第10章機械系統(tǒng)動力學設計_第1頁
第10章機械系統(tǒng)動力學設計_第2頁
第10章機械系統(tǒng)動力學設計_第3頁
第10章機械系統(tǒng)動力學設計_第4頁
第10章機械系統(tǒng)動力學設計_第5頁
已閱讀5頁,還剩41頁未讀 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權,請進行舉報或認領

文檔簡介

1、1第第10章機械系統(tǒng)動力學設計章機械系統(tǒng)動力學設計 主要內(nèi)容主要內(nèi)容機械的運轉過程機械的運轉過程機械的等效動力學模型機械的等效動力學模型機械運動方程式的建立及求解機械運動方程式的建立及求解機械的平衡機械的平衡機械運轉速度波動及調(diào)節(jié)機械運轉速度波動及調(diào)節(jié) 基本要求基本要求理解機械運轉的整體過程,掌握各個階段的特點理解機械運轉的整體過程,掌握各個階段的特點理解并掌握建立機械等效動力學模型的意義和方法理解并掌握建立機械等效動力學模型的意義和方法 能夠建立機械運動方程式,并進行求解能夠建立機械運動方程式,并進行求解了解機械平衡的原理和方法了解機械平衡的原理和方法理解機械運轉速度的波動,掌握周期性速度波

2、動的調(diào)節(jié)方法理解機械運轉速度的波動,掌握周期性速度波動的調(diào)節(jié)方法210.1 10.1 機械的運轉過程機械的運轉過程10.1.1 啟動階段啟動階段 啟動穩(wěn)定運轉停車tom : 0 m Wd Wr Ek = Wd - Wr10.1.2 穩(wěn)定運轉階段穩(wěn)定運轉階段每一瞬時: 常數(shù) 每一周期: = m Wd = Wr10.1.3 停車階段停車階段Wd = 0 Wr = Ek : m 0310.2 10.2 機械的等效動力學模型機械的等效動力學模型10.2.1 機械運動方程的一般表達式機械運動方程的一般表達式 研究機械系統(tǒng)的真實運動規(guī)律研究機械系統(tǒng)的真實運動規(guī)律 建立外力與運建立外力與運動參數(shù)之間的函數(shù)表

3、達式動參數(shù)之間的函數(shù)表達式 機械的運動方程式機械的運動方程式動能定理:動能定理: 某一瞬時機械系統(tǒng)動動能的增量能的增量應等于該瞬時外力所作的元功之和元功之和,即: dE = dW1S34tMvFJvmniiiiiiniisisiid)cos()2121(d1122)21212121d(d233222222211vmvmJJEtvFMWd)(d3311外力做功:外力做功:tvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211動能增量動能增量:機構運動方程式為:機構運動方程式為:推廣:推廣:510.2.2 等效動力學模型的建立等效動力學模型的建立 機械運動方程式復雜,求解

4、繁瑣。復雜的單自由度機械系統(tǒng)簡化成一個等效構件 建立等效力學模型。將所有外力(外力矩)、質(zhì)量、轉動慣量向等效構件轉化。等效構件作為等效動力學模型的條件:(動力學效果不變)(1)等效構件的質(zhì)量或轉動慣量所具有的動能等于整個系統(tǒng)的總動能(2)等效構件上的等效力、等效力矩所做的功(或所產(chǎn)生的功率)等于整個系統(tǒng)所有力、力矩所做的功(或所產(chǎn)生的功率)之和。6 定軸轉動、直定軸轉動、直線移動構件線移動構件 等效等效構件(便于計算)構件(便于計算)等效力矩等效力矩 Me等效轉動慣量等效轉動慣量 Je等效力等效力 Fe等效質(zhì)量等效質(zhì)量 me7等效力和等效質(zhì)量等效力和等效質(zhì)量1S3等效力等效力 Fe等效質(zhì)量等效

5、質(zhì)量 metvFvmeed)()21d(2tvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211tvFvMvmvvmvJvJd)(21d33311233232223222311等效質(zhì)量 me等效力 FeniisisiievJvvmm122niiiisiievMvvFF1cos81S3tvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211等效力矩等效力矩 Me等效轉動慣量等效轉動慣量 JetMJeed)()21d(2tvFMvmvmJJd)(21d11331212133212221221niisisiieJvmJ122niiiisiieMvFM

6、1cos等效力矩和等效轉動慣量等效力矩和等效轉動慣量9小結小結(1) 對于一個復雜的單自由度機械系統(tǒng)單自由度機械系統(tǒng),可以等效成為一個簡單的定軸轉動或移動的模型定軸轉動或移動的模型進行研究。(瞬時)(瞬時)(2)不知道機構真實運動的情況下,可以求出等效量(Fe、Me、me、Je)(3)等效量(Fe、Me、me、Je)均為為機構位置的函數(shù)位置的函數(shù)。(4)等效量(Fe、Me、me、Je)均為假想的量假想的量,不是機構真實的合力、合力矩、總質(zhì)量和總轉動慣量。1010.3 10.3 機械運動方程式的建立及求解機械運動方程式的建立及求解10.3.1 機械運動方程式的建立機械運動方程式的建立 研究機械系

7、統(tǒng)運動規(guī)律的問題可以簡化為研究等效構件的運動規(guī)律問題研究機械系統(tǒng)運動規(guī)律的問題可以簡化為研究等效構件的運動規(guī)律問題tvFvmeed)()21d(2tMJeed)()21d(2deMsFed動能形式sFvmvmsseeed212102002d212102002eeeMJJeeFsvmd)21d(2eeMJd)21d(2eeeFsmvsvvmdd2dd2eeeMJJdd2dd2eeeFsmvtvmdd2dd2eeeMJtJdd2dd2力、力矩形式力、力矩形式1110.3.2 機械運動方程式的求解機械運動方程式的求解 1. 等效轉動慣量和等效力矩是常數(shù)等效轉動慣量和等效力矩是常數(shù)JtJMdd常數(shù)常數(shù)

8、MJ;JMtddt020021tt122. 等效轉動慣量和等效力矩均為等效構件位置的函數(shù)等效轉動慣量和等效力矩均為等效構件位置的函數(shù)d )(d212100rd2002MMMJJd20200MJJJ由積分形式的動能方程對上式進行微分和積分,可得角加速度和運動時間對變化規(guī)律復雜的外力可采用圖解法(略)133. 等效轉動慣量為常數(shù),等效力矩是等效構件速度等效轉動慣量為常數(shù),等效力矩是等效構件速度的函數(shù)的函數(shù)由力矩形式的運動方程可進一步求得角加速度和角位移tJMdd)(0)(d0MJtt4. 等效轉動慣量是角位置的函數(shù),等效力矩是等效構等效轉動慣量是角位置的函數(shù),等效力矩是等效構件位置和速度的函數(shù)件位

9、置和速度的函數(shù)),(;)(MMJJd),(d)()(d212MJJ差分代替微分,數(shù)值解法1410.4 10.4 機械的平衡機械的平衡neFFIs設:設:G = 100 N; e = 1 mm = 0.001 m當當 n = 30 r/ min 時時N1 . 0302negGFI當當 n = 3000 r/ min 時時N1000302negGFI 構件制造精度、安裝誤差和構件形狀差異不平衡慣性力運動副中的動壓力摩擦加劇、效率和壽命降低強迫振動,甚至共振工作精度和可靠性下降15平衡的目的:平衡的目的: 設法消除慣性力(力矩)的不良影響,改善工作設法消除慣性力(力矩)的不良影響,改善工作性能,提高

10、機器的精度和壽命性能,提高機器的精度和壽命 但應指出,有一些機械卻是利用構件產(chǎn)生的不平衡但應指出,有一些機械卻是利用構件產(chǎn)生的不平衡慣性力所引起的振動來工作的,如振實機、按摩機、振慣性力所引起的振動來工作的,如振實機、按摩機、振動打樁機、振動運輸機等。動打樁機、振動運輸機等。 機械平衡的內(nèi)容:在機械中,由于各構件的結構及運動形式的不同,其所產(chǎn)生的慣性力和平衡的方法也不同。據(jù)此,機械的平衡問題可分為兩類:轉子的平衡和平面機轉子的平衡和平面機構的平衡構的平衡。1610.4.1 轉子的平衡轉子的平衡 a. 剛性轉子的平衡剛性轉子的平衡 在一般的機械中,轉子的剛性都比較好,共振轉速較高,轉子工作速度低

11、于(0.60.75) ( 為轉子的第一階共振轉速)。此時轉子產(chǎn)生的彈性變形甚小,這類轉子稱為剛性轉剛性轉子子 如果只要求其慣性力平衡,則稱為轉子的靜平衡靜平衡;如果同時要求慣性力和慣性力矩的平衡,則稱為轉子的動平衡動平衡。1cn1cn17b. 撓性轉子的平衡撓性轉子的平衡(略)略) 有些機械,如渦輪發(fā)動機, 其質(zhì)量和跨度很大,徑向尺寸卻較小。因此,其共振轉速低下。如果工作轉速大于(0.60.75) ,轉子在工作時產(chǎn)生較大的變形,從而使慣性力顯著增大。這類轉子稱為撓性轉子。1cn18靜不平衡現(xiàn)象:靜不平衡現(xiàn)象: 轉子的質(zhì)心不在回轉軸線上,當其轉動時,其偏心轉子的質(zhì)心不在回轉軸線上,當其轉動時,其

12、偏心質(zhì)量就會產(chǎn)生離心慣性力,從而在運動副中引起附加動壓質(zhì)量就會產(chǎn)生離心慣性力,從而在運動副中引起附加動壓力。力。 靜平衡設計:靜平衡設計: 寬徑比寬徑比B/D 1/5 的轉子(砂輪、飛輪、齒輪):可近的轉子(砂輪、飛輪、齒輪):可近似地認為其不平衡質(zhì)量分布在同一回轉平面內(nèi)。似地認為其不平衡質(zhì)量分布在同一回轉平面內(nèi)。 根據(jù)轉子結構定出偏心質(zhì)量的大小和方位;根據(jù)轉子結構定出偏心質(zhì)量的大小和方位; 計算出為平衡偏心質(zhì)量需添加的平衡質(zhì)量的大小及方計算出為平衡偏心質(zhì)量需添加的平衡質(zhì)量的大小及方位。位。 1) 剛性轉子的靜平衡剛性轉子的靜平衡1.剛性轉子的平衡剛性轉子的平衡19一、幾何條件一、幾何條件B/

13、D 1/5BDm3m1m2二、平衡條件二、平衡條件Fi = 0慣性力的矢量和為零慣性力的矢量和為零m3m1m220三、靜平衡原理三、靜平衡原理F1F2F3m1m2m3r2r1r3F1 = m1 r1 2F2 = m2 r2 2F3 = m3 r3 2各質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力為:各質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力為:若:若:F1+F2 +F3 0表明此回轉體為非平衡回轉體。表明此回轉體為非平衡回轉體。 人為增加一個質(zhì)量點人為增加一個質(zhì)量點mb ,該質(zhì)量點產(chǎn)生一個離心慣,該質(zhì)量點產(chǎn)生一個離心慣性力性力Fb, F1+F2 +F3 +Fb = = 0稱對此回轉體進行了平衡。稱對此回轉體進行了平衡。Fbmb使下式成立

14、使下式成立21結論:結論:若欲使回轉體處于平衡,則各質(zhì)量點的質(zhì)徑積的矢若欲使回轉體處于平衡,則各質(zhì)量點的質(zhì)徑積的矢量和為零。量和為零。Fi = mi ri 2 F1+F2 +F3 +Fb = = 0F1F2F3m1m2m3r2r1r3Fbmb質(zhì)徑積質(zhì)徑積即:即: m1 r1 2 + m2 r2 2 + m3 r3 2 + mb rb 2 = 0m1 r1 + m2 r2 + m3 r3 + mb rb =022 2) 剛性轉子的動平衡剛性轉子的動平衡23F F F(1) 此為平行力系此為平行力系(2) 若使此力系平衡,需有:若使此力系平衡,需有: Fi = 0 Mi = 0 2) 剛性轉子的動

15、平衡剛性轉子的動平衡24 2) 剛性轉子的動平衡剛性轉子的動平衡25動不平衡問題:動不平衡問題: 在轉子運轉的情況下才能顯示出來。在轉子運轉的情況下才能顯示出來。轉子的動平衡設計:轉子的動平衡設計:根據(jù)轉子結構確定出各個不同回轉平根據(jù)轉子結構確定出各個不同回轉平面內(nèi)偏心質(zhì)量的大小和位置。面內(nèi)偏心質(zhì)量的大小和位置。計算出為使轉子得到動平衡所需增加計算出為使轉子得到動平衡所需增加的平衡質(zhì)量的數(shù)目、大小及方位;的平衡質(zhì)量的數(shù)目、大小及方位;26F F F 需在兩個平衡基面上施加需在兩個平衡基面上施加(或減去或減去)。一、幾何條件一、幾何條件 B/D 1/5 即不能忽略力矩的影響。即不能忽略力矩的影響

16、。二、力平衡條件二、力平衡條件 Fi = 0 Mi = 0三、特點三、特點 平衡基面:平衡基面:施加施加(或減去或減去)平衡質(zhì)量點所在的回轉面。平衡質(zhì)量點所在的回轉面。27F F F 將力將力F平行分解到兩個平衡基面平行分解到兩個平衡基面上,得上,得F1和和F2 ,即,即四、平衡原理四、平衡原理 L1 L2 L F2 = FL1 L(4)F1 = FL2 L(3)F2F1 F = F1 + F2 F1 L1 = F2 L2 即即F1 = -F F2 = -F F = F1 + F2 (1) F1 L1 = F2L2 (2)可解得可解得28平衡原理:平衡原理: 將集中質(zhì)量點所產(chǎn)生的離心力將集中質(zhì)

17、量點所產(chǎn)生的離心力F向兩個平衡基面上分解,得到兩個向兩個平衡基面上分解,得到兩個分力分力F1和和F2 ; 合力合力F 對系統(tǒng)的影響完全可以對系統(tǒng)的影響完全可以用兩分力用兩分力F1 、 F2對系統(tǒng)的影響所代對系統(tǒng)的影響所代替;替;F- -F- -F L1 L2 L F2F1 在平衡基面上分別對兩個分力在平衡基面上分別對兩個分力F1 、 F2進行平衡,得平衡力進行平衡,得平衡力F 和和F ,從而完成對集中質(zhì)量點的平衡。,從而完成對集中質(zhì)量點的平衡。29l1l2l3lF1F2F3r1m1m2r2m3r3F3F3F1F1F2F2 平衡基面平衡基面30L1L2L3LF1F2F3r1m1m2r2m3r3F

18、2F1F3F3F1F2 F1 = F1 L- - L1 LF1 = F1L1 LF2 = F2 L- - L2 LF2 = F2L2 LLF3 = F3 L- - L3 LF3 = F3L3 mrFF1 + F2 + F3 +F = 0F1 + F2 + F3 +F = 0從而求得從而求得mr和和mr 。mFr31步驟:步驟:(1) 分別將各回轉平面上集中質(zhì)量點分別將各回轉平面上集中質(zhì)量點mi所產(chǎn)生的慣性力所產(chǎn)生的慣性力Fi (或或質(zhì)徑積、重徑積質(zhì)徑積、重徑積)向兩個平衡基面上分解,得到向兩個平衡基面上分解,得到Fi和和Fi 。(2) 分別在兩個平衡基面上用靜平衡的方法求解平衡質(zhì)量點分別在兩個

19、平衡基面上用靜平衡的方法求解平衡質(zhì)量點的質(zhì)徑積的質(zhì)徑積mi ri(或重徑積或重徑積)。結論結論: 對于任何動不平衡的剛性轉子,無論其具有多少個對于任何動不平衡的剛性轉子,無論其具有多少個偏心質(zhì)量,以及分布于多少個回轉平面內(nèi),都只要在選定偏心質(zhì)量,以及分布于多少個回轉平面內(nèi),都只要在選定的兩個平衡基面內(nèi)分別各加上或除去一個適當?shù)钠胶赓|(zhì)量,的兩個平衡基面內(nèi)分別各加上或除去一個適當?shù)钠胶赓|(zhì)量,即可得到完全平衡,故動平衡又稱為雙面平衡。即可得到完全平衡,故動平衡又稱為雙面平衡。3210.4.2 平面機構的平衡平面機構的平衡 機構的平衡機構的平衡:由于機構各構件在運動時所產(chǎn)生的慣性力可以簡化為一個通過質(zhì)

20、心的總慣性力和總慣性力偶矩,這全部由基座承受。所以平面機構的平衡就要設法平衡這個慣性力和力偶矩 機構平衡的條件機構平衡的條件 作用于機構質(zhì)心的總慣性力和總慣性力偶矩應分別為零。 通常,對機構只進行總慣性力的平衡。欲使機構總慣性力為零,應使機構的質(zhì)心加速度為零,即應使機構的質(zhì)心靜止不動。1. 機構的完全平衡機構的完全平衡 機構的完全平衡是指機構的總慣性力恒為零。為了達到機構的完全平衡的目的,可采用下列措施: 33(1)利用對稱結構平衡利用對稱結構平衡(2)利用平衡質(zhì)量平衡利用平衡質(zhì)量平衡研究表明研究表明 完全平衡n個構件的單自由度機構的慣性力,應至少加n/2個平衡質(zhì)量;這樣就使機構的質(zhì)量大大增加

21、,所以一般不采用這種方法,而多采用部分平衡的方法。結論結論 采用完全平衡法,平衡效果很好。但會使機構的質(zhì)量或體積大為增加,故一般采用部分平衡法。34ABC D1243S1S2S3m2m1m3例例1 曲柄搖桿機構中,已知各構件的質(zhì)量m1、m2、m3 位于 S1、S2、S3 處, 試平衡其總慣性力。m2Bm2crmrm1)將構件2 的質(zhì)量m2 分解到 B、C 處 2)加配重m,使 m2B、m1、 m的 質(zhì)心落在 A點 3)加配重 m ,使 m2C、m3、 m 的 質(zhì)心落在 D點222222mllmmllmBCBSCBCCSB112ASABBlmlmrm332 DSCDClmlmrm機構的質(zhì)心落在機

22、架上,質(zhì)心的加速度必為零 總慣性力在機架上達到平衡。35例例2 曲柄滑塊機構中,已知各構件的質(zhì)量m1、m2、m3 位于 S1、S2、S3 處, 試平衡其總慣性力。1)加配重m,使 m2、m3、 m 的質(zhì)心落在 B點 2)設B點有一集中質(zhì)量 mB 3)加配重 m ,使 mB、m1、 m 的質(zhì)心落在 A點BCBSlmlmrm32232mmmmBS1S2S3ABCm2m1m3r m m r mB 采用配重法完全平衡慣性力 重量大大增加,結構設計不便 用部分平衡11121)( ASABBASABBlmlmmmlmlmrm36 機構的部分平衡是對機構的總慣性力只需平衡其中的一部分的平衡。機構的部分平衡有

23、以下幾種方法。(1)利用平衡機構平衡(2)利用平衡質(zhì)量平衡(3)利用彈簧平衡結論:結論:采用往復慣性力的部分平衡法,既可減少慣性力的影響,又可減少需加的平衡質(zhì)量。一般對機械的工作較為有利。2. 機構的部分平衡機構的部分平衡37例例3 部分平衡法(非完全平衡法)1)將質(zhì)量m2 分解到 B、C 處 2)加配重m,平衡 m2B和m1 3)再加配重 m,部分平衡 m3、m2Cr m m m2Bm2CS1S2S3ABCm2m1m3FIh FIVFcos2ABClacos2ABCIClmFCABmrlm 若取配重mC= m2C +m3sin)180sin( cos)180cos( 22 22 ABCIvA

24、BCIhlmrmFlmrmF 為避免FIV 過大 部分平衡CABICIhmrlmFF)2131( )2131( 3810.5 10.5 機械運轉速度波動及調(diào)節(jié)機械運轉速度波動及調(diào)節(jié) 一般情況下,機械原動件并非作等速運動,由于在不同的驅動力和阻抗力的影響下,機械在運動過程中將會出現(xiàn)速度波動,這種波動將會導致在運動副中產(chǎn)生附加的動壓力,并引起機械的振動而降低機械的壽命、效率和工作質(zhì)量,這就需要對這種速度波動加以研究和調(diào)節(jié),使速度波動調(diào)節(jié)在許可的范圍內(nèi)。 大部分機械如刨床、沖床、軋鋼機等都有穩(wěn)定運轉階段,而在穩(wěn)定運轉時,主軸角速度是圍繞某一平均值作周期性波動的。例如沖床在每沖一個零件時,速度就波動一

25、次。在波動的一個周期內(nèi),因輸入功和輸出功是相等的,致使機械的動能在每經(jīng)一個運動循環(huán)后又回到原來的數(shù)值,且等效轉動慣量也在同一周期內(nèi)作周期性波動,從而使主軸的角速度也作周期性循環(huán)波動。但在一個周期中,任一時間間隔的等效驅動力的功和等效阻抗力的功并不總是相等,所以瞬時速度又是變化的。過大的波動幅度對機械正常運轉有不利影響。所以在設計機械時,必須針對不同性質(zhì)的機械進行不同分析。 10.5.1 周期性速度波動及其調(diào)節(jié)周期性速度波動及其調(diào)節(jié) 39 M1. 周期性速度波動產(chǎn)生的原因周期性速度波動產(chǎn)生的原因 EEEWWWserd W 并非總等于022121iiiiJvmEvE、對于機械系統(tǒng)的等效動力學模型:

26、等效驅動力矩Md( )、阻力矩Mr( )能量守恒定律:能量守恒定律:在一段時間間隔內(nèi),驅動力所作的功與克服阻力所需的功之差等于機器動能的變化,即:MrMd一個運動周期 T由于由于 盈功和虧功存在 速度波動一個周期內(nèi),盈功與虧功之和為零。 W 0 盈功 W 0 虧功 402. 、周期性速度波動的衡量指標、周期性速度波動的衡量指標 1、平均角速度、平均角速度 m與速度不均勻系數(shù)與速度不均勻系數(shù) 常用算術平均值表示T 波動周期minmaxmTtoTTm0d)(mminmax不均勻系數(shù):2minmaxm平均速度:m 一定, 波動 設計條件: )21 (maxm)21 (mmim22min2max2m411. 飛輪的調(diào)速作用飛輪的調(diào)速作用周期性周期性的速度的速度波動波動可以用一個轉動慣量可以用一個轉動慣量JF很大的很大的飛輪飛輪加以加以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 2)(2

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論