第03章平面機構(gòu)的力

1、第03章 平面機構(gòu)的力分析 3-1 作用在構(gòu)件上的力 1）驅(qū)動力）驅(qū)動力 正功（輸入功）正功（輸入功） 2）阻力：）阻力： 有效阻力有效阻力 有害阻力有害阻力 有效功（輸出功有效功（輸出功） 3）重力 重心下降作正功 重心上升作負功 4）運動副反力： 正壓力 摩擦力 不作功 負功 5）慣性力（虛擬力）： 加速運動 阻力 減速運動 驅(qū)動力 凡是驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生運動的力稱為驅(qū)動力。驅(qū)動力所做的功是正值，通常稱為驅(qū)動功或輸入功。凡是阻止機構(gòu)產(chǎn)生運動的力稱為阻力。阻力所做的功為凡是阻止機構(gòu)產(chǎn)生運動的力稱為阻力。阻力所做的功為負值，通常稱為阻抗功。阻力分為有效阻力和有害阻力，負值，通常稱為阻抗功。阻力分為有

2、效阻力和有害阻力，有效阻力又稱為工作阻力，是與生產(chǎn)直接相關(guān)的阻力，有效阻力又稱為工作阻力，是與生產(chǎn)直接相關(guān)的阻力，所做的功為有效功或輸出功；有害阻力是阻力中，除有所做的功為有效功或輸出功；有害阻力是阻力中，除有效阻力外的無效部分，所做的功為損耗功。效阻力外的無效部分，所做的功為損耗功。當(dāng)機構(gòu)受到外力作用時，在運動副中產(chǎn)生的反作用力，當(dāng)機構(gòu)受到外力作用時，在運動副中產(chǎn)生的反作用力，稱為運動副反力?？煞纸鉃榉ㄏ蛄颓邢蛄?。法向力稱為運動副反力?？煞纸鉃榉ㄏ蛄颓邢蛄?。法向力又稱為正壓力，由于它與運動副元素的相對運動方向又稱為正壓力，由于它與運動副元素的相對運動方向垂直，因而是所有力中唯一不做功的力

3、。切向反力即垂直，因而是所有力中唯一不做功的力。切向反力即摩擦力，是有害阻力的主要部分。摩擦力，是有害阻力的主要部分。3.1.2機構(gòu)力分析的目的和方法機構(gòu)力分析的目的和方法一、機構(gòu)力分析的目的：一、機構(gòu)力分析的目的：1.確定運動副反力確定運動副反力 確定運動副兩元素接觸處彼此的作用力。確定運動副兩元素接觸處彼此的作用力。2.確定為維持機構(gòu)做給定運動而需加的平衡力或平衡力矩。確定為維持機構(gòu)做給定運動而需加的平衡力或平衡力矩。二、機構(gòu)力分析的方法二、機構(gòu)力分析的方法1.靜力分析：靜力分析： 凡不考慮慣性力，只考慮靜載荷的條件下對機械進行的力凡不考慮慣性力，只考慮靜載荷的條件下對機械進行的力分析，稱

4、為靜力分析。分析，稱為靜力分析。2.動力分析：動力分析： 同時考慮慣性和慣性力而對機械進行的力分析。依據(jù)達朗伯同時考慮慣性和慣性力而對機械進行的力分析。依據(jù)達朗伯原理，將慣性力加在產(chǎn)生該慣性力的構(gòu)件上，就將該機械視為原理，將慣性力加在產(chǎn)生該慣性力的構(gòu)件上，就將該機械視為靜力平衡，這種方法叫作動態(tài)靜力分析。靜力平衡，這種方法叫作動態(tài)靜力分析。3-2 運動副摩擦力的確定 一、移動副中的摩擦力一、移動副中的摩擦力 1 1、平面移動的摩擦力、平面移動的摩擦力 fNFtg2121arctgfff摩擦系數(shù)（與材料、光滑度、潤滑有關(guān)）摩擦系數(shù)（與材料、光滑度、潤滑有關(guān)） fQfNF21212 2、槽面移動副

5、的摩擦力、槽面移動副的摩擦力 QfQffNFvsin2121摩擦角3-2 運動副摩擦力的確定 二、轉(zhuǎn)動副中的摩擦力二、轉(zhuǎn)動副中的摩擦力 1 1、軸頸摩擦、軸頸摩擦 rFfrFMQvff21按摩擦力計算21RfFM按總反力計算rfv大值）跑合取小值，非跑合?。楫?dāng)量摩擦系數(shù)為摩擦圓半徑57. 11vvff的方向相反與對軸頸中心的力矩總是）與摩擦圓相切總反力有如下特點：122121213)2 1)RRQRFFFF2 2、軸端摩擦、軸端摩擦 rfFMQf摩擦力計算223332rRrRr非跑合rRr21跑合rr當(dāng)量摩擦半徑當(dāng)量摩擦半徑 3-3 平面機構(gòu)的靜力分析 1 1、構(gòu)件組的靜定條件、構(gòu)件組的靜定

6、條件 轉(zhuǎn)動副 力大小 ？方向 ？ 作用點 已知移動副 力大小 ？方向 已知 作用點 ？高副 力大小 ？方向 已知 作用點 已知所以，桿組是可解的。個未知量個數(shù)相等個方程與低副機構(gòu)的靜定條件靜定條件LLHLPnPnPPn232323構(gòu)件組的靜定條件是指該構(gòu)件組中所有構(gòu)件組的靜定條件是指該構(gòu)件組中所有未知外力都可以用靜力學(xué)的方法確定的未知外力都可以用靜力學(xué)的方法確定的條件。條件。很顯然，若使一構(gòu)件組為靜定，則對該構(gòu)很顯然，若使一構(gòu)件組為靜定，則對該構(gòu)件組所能列出的獨立的力平衡方程式的數(shù)件組所能列出的獨立的力平衡方程式的數(shù)目，應(yīng)等于構(gòu)件組中所以未知要素的數(shù)量。目，應(yīng)等于構(gòu)件組中所以未知要素的數(shù)量。由

7、此看見，基本由此看見，基本桿組都是靜定的。桿組都是靜定的。2 2、不考慮摩擦?xí)r機構(gòu)的靜力分析、不考慮摩擦?xí)r機構(gòu)的靜力分析 例例3.2 3.2 圖圖3.8a3.8a為一牛頭刨機構(gòu)為一牛頭刨機構(gòu) brMF，求平衡力矩的方向，工作阻力，角速度已知機構(gòu)尺寸，原動件110543465RRrFFF、桿組大小 ？ ？ 方向 導(dǎo)路 DE 032126343RRRFFF、桿組大小 ？ ？ 方向 DE SC CD 1121hFMlRb構(gòu)件機構(gòu)靜力分析的一般步驟：1.拆分桿組。2.從作用有已知外力的桿組開始，逐一求出運動副反力，直到求出加于原動件上的平衡力或平衡力矩。及各運動副反力。3 3、考慮摩擦?xí)r機構(gòu)的靜力分析

8、、考慮摩擦?xí)r機構(gòu)的靜力分析 例例3.3 3.3 圖圖3.9a3.9a為一鉸鏈四桿機構(gòu)為一鉸鏈四桿機構(gòu) rdvMFfr，求阻力矩，驅(qū)動力，摩擦系數(shù)徑為已知機構(gòu)尺寸，軸頸半012141RRdFFF原動件大小 ？ ？ 方向 llRrhFM23332中的構(gòu)件、桿組注意：注意：轉(zhuǎn)動副總反力轉(zhuǎn)動副總反力R Rijij的方的方向始終與兩構(gòu)件的相向始終與兩構(gòu)件的相對轉(zhuǎn)向?qū)D(zhuǎn)向 jiji相反！相反！3-4 構(gòu)件慣性力的確定 1 1、作平面移動的構(gòu)件作平面移動的構(gòu)件piihSiSpiFMlJMmaF2 2、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件 0iSpiMmaF3 3、作平面復(fù)雜運動的構(gòu)件作平面復(fù)雜運動的構(gòu)件Sipi

9、JMF 0依據(jù)理論力學(xué)，具有質(zhì)量對稱的構(gòu)件依據(jù)理論力學(xué)，具有質(zhì)量對稱的構(gòu)件做平面復(fù)雜運動時，其慣性力可簡化做平面復(fù)雜運動時，其慣性力可簡化為通過質(zhì)心為通過質(zhì)心S的力的力Fpi和一力偶矩和一力偶矩Mi。由大小等于Fpi，作用線由質(zhì)心S偏移一距離的總慣性力代替。3-4 構(gòu)件慣性力的確定 1 1、作平面復(fù)雜運動的構(gòu)件、作平面復(fù)雜運動的構(gòu)件 piihSiSpiFMlJMmaF2 2、作平面移動的構(gòu)件、作平面移動的構(gòu)件 0iSpiMmaF3 3、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件 SipiJMF 04 4、繞非質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件、繞非質(zhì)心轉(zhuǎn)動的構(gòu)件 piihSiSpiFMlJMmaFtSnSSaaa其中構(gòu)件

10、繞不通過質(zhì)心構(gòu)件繞不通過質(zhì)心S的固的固定軸定軸A回轉(zhuǎn)，則其運動可回轉(zhuǎn)，則其運動可看作構(gòu)件隨質(zhì)心看作構(gòu)件隨質(zhì)心S的移動的移動和繞質(zhì)心和繞質(zhì)心S的轉(zhuǎn)動符合而的轉(zhuǎn)動符合而成。成。3-5 不考慮摩擦?xí)r的機構(gòu)動態(tài)靜力分析 機構(gòu)動態(tài)靜力分析的步驟如下： ) 分析各構(gòu)件的慣性力，并把它們視為外力加于產(chǎn)生這些慣性力的構(gòu)件上； ）根據(jù)靜定條件將機構(gòu)分解為若干個構(gòu)件組和平衡力作用的構(gòu)件，進行力的分析。 例題例題3.在圖在圖3.123.12所示的顎式破碎機中，所示的顎式破碎機中，已知各構(gòu)件的尺寸、重量和對其質(zhì)心軸的已知各構(gòu)件的尺寸、重量和對其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量，以及礦石加于活動顎板轉(zhuǎn)動慣量，以及礦石加于活動顎板2 2

11、上的上的阻力阻力F Fr r。設(shè)原動件。設(shè)原動件1 1的角速度為的角速度為1 1，其重，其重力可忽略不計。試求作用在原動件力可忽略不計。試求作用在原動件1 1上的上的點點E E并沿并沿x xx x方向的平衡力以及各運動副方向的平衡力以及各運動副反力。反力。 CBSCBtCBsSilccJlaJJM 22222222iiiFMh22222sgGamFsi解解 1) 1) 作機構(gòu)的運動簡圖、速度多邊形和加速度多邊形作機構(gòu)的運動簡圖、速度多邊形和加速度多邊形 2) 2) 確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩 對于構(gòu)件對于構(gòu)件2 2 33333sgGamFsiCDSCDtCsS

12、ilccJlaJJM 33333333iiiFMh同樣，對于構(gòu)件同樣，對于構(gòu)件3有：有： 3) 3) 動態(tài)靜力計算動態(tài)靜力計算 考慮構(gòu)件考慮構(gòu)件2 2的平衡時，由的平衡時，由MMC C0 0得：得： 0121222CBRhFhFhGltlirlrlCBhFhFhGRrrt1122212 (a) (a) 求構(gòu)件求構(gòu)件2 2、3 3（為一個桿組）（為一個桿組）中各運動副中的反力中各運動副中的反力 考慮構(gòu)件考慮構(gòu)件3 3的平衡時，由的平衡時，由MMC C0 0得：得： 0343343CDRhFhGltlilCDhFhGRit334343以整個桿組作為示力體，以整個桿組作為示力體，由力平衡條件由力平衡

13、條件F F0 0得：得： 0RRFGGFFRRn43t43i332ri2t1212n上式中只有上式中只有R R1212n n和和R R4343n n的大小未知，的大小未知，故可由力多邊形求出。故可由力多邊形求出。 jbRF12gjRF43又由構(gòu)件又由構(gòu)件2 2的平衡條件的平衡條件FF0 0，即：，即： 0RGFFR322212ri可知矢量可知矢量ejej代表代表R R3232，其大小為，其大小為： ejRF23如圖如圖3.12f3.12f所示當(dāng)考慮構(gòu)件的平衡時，所示當(dāng)考慮構(gòu)件的平衡時，由由FF0 0，得：，得： (b)(b)求作用在構(gòu)件求作用在構(gòu)件1 1上的平衡力和運動副反力上的平衡力和運動副

14、反力 0RRF4121bjkRF41kbFFb平衡力平衡力F Fb b的指向與的指向與1 1一致。一致。 用圖解法作機構(gòu)的動態(tài)靜力分析步驟用圖解法作機構(gòu)的動態(tài)靜力分析步驟（1 1）分析步驟）分析步驟 首先, 求出各構(gòu)件的慣性力，并把它們視為外力加于產(chǎn)生慣性力的機構(gòu)上； 其次, 根據(jù)靜定條件將機構(gòu)分解為若干個構(gòu)件組和 平衡力作用的構(gòu)件； 最后, 按照由外力全部已知的構(gòu)件組開始，逐步推算到平衡力作用的構(gòu)件，順序依次建立力平衡條件，并進 行作圖求解。（2 2）舉例）舉例平面六桿機構(gòu)的受力分析（不考慮摩擦）鉸鏈四桿機構(gòu)的受力分析（考慮摩擦）曲柄滑塊機構(gòu)的受力分析（考慮摩擦）3.6 3.6 機械的效率與

15、自鎖機械的效率與自鎖 3.6.1 3.6.1 機械的效率機械的效率 在機械變速穩(wěn)定運動的一個運動循環(huán)或勻速穩(wěn)定運動的任一時間間在機械變速穩(wěn)定運動的一個運動循環(huán)或勻速穩(wěn)定運動的任一時間間隔內(nèi)，隔內(nèi)，輸入功等于輸出功和損耗功之和輸入功等于輸出功和損耗功之和，即即: :frdWWW輸出功與輸入功的比值，反映了輸入功在機械中的有效利用程度，輸出功與輸入功的比值，反映了輸入功在機械中的有效利用程度，稱為機械效率，通常用稱為機械效率，通常用表示，即：表示，即： dfdfddrWWWWWWW1分子、分母同時除以作功的時間后，即得：分子、分母同時除以作功的時間后，即得： dfdrPPPP1機械效率也可用力的比

16、值的形式來表示。機械效率也可用力的比值的形式來表示。 )17. 3(PQdrPvQvPP設(shè)該裝置內(nèi)為不存在有害阻力設(shè)該裝置內(nèi)為不存在有害阻力的理想機器的理想機器110000PQPQPvvQvPQv或00QPvvQPvvPQPQ或P P0 0對應(yīng)于對應(yīng)于Q Q的理想驅(qū)動力的理想驅(qū)動力； Q Q0 0對應(yīng)于對應(yīng)于P P的理想有效阻力。的理想有效阻力。 00QQPP00rrddMMMM將上式代入式將上式代入式(3.17)(3.17)得：得： 即效率等于即效率等于理想驅(qū)動力與實際理想驅(qū)動力與實際驅(qū)動力之比或效率驅(qū)動力之比或效率等于有效阻力與理等于有效阻力與理想阻力之比。想阻力之比。3. .6. .2

17、機械的自鎖機械的自鎖 由單一機構(gòu)組成的機器，它的效率數(shù)據(jù)在一般設(shè)計手冊中可以查到，對由單一機構(gòu)組成的機器，它的效率數(shù)據(jù)在一般設(shè)計手冊中可以查到，對于由若干機構(gòu)組成的復(fù)雜機器，全機的效率可由各個機構(gòu)的效率計算出于由若干機構(gòu)組成的復(fù)雜機器，全機的效率可由各個機構(gòu)的效率計算出來，具體的計算方法按聯(lián)接方式的不同分為三種情況。自己看書。來，具體的計算方法按聯(lián)接方式的不同分為三種情況。自己看書。 1 1、自鎖的條件：、自鎖的條件： 驅(qū)動功被全部摩擦損耗則若0dfWW機器發(fā)生自鎖則若0dfWW綜合兩種情況，機器自鎖條件：綜合兩種情況，機器自鎖條件： 0如果機械上的有害阻力的損耗功總等于輸入功，則=0，在這種

18、情況下，機械原來是運動的，則機械依然保持運動，但輸出功等于0，機械空轉(zhuǎn)。如機械原來是靜止的，則不論驅(qū)動力有多大，都不能使機械發(fā)生運動，這種現(xiàn)象，叫做自鎖。當(dāng)當(dāng)0 0時，其絕對值時，其絕對值越大，自鎖越可靠。越大，自鎖越可靠。3.7 斜面?zhèn)鲃拥男屎妥枣i斜面?zhèn)鲃拥男屎妥枣i 1、滑塊等速上升 )(QtgPtgtgPP02、滑塊等速下降 )(QtgPtgtgPP)(0得自鎖條件：令：03 3、斜面壓榨機的受力分析與自鎖分析、斜面壓榨機的受力分析與自鎖分析4 4、偏心夾具的受力分析與自鎖分析、偏心夾具的受力分析與自鎖分析5 5、凸輪機構(gòu)的推桿的受力分析與自鎖分析、凸輪機構(gòu)的推桿的受力分析與自鎖分析作

19、業(yè)3-13-23-33-4*3-7習(xí)題解答習(xí)題解答 3.1 圖示楔形機構(gòu)中，已知=60，有效阻力Fr=1000N，各接觸面的摩擦系數(shù)f =0.15。試求所需的驅(qū)動力Fd。NFFFFFFFrrr7 .145194.42sin53.98sin1000)2sin()90sin()90sin()2sin(0212123212為分離體：以構(gòu)件NFFFFFFFddd66.143047.81sin06.77sin7 .1451)90sin()2180sin()90sin()2180sin(0121213121為分離體：以構(gòu)件53. 815. 0arctanarctanf3.2 3.2 在圖示機構(gòu)中，已知在圖

20、示機構(gòu)中，已知F F5 5 =1000N=1000N，l lABAB=100 mm=100 mm，l lBCBC = l = lCDCD =2 l =2 lABAB，l lCECE = l = lEDED= l= lDFDF，試求各運動副反力和平衡力矩，試求各運動副反力和平衡力矩M Mb b。 NFF141445cos/534NaccdFFb5003535. 0141443mmNlFMABbb500001005003.3 在圖示曲柄滑塊機構(gòu)中，已知各構(gòu)件的尺寸、轉(zhuǎn)動副軸頸半徑r及當(dāng)量摩擦系數(shù)fv，滑塊與導(dǎo)路的摩擦系數(shù)f。而作用在滑塊3上的驅(qū)動力為Fd。試求在圖示位置時，需要作用在曲柄上沿xx方向的平衡力Fb（不計重力和慣性力）。 032343FFFd為示力體以構(gòu)件014121bFFF為示力體以構(gòu)件3.4 在圖示機構(gòu)中，已知：x=250mm，y=200mm，lAS2=128mm，F(xiàn)d為驅(qū)動力，F(xiàn)r=200N為有效阻力，m1= m3=2.75kg，m2=4.59kg，Js2=0.012kgmm2，滑塊3以等速v=5m/s向上移動，試確定作用在各構(gòu)件上的慣性力。 sradlvsmabvvvvABBAvBABAAB/9 .1923 . 0/3685. 6/3685. 62速度分析：