機(jī)械原理教案第五章機(jī)械中的摩擦和機(jī)械效率

1、天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632本次課題（或教材章節(jié)題目）： 機(jī)械中的摩擦和機(jī)械效率教學(xué)要求：明確研究機(jī)械中摩擦的意義，認(rèn)識摩擦的復(fù)雜性和二重性，掌握移動副和轉(zhuǎn)動副摩擦及其考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)受力分析的圖解法，學(xué)會用力和力矩表達(dá)機(jī)械效率及進(jìn)行機(jī)構(gòu)的效率和自鎖分析。重 點：移動副和轉(zhuǎn)動副摩擦、當(dāng)量摩擦系數(shù)：關(guān)于摩擦圓、考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)受力分析的圖解法，力（矩）的機(jī)械效率表達(dá)式、自鎖分析。難 點：當(dāng)量摩擦系數(shù)、摩擦圓、考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析的圖解法教學(xué)手段及教具：以黑板講授為主。講授內(nèi)容及時間分配：（4學(xué)時）研究機(jī)械中摩擦的目的運動副中的摩擦3、考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)

2、的受力分析4、機(jī)械的效率5、機(jī)械的自鎖課后作業(yè)包括：當(dāng)量摩擦系數(shù)、摩擦圓的概念、考慮摩擦?xí)r構(gòu)件的受力方向；簡單機(jī)構(gòu)的自鎖分析閱讀指南對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析時，在很多場合下摩擦力是不能忽略的，比如：高速、精密、大功率傳動、研究機(jī)構(gòu)的效率和能耗問題、機(jī)構(gòu)的自鎖問題、進(jìn)行制動器和離合器設(shè)計等方面。統(tǒng)計分析表明導(dǎo)致機(jī)械失效的主要原因是由摩擦磨損造成的。本章雖然是討論考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析問題，但其討論均是建立在古典摩擦三定律基礎(chǔ)之上的，假定已知接觸表面的摩擦系數(shù)（或摩擦角或摩擦圓半徑）。實際上，摩擦是一個很復(fù)雜的現(xiàn)象。解釋摩擦存在的機(jī)理或理論有多種多樣，摩擦系數(shù)大小的確定與上百種因素有關(guān)。 近幾十年來誕

3、生了一門新的邊緣學(xué)科“Tribology”-摩擦學(xué)，它已各種成為國際上發(fā)展最快的學(xué)科之一。它運用物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械學(xué)和實際工程學(xué)等方面的綜合知識研究摩擦涉及的各種工程問題、醫(yī)學(xué)問題和從刷牙到打高爾夫球等幾乎所有的日常生活方面的問題，具有很強(qiáng)的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。如果想系統(tǒng)地了解摩擦學(xué)的基本原理，具備從事這方面研究的摩擦磨損及潤滑基礎(chǔ)理論，可參閱：摩擦學(xué)原理（英）J霍林編著，上海交通大學(xué)摩擦學(xué)研究室譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1981另外一本在摩擦磨損理論和計算方面的代表性著作是：摩擦磨損計算原理（蘇）克拉蓋爾斯基著，汪一麟、朱安仁、范明德譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1982 作

4、者是國際上具有極高聲譽(yù)。書中闡述了固體在摩擦磨損時相互作用的基本過程，說明了齒輪傳動機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦離合器等多種機(jī)械的摩擦磨損的計算方法。第五章 機(jī)械中的摩擦和機(jī)械效率有害：功率損耗，發(fā)熱，效率下降，運動副元素受到磨損，降低零件的強(qiáng)度、機(jī)械的精度和工作壽命。有利：利用摩擦來工作：帶傳動、摩擦離合器、制動器、工裝夾具5-1研究機(jī)械中摩擦的目的 摩擦的二重性本章研究內(nèi)容只限于經(jīng)典摩擦學(xué)范圍（定性）研究目的：揚其利，避其害研究內(nèi)容： = 1 * GB3 常見運動副中的摩擦分析 = 2 * GB3 考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析 = 3 * GB3 機(jī)械效率的計算 = 4 * GB3 “自鎖” 現(xiàn)象的研

5、究與載荷成正比與名義接觸面積無關(guān)與速度無關(guān) 摩擦三定律5-2運動副中的摩擦N21（法向反力）P（驅(qū)動力）f（摩擦力）Q（載荷）12R21V211.移動副中的摩擦1）移動副中摩擦力的確定摩擦力 ：Q一定，只與運動副的形狀有關(guān)：與配對材料，表面特性有關(guān) = 1 * GB3 對于平面 = 2 * GB3 對于槽面 = 3 * GB3 對于圓柱面取當(dāng)量摩擦系數(shù)，顯然大于平面非跑合軸，反力均勻 跑合軸，反力按余弦分度 大間距軸，點接觸 理論上，圓柱面當(dāng)量摩擦系數(shù)的選擇（對于轉(zhuǎn)動和移動均如此）： 到此以后，不論何種摩擦系面，摩擦力均可表示成載荷與當(dāng)量摩擦系數(shù)的乘積，即：關(guān)于當(dāng)量摩擦系數(shù)：a) 是對研究問題

6、方便所引入的物理量，那么在研究不同摩擦表面的摩擦力時均使用（與平面摩擦相同）。b)必須注意引入并非摩擦系數(shù)或者是當(dāng)量載荷大小發(fā)生變化，實際是正反力大小隨接觸表面形狀不同而改變。c)槽面、圓柱面摩擦力大于平面摩擦力（、相同）即接觸表面幾何形狀的改變可以使摩擦力大小發(fā)生變化（V帶傳動、螺紋連接、摩擦輪傳動）。2）移動副中總反力的確定及力分析（以斜面為例）v圖示斜面上滑塊上：外力 ：載荷 ：正反力 ：摩擦力力平衡條件： 結(jié)論：在含有移動副的機(jī)構(gòu)考慮摩擦力的力分析中，只需要將反力用與其偏移角（摩擦角）的力來替代，就等于考慮了摩擦力的影響（注意的偏斜與摩擦力同向），而不必再畫出摩擦力。v同理，若分析斜面

7、上滑塊的下滑情況：驅(qū)動力 ：阻抗力（阻止滑塊加速下滑）力平衡條件：,0，在驅(qū)動力作用下等速下滑，阻抗,0， 力不能使滑塊下滑，應(yīng)借助力 2.螺旋副中的摩擦1）矩形螺紋螺旋副中的摩擦（1）矩形行螺紋的基本參數(shù)： ：螺距 ：頭數(shù) ：導(dǎo)程升角 （,0，表明在作用下螺母松脫，需阻止加速松脫, 0，表明在作用下螺母不能自動松脫，需借助實現(xiàn)松脫（實際上螺紋連接）2）三角螺紋三角螺紋（上升） 三角螺紋（下降 ）考慮到三角螺紋（類似槽面）與矩形螺紋（類似平面）在幾何形狀上的差異：用（）代替（）即可。取三角螺紋 （：牙形斜角）計算忽略升角的影響，近似為槽面摩擦3.轉(zhuǎn)動副中的摩擦1）軸頸摩擦設(shè)軸頸受驅(qū)動力，并勻速

8、轉(zhuǎn)動該轉(zhuǎn)動副中摩擦力合力其中當(dāng)量摩擦系數(shù)其摩擦力矩（其中為摩擦圓半徑）由力平衡條件：機(jī)座中總反力合力 *關(guān)于摩擦圓 = 1 * GB3 摩擦圓是一個假想圓（），它類似于摩擦角（錐）的概念（見 = 5 * GB3 ）。 = 2 * GB3 當(dāng)兩構(gòu)件具有相對轉(zhuǎn)動時或者是轉(zhuǎn)動趨勢時，轉(zhuǎn)動副中總反力切于摩擦圓（平面摩擦種總反力恒切于摩擦錐） = 3 * GB3 轉(zhuǎn)動副中摩擦阻力矩大小 = 4 * GB3 對于含有轉(zhuǎn)動副考慮摩擦的受力分析中，不能畫出摩擦力，只需用一個切于摩擦圓的反力表示原來通過轉(zhuǎn)動中心的反力即可（注意：切點位置應(yīng)與方向一致）。 = 5 * GB3 反力： 力平衡條件水平驅(qū)動力作用力：在

9、摩擦圓錐內(nèi)（） 作用在摩擦圓之內(nèi)（） 驅(qū)動力摩擦力 驅(qū)動力矩） 作用力切于摩擦圓之外（）將作加速運動*考慮摩擦?xí)r，機(jī)構(gòu)中運動副反力方向的判定：方法要點： = 1 * GB3 在不考慮摩擦情況下，先大體確定各反力方向移動副：反力轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動副：反力切于摩擦圓 = 2 * GB3 考慮摩擦?xí)r，再修正反力方向 = 3 * GB3 注意移動副：反力轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動副：反力切于摩擦圓內(nèi)含摩擦力（矩），將阻止該點兩構(gòu)件的相對運動。2）軸端摩擦圖示為軸端在機(jī)座中旋轉(zhuǎn)，載荷，軸端尺寸：，摩擦力矩求法：在軸端取微環(huán)面積：設(shè)上壓強(qiáng)=常數(shù)；微面積上所受正壓力，故摩擦力微環(huán)上的摩擦力矩設(shè)=常數(shù) (a)若=常數(shù) (b)總摩擦力矩關(guān)

10、于跑合和未跑合軸端（也稱磨合） = 1 * GB3 靜止軸、不經(jīng)常轉(zhuǎn)動的軸、新軸屬于未跑合軸（=常數(shù)） = 2 * GB3 跑合軸轉(zhuǎn)動時：（=常數(shù)）V外圈大磨損 間隙壓強(qiáng)承載面內(nèi)移內(nèi)圈載荷磨損 承載面外移 （自調(diào)過程） = 3 * GB3 機(jī)械中的軸端（推力滑動軸承）多屬于跑合軸。由=常數(shù)可知，軸心處很大，故多做成空心軸 = 4 * GB3 使用（a）（b）式計算差別不大，誤差大約為（=0）：（誤差更大）5-3考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析（介紹例題）5-4機(jī)械的效率一、機(jī)械效率及其表達(dá)方式(d: driver; f: friction; r: resistance) 1、機(jī)械效率 輸入功（原動功）

11、輸出功（克服生產(chǎn)阻力）損耗功（摩擦等）2、機(jī)械效率的力（或力矩）表達(dá)式 對于理想機(jī)械，設(shè)輸出功率不變： （） ：理想驅(qū)動力，全部用于作功。除去用于摩擦的那部分將其回代效率的表達(dá)式得同理可得 理想驅(qū)動力 理想驅(qū)動力矩= = 實際驅(qū)動力 實際驅(qū)動力矩即：對于理想機(jī)械，設(shè)輸出功率不變時： （，輸入作用力都用于作功?；卮实谋磉_(dá)式得同理可得 實際阻力 實際阻力矩= = 理想阻力 理想阻力矩即：二、效率的計算方法 a）滑塊上升（擰緊螺母）實際驅(qū)動力 b）滑塊下滑實際驅(qū)動力 三、機(jī)組效率機(jī)組串聯(lián) 結(jié)論： = 1 * GB3 串聯(lián)機(jī)組的效率等于各級效率的連乘積； = 2 * GB3 串聯(lián)機(jī)組的效率比小于其

12、中任一局部效率（水桶原理類似）； = 3 * GB3 提高效率應(yīng)看重于和減小串聯(lián)數(shù)目。機(jī)組并聯(lián)1N 11N 1N 1N 1輸入功率：輸出功率：所以結(jié)論： = 1 * GB3 并聯(lián)機(jī)組的效率不僅與各級效率有關(guān)，而且與總功率如何分配到各級的方法有關(guān)； = 2 * GB3 并聯(lián)機(jī)組的總效率必介于和之間； = 3 * GB3 若機(jī)組各級效率相同，那么不論級數(shù)多少，其總效率等于某一局部效率； = 4 * GB3 并聯(lián)機(jī)組提高效率的途徑：一是將功率盡量分配給的機(jī)器；一是提高大功率機(jī)器的效率。5-4機(jī)械的自鎖一、自鎖的概念對于某些機(jī)器，由于摩擦力存在，致使驅(qū)動力如何增大，均無法使機(jī)器運動，稱為自鎖。意義： = 1 * GB3 運動機(jī)器（作功）避免在自鎖點附近工作； = 2 * GB3 利用自鎖來工作（卡具、千斤頂、螺紋防松二、自鎖的力學(xué)特征驅(qū)動力（或力矩）摩擦力（或力矩）驅(qū)動力矩可克服的生產(chǎn)阻力矩為空；對于移動副：當(dāng)驅(qū)動力作用與摩擦角（錐）內(nèi)，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生自鎖；對于轉(zhuǎn)動副：當(dāng)驅(qū)動力作用線與摩擦圓相割，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生自鎖；機(jī)構(gòu)自鎖條件： （千斤頂 ）注意：已不是一般意義上的效率，負(fù)值愈大，自鎖愈可靠。例1偏心夾具設(shè)計P作用力去掉后，反力不能將工件松脫（條件是割于摩擦圓內(nèi)）例2斜面壓榨機(jī)例3契面夾具如圖，用契塊將1、