機械原理機構(gòu)力分析

機械原理機構(gòu)力分析第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第四章平面機構(gòu)的力分析§4－1機構(gòu)力分析的任務(wù)、目的與方法§4－3運動副中摩擦力的確定機構(gòu)力分析實例第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日§4－1機構(gòu)力分析的任務(wù)、目的與方法▲作用在機械上的力是影響機械運動和動力性能的主要因素；▲是決定構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)形狀的重要依據(jù)。力分析的必要性：1.作用在機械上的力力的類型原動力生產(chǎn)阻力重力摩擦力介質(zhì)阻力慣性力運動副反力第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日按作用分為阻抗力驅(qū)動力有效阻力有害阻力驅(qū)動力----驅(qū)使機械運動，其方向與力的作用點速度之間的夾角為銳角，所作功為正功。阻抗力----阻礙機械運動，其方向與力的作用點速度之間的夾角為鈍角，所作功為負(fù)功。有效(工作)阻力----機械在生產(chǎn)過程中為了改變工作物的外形、位置或狀態(tài)所受到的阻力，克服了阻力就完成了有效的工作。如車削阻力、起重力等。有害(工作)阻力----機械運轉(zhuǎn)過程受到的非生產(chǎn)阻力，克服了這類阻力所作的功純粹是浪費能量。如摩擦力、介質(zhì)阻力等。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日▲確定運動副中的反力----為進(jìn)一步研究構(gòu)件強度、運動副中的摩擦、磨損、機械效率、機械動力性能等作準(zhǔn)備。2.機械力分析的任務(wù)和目的▲確定機械平衡力（或力偶）---目的是已知生產(chǎn)負(fù)荷確定原動機的最小功率；或由原動機的功率來確定所能克服的最大生產(chǎn)阻力。反力----運動副元素接觸處的正壓力與摩擦力的合力平衡力----機械在已知外力作用下，為了使機械按給定的運動規(guī)律運動所必需添加的未知外力。3.機械力分析的方法圖解法解析法第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日機械力分析的理論依據(jù)：靜力分析----適用于低速機械，慣性力可忽略不計；動態(tài)靜力分析----適用于高速重型機械，慣性力往往比外力要大，不能忽略。注：一般情況下，需要對機械做動態(tài)靜力分析時，可忽略重力和摩擦力，通?？蓾M足工程要求。第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日§4－3運動副中摩擦力的確定概述：摩擦產(chǎn)生源－－運動副元素之間相對滑動。摩擦的缺點：摩擦的優(yōu)點：研究目的：發(fā)熱↑效率↓磨損↑→強度↓→精度↓→壽命↓利用摩擦完成有用的工作。如摩擦傳動（皮帶、摩擦輪）、離合器(摩托車)、制動器（剎車）。(1)減少不利影響;(2)發(fā)揮其優(yōu)點?！鷿櫥瑦夯ㄋ馈５透保a(chǎn)生滑動摩擦力

高副－滑動兼滾動摩擦力。運動副中摩擦的類型：第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日v21211.移動副中摩擦力的確定由庫侖定律得：F21＝fN21G－鉛垂載荷;GFF－水平力，N21N21－法向反力;F21F21－摩擦力。摩擦系數(shù)摩擦副材料靜摩擦動摩擦無潤滑劑有潤滑劑無潤滑劑有潤滑劑鋼－鋼鋼－鑄鐵鋼－青銅鑄鐵－鑄鐵鑄鐵－青銅青銅－青銅橡皮－鑄鐵0.150.1~0.120.10.05~0.10.2~0.30.16~0.180.05~0.150.1~0.150.15~0.180.070.15~0.160.150.07~0.120.280.160.15~0.210.15~0.200.04~0.10.3~0.50.80.5皮革－鑄鐵或鋼0.07~0.150.12~0.15第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授G12F21＝fN21當(dāng)材料確定之后，F(xiàn)21大小取決于法向反力N21而G一定時，N21的大小又取決于運動副元素的幾何形狀。

槽面接觸：N”21N’21F21=fN’21+fN”21平面接觸：N’21=N”21=G/(2sinθ)GN21N21=－GF21=fN21=fGF21N’21+N”21=-GN’21Gθ=(f/sinθ)?

G=fvGθθfv－稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)N”21v2121F第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授G12結(jié)論：不論何種運動副元素，有計算通式：理論分析和實驗結(jié)果有：

k=1~π/2

F21=fN’21

F21=fN21

柱面接觸：N’21=kG=fkG=fvG=fvG△N21N21同理，稱fv為當(dāng)量摩擦系數(shù)。非平面接觸時，摩擦力增大了，為什么？是f增大了？原因：是由于N21分布不同而導(dǎo)致的。第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授v2121GPN21F21應(yīng)用：當(dāng)需要增大滑動摩擦力時，可將接觸面設(shè)計成槽面或柱面。如圓形皮帶（縫紉機）、三角形皮帶、螺栓聯(lián)接中采用的三角形螺紋。對于三角帶：θ＝18°移動副中總反力的確定總反力為法向反力與摩擦力的合成：

FR21=N21+F21tgφ=F21/N21φ－摩擦角，φ方向:∠FR21V12＝(90°+φ)摩擦錐----以FR21為母線所作圓錐。結(jié)論：移動副中總反力恒切于摩擦錐。fv＝3.24f=fN21/N21=f不論P的方向如何改變，P與R兩者始終在同一平面內(nèi)θθFR21第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授F’F’R2112Gα12Gαa)求使滑塊沿斜面等速上行所需水平力Fb)求使滑塊沿斜面等速下滑所需水平力F’作圖作圖若α>φ，則F’為阻力;根據(jù)平衡條件：F+FR21+G=0

得：F=Gtg(α+φ)

Gα-φφ根據(jù)平衡條件：F’+F’R21+G=0若α<φ，則F’方向相反，成為驅(qū)動力。得：F’=Gtg(α-φ)

力分析實例：NF21nnFR21vFαGα+φFR21FNF21nnvF’F’R21φα第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授螺旋副中的摩擦螺紋的牙型有：矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o螺紋的用途：傳遞動力或聯(lián)接從摩擦的性質(zhì)可分為：矩形螺紋和三角形螺紋螺紋的旋向：作者：潘存云教授右旋左旋第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授(1)矩形螺紋螺旋中的摩擦式中l(wèi)－導(dǎo)程，z－螺紋頭數(shù)，p－螺距螺旋副的摩擦轉(zhuǎn)化為=>斜面摩擦。擰緊時直接引用斜面摩擦的結(jié)論有：假定載荷集中在中徑d2圓柱面內(nèi)，展開πd2斜面其升角為：

tgαα螺紋的擰松－螺母在F和G的聯(lián)合作用下，順著G等速向下運動。v螺紋的擰緊－螺母在F和G的聯(lián)合作用下，逆著G等速向上運動。v=l/πd2=zp/πd2從端面看d2Gd3d1lGF第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日F－螺紋擰緊時必須施加在中徑處的圓周力，所產(chǎn)生的擰緊所需力矩M為：擰松時直接引用斜面摩擦的結(jié)論有：F’－螺紋擰松時必須施加在中徑處的圓周力，所產(chǎn)生的擰松所需力矩M’為：若α>φ，則M’為正值，其方向與螺母運動方向相反，是阻力；若α<φ，則M’為負(fù)值，方向相反，其方向與預(yù)先假定的方向相反，而與螺母運動方向相同，成為放松螺母所需外加的驅(qū)動力矩。Mfd2F第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授(2)三角形螺紋螺旋中的摩擦矩形螺紋――忽略升角影響時，△N近似垂直向上,比較可得：∑△N△cosβ＝G＝∑△N引入當(dāng)量摩擦系數(shù):fv=f/cosβ三角形螺紋――∑△N△cosβ＝G，β－牙形半角∑△N＝G當(dāng)量摩擦角:φv＝arctgfv∑△N△＝∑△N/cosβGββββ△N△△N△G△N△N第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授21rN21擰緊：擰松：可直接引用矩形螺紋的結(jié)論：2.轉(zhuǎn)動副中的摩擦(1)軸徑摩擦直接引用前面的結(jié)論有：產(chǎn)生的摩擦力矩為：軸軸徑軸承ω12方向：與ω12相反。Mf根據(jù)平衡條件有：

FR21＝-G,

Md=－Mf

=Gρ=fkG=fvG

Mf=F21r=fvrG=fN21rF21=fN21MdGFR21F21第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授21ω12MfMd21rN21ω12MfMdGFR21F21GN21F21FR21ρρ當(dāng)G的方向改變時，F(xiàn)R21的方向也跟著改變，以ρ作圓稱為摩擦圓，ρ－摩擦圓半徑。且FR21恒切于摩擦圓。分析:由ρ=fvr知，r↑→ρ↑→Mf↑對減小摩擦不利。但ρ不變。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授213ABC4FMr運動副總反力判定準(zhǔn)則1.由力平衡條件，初步確定總反力方向（受拉或壓）。2.對于轉(zhuǎn)動副有：FR21恒切于摩擦圓。3.對于轉(zhuǎn)動副有：Mf

的方向與ω12相反對于移動副有：FR21恒切于摩擦錐對于移動副有：∠FR21V12＝(90°+φ)ω14MrFω21例1：圖示機構(gòu)中，已知驅(qū)動力F和阻力Mr和摩擦圓半徑ρ，畫出各運動副總反力的作用線。ω23FR23FR21FR41v3490°+φFR43R12R32內(nèi)燃機第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授212r2RrR取環(huán)形面積:ds＝2πρdρ(2)軸端摩擦在G的作用下產(chǎn)生摩擦力矩Mf

①新軸端，p＝常數(shù)，則：摩擦力為：dF=fdN總摩擦力矩：摩擦力矩：dMf=ρdFdN=pds設(shè)ds上的壓強為p,正壓力為：=ρfdN=ρfpds=fpdsGdρρωωMMf第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授

②跑合軸端跑合初期:p＝常數(shù)跑合結(jié)束：正壓力分布規(guī)律為:pρ=常數(shù)內(nèi)圈V↓→磨損快→p↓→磨損變慢結(jié)論：

Mf=fG(R+r)/2注:pρ=const,中心壓強高,容易壓潰,故做成中空狀。

→磨損慢→p↑→磨損變快外圈V↑212r2RrRGdρρωωMMf第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授21(3)平面高副中的摩擦力的確定相對運動:滑動+滾動v12ω摩擦力:滑動摩擦力+滾動摩擦力∵滾動摩擦力<<滑動摩擦力∴

可忽略滾動摩擦力總反力為法向反力與滑動摩擦力的合成：

FR21=N21+F21F21FR21N21總反力的方向：∠R21V12＝(90°+φ)90°+φφ第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授dFbcFR23§4－5考慮摩擦?xí)r機構(gòu)的受力分析ω14Frω21例4－3：圖示機構(gòu)中，已知構(gòu)件尺寸、材料、運動副半徑，水平阻力Fr，求平衡力Fb的大小。ω23213ABC4Fbv3490°+φFR21FR41FR43FR23FR21FR41EFR43φFFR12FR32FR43+

FR23+Fr=0解：1)根據(jù)已知條件求作摩擦圓

2)求作二力桿運動副反力的作用線

3)列出力平衡向量方程FR41+

FR21+Fb=0Frba受壓滑塊3在三個力作用下平衡,得曲柄1在三個力作用下平衡,得第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日作者：潘存云教授作者：潘存云教授MdBAGABCD1234例2：圖示四鉸鏈機構(gòu)中，已知工作阻力G、運動副的材料和半徑r，求所需驅(qū)動力矩Md。Mdω14ω21ω23Gγβ

FR21FR41FR23FR43ω14FR43+

FR23+

G=0可求得FR23FR23c從而求得：Md＝FR21

×l’l’FR21=-FR23ω