機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析課件

1、機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析第四章 平面機(jī)構(gòu)力分析4 -1 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法4 -2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定 4 -3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定4 -4 不考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析不考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析4 -5 考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析（簡介）（簡介）機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-1 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法4-2 構(gòu)件慣性力的確定4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析重點(diǎn)是：重點(diǎn)是： 運(yùn)動副中摩擦力的確定難點(diǎn)是：難點(diǎn)是： 不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析一

2、、作用在機(jī)械上的力一、作用在機(jī)械上的力1）驅(qū)動力 ：力F方向 與運(yùn)動速度與運(yùn)動速度V 方向夾角為銳角，作正功 原動力由原動機(jī)提供，它是驅(qū)動力，那么驅(qū)動力只來自原動力嗎？原動力由原動機(jī)提供，它是驅(qū)動力，那么驅(qū)動力只來自原動力嗎？2）阻抗力： F 與與V夾角夾角 為鈍角，作負(fù)功生產(chǎn)阻力（有效阻力） 有害阻力常見的力：常見的力：原動力、摩擦力、運(yùn)動副反力、重力、慣性力 一提到摩擦力，會認(rèn)為是有害阻力。一提到摩擦力，會認(rèn)為是有害阻力。對攪拌機(jī)、帶傳動、自行車呢？對攪拌機(jī)、帶傳動、自行車呢？ 運(yùn)動副反運(yùn)動副反力（法向、切向）是內(nèi)力還是外力？它做功嗎？力（法向、切向）是內(nèi)力還是外力？它做功嗎？ 什么時(shí)候應(yīng)

3、考慮重什么時(shí)候應(yīng)考慮重力？做功如何？力？做功如何？ 慣性力是一種什么性質(zhì)的慣性力是一種什么性質(zhì)的力，大小如何求？它作正功還是負(fù)功？力，大小如何求？它作正功還是負(fù)功？ 什么時(shí)候會用到它？可以忽略嗎？什么時(shí)候會用到它？可以忽略嗎？4-1 4-1 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析二、二、機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)和目的機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)和目的4-1 4-1 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法1 1）確定運(yùn)動副中的反力）確定運(yùn)動副中的反力 用于計(jì)算強(qiáng)度、機(jī)械效率、摩擦磨損、決定軸承結(jié)構(gòu)等用于計(jì)算強(qiáng)度、機(jī)械效率、摩擦磨損、決定軸承結(jié)構(gòu)等2 2）確

4、定機(jī)械上的平衡力（或平衡力偶）確定機(jī)械上的平衡力（或平衡力偶） 根據(jù)作用在機(jī)構(gòu)上的已知外力（或力偶），確定要維持根據(jù)作用在機(jī)構(gòu)上的已知外力（或力偶），確定要維持 給定運(yùn)動規(guī)律時(shí)所需的未知外力（或力偶）給定運(yùn)動規(guī)律時(shí)所需的未知外力（或力偶）三、三、機(jī)構(gòu)力分析的方法1 1）靜力學(xué)方法）靜力學(xué)方法 不考慮慣性力因素（低速機(jī)械）不考慮慣性力因素（低速機(jī)械）2 2）動態(tài)靜力學(xué)方法）動態(tài)靜力學(xué)方法 將慣性力視為外力，加于相應(yīng)構(gòu)件上，按靜力方法分析將慣性力視為外力，加于相應(yīng)構(gòu)件上，按靜力方法分析 圖解法、解析法圖解法、解析法機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定確定慣性力：確定慣性

5、力： 設(shè)已知構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及運(yùn)動學(xué)參數(shù)。設(shè)已知構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及運(yùn)動學(xué)參數(shù)。實(shí)際上實(shí)際上 在設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí)，力分析還未進(jìn)行時(shí)，根本不能作強(qiáng)在設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí)，力分析還未進(jìn)行時(shí)，根本不能作強(qiáng)度計(jì)算，構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量是未知的。度計(jì)算，構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量是未知的。常用方法：常用方法： 類比和經(jīng)驗(yàn)公式，或按純靜力學(xué)方法對機(jī)構(gòu)在某一特定類比和經(jīng)驗(yàn)公式，或按純靜力學(xué)方法對機(jī)構(gòu)在某一特定位置時(shí)大體估算出構(gòu)件的尺寸、材料。粗略地得到質(zhì)量、轉(zhuǎn)位置時(shí)大體估算出構(gòu)件的尺寸、材料。粗略地得到質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量，將它作為初值代入進(jìn)行力分析。待第一次力分析完動慣量，將它作為初值代入進(jìn)行力分析。待第一次力分析完成后，

6、作強(qiáng)度計(jì)算，對其進(jìn)行修正。這個(gè)過程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。成后，作強(qiáng)度計(jì)算，對其進(jìn)行修正。這個(gè)過程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。直至滿足要求為止。直至滿足要求為止。機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定SasFIMIFIlh一、一般力學(xué)方法一、一般力學(xué)方法1 1）作平面運(yùn)動的構(gòu)件）作平面運(yùn)動的構(gòu)件慣性力 F I = - m as慣性力矩 M I = - Js 把 FI 按圖示平移 lh ，將兩者合二為一。IIhFMl 2 2）作平動的構(gòu)件）作平動的構(gòu)件3 3）繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件）繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件慣性力 F I = - m as慣性力矩 M I = - Js 繞質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動繞非質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動慣性力 F

7、I = - m as慣性力矩 M I = - Js asFIM Iasss機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換前后的總質(zhì)量質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心位置質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量保持不變1 1、動代換問題（兩點(diǎn)動代換）、動代換問題（兩點(diǎn)動代換）SKBKBKBJkmbmkmbmmmm22三個(gè)方程，四個(gè)未知量（ b 、 k 、mB 、mK ），如確定bkbbmmkbkmmmbJkKBS機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4

8、-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換前后的總質(zhì)量質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量保持不變SBCmBmCmkmBmcbk2 2、靜代換問題、靜代換問題（兩點(diǎn)靜代換）同時(shí)選定b、c，只滿足前兩個(gè)條件BCBCmmmm bm cBCcmmbcbmmbc機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便

9、 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換條件代換前后的總質(zhì)量質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心位置質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量保持不變SBCmBmCmkmBmcbk2 2、靜代換問題、靜代換問題（兩點(diǎn)代換）同時(shí)選定b、c，只滿足前兩個(gè)條件BCBCmmmm bm cBCcmmbcbmmbc結(jié)論：結(jié)論：1）兩代換點(diǎn)連線必然通過質(zhì)心。2）靜代換簡單方便，代換點(diǎn) B、C 可隨意選定。對于一般要求機(jī)構(gòu)，采 用靜代換較多。3）動代換滿足了質(zhì)量代換的全部條件。其代換點(diǎn)只能隨意選定一點(diǎn)，而 另外一個(gè)代換點(diǎn)則由代換條件確定。 4）使用靜代換，其慣性力偶矩將產(chǎn)生誤差)(22sCBIJcMbmM機(jī)械原理第4章機(jī)

10、構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定一、移動副中摩擦力的確定一、移動副中摩擦力的確定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外載荷一定時(shí)，法向反力FN21的其大小與運(yùn)動副表面的幾何形狀有關(guān)。G 12v12 Ff21F1）平面： FN21 = G Ff21 = f G2）槽面： FN21 = G / sin Ff21 = f FN21 = f G / sin 令當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f / sin Ff21 = f vGGFN212FN212212FN21機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定一、移動副中摩擦力的確定一、移動副中摩擦力的

11、確定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外載荷一定時(shí)，法向反力FN21的其大小與運(yùn)動副表面的幾何形狀有關(guān)。G 12v12FN21 Ff21F3）半圓柱面 FN21 = k G Ff21 = f FN21 = f k G若圓柱面為點(diǎn)、線接觸： k 1若為均勻圓柱面接觸： k = /2 其余則介于兩者之間。Gv2121令當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f k Ff21 = f vG機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定二、移動副中總反力的確定二、移動副中總反力的確定G 12v12FN21 Ff21FFR21 1、平面移動 FR21 = FN21+ Ff 21 Ff

12、21 = FN21tan 摩擦角摩擦角 =arctan f總反力方向的確定：總反力方向的確定：（1 1）與法向反力偏斜一摩擦角）與法向反力偏斜一摩擦角 （2 2）偏斜方向與相對速度方向相反）偏斜方向與相對速度方向相反機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定二、移動副中總反力的確定二、移動副中總反力的確定2、斜面移動GFfFNFFR21 vFGFR21 + F GF R21 - (1) 滑塊沿斜面上升力平衡條件： F + G + FR21 = 0由力多邊形得：F = G tan ( + ) （2）滑塊沿斜面下降（驅(qū)動力為 G）同理： F + G + F R21 =

13、 0 F = G tan ( - )vGFFfFNFR21注意：注意：1 1）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)時(shí), ,F 0, 0, 滑塊在載荷滑塊在載荷G 作用下自行加速下滑，作用下自行加速下滑，若使滑快靜止或勻速下滑，需借助外部阻力。若使滑快靜止或勻速下滑，需借助外部阻力。2 2）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，時(shí)，F(xiàn) 0, 0, 滑塊在載荷滑塊在載荷G 作用下作用下, ,不能自行不能自行下滑，需借助外部推動力才能滑下。下滑，需借助外部推動力才能滑下。 自鎖自鎖（ ） 機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定二、移動副中總反力的確定二、移動副中總反力的確定3、螺旋副中的摩擦 (1) 矩形螺紋pGFF

14、R21vd2 d 2lGM2122tan()22dGdMF旋緊螺母力矩：22tan()22dGdMF放松螺母力矩：施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 旋緊螺母旋緊螺母: : 類似于用螺旋千斤頂克服載荷類似于用螺旋千斤頂克服載荷 G ，將重物升起。，將重物升起。施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 放松螺母：放松螺母： 若若 M M 0(0(即即 ) )：表明螺紋本身在載荷：表明螺紋本身在載荷G 作用下作用下, ,不能自行松脫，需不能自行松脫，需借助外力矩才能將螺母擰下。借助外力矩才能將螺母擰下。 自鎖自鎖 若若 M M 0 0（即（即 ）：表明螺紋本身在載荷：表明螺紋本身在載荷G 作用下能夠自行松脫

15、，需作用下能夠自行松脫，需借助外力矩才能使螺母勻速松脫。借助外力矩才能使螺母勻速松脫。機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定二、移動副中總反力的確定二、移動副中總反力的確定3、螺旋副中的摩擦 (2) 三角形螺紋（相當(dāng)于槽面摩擦）90 - 90 - Q在矩形螺紋公式中將 用 v代替即可。三角螺紋的牙型斜角，則槽形斜角 90 - 當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f / sin = f / cos 當(dāng)量摩擦角： v = arctan fv 22vtan()22dGdMF旋緊螺母力矩：22vtan()22dGdMF放松螺母力矩：機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的

16、確定運(yùn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定1、軸頸摩擦軸在軸承中轉(zhuǎn)動摩擦力阻止其轉(zhuǎn)動2、軸端摩擦、軸端摩擦機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定 摩擦圓半徑： = fv r GFf21FN21FR21Mdr21半圓柱面摩擦: Ff21 = f vG f v =（1 /2）f運(yùn)動副總反力：FR21 = FN21 + Ff21 = G 摩擦阻力矩: Mf = Ff21 r =G fv r =FR21 結(jié)論： 1）勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，軸承總反力 FR21 恒切于摩擦圓 。 2）勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，Mf =

17、 FR21 =G ， 類似平面摩擦系數(shù)，其其大小 fv 和 r 有關(guān)。1、軸頸摩擦12機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定2、總反力的確定 G GFf21FN21FR21Mdr211）不計(jì)摩擦，平衡條件總反力方向。2）考慮摩擦，總反力與摩擦圓相切。3）摩擦力矩方向總是與轉(zhuǎn)向相反（阻止其運(yùn)動）。 如：總反力FR21 對軸心之矩的方向必與其相對轉(zhuǎn)向 12的方向相反。12將Md與G合成為G ， = Md / G = 軸勻速轉(zhuǎn)動（或靜止）。 軸將加速轉(zhuǎn)動（或由靜止開始運(yùn)動） 軸將減速轉(zhuǎn)動（靜止時(shí)則卡死不動）自鎖自鎖機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、

18、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定例例4-1 曲柄1為主動件，求各構(gòu)件受力方向。（不計(jì)重力、慣性力）M11ABCDM3123FR12FR322123M114A1BFR21FR41LF R12F R32CDM33FR2334FR43L機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定2、軸端的摩擦G12M2R2rrRd取微環(huán)，其上壓強(qiáng) p 為常量面積 ds = 2 d 正壓力 dFN = p ds摩擦力 dFf = f dFN = f p ds摩擦力矩 dMf = dFf = f p ds討論討論RrRrfpfsfpMd2d2總摩擦力矩：常數(shù)）新軸端：)(122rRGp)()(322233rRrRfGMf機(jī)械原理第4章機(jī)構(gòu)力分析4-3 運(yùn)動副中摩擦力的確定運(yùn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定2、軸端的摩擦rRdp2）跑合軸