chap4平面機(jī)構(gòu)的力分析

機(jī)械原理第四章平面機(jī)構(gòu)的力分析§4－1概述§4－2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析§4－3機(jī)械的效率和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦及自鎖概述機(jī)構(gòu)力分析的目的1機(jī)構(gòu)力分析的目的：確定運(yùn)動(dòng)副反力。計(jì)算平衡力。概述機(jī)構(gòu)力分析的目的1機(jī)構(gòu)力分析的目的：確定運(yùn)動(dòng)副反力。在機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)需要已知各運(yùn)動(dòng)副中的約束反力，且運(yùn)動(dòng)副眾反力的大小和性質(zhì)對于計(jì)算機(jī)構(gòu)各個(gè)零件的強(qiáng)度、決定機(jī)構(gòu)中的摩擦力和機(jī)械效率、以及計(jì)算運(yùn)動(dòng)副中的磨損和確定軸承類型等，都是有用的已知條件。概述機(jī)構(gòu)力分析的目的1機(jī)構(gòu)力分析的目的：計(jì)算平衡力所謂平衡力是指與作用在機(jī)械上的已知外力以及當(dāng)該機(jī)械按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)其各構(gòu)件的慣性力相平衡的未知外力。已知生產(chǎn)阻力時(shí)，求出的平衡力即為原動(dòng)力，據(jù)此可確定所需原動(dòng)機(jī)的功率已知原動(dòng)力時(shí)，求出的平衡力即為生產(chǎn)阻力，據(jù)此可確定機(jī)械所能克服的生產(chǎn)負(fù)荷。概述機(jī)構(gòu)力分析原理和方法1對低速機(jī)械，由于慣性力的影響不大，可忽略不計(jì)。在不計(jì)慣性力的條件下，對機(jī)械進(jìn)行的力分析稱為機(jī)構(gòu)的靜力分析對高速及重型機(jī)械，由于某些構(gòu)件的慣性力往往很大，有時(shí)甚至比機(jī)械所受的外力還大得多，所以，在進(jìn)行力分析時(shí)就必須考慮慣性力的影響。根據(jù)達(dá)朗伯原理，如將慣性力視作一般外力加于產(chǎn)生該慣性力的構(gòu)件上，就可將該機(jī)械視為處于靜力平衡狀態(tài)，這樣的力分析稱為動(dòng)態(tài)靜力分析。概述機(jī)構(gòu)力分析原理和方法1機(jī)構(gòu)力分析的方法圖解法解析法概述作用在機(jī)構(gòu)上的力1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在構(gòu)件上的力可分為兩大類：給定力----外加力和慣性力約束反力----法向反力和切向反力概述作用在機(jī)構(gòu)上的力1在外加力中，包括驅(qū)動(dòng)力、阻抗力和重力：在平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上，凡是力的作用方向與構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度方向相同或成銳角的力稱為驅(qū)動(dòng)力，而與構(gòu)件角速度方向一致的力矩稱為驅(qū)動(dòng)力矩。原動(dòng)機(jī)發(fā)出的力（矩）是驅(qū)動(dòng)力（矩），它所做的功稱為輸入功。在平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上，凡是力的作用方向與構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度方向相反或成鈍角的力成為阻抗力，而與構(gòu)件角速度方向相反的力矩稱為阻抗力矩。概述作用在機(jī)構(gòu)上的力1在外加力中，包括驅(qū)動(dòng)力、阻抗力和重力：阻力（矩）又可分為工作阻力（矩）和有害阻力（矩）?？朔ぷ髯枇λ瓿傻墓ΨQ為輸出功或有益功。克服有害阻力所做的功稱為損耗功。概述作用在機(jī)構(gòu)上的力1在外加力中，包括驅(qū)動(dòng)力、阻抗力和重力：重力是指作用在構(gòu)件質(zhì)心上的地球應(yīng)力一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中重力所做的功為零。重力通常比其他力小得多，多數(shù)情況下忽略不計(jì)。概述作用在機(jī)構(gòu)上的力1慣性力（矩）是力學(xué)中一種虛擬加在變速運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件上的力（矩）高速機(jī)械中的慣性力（矩）很大，需要考慮。當(dāng)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量及尺寸已知時(shí)，則其慣性力（矩）就可以求出。運(yùn)動(dòng)副中的約束反力是當(dāng)機(jī)構(gòu)受到外力作用時(shí)，在運(yùn)動(dòng)副兩元素接觸處所產(chǎn)生的反作用力。約束反力對機(jī)構(gòu)而言是內(nèi)力，對構(gòu)件而言是外力。不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)慣性力的確定2在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程中，各構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力，不僅與各構(gòu)件的質(zhì)量mi，繞質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JSi，質(zhì)心Si的加速度aSi及構(gòu)件的角加速度αi等有關(guān)，而且與構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)?，F(xiàn)以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，來說明慣性力的確定。1234ABC不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)慣性力的確定2作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件：23BCS2α2其慣性力系可簡化為一個(gè)加在質(zhì)心S2的慣性力FI2和一個(gè)慣性力偶矩MI2：FI2=-m2as2MI2=-Js2α2as2MI2FI2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)慣性力的確定2作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件：23BCS2α2其慣性力系可簡化為一個(gè)加在質(zhì)心S2的慣性力FI2和一個(gè)慣性力偶矩MI2：也可以將其再簡化為一個(gè)總慣性力F`I2，且F`I2=FI2，而其作用線偏離質(zhì)心S2的距離為lh2，即lh2

=MI2/FI2as2MI2FI2MS2（F`I2）的方向與α2方向相反lh2FI2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)慣性力的確定2作平面移動(dòng)的構(gòu)件：當(dāng)滑塊做變速移動(dòng)時(shí)僅有一個(gè)加在質(zhì)心S3上的慣性力：FI3=-m3aS334Cas3FI3不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)慣性力的確定2繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件：S1若曲柄軸線不通過質(zhì)心S1，當(dāng)其為變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：as1α1MI1FI1或簡化為一個(gè)總慣性力F`I1。lh1F`I1FI1=-m1as1MI1=-Js1α1若其軸線通過質(zhì)心S1，則只有。MI1=-Js1α11AB不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析構(gòu)件組的靜定條件2在不考慮摩擦?xí)r，平面運(yùn)動(dòng)副中的反力FR的作用線、方向及大小未知要素如下：轉(zhuǎn)動(dòng)副：FR通過轉(zhuǎn)動(dòng)副中心，大小和方向未知。移動(dòng)副：FR沿導(dǎo)路法線方向，作用點(diǎn)位置和大小未知。平面高副：FR作用在高副兩元素接觸點(diǎn)的公法線上，僅大小未知。nnFRFRFR不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析構(gòu)件組的靜定條件2設(shè)構(gòu)件組中共有n個(gè)構(gòu)件，共有pl個(gè)低副和ph個(gè)高副。因每個(gè)構(gòu)件都可列出3個(gè)獨(dú)立的力平衡方程式，共有3n個(gè)獨(dú)立的力方程式，2Pl+Ph個(gè)力的未知數(shù)。故此構(gòu)件組的靜定條件為：3n=2Pl+Ph由此可知，基本桿組都滿足靜定條件。不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法：2先確定各構(gòu)件的慣性力，并虛擬加在相應(yīng)構(gòu)件上，列出力平衡方程，最后用矢量方程圖解法進(jìn)行求解。不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析設(shè)已知各構(gòu)件的尺寸，連桿的重量G2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS2及質(zhì)心S2的位置；滑塊5的重量G5及質(zhì)心S5的位置；其余構(gòu)件的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)；原動(dòng)件1以ω1等速回轉(zhuǎn)；作用于滑塊5上的生產(chǎn)阻力Fr。試求在圖示位置時(shí)，各運(yùn)動(dòng)副中的反力，以及需加在構(gòu)件1上G點(diǎn)沿xx方向的平衡力Fb。ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxx不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：做機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。選定比例尺μl、μv、μa，做出機(jī)構(gòu)圖、速度圖及加速度圖ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxpbcfP’c”’b’c’c”e’f’f”不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：確定慣性力。連桿2：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxP’c”’b’c’c”e’f’f”S’2aS2FI2=-maS2=(G2/g)μap’s’2FI2MI2=-JS2α2=JS2atCB/l2=JS2

μac’’’c’/l2MI2α2總慣性力F`I2=FI2，離S2的距離為lh2=MI2/FI2，其矩與α2方向相反。lh2F’I2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：確定慣性力?；瑝K5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxP’c”’b’c’c”e’f’f”S’2aS2FI5=-maS5=(G2/g)μap’f’α1與aF相反。lh2F’I2aS5FI5不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析桿組4、5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2因桿4為二力桿α1FR54=-FR34lh2F’I2aS5FI5取5為分離體G5FrFI5FR45FR65不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析桿組4、5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2列平衡方程：α1G5+Fr+FI5+FR45+FR65=0lh2F’I2aS5FI5選定比例尺μF（N/mm）作力多邊形G5FrFI5FR45FR65G5FI5FrFR65FR45abcdeFR65=μFdeFR45=μFea不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2分別以2、3為考察對象，由ΣMc=0：α1lh2F’I2aS5FI5FtR12=（G2h’2-F’I2h’1）/l2FtR63=FR43h’3/lCDG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1lh2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2根據(jù)力的平衡條件：α1FtR12+FnR12+G2+F’I2+FR43+FtR63+FnR63=0lh2F’I2aS5FI5按μF（N/mm）作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFR12=μFhfFR63=μFfaG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1FR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’F`I2不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2對構(gòu)件2：α1FR12+G2+F’I2+FR32=0lh2F’I2aS5FI5作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFR32=μFfeG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1FR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’F`I2FR32不考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析機(jī)構(gòu)力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析解：動(dòng)態(tài)靜力分析構(gòu)件1：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2平衡條件：α1FR21+Fb+FR61=0lh2F’I2aS5FI5作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFb=μFifFR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’FR43FR32xxGFR21FR61FbiFR61FbFR61=μFhi機(jī)械的效率機(jī)械效率的概念3機(jī)械的輸出功(Wr)與輸入功（Wd）之比稱為機(jī)械效率η。機(jī)械的損耗功（Wf）與輸入功（Wd）之比稱為機(jī)械損失系數(shù)或損失率。η=Wr/Wd=1-Wf/Wd=1-ξ在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，一方面應(yīng)盡量簡化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，使功率傳遞通過的運(yùn)動(dòng)副數(shù)目越少越好；另一方面，應(yīng)設(shè)法減少運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，如采用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)軸承，選用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┘皾櫥b置進(jìn)行潤滑。機(jī)械的效率機(jī)械效率的計(jì)算3用功的形式表示的效率計(jì)算公式：η=Wr/Wd=1-Wf/Wd用功率的形式表示的效率計(jì)算公式：η=Pr/Pd=1-Pf/Pd用力或力矩的形式表示的效率計(jì)算公式：η=F0/F=M0/MFvF