阻力，即工作阻力。它是机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或状态等所受到的阻力，克服了这些阻力就完成了有效的工作。克服有效阻力所完成的功称为有效功或输出功。设平衡质量m b的矢径为rb，则得将1、2K连乘起来，得本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。凸轮机构：由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。再将各离心惯性力按上述的方法分别分解到平衡基面I及内，即将P1、P2、P3分解为P1、P2、P3(平衡基面I内)和P1、P2、P3(平衡基面内)。二、作平面移动的构件3)如果其振幅较大，或其频率接近于机械的共振频率，则将引起命，而且还会使
30、附近的工作机械及厂房建筑受到影响甚至破坏。从上面的分析可得出如下的结论：图6-l，b所示的铰链四杆机构(所有运动副都是回转副的四杆机构)是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。3-2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用用图解法求解，得：故ad sin(2)。5-2 运动副中的摩擦同样，两者可用一个不通过其质心的总惯性力来代替。等分位移线图的横坐标和基圆，根据反转法原理，沿-作射线OC1、OC2；如图8-26所示，当被切齿轮的齿数ZZmin时，为了防止限切，刀具的齿顶线应移至点N1或点N1以下，即如图所示，应使当机械自锁时其机械效率将恒小于或等于零，即
31、正传动的齿数条件，由于x1十x2o，所以两轮齿数之和可以小于2 Zmin。2按两齿轮啮合传动时其相对运动分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。分析：2)有害阻力，即机械在运转过程中所受到的非生产阻力。机械为了克服这类阻力所做的功是一种纯粹的浪费。克服有害阻力所作的功称为损失功。二、机构力分析的目的和方法 由于作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。机构力分析的任务，主要有以下两部分内容：1.确定运动副中的反力。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(或平衡力偶)。4-2构件惯性力的确定构件惯性力的确定 一、
32、一、作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件 由理论力学可知，对于作平面复合运动而且具有平行于运动平面的对称面的构件(例如图41所示铰链四杆机构中的连杆BC)，其惯性力系可简化为一个加在质心上的惯性力和一个惯性力偶矩。它们分别为：为了分析的方便，上述惯性力和惯性力偶矩又可以用一大小等于P1，作用线由质心S偏移一距离Lh的总惯性力来代替(图6)，此时距离的值Lh为：二、二、作平面移动的构件作平面移动的构件 对于作平面移动的构件，由于没有角加速度，故不会产生惯性力偶。只是当构件为变速移动时，持有一个加在其质心S上的惯性力P P1 1-ms s。三、三、绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件 对于绕定轴转
33、动的构件，其惯性力和惯性力偶矩的确定又有两种情况。(1)绕通过质心的定轴转动的构件(如齿轮、飞轮等构件)因其质心的加速度为零，故惯性力为零。只是当构件为变速转动时，将产生一惯性力偶矩M1-Jss s。(2)绕不通过质心的定抽转动的构件(如曲柄、凸轮等构件)如果构件是变速转动(如图4-2所示)，则将产生惯性力P P1 1-ms s 及惯性力偶矩M1-Jss s 。同样，两者可用一个不通过其质心的总惯性力来代替。第五章第五章 机械中的摩擦和机械效率机械中的摩擦和机械效率5-1研究机械中摩擦的目的和研究内容研究机械中摩擦的目的和研究内容 我们知道运动副中的摩擦力是一种主要的有害阻力，它会使机械的效率
34、降低，使运动副元素受到磨损，因而降低零件的强度、机械的精度和工作寿命；使零件发热膨胀，将导致机械运转不灵活，甚至卡死，并使机械润滑情况恶化。而另一方面在某些情况下机械中的摩擦又是有用的，在不少机械中，就正是利用摩擦来工作的。研究的主要内容有：1)几种最常见的运动副中的摩擦的分析；2)考虑摩擦时机构的受力分析；3)机械效率的计算；4)由于摩擦的存在而可能发生的所谓机械的“自锁”现象，以及自锁现象发生的条件等。5-2运动副中的摩擦运动副中的摩擦 一、一、移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定 图(a)摩擦力F21的大小为：图(b)摩擦力F21的大小为：若令f/sinQ，则上式可写为：图5-1 图
35、(c)摩擦力F21的大小为：式中fv称为当量摩擦系数当量摩擦系数。二、二、移动副中总反力的确定移动副中总反力的确定 在进行机械的受力分析时，由于N21及F21都是构件2作用于构件1上的反力，故可将它们合成为一个总反力，以R21表示(如图5-2所示)。设总反力R21和法向反力N21之间的夹角为，则：角称为摩擦角摩擦角。总反力总反力R21的作用线方向的确定的作用线方向的确定：R21与构件1相对于构件2的相对运动速度V12的方向成钝角(90 +)。图5-2 例如：图5-3,a中，设滑块1置于升角为的斜面2上，Q为作用在滑块1上的铅垂载荷。求：(1)滑块1沿斜面等速上行(通常称此行程为正行程)时所需的
36、水平驱动力P。根据力的平衡条件可知：作出力的三角形，如图b所示。由图可得：(2)滑块1是沿斜面2等速下滑(通常称此行程为反行程)时所需的水平驱动力P。如图5-4,a所式。根据力的平衡条件可知：作出力的三角形，如图b所示。由图可得：三、螺旋副中的摩擦三、螺旋副中的摩擦矩形螺纹螺旋副中肋摩擦矩形螺纹螺旋副中肋摩擦 图5-5，a为一矩形螺纹螺旋副(screw pair)，通常在研究螺旋副的摩擦时，都假定螺母与螺杆间的作用力系集中作用在其中径的圆柱面上。因螺杆的螺纹可以设想为由一斜面卷绕在圆柱体上形成的。因此，如将螺杆沿中径d2的圆柱面展开，则其螺纹将展成一个斜面，该斜面的升角即为螺杆在其中径d2上的
37、螺纹的导程角，于是得：假定螺母与螺杆间的作用力系集中作用在一小段螺纹上，这样就把对螺旋副中摩擦的研究，简化为对滑块与斜平面的摩擦来研究了。四、转动副中的摩擦四、转动副中的摩擦 1.轴颈摩擦轴颈摩擦 如图5-6所示，设受有径向载荷Q作用的轴颈1，在驱动力偶矩Md的作用下，在轴承2中等速转动。设法向反力的总和为N21，则如前所述，轴承2对轴颈1的摩擦力F21f*N21fv*Q。则摩擦力矩Mr为：图 5-6(5-6)则该机构在dt瞬间的动能增量为作图步骤如下：图3-6二、机构力分析的目的和方法圆锥齿轮的轮齿是分布在一个圆锥面上，相应于圆柱齿轮中的各有关“圆柱”，在这里都变为“圆锥”。因此，为了完全地
38、或部分地消除惯性力的不良影响，就必须设法将构件的不平衡惯性力加以消除或减小，这就是机械平衡(mechanic balance)的目的。在实际工作中，为了研究渐开线齿轮传动、描绘渐开线齿廓曲线和计算渐开线齿轮轮齿的厚度等几何尺寸，常常需要用到渐开线的方程式。1)定传动比(即i12常数)传动的齿轮机构(圆形齿轮机构)。右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成：等效构件也可选用移动构件。如上分析可知，当两轮作无侧隙啮合时，其中心距a 等于当滚圆沿纵轴作匀速滚动时，圆周上一点将描绘出一条摆线，点沿摆线运动时，在其纵轴上的投影即为摆线运动规律。两齿轮轮齿的啮合(图2-3,a)，球面与平面的接触(图2
39、-3,b)，圆柱与平面的接触(图2-3,c)。在如图3-6，a所示的曲柄滑块机构中，连秆BC为一作平面运动的构件。(1)正传动 x1十x2o，故根据式(8-35、36、39)可知：(3)通过增大导轨长度b，减少悬臀尺寸l，可以使临界压力角的数值得以提高，以减少自锁的性能。由于作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。滚刀的形状如一开有刀口的螺旋。1.2)变传动比(即i12按一定的规律变化)传动的齿轮机构(非圆形齿轮机构)。根据平衡条件可知：R21=-Q；Md=-R21*r=-Mf 即总反力R21对轴颈中心O的力矩即为摩擦阻力矩M
40、f，而由式(56)知：对于一个具体的轴颈，由于fv及r均为定值，所以是一固定长度。以轴颈中心O为圆心，以为半径作圆，则称其为摩擦圆，称为摩擦圆半径。转动副总反力的方位可根据如下三点来确定：1)在不考虑摩擦的情况下，根据力的平衡条件，初步确定总反力的方向；2)总反力应与摩擦圆相切；3)总反力R 21对轴颈中心之矩的方向必与相对角速度12的方向相反。(5-7)5-3 机械的效率机械的效率 当机器正常运转时，输入功将等于输出功和损失功之和。即：Wd=Wr+Wf 机械效率为：效率也可用功率表示，即：机械效率也可以用力的比值的形式来表达。图5-7所示一机械传动装置的示意图。设P为驱动力，Q为生产阻力，V
41、P、VQ分别为P和Q的作用点沿该力作用线方向的分速度，于是根据式(5-9，a)可得：PVPQVQ图 5-7 设想在该机械中不存在摩擦，为了克服同样的生产阻力Q，其所需的驱动力P0(称为理想驱动力)。显然：P P0，且此时，其效率应等于。(5-8)(5-9)故得：将其代入式(a)，得：同理，机械效率也可以用力矩之比的形式来表达，即 综合式(c)与(d)可得：对于由许多机器组成的机组而言，只要知道了各台机器的机械效率，则该机组的总效率也可以由计算求得。(1)串联串联 如图5-8所示为几种机器串联组成的机组。该机组的机械效率为：。而功率在传递的过程中，前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率。图 5
42、-8(5-10)abc 设各机器的效率分别为1、2K则得：将1、2K连乘起来，得 此即表明，串联机组的总效率等于组成该机组的各个机器的效率的连乘积。由此可见，只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机组的效率极低。(2)并联并联 如图5-9所示为几种机器并联组成的机组。总输入功率为 总输出功率为 图 5-9(5-11)所以总效率为 上式表明并联机组的总效率不仅与各机器的效率有关，而且也与各机器所传递的功率大小有关。要提高并联机组的效率，应着重提高传递功率大的传动路线的效率。(3)混联混联 如图5-10所示为兼有串联和并联的混联机组。为了计算其总效率，可先将输入功至输出功的路线弄清，然后分别
43、计算出总的输入功率和总的输出功率，最后可按下式计算其总机械效率。图 5-10(5-12)5-4 机械的自锁机械的自锁 有些机械，由于其结构的形式以及摩擦影响，导致当沿某一方向施加无论多大的驱动力(矩)时，都无法使它运动的现象，这种现象就叫作机械的自锁自锁。一移动副的自锁条件一移动副的自锁条件 由图5-11可知，Pt=P*sin (有效分力)Pn=P*cos (有害分力)最大摩擦力为：当时，由上述可知 此式说明，在的情况下，不管驱动力P如何增大，驱动力的有效分力总是小于驱动力本身所可能引起的最大摩擦力，因而滑块1总不会发生运动，即发生了所谓的自锁现象。平面移动副自锁条件平面移动副自锁条件：作用于
44、滑块上的合外力作用线落在移动副摩擦角以内，即 。图 5-11 二、转动副自锁条件二、转动副自锁条件 如图5-12所示，轴颈和轴承组成转动副。设作用在轴颈上的外裁荷为一单力P，则当力P的作用线在摩擦圆之内时(即a)，因它对轴颈中心的力矩MPa，始终小于它本身所能引起的最大摩擦力矩MfRP。所以力P任意增大力臂a保持不变)，也不能驱使轴颈转动，亦即出现了自锁现象。转动副自锁条件：转动副自锁条件：作用于轴颈且垂直于轴线的合外力的作用线切割于摩擦圆，即a。三、利用效率判断机构自锁的条件三、利用效率判断机构自锁的条件 当机械自锁时其机械效率将恒小于或等于零，即 设计机械时，可以利用上式来判断其是否自锁及
45、出现自锁的条件。当然，因机械自锁时已根本不能作功，故此时，已没有一般效率的意义，它只表明机械自锁的程度。当o时，机械处于临界自锁状态；若o，则其绝对值越大，表明自锁越可靠。图 5-12(5-13)第六章第六章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计6-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 连杆机构(linkages)是一种应用十分广泛的机构，图6-1中所示机构的共同特点是其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3，这个不直接与机架相联的中间构件称为连杆，而把具有连杆的这些机构统称为连杆机构。图6-1bac 优点优点：1)其运动副为低副面接触，压强较小，可
46、以承受较大的载荷。便于润滑，不易产生大的磨损，几何形状较简单，便于加工制造。2)从动件能实现各种预期的运动规律。3)连杆上各不同点的轨迹是各种不同形状的，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。缺点缺点：1)有较长的运动链，使连杆机构产生较大的积累误差，降低机械效率。2)连杆及滑块的质心都在作变速运动，它们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，增加机构的动载荷。所以连杆机构一般不宜用于高速传动。连杆机构在实际中用处较多，如图6-2,a中的机械手驱动机构，图6-2,b 中的溜冰鞋刹车机构和图6-2,c中的夹子驱动机构。图6-2，a图6-2，b图6-2，c同
47、理，如果机构系由n个活动构件组成，则动能的一般表达式为选取比例尺l，并将已知条件图形化，如：任取一点D并以此点为顶点作等腰三角形C1DC2(如图6-26)，使两腰之长等于lCD，C1DC2。，当c时，max。轮系的传动比，是指在所研究的轮系中，其首、末两构件的角速度之比，即包括大小和转向关系两个方面。其运动线图如图7-5所示，由图可见，在A、B、C三点推杆的加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，因而引起的冲击是有限的，称这种冲击为柔性冲击。根据轮系运转时，其各个齿轮的轴线相对于机架的位置是否都是固定的，而将轮系(gear train)分为三大类。设将图6-10,d所示
48、曲柄滑块机构中的连杆2的长度增至无穷长则圆弧导轨将成为直线，于是该机构将演化成为图6-11,b所示的所谓正弦机构。在此情况下只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，即只能以蜗杆为原动件。因此应力求避免严重根切现象的产生。等变位齿轮传动(又称高度变位齿轮传动)x1十x2=0，且x1-x2=0。机器的特征：把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统称为运动链(kinematics chin)。转动副自锁条件：作用于轴颈且垂直于轴线的合外力的作用线切割于摩擦圆，即a。大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；根据轮齿啮合过程可知，刀具的刀刃将从点B1开始切制被切齿轮的渐开线齿廓至点
49、B2结束。图8-14所示为一对标准齿轮外啮合传动时应满足以下两点要求：(4)用简单的线条和规定的符号绘图。转动副总反力的方位可根据如下三点来确定：于是，周转轮系便转化成了定轴轮系。此即表明，串联机组的总效率等于组成该机组的各个机器的效率的连乘积。6-2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 一、平面四杆机构的基本型式一、平面四杆机构的基本型式 图6-l，b所示的铰链四杆机构(所有运动副都是回转副的四杆机构)是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。AD为机架，AB、CD为连架杆，BC为连杆。在连架杆中，能作整周回转的称为曲柄曲柄，只能在一定范围
50、内摆动的则称为摇杆摇杆。1.曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两个这架秆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构(carnk-rocker meghanism)；当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变成摇杆的往复摆动。该机构在实际中多有应用，如图6-3和6-4。2.双曲柄机构双曲柄机构 在铰链四杆机构中，若两个这架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构(double-crank mechanism)。在双曲柄机构中，若其相对两杆平行且相等，则成为平行四边形机构。3.双摇杆机构双摇杆机构 铰链四杆机构中两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构(double-rocke
