第11章 機(jī)械中的效率

1、第五章第五章 機(jī)械的效率和自鎖機(jī)械的效率和自鎖51 機(jī)械的效率機(jī)械的效率52 機(jī)械的自鎖機(jī)械的自鎖作者：潘存云教授重力功重力功動(dòng)能增量動(dòng)能增量有害功有害功有效功有效功驅(qū)動(dòng)功驅(qū)動(dòng)功m m t 一、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功能關(guān)系一、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功能關(guān)系51 機(jī)械的效率機(jī)械的效率1.動(dòng)能方程動(dòng)能方程機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所有作用在機(jī)械機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所有作用在機(jī)械上的力都要做功，由能量守恒上的力都要做功，由能量守恒定律知：定律知：所有外力之功等于動(dòng)能增量2.機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn) WdWrWfWG=E00輸入功大于有害功之和。輸入功大于有害功之和。WdWrWfWG= EE0 a)啟動(dòng)階段啟動(dòng)階段 速度速度0,動(dòng)能動(dòng)能0E0E

2、啟動(dòng)啟動(dòng)作者：潘存云教授m m t 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)啟動(dòng)b)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段在一個(gè)循環(huán)內(nèi)有：在一個(gè)循環(huán)內(nèi)有： WdWrWf= EE00勻速穩(wěn)定階段勻速穩(wěn)定階段 常數(shù)，任意時(shí)刻都有：常數(shù)，任意時(shí)刻都有：變速穩(wěn)定階段變速穩(wěn)定階段 在在m m上下上下 周期波動(dòng)周期波動(dòng), , (t)=(t+T(t)=(t+Tp p) )WG=0, E=0E=0 Wd= Wr+WfWdWrWf=EE00 Wd=WrWfc)停車階段停車階段 0 WdWrWfWG= EE00和 =斜面摩擦。斜面摩擦。擰緊時(shí)直接引用斜面摩擦的結(jié)論有：擰緊時(shí)直接引用斜面摩擦的結(jié)論有：假定載荷集中在中徑假定載荷集中在中徑d2 圓柱面

3、內(nèi)，展開圓柱面內(nèi)，展開d2斜面升角為：斜面升角為： tg螺紋的擰松螺紋的擰松螺母在螺母在F和和G的聯(lián)合作的聯(lián)合作用下，順著用下，順著G等速向下運(yùn)動(dòng)。等速向下運(yùn)動(dòng)。v螺紋的擰緊螺紋的擰緊螺母在螺母在F和和G的聯(lián)合作的聯(lián)合作用下，逆著用下，逆著G等速向上運(yùn)動(dòng)。等速向上運(yùn)動(dòng)。v=l /d2=zp /d2 從端面看d2Gd3d1lGF)(GtgF-摩擦角摩擦角（2）機(jī)械效率的實(shí)驗(yàn)測定機(jī)械效率的確定除了用計(jì)算法外，更常用實(shí)驗(yàn)法來測定，許多機(jī)械尤其是動(dòng)力機(jī)械在制成后，往往都需做效率實(shí)驗(yàn)。表表5 52 2列出由實(shí)驗(yàn)所得簡單傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副列出由實(shí)驗(yàn)所得簡單傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械效率。的機(jī)械效率。表表5-2

4、簡單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率簡單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率名名 稱稱傳傳 動(dòng)動(dòng) 形形 式式效率值效率值備備 注注圓柱齒圓柱齒輪傳動(dòng)輪傳動(dòng)67級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.980.99 良好跑合、稀油潤滑良好跑合、稀油潤滑 8級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.97 稀油潤滑稀油潤滑 9級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.96 稀油潤滑稀油潤滑 切制齒、開式齒輪傳動(dòng)切制齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.940.96 干油潤滑干油潤滑 鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng)鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.90.93圓錐齒圓錐齒輪傳動(dòng)輪傳動(dòng)67級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.970.98 良好跑合、稀油潤滑良好跑合、稀油潤滑 8級(jí)精度齒輪

5、傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.940.97 稀油潤滑稀油潤滑 切制齒、開式齒輪傳動(dòng)切制齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.920.95 干油潤滑干油潤滑 鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng)鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.880.92蝸桿傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)自鎖蝸桿自鎖蝸桿 0.400.45單頭蝸桿單頭蝸桿 0.700.75雙頭蝸桿雙頭蝸桿 0.750.82 潤滑良好潤滑良好 三頭、四頭蝸桿三頭、四頭蝸桿 0.800.92圓弧面蝸桿圓弧面蝸桿 0.850.95續(xù)表續(xù)表5-2 簡單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率簡單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率名名 稱稱傳傳 動(dòng)動(dòng) 形形 式式效率值效率值備備 注注帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)平型帶傳動(dòng)平型帶傳動(dòng) 0.900.98滑動(dòng)軸承滑動(dòng)軸

6、承球軸承球軸承 0.99 稀油潤滑稀油潤滑 滾子軸承滾子軸承 0.98 稀油潤滑稀油潤滑 滑動(dòng)螺旋滑動(dòng)螺旋 0.300.80滾動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋 0.850.95V型帶傳動(dòng)型帶傳動(dòng) 0.940.96套筒滾子鏈套筒滾子鏈 0.96無聲鏈無聲鏈 0.97鏈傳動(dòng)鏈傳動(dòng)平摩擦輪傳動(dòng)平摩擦輪傳動(dòng) 0.850.92摩擦輪摩擦輪傳動(dòng)傳動(dòng)潤滑良好潤滑良好槽摩擦輪傳動(dòng)槽摩擦輪傳動(dòng) 0.880.900.94 潤滑不良潤滑不良0.97 潤滑正常潤滑正常0.99 液體潤滑液體潤滑滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)3. 機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)算機(jī)組 由若干個(gè)機(jī)器組成的機(jī)械系統(tǒng)。 當(dāng)已知機(jī)組各臺(tái)機(jī)器的機(jī)械效率時(shí)，則該機(jī)械的總效率可由

7、計(jì)算求得。（1）串聯(lián) 串聯(lián)機(jī)組功率傳動(dòng)的特點(diǎn)是前一機(jī)器的輸出功率即為后一機(jī)器的輸入功率。串聯(lián)機(jī)組的總機(jī)械效率為PrPd P1P2PdP1PkPk-1 12k 即串聯(lián)機(jī)組總效率等于組成該機(jī)組的各個(gè)機(jī)器效率的連乘積。1k212kPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr 只要串聯(lián)機(jī)組中任一機(jī)器的效率很低，就會(huì)使整個(gè)機(jī)組的效率極低；且串聯(lián)機(jī)器數(shù)目越多，機(jī)械效率也越低。 要提高并聯(lián)機(jī)組的效率，應(yīng)著重提高傳動(dòng)功率大的路線的效率。結(jié)論（2）并聯(lián) 并聯(lián)機(jī)組的特點(diǎn)是機(jī)組的輸入功率為各機(jī)器的輸入功率之和，而輸出功率為各機(jī)器的輸出功率之和。 PriPdiP11+P22+PkkP1+P2+Pk 即并聯(lián)機(jī)組的

8、總效率與各機(jī)器的效率及其傳動(dòng)的功率的大小有關(guān)，且min max； 機(jī)組的總效率主要取決于傳動(dòng)功率大的機(jī)器的效率。結(jié)論12k12kP11P22PkkP1P2PkPd作者：潘存云教授PdNkP1P212N”rNr作者：潘存云教授PdNkP1N2Nd2 N”d2N”d3Nd3NrN”r1233“44“P1P2Pd2 P”d2P”d3Pd3PrP”r1233“44“PdPr(3)(3)混聯(lián)混聯(lián)先分別計(jì)算，合成后按串聯(lián)或并聯(lián)計(jì)算。先分別計(jì)算，合成后按串聯(lián)或并聯(lián)計(jì)算。作者：潘存云教授Pr并聯(lián)計(jì)算并聯(lián)計(jì)算串聯(lián)計(jì)算串聯(lián)計(jì)算P”rPr串聯(lián)計(jì)算串聯(lián)計(jì)算混聯(lián)機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)算步驟為1）將輸入功至輸出功的路線弄清楚；

9、2）分別計(jì)算出總的輸入功率Pd和總的輸出功率Pr；3）按下式計(jì)算其總機(jī)械效率。 Pr /Pd 例 已知某機(jī)械傳動(dòng)裝置中各機(jī)構(gòu)的效率和輸出功率，求該機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。PPPPPPP1243534dPPPPPPPPPP1234534dPPP=5 kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2 kW解 機(jī)構(gòu)3、4串聯(lián)的部分P2Pr /(3 4 ) 5 kW/0.9625.425 kW機(jī)構(gòu)3 、4及5串聯(lián)的部分0.2 kW/(0.9420.42)0.539 kW故該機(jī)械的總效率為 123 0.98 0.980.872=0.837 P2 P r /(3 4 5 ) PPPPP

10、PP1243534dPPPPPPPPPP1234534dPPP=5 kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2 kW機(jī)構(gòu)P1 、 P2 并聯(lián)的部分3 (Pr +Pr ) /(P1 +P2 )=(5+0.2)/(5.425+0.539)=0.872解 機(jī)構(gòu)1、2、3 及4串聯(lián)的部分PdPr /(123 4 ) 5 kW/(0.9820.962)5.649 kW機(jī)構(gòu)1、2、3 、4及5串聯(lián)的部分0.2 kW/(0.9820.9420.42)0.561 kW故該機(jī)械的總效率為 Pr /Pd(5+0.2) kW/(5.649+0.561) kW =0.837Pd Pr /(1

11、23 4 5 ) PPPPPPP1243534dPPPPPPPPPP1234534dPPP=5 kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2 kW1. 機(jī)械的自鎖5-2 機(jī)械的自鎖機(jī)械的自鎖（1） 自鎖現(xiàn)象某些機(jī)械，就其機(jī)械而言是能夠運(yùn)動(dòng)的，但由于摩擦的存在，卻會(huì)出現(xiàn)無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，也無法使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。（2）自鎖意義 設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，為使機(jī)械能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，必須避免機(jī)械在所需的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生自鎖；有些機(jī)械的工作需要具有自鎖的特性，（3）自鎖條件機(jī)械發(fā)生自鎖實(shí)質(zhì)上是機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)副發(fā)生了自鎖。如手搖螺旋千斤頂千斤頂?shù)鹊? 。G作者：潘存云教授摩擦錐摩擦錐v2121無論無

12、論F多大，滑塊在多大，滑塊在F的作用下不可能運(yùn)動(dòng)的作用下不可能運(yùn)動(dòng)發(fā)生自鎖。發(fā)生自鎖。法向分力：法向分力： Fn=Fcos 水平分力：水平分力： Ft=Fsin正壓力：正壓力： N21=Fn 最大摩擦力最大摩擦力 ：F Fmaxmax = f N21當(dāng)當(dāng)( (摩擦角) )時(shí)時(shí), ,恒有：恒有：分析平面移動(dòng)副在驅(qū)動(dòng)力P作用的運(yùn)動(dòng)情況： N21Ft F Fmaxmax= = Fn tg = FntgF21FR21FFtFn例：含移動(dòng)副的機(jī)械例：含移動(dòng)副的機(jī)械 結(jié)論結(jié)論 移動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件為：在移動(dòng)副中，如果作用于移動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件為：在移動(dòng)副中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動(dòng)力作用在其摩擦角之內(nèi)（即滑

13、塊上的驅(qū)動(dòng)力作用在其摩擦角之內(nèi)（即 ），則發(fā)生自鎖。），則發(fā)生自鎖。當(dāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副僅受單力當(dāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副僅受單力F作用作用,力臂長為力臂長為a,摩擦圓半徑為摩擦圓半徑為，時(shí)：時(shí)：最大摩擦力矩為最大摩擦力矩為： Mf =FR當(dāng)力當(dāng)力F的作用線穿過摩擦圓的作用線穿過摩擦圓(a)時(shí)時(shí)F F M=F a產(chǎn)生的力矩為：產(chǎn)生的力矩為：例：含轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)械例：含轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)械 1212FaFR=FM = F a Mf =FR = F 即即F 任意增大（任意增大（a不變），也不能使不變），也不能使軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。 結(jié)論 作用在軸頸上的驅(qū)動(dòng)力為作用在軸頸上的驅(qū)動(dòng)力為 單力單力F，

14、且作用于摩擦角之且作用于摩擦角之 內(nèi)，內(nèi)，即即 a 時(shí)，時(shí)，自鎖。自鎖。 = fv rr 故其自鎖條件為v 。2. 機(jī)械自鎖條件的確定(1) 從運(yùn)動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件來確定原因 機(jī)械的自鎖實(shí)質(zhì)就是其中的運(yùn)動(dòng)副發(fā)生了自鎖。例5-6 手搖螺旋千斤頂當(dāng)v時(shí)， 其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機(jī)械也必將發(fā)生自鎖，(2) 從生產(chǎn)阻力G0的條件來確定 當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，機(jī)械不能運(yùn)動(dòng)，這時(shí)能克服的生產(chǎn)阻力G0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FG G螺旋副例5-7 手搖螺旋千斤頂自鎖要求M0，即 tan(v) 0故此千斤頂自鎖條件為 v 。 G0 意味著只有阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動(dòng)力后，才能使機(jī)

15、械運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)械已發(fā)生自鎖。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FG GM反行程： 驅(qū)動(dòng)力為G，阻抗力矩為M ，M Gd2tan(v)/2則（3）從效率 0的條件來確定 當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，其驅(qū)動(dòng)力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf， 1Wf /Wd 0 故 例5-8 手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為 G0/G = tan(v) /tan令0，則得此自鎖條件為 v 。（4）從自鎖的概念或定義的角度來確定 當(dāng)生產(chǎn)阻力G 一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)力F任意增大，即F，或驅(qū)動(dòng)力F的有效分力Ft總是小于等于其本身所能引起的最大摩擦力， 即Ft Ffmax此時(shí)，機(jī)械將發(fā)生自鎖。作者

16、：潘存云教授1DA3O2BODA123應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：圖示鉆夾具在圖示鉆夾具在F力作用下夾緊，去掉力作用下夾緊，去掉F后要后要求不能松開，即反行程具有自鎖性。分析其幾何條件。求不能松開，即反行程具有自鎖性。分析其幾何條件。由此可求出夾具各參數(shù)的幾何條件為：由此可求出夾具各參數(shù)的幾何條件為：在直角在直角ABC中有：中有：在直角在直角OEA中有：中有： 反行程具有自鎖條件為：反行程具有自鎖條件為：s-s1 esin()(Dsin)/2 s =OEs1 =AC e分析：分析：若總反力若總反力FR23穿過摩擦圓穿過摩擦圓-發(fā)生自鎖發(fā)生自鎖=(Dsin) /2 =esin() -FFR23Bss1E

17、EOACBC作者：潘存云教授作者：潘存云教授FR13FR2390+9090-+2-+2-9090-(-)-(-)-29090-132例例 斜面壓榨機(jī)自鎖的條件。斜面壓榨機(jī)自鎖的條件。力多邊形中，根據(jù)正弦定律得：力多邊形中，根據(jù)正弦定律得：提問：提問：如如F力反向，該機(jī)械發(fā)生自鎖嗎？力反向，該機(jī)械發(fā)生自鎖嗎？FFR32GG = F FR R23 cos(-2)/cos-2)/cosGFFR32v32F FR R13 + F FR R23 + G = 0 大?。捍笮。?？ ？ 方向：方向： F FR R32 + F FR R12 + F = 0 大小：大小： ？ ？方向：方向： F = F FR R32 sin(-2)/cos-2)/cos 令令F0F0得：得：F= Gtg(-2)-2)tg(-2)-2)0022由由F FR R32-F FR R23可得：可得：