械的效率及自鎖ppt課件

1、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)侯 明 亮 houmingliang163.conComposition Principle and Structural Analysis of Mechanisms機(jī)械中的摩擦、機(jī)械效率和自鎖根本要求：1、熟練掌握挪動副、螺旋副、轉(zhuǎn)動副中摩擦問題的分析和計算方法。2、熟練掌握機(jī)械效率的概念及效率的各種表達(dá)式，掌握機(jī)械效率的計算方法。3、正確了解機(jī)械自鎖的概念，掌握確定自鎖條件的方法。4、了解提高機(jī)械效率的途徑及摩擦在機(jī)械中的運用 本章的重點:1、物體所受總反力方向確實定。2、挪動副、轉(zhuǎn)動副中摩擦問題的分析方法。3、自鎖景象和自鎖條件的判別本章的難點: 關(guān)于自鎖條件的判別主要內(nèi)容

2、：1 幾種常見運動副中摩擦問題的分析。2 思索摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析。3 機(jī)械效率的計算。4 自鎖景象及機(jī)構(gòu)產(chǎn)生自鎖的條件。5-1 研討摩擦的目的摩擦的優(yōu)缺陷： 摩擦引起能量損耗，降低機(jī)械的效率。 摩擦引起磨損，降低零件的強(qiáng)度、縮短機(jī)械的壽命，降低機(jī)械的運動精度。 摩擦發(fā)熱，呵斥機(jī)械卡死。利用摩擦任務(wù)，如帶傳動、摩擦離合器、制動器等。研討摩擦的目的：盡量減少其不利影響，充分發(fā)揚其有用的方面。 5.1.1 挪動副中的摩擦1平面摩擦 滑塊與平面構(gòu)成的挪動副，滑塊在驅(qū)動力F的作用下向左挪動。驅(qū)動力F的分解構(gòu)件1對滑塊2的反力：總反力R的方向：稱為摩擦角，摩擦角的大小由摩擦系數(shù)決議，與驅(qū)動力F的大小和方

3、向無關(guān)。總反力的方向與滑塊2的相對運動方向成2斜面摩擦如下圖，滑塊位于傾角為的斜面上，Q為作用在滑塊上的鉛垂載荷包括滑塊的自重， 為接觸面的摩擦角?，F(xiàn)討論滑塊沿斜面勻速運動時所需的程度驅(qū)動力滑塊沿斜面上升 現(xiàn)設(shè)滑塊在程度驅(qū)動力F作用下沿斜面等速上升斜面對滑塊的總反力為R，它與滑塊運動方向成 ，根據(jù)平衡條件得作力多變形，得滑塊沿斜面下滑 現(xiàn)設(shè)滑塊在程度力F作用下沿斜面等速下滑，斜面對滑塊的總反力為R，它與滑塊運動方向成 ，根據(jù)平衡條件得作力多變形，得該當(dāng)留意：在下滑時，Q為驅(qū)動力。F為正值，是阻止滑塊1加速下滑的阻抗力；F為負(fù)值，其方向與圖示方向相反，F(xiàn)是驅(qū)動力，其作用是促使滑塊1沿斜面2等速下

4、滑。3槽面摩擦 如下圖，楔形滑塊A置于夾角為2的槽面B上，Q為作用于滑塊上的鉛垂載荷包括滑塊自重，接觸面間的摩擦系數(shù)為 。現(xiàn)設(shè)滑塊受程度驅(qū)動力F作用沿槽面作勻速滑動，其接觸面上的摩擦力應(yīng)如何計算？當(dāng)量摩擦角： 當(dāng)量摩擦系數(shù)：當(dāng)量摩擦系數(shù)相當(dāng)于把楔形滑塊視為平面滑塊時的摩擦系數(shù)。由于 大于 ，故楔形滑塊摩擦較平滑塊要大，因此經(jīng)常利用楔形增大所需的摩擦力。V帶傳動、三角螺紋聯(lián)接即為其運用的實例。 影響當(dāng)量摩擦系數(shù)的要素：接觸面的幾何外形。摩擦系數(shù)5.1.2 螺旋副中的摩擦研討螺旋副時的假定：螺母與螺柱間的壓力作用在螺旋平均半徑的螺旋線上。螺旋副中力的作用與滑塊和斜面間力的作用一樣。這樣就可以把平均

5、半徑處的螺旋線展開在平面上，將空間問題化為平面問題來研討。1. 矩形螺紋螺旋副中的摩擦 力矩可用假想作用在螺紋平均半徑處的程度力替代，即擰緊螺母時，相當(dāng)于滑塊沿斜面上升：松開螺母時，相當(dāng)于滑塊沿斜面下滑：為正值，為阻止螺母加速松退的阻力矩；為負(fù)值，即為放松螺母所需的驅(qū)動力矩。2. 三角形螺紋螺旋副中的摩擦研討非矩形螺紋時，可把螺母在螺柱上的運動近似地以為是楔形滑塊沿槽面的運動，而斜槽面的夾角可以為等于為非矩形螺紋的半頂角。那么當(dāng)量摩擦系數(shù)為：那么當(dāng)量摩擦角為：擰緊力矩：防松力矩：5.1.3 轉(zhuǎn)動副中的摩擦轉(zhuǎn)動副按載荷作用情況不同分為兩種。軸頸摩擦：當(dāng)載荷垂直于軸的徑向的轉(zhuǎn)動副摩擦軸端摩擦：當(dāng)載

6、荷平行于軸的幾何軸線的轉(zhuǎn)動副摩擦軸頸摩擦軸端摩擦、軸頸摩擦現(xiàn)設(shè)軸頸受驅(qū)動力矩的作用作等速回轉(zhuǎn)，根據(jù)平衡條件知，軸承對軸頸一切法向反力和摩擦力合成后的總反力A必與等值反向，與必組成一對力偶，力偶矩與等值反向，力偶臂為：由于：那么：摩擦力矩：當(dāng)量摩擦系數(shù)：由前面的知識知：力偶臂為：摩擦園：以力偶臂為半徑的圓。摩擦園半徑：力偶臂在對機(jī)構(gòu)進(jìn)展受力分析時，需求確定轉(zhuǎn)動副中的總反力，總反力的方位可根據(jù)如下三點確定： 在不思索摩擦力的情況下，根據(jù)力的平衡條件，確定不計摩擦力時的總反力的方向； 思索摩擦?xí)r，總反力應(yīng)與摩擦圓相切； 軸承B對軸頸A的總反力對軸頸中心之矩的方向必與軸頸A相對于軸承B的相對角速度的方

7、向相反。2、軸端摩擦 當(dāng)軸端在止推軸承上旋轉(zhuǎn)時，接觸面間將產(chǎn)生摩擦力。摩擦力對軸回轉(zhuǎn)軸線之矩即摩擦力矩 環(huán)形微面積 環(huán)形微面積上所受的正壓力 摩擦力為 軸端所受的摩擦力矩 A 新軸端 可以為整個軸端接觸面上的壓強(qiáng)處處相等上式可分兩種情況討論。 B 跑合軸端經(jīng)過一段時間任務(wù)后的軸端。軸端與軸承接觸面的壓強(qiáng)不再處處相等，而更符合 軸端中心處的壓強(qiáng)非常大，極易壓潰，故對于載荷較大的通常作成空心的 挪動副中總反力的方向確定： 總反力與法向反力偏斜一摩擦角或當(dāng)量摩擦角； 總反力與法向反力偏斜的方向與構(gòu)件1相對于構(gòu)件2的相對速度方向相反。留意：1 挪動副中的總反力與法向反力偏斜的角度一直為摩擦角或當(dāng)量摩擦

8、角嗎？2 槽面接觸的摩擦力大于平面接觸的摩擦力，是由于槽面接觸的摩擦系數(shù)大嗎？3 影響當(dāng)量摩擦系數(shù)的要素有哪些？例5-1 如下圖的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，曲柄1為自動件，在力矩 的作用下沿 方向回轉(zhuǎn)，試求轉(zhuǎn)動副B、C中總反力的方位。圖中虛線小圓為摩擦圓，解題時不思索構(gòu)件的自重及慣性力。5.2思索摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析例5-2 如下圖的四桿機(jī)構(gòu)，曲柄1為自動件，在力矩 的作用下沿 方向回轉(zhuǎn)，試求各運動副中的反力及作用在構(gòu)件3上的平衡力矩 。圖中虛線小圓為摩擦圓，解題時不思索構(gòu)件的自重及慣性力。例5-3 圖示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，知各構(gòu)件的尺寸包括轉(zhuǎn)動副的半徑 ，各運動副中的摩擦系數(shù) ，作用在滑塊上的消費阻力為 ，試

9、對該機(jī)構(gòu)在圖示位置時進(jìn)展受力分析各構(gòu)件的分量及慣性力均忽略不計，并確定加于點B與曲柄AB垂直的平衡力的大小 。結(jié)論： 思索摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析的關(guān)鍵是確定運動副中的總反力的方位。 轉(zhuǎn)動副中總反力確實定應(yīng)遵照三點。 挪動副中的總反力確實定應(yīng)遵照兩點。 進(jìn)展力分析時，首先從二力構(gòu)件開場。對其他構(gòu)件力的分析應(yīng)遵照力的平衡條件。例5-4 圖示機(jī)構(gòu)，知各構(gòu)件的尺寸包括轉(zhuǎn)動副的半徑，各運動副中的摩擦系數(shù)，作用在滑塊上的消費阻力，試對該機(jī)構(gòu)在圖示位置時進(jìn)展受力分析各構(gòu)件的分量及慣性力均忽略不計，并確定加于原動件1上的平衡力矩。 因摩擦損失是不可防止的，故必有 0和 1。5-3 機(jī)械的效率1.機(jī)械效率的概念及

10、意義1機(jī)械效率 機(jī)械的輸出功(Wr)與輸入功(Wd)的比值，以表示。機(jī)械損失系數(shù)或損失率 機(jī)械的損失功(Wf)與輸入功(Wd)的比值，以 表示。Wr/Wd1 1Wf/Wd2機(jī)械效率的意義 它是機(jī)械中的一個主要性能目的。機(jī)械效率反映了輸入功在機(jī)械中的有效利用的程度。降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟(jì)可繼續(xù)開展的重要義務(wù)之一。機(jī)械穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時:2.機(jī)械效率確實定1機(jī)械效率的計算確定1以功表示的計算公式Wr/Wd1Wf/Wd2以功率表示的計算公式Pr/Pd1Pf/Pd3以力或力矩表示的計算公式F0/FM0/M即 理想驅(qū)動力實踐驅(qū)動力理想驅(qū)動力矩實踐驅(qū)動力矩 利用功的比值或功率的比值計算機(jī)械的效率往往不夠簡單，下面引見

11、一種用力或力矩的方式表示效率的計算公式。實踐機(jī)械安裝 實際機(jī)械安裝 00vGvFF理想機(jī)械：不存在摩擦的機(jī)械。理想機(jī)械所需的驅(qū)動力理想機(jī)械的效率應(yīng)等于1，即理想驅(qū)動力：抑制同樣的消費阻力 , 因其正行程實踐驅(qū)動力為FGtan()，理想驅(qū)動力為F0Gtan，故例5-1 斜面機(jī)構(gòu)知：正行程 F Gtan()反行程 FGtan()現(xiàn)求：正行程的 及反行程的 解 F0/Ftan/ tan() F0 /Ftan/ tan() 因其反行程實踐驅(qū)動力為GF/tan()，理想驅(qū)動力為G0 F/tan，故G0/G tan()/ tan對嗎？錯誤！例5-2 螺旋機(jī)構(gòu)知：擰緊時 M Gd2tan(v)/2放松時 M

12、Gd2tan(v)/2現(xiàn)求：及 解采用上述類似的方法，可得擰緊時 M0/M tan/ tan(v)放松時 G0/G tan(v)/ tan 2機(jī)械效率的實驗測定機(jī)械效率確實定除了用計算法外，更常用實驗法來測定，許多機(jī)械尤其是動力機(jī)械在制成后，往往都需做效率實驗?，F(xiàn)以蝸桿傳動效率實驗測定為例加以闡明。1實驗安裝定子平衡桿電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)定子磅秤千分表彈性梁砝碼傳送帶蝸桿制動輪蝸輪聯(lián)軸器 據(jù)此，可經(jīng)過計算確定出整個機(jī)械的效率。 同時，根據(jù)彈性梁上的千分表讀數(shù)即代表Q力來確定制動輪上的圓周力FtQG，從而確定出從動軸上的力矩M從。M從FtR(QG)R該蝸桿的傳動機(jī)構(gòu)的效率公式為 P從/P主從M從/(主M

13、主)M從/(iM主)式中 i為蝸桿傳動的傳動比。 對于正在設(shè)計和制造的機(jī)械，雖然不能直接用實驗法測定其機(jī)械效率， 但是由于各種機(jī)械都不過是由一些常用機(jī)構(gòu)組合而成的，而這些常用機(jī)構(gòu)的效率又是可經(jīng)過實驗積累的資料來預(yù)先估定的如表5-1 簡單傳動機(jī)構(gòu)和運動副的效率。2實驗方法 實驗時，可借助于磅秤測定出定子平衡桿的壓力F來確定出自動軸上的力矩M主，即 M主Fl。3. 機(jī)組的機(jī)械效率計算機(jī)組 由假設(shè)干個機(jī)器組成的機(jī)械系統(tǒng)。 當(dāng)知機(jī)組各臺機(jī)器的機(jī)械效率時，那么該機(jī)械的總效率可由計算求得。1串聯(lián) 串聯(lián)機(jī)組功率傳動的特點是前一機(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 P1P2Pd

14、P1PkPk-1 12k 即串聯(lián)機(jī)組總效率等于組成該機(jī)組的各個機(jī)器效率的連乘積。1k212kPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr 只需串聯(lián)機(jī)組中任一機(jī)器的效率很低，就會使整個機(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。結(jié)論2并聯(lián) 并聯(lián)機(jī)組的特點是機(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)組的總效率與各機(jī)器的效率及其傳動的功率的大小有關(guān)，且min max； 機(jī)組的總效率主要取決于傳動功率大的機(jī)器的效率。 要提高并聯(lián)機(jī)組的效率，應(yīng)著重提高傳動功率大的路線的效率。結(jié)論12k12kP11P

15、22PkkP1P2PkPd3混聯(lián)混聯(lián)機(jī)組的機(jī)械效率計算步驟為1將輸入功至輸出功的道路弄清楚；2分別計算出總的輸入功率Pd和總的輸出功率Pr；3按下式計算其總機(jī)械效率。 Pr /Pd 例5-3 知某機(jī)械傳動安裝機(jī)構(gòu)的效率和輸出功率，求該機(jī)械傳動安裝的機(jī)械效率。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)的部分故該機(jī)械的總效率為 Pr /Pd(5+0.2) kW/(5.649+0.561) kW =0.8370.2 kW/(0.9820.9420.42)0.561 kWPd Pr /(123 4 5 )

16、 =5 kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2 kW1、機(jī)械的自鎖5-4 機(jī)械的自鎖1 自鎖景象 在實踐機(jī)械中，由于摩擦的存在以及驅(qū)動力作用方向的問題，有時會出現(xiàn)無論驅(qū)動力如何增大，機(jī)械都無法運轉(zhuǎn)的景象。如乘坐電梯、螺旋千斤頂、起重機(jī)等。2自鎖意義 設(shè)計機(jī)械時，為使機(jī)械能實現(xiàn)預(yù)期的運動，必需防止機(jī)械在所需的運動方向發(fā)生自鎖；有些機(jī)械的任務(wù)需求具有自鎖的特性，如牛頭刨床任務(wù)臺的升降機(jī)構(gòu)及進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。機(jī)械為什么會發(fā)生自鎖景象？發(fā)生自鎖的條件又是什么呢？ F2、挪動副自鎖的條件：摩擦角為。那么Ft = Fsin = FntanFfmax= Fntan當(dāng) 時，有Ft Ff

17、max 即當(dāng) 時，無論驅(qū)動力F如何增大，其有效分力 Ft 總小于驅(qū)動力 F 本身所引起的最大摩擦力Ffmax，因此總不能推進(jìn)滑塊運動，即為自鎖景象。 結(jié)論 挪動副發(fā)生自鎖的條件為：在挪動副中，假設(shè)作用于滑塊上的驅(qū)動力作用在其摩擦角之內(nèi)即 ，那么發(fā)生自鎖。設(shè)驅(qū)動力為F，傳動角為，F(xiàn)tFnFRFfmax3、轉(zhuǎn)動副自鎖的條件：設(shè)驅(qū)動力為F，力臂長為a, 當(dāng)F作用在摩擦圓之內(nèi)時即a ，那么M = aF Mf =FR21 = F 即F 恣意增大a不變，也不能使軸頸轉(zhuǎn)動， 即發(fā)生了自鎖景象。 結(jié)論 作用在軸頸上的驅(qū)動力為單力F，且作用于摩擦園之內(nèi)，即 a ，那么發(fā)生自鎖。摩擦圓半徑為，F(xiàn)aFR=FFR21

18、=F例題5-4 在圖示的偏心夾具中，1位夾詳細(xì)，2為工件，3為偏心圓盤。偏心圓盤的幾何中心為A，外徑為D，偏心距為e，偏心圓盤軸頸的摩擦圓半徑為 。當(dāng)用力F壓下手柄時，即能將工件夾緊，以便對工件加工。為了當(dāng)作用在工件上的力去掉后，夾具不至于自動松開，那么需求該夾具具有自鎖性,試確定其自鎖的條件。 1、根據(jù)構(gòu)件3相對于2的運動趨勢，確定總反力FR23的方位如下圖。2、分別過點O、A作總反力FR23的平行線，那么 3、總反力FR23應(yīng)與摩擦園相切或相割，即即為偏心夾具自鎖的條件。 故其自鎖條件為v 。4、機(jī)械自鎖條件確實定(1) 從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定緣由 機(jī)械的自鎖本質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生

19、了自鎖。例5-5 手搖螺旋千斤頂當(dāng)v時，其螺旋副發(fā)生自鎖，那么此機(jī)械也必將發(fā)生自鎖，(2) 從消費阻力G0的條件來確定 當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，機(jī)械不能運動，這時能克服的消費阻力G0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGG螺旋副例5-6 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 意味著只需阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才干使機(jī)械運動，此時機(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6FGGM反行程：驅(qū)動力為G，阻抗力矩為M ，M Gd2tan(v)/2那么3從效率 0的條件來確定 當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，其驅(qū)

20、動力所作的功Wd總是缺乏以抑制其引起的最大損失功Wf， 1Wf /Wd 0 故 例5-7 手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為 G0/G = tan(v) /tan令0，那么得此自鎖條件為 v 。當(dāng) 時，其絕對值的大小表示機(jī)械自鎖的程度。當(dāng) 時，機(jī)械處于臨界自鎖形狀；當(dāng) 時，其絕對值越大，闡明自鎖越可靠。 例題5-8 圖示的斜面壓榨機(jī)，假設(shè)在滑塊2上施加一定的驅(qū)動力F，即可推進(jìn)構(gòu)件3挪動并將物體4壓緊。設(shè)G為被壓緊的物體對滑塊3的反作用力，各接觸面的摩擦系數(shù)均為 。試求：力F撤去后使機(jī)構(gòu)自鎖時，滑塊1的傾角的取值范圍。解 由摩擦系數(shù)，得摩擦角滑塊2與構(gòu)件3的力矢量方程式令消費阻力即機(jī)構(gòu)自鎖的條件為值

21、得留意的是，圖示的斜面壓榨機(jī)，要求在力G的作用下自鎖，滑塊2不能松退，但在力F的作用下滑塊2可向左移而將物體4壓緊，力F反向也可使滑塊2松退，即在力F的作用下壓榨機(jī)是不自鎖的。因此，一個自鎖機(jī)構(gòu)，只是對于滿足自鎖條件的驅(qū)動力在一定運動方向上的自鎖；而對于其它外力，或在其它運動方向上那么不一定自鎖，這就是自鎖的方向性。問題：自鎖機(jī)械在自鎖方向上能否一定就不能運動？5-5提高機(jī)械效率的措施影響效率的主要要素是摩擦損耗，故提高效率可采取如下措施：1、盡量簡化機(jī)械系統(tǒng)落地扇的主運動為葉輪的回轉(zhuǎn)運動，輔助運動為搖頭的轉(zhuǎn)向運動，主運動經(jīng)過蝸桿與齒輪傳動實現(xiàn)，輔助運動由雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。大齒輪同時充任搖桿的角

22、色，還輸入動力。整個構(gòu)造設(shè)計巧妙、新穎。臺扇的主運動也為葉輪的回轉(zhuǎn)運動，但輔助運動為導(dǎo)流板的回轉(zhuǎn)運動，分別由兩個電機(jī)驅(qū)動，傳動系統(tǒng)簡單，效率更高。分析與比較：落地扇和臺扇的設(shè)計都很精巧，落地扇巧妙地利用雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)搖頭轉(zhuǎn)向，而臺扇是在風(fēng)產(chǎn)生后，對風(fēng)的方向進(jìn)展控制，設(shè)計思想更加新穎、巧妙。落地扇采用蝸桿蝸輪、齒輪傳動和雙搖桿機(jī)構(gòu)和離合器進(jìn)展控制，設(shè)計技術(shù)成熟，但構(gòu)造復(fù)雜，本錢高、效率低；臺扇對導(dǎo)流板進(jìn)展控制，更符合未來開展的趨勢。并且具有構(gòu)造簡單、分量輕，尺寸小，效率更高。由以上分析可見，采用對機(jī)械的簡化設(shè)計，以最簡單的機(jī)構(gòu)滿足任務(wù)要求，使功率傳送經(jīng)過最小的運動副，能大幅度地提高機(jī)械效率，降低本錢。2、選擇適宜的運動副方式不同運動副的效率不同，在滿足運用功能的前提下，盡量采用效率高的運動副。轉(zhuǎn)動副的效率比挪動副高，且配合精度也高。3、盡量減少構(gòu)件的尺寸 在滿足強(qiáng)度、剛度的前提下，不要盲目增大構(gòu)件尺寸。如軸頸的尺寸越大，摩擦園半徑越大，產(chǎn)生的摩擦阻力越大。4、盡量減少運動副中的摩擦用平面摩擦替代槽面摩擦；用滾動摩擦替代滑動摩擦；用矩形螺旋傳動替代三角形螺旋傳動；采用光滑劑；合理選擇運動副元素的資料。5-5 摩擦在機(jī)械中的運用摩