機械原理（第8版）全套完整課件

第一章 緒論§1-1本課程研究的對象及內(nèi)容§1-2學習本課程的目的§1-3如何進行本課程的學習返回§1-1

本課程研究的對象及內(nèi)容2．研究內(nèi)容有關(guān)機械的基本理論1．研究對象機械是機構(gòu)和機器的總稱。機構(gòu)是指一種用來傳遞與變換運動和力的可動裝置。機器是指一種執(zhí)行機械運動裝置，可用來變換和傳遞能量、物料和信息。實例：內(nèi)燃機工件自動裝卸裝置

六

自

由

度

工

業(yè)機器人控制系統(tǒng)示教板操作機§1-2

學習本課程的目的課程性質(zhì)，任務(wù)及作用學習目的§1-3

如何進行本課程的學習掌握本課程的特點

注重理論聯(lián)系實際逐步建立工程觀點認真對待每個教學環(huán)節(jié)機器和機構(gòu)的概念機構(gòu)機構(gòu)

是指一種用來傳遞與變換運動和力的可動裝置如。常見的機構(gòu)有帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等。這些機構(gòu)一般認為是由剛性件組成的。而現(xiàn)代機構(gòu)中除了剛性件以外，還可能有彈性件和電、磁、液、氣、聲、光……等元件。故這類機構(gòu)稱為廣義機構(gòu)；而由剛性件組成的機構(gòu)就稱為狹義機構(gòu)。機器機器是指一種執(zhí)行機械運動裝置，可用來變換和傳遞能量、物料和信息。例如：電動機、內(nèi)燃機用來變換能量；機床用來變換物料的狀態(tài)；汽車、起重機用來傳遞物料；計算機用來變換信息。由于各種機器的主要組成部分都是各種機構(gòu)，所以可以說，機器乃是一種可用來變換或傳遞能量、物料與信息的機構(gòu)組合。機器按其用途可分為兩類：凡將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能的機器稱為原動機；凡利用機械能來完成有用功的機器稱為工作機。（3）機器的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的機器由如下三個部分組成：現(xiàn)代機器一般由如下四個部分組成：機器和機構(gòu)的概念(2/3)而現(xiàn)代先進的機器則由以下五個部分組成：機器和機構(gòu)的概念(3/3)有關(guān)機械的基本理論機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析研究機構(gòu)是怎樣組成的，其組成對運動的影響，以及機構(gòu)具有確定運動的條件。研究機構(gòu)的組成原理及機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類。如何繪制機構(gòu)運動簡圖的問題。機構(gòu)的運動分析介紹對機構(gòu)進行運動分析（包含位移、速度及加速度分析）的基本原理及方法。機器動力學1）分析機器在運轉(zhuǎn)過程中其各構(gòu)件的受力情況，以及這些力的作功情況。（5）機械傳動系統(tǒng)運動方案的設(shè)計研究在進行具體機械設(shè)計時機構(gòu)的選型、組合、變異及機械傳動系統(tǒng)運動方案的設(shè)計等問題。（4）常用機構(gòu)的分析與設(shè)計研究常用機構(gòu)（如連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等）的類型、工作原理及運動特性分析和機構(gòu)設(shè)計的基本原理及方法。有關(guān)機械的基本理論(2/2)本課程的地位、任務(wù)及作用地位機械原理是研究機械基礎(chǔ)理論的一門科學，是機械類各專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，在創(chuàng)新設(shè)計機械所需的知識結(jié)構(gòu)中也占有核心地位。任務(wù)本課程的任務(wù)是使學生掌握機構(gòu)學和機器動力學的基本理論、基本知識和基本技能，學會各種常用基本機構(gòu)的分析和綜合方法，并具有按照機械的使用要求進行機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計的初步能力作用在培養(yǎng)高級機械工程技術(shù)人才的全局中，本課程不僅為學生學習相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課程起到承前起后的作用，而且為今后從事機械設(shè)計和研究工作起到增強適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。掌握本課程的特點本課程要用到物理、數(shù)學、力學、機械制圖和工程材料及機械制造基礎(chǔ)等先修課程的知識，尤其是理論力學的知識但。并不是這些課程的簡單重復和堆砌，而是要引導學生如何應(yīng)用所學的知識解決工程實際中所遇到的問題所。以本課程的學習不同于理論課程的學習，也不同于專業(yè)課，而具有一定的理論系統(tǒng)性及邏輯性和較強的工程實踐性的特點。因此，在學習本課程時應(yīng)注意掌握基本的概念、原理及機構(gòu)的分析與綜合的方法。注重理論聯(lián)系實際本課程并不是研究某種具體的機械，而是著重研究一般機械的共性問題，即機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和綜合的基本理論和基本的方法。這些基本理論和方法是緊密為工程服務(wù)的。因此，在本課程的學習過程中，一方面要注意這些理論和方法在理論上建立和推演的嚴密性和邏輯性，另一方面更要注意這些理論和方法如何在工程實際中的應(yīng)用此。外還應(yīng)隨時留意日常

生活和生產(chǎn)中遇到的各種機械，以豐富自己的感性認識；并用所學到的理論和方法認識分析這些機械，以加深理解，使理論和實踐相互促進。初步建立工程觀點本課程要用到很多與工程有關(guān)的名詞、符號、公式、標準及參數(shù)和對機械研究的一些常用的簡化方法，如倒置、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)化、當量、等效、代換等。在機構(gòu)分析與綜合中，除解析法外還介紹圖解法、實驗法以及試湊等一些工程中實用的方法。在學習時，對名詞應(yīng)正確理解其含義，對公式應(yīng)著重于應(yīng)用，而對方法則著重掌握其基本原理和作法。另外，實際工程問題涉及多方面的因素，其求解可采用多種方法，其解一般也不是唯一的。這就要求設(shè)計者具有分析、判斷、決策的能力，要養(yǎng)成綜合分析、全面考慮問題的習慣和科學嚴謹、一絲不茍的工作作風。認真對待教學的每一個環(huán)節(jié)本課程全部教學工作的完成，需要自學、聽課、習題課、實驗課、課后作業(yè)、答疑和考試，以及課程設(shè)計等教學環(huán)節(jié)。要學好這門課，必須對每個教學環(huán)節(jié)予以充分重視。第二章

機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析§2-1§2-2§2-3§2-4§2-5§2-6§2-7§2-8§2-9機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)的組成機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)自由度的計算計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)中的高副低代返回§2-1

機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的畫法；了解機構(gòu)具有確定運動的條件；研究機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類?！?-2

機構(gòu)的組成零件是機器中的一個獨立制造單元體；構(gòu)件是機器中的一個獨立運動單元體。1.構(gòu)件任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞從運動來看，任何機器都是由若干個構(gòu)件組合而成的。2.運動副運動副是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動連接；運動副元素是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的表面。例2-1軸與軸承、滑塊與導軌、兩輪齒嚙合。3）按其相對運動形式分轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副運動副還可分為平面運動副與空間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副：點、線接觸的運動副低副：面接觸的運動副（1）運動副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：Ⅰ級副、Ⅱ級副、……Ⅴ級副。機構(gòu)的組成(2/4)平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB4460－84）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表3.運動鏈構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈（簡稱閉鏈）開式運動鏈（簡稱開鏈）機構(gòu)的組成(3/4)4.機構(gòu)具有固定構(gòu)件的運動鏈稱為機構(gòu)。機構(gòu)常分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)兩類，其中平面機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。空間鉸鏈四桿機構(gòu)機架——機構(gòu)中的固定構(gòu)件。一般機架相對地面固定不動，但當機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的。原動件——按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件；常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。從動件——機構(gòu)中其余活動構(gòu)件。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機架平面鉸鏈四桿機構(gòu)原動件從動件機架從動件原動件機構(gòu)的組成(4/4)§2-3

機構(gòu)運動簡圖在對現(xiàn)有機械進行分析或設(shè)計新機器時，都需要繪出其機構(gòu)運動簡圖。1.機構(gòu)運動簡圖例2-2

內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖根據(jù)機構(gòu)的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，采用運動副及常用機構(gòu)運動簡圖符號和構(gòu)件的

表示方法，將機構(gòu)運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構(gòu)示意圖不嚴格按比例繪出的，只表示機械結(jié)構(gòu)狀況的簡圖。機構(gòu)運動簡圖(2/2)2.機構(gòu)運動簡圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機械的構(gòu)造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運動副的類別及其位置；選定視圖平面；選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構(gòu)的符號，最后用簡單線條連接，即得機構(gòu)運動簡圖。舉例：內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖繪制顎式破碎機機構(gòu)運動簡圖繪制§2-4

機構(gòu)具有確定運動的條件一個機構(gòu)在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？兩個例子例2-3

鉸鏈四桿機構(gòu)若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。例2-4鉸鏈五桿機構(gòu)若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動不確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定。機構(gòu)的自由度機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。結(jié)論

機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度數(shù)目F。如果原動件數(shù)>F,則會導致機構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。機構(gòu)具有確定運動的條件(2/2)結(jié)論：機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度的數(shù)目F。如果原動件數(shù)<F,則機構(gòu)的運動將不確定；§2-5

機構(gòu)自由度的計算l

h1.平面機構(gòu)自由度的計算（1）計算公式F＝3n－(2p

＋p

)式中：n為機構(gòu)的活動構(gòu)件數(shù)目；lp

為機構(gòu)的低副數(shù)目；hp

為機構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例鉸鏈四桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4

－0

＝1鉸鏈五桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5

－0

＝25

4

3

2

1F＝

6n－(5p

＋4p

＋3p

＋2p

＋p

)＝6n－Σipi5i=1例2-5空間四桿機構(gòu)解F＝6n－5p

－4p

－3p5

4

3＝6×3

－5×2＋3×1＝1機構(gòu)自由度的計算(2/4)3）內(nèi)燃機機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3

＝12.空間機構(gòu)自由度的計算（1）一般空間機構(gòu)自由度的計算設(shè)一空間機構(gòu)共有n個活動構(gòu)件，pi個i級運動副，其約束數(shù)為i(i=1,2,...5)，則解因此機構(gòu)為全移動副平面機構(gòu)，故m＝4，則F＝(6－m)n－(5－m)p5＝(6－4)×2－(5－4)×3＝1F＝(6－m)n－Σ

(i－m)pii=m+15由上式可知，公共約束m=0,1,2,3,4。故相應(yīng)的機構(gòu)分別稱為0族、1族、2族、3族、4族機構(gòu)（五類）。例2-6楔形滑塊機構(gòu)機構(gòu)自由度的計算(3/4)（2）含公共約束的空間機構(gòu)自由度的計算公共約束是指機構(gòu)中所有構(gòu)件均受到的共同的約束，以m表示。因空間開鏈機構(gòu)運動副總數(shù)p(=Σ

pi)等于其活動構(gòu)件數(shù)n，i=15Σ

(6－f

)p5＝Σ

f

p5式中，fi為i級運動副的自由度，fi＝6－i。例2-7機械手開鏈機構(gòu)解F＝(6－5)p

＋(6－4)p45＝1×7＋2×1＝9因機械手具有9個自由度，故它運動的靈活性較大，可繞過障礙進入作業(yè)區(qū)。F＝6n－Σ

ip

＝6n－i

i

i

i

ii=1

i=1

i=15故機構(gòu)自由度的計算(4/4)（3）空間開鏈機構(gòu)的自由度計算§2-6

計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1.要正確計算運動副的數(shù)目復合鉸鏈由m個構(gòu)件組成的復合鉸鏈，共有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。同一運動副如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副。移動副，且移動方向彼此平行或重合；轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動軸線重合；平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。（3）復合平面高副如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉(zhuǎn)動副）。2.要除去局部自由度局部自由度是指機構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運動的局部運動的自由度，以F′表示。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(2/6)例2-8滾子推桿凸輪機構(gòu)解滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動為一個局部自由度，在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將F′從計算公式中減去，即l

hF＝3n－(2p

＋p

)－

F′故凸輪機構(gòu)的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虛約束虛約束是指機構(gòu)中某些運動副帶入的對機構(gòu)運動起重復約束作用的約束，以p′表示。例2-9平行四邊形四桿機構(gòu)l

hF＝3n－(2p

＋p

)－

F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(3/6)當增加一個構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F，且BE

∥AF，則＝l

hF＝3n－(2p

＋p

)－

F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝0原因：構(gòu)件5

和兩個轉(zhuǎn)動副E、F

引入的一個約束為虛約束。在計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)從機構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p′，故F＝3n－(2p

＋p

－p′)－

F′l

h如平行四邊形五桿機構(gòu)的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－0)－0

＝1計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(4/6)軌跡重合的情況在機構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動副連接的是兩個構(gòu)件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。例如橢圓儀機構(gòu)就是這種情況（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。顯然，轉(zhuǎn)動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。用雙副桿連接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點的情況在機構(gòu)運動過程中，如果兩構(gòu)件上兩點之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(5/6)4．機構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機構(gòu)就屬于此種情況。顯然，構(gòu)件5和轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復的情況在機構(gòu)中，不影響機構(gòu)運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機構(gòu)運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構(gòu)的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(6/6)§2-7虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構(gòu)運動的影響虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構(gòu)的性能。例如平行四邊形機構(gòu)，若誤差較小，則機構(gòu)裝配困難，應(yīng)力將增大，運動不靈活；若誤差較大，則機構(gòu)無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。1.虛約束對機構(gòu)工作性能的影響為了改善構(gòu)件的受力情況；增加機構(gòu)的剛度；保證機械通過某些特殊位置。機構(gòu)中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。結(jié)論從保證機構(gòu)運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應(yīng)盡量減少機構(gòu)的虛約束。因此，虛約束的多少是機構(gòu)性能的一個重要指標。2.機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是指在不影響機構(gòu)其他性能的前提下，通過運動副類型的合理選擇和裝配來盡可能減少虛約束的問題。（1)族別虛約束將某些機構(gòu)視為0族機構(gòu)時機構(gòu)所存在的虛約束的數(shù)目，以p″表示，則p″＝F－F0式中：F

為機構(gòu)的實際自由度；0F

為機構(gòu)被視為0族機構(gòu)時的自由度數(shù)目。虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(2/4)例2-10平面鉸鏈四桿機構(gòu)F＝(6－m)n－(5－m)p5＝(6－3)×3－(5－3)×4＝10

5F

＝6n－5p

＝6×3－5×4＝－2故

p″＝F－F0＝1－(－2)＝3顯然，這三個族別虛約束存在的條件是：所有鉸鏈的軸線要彼此平行。0若不滿足上述條件，則機構(gòu)將變成為F

＝－2的結(jié)構(gòu)了。（2）消除或減少族別虛約束的方法通過合理選擇和配置運動副的類型來消除或減少機構(gòu)中族別虛約束。虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(3/4)例2-11將轉(zhuǎn)動副B、C改為球面副和球銷副，則機構(gòu)變?yōu)?族機構(gòu)，即無族別虛約束。F＝6n－5p

－4p

－3p5

4

3＝6×3－5×2－4×1－3×1＝1例2-12曲柄滑塊機構(gòu)將轉(zhuǎn)動副C變?yōu)榍蛎娓?，則此機構(gòu)可減少2個族別虛約束。例2-13正切機構(gòu)將其低副用高副替代，即變?yōu)楹c接觸的高副機構(gòu)，則此機構(gòu)中無虛約束。虛約束對機構(gòu)工作性能的影響及機構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(4/4)鉸鏈四桿機構(gòu)§2-8平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機構(gòu)的組成原理例2-14顎式碎礦機基本桿組：不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組，稱阿蘇爾或桿組。機構(gòu)組成原理：任何機構(gòu)都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構(gòu)成的。例2-15顎式碎礦機注意在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。（1）基本桿組的條件l

h3n－2p

－p

＝0l

h式中n、p

及p

分別為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)?；?/p>

n/2＝p

/3l全為低副桿組的條件3n－2p

＝0l（2）桿組的基本類型1）Ⅱ級桿組由2個構(gòu)件和3個低副構(gòu)成的桿組。2）Ⅲ級桿組由4個構(gòu)件和6個低副構(gòu)成的桿組。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(2/4)3.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析分析的目的

了解機構(gòu)的組成，確定機構(gòu)的級別。分析的方法先計算機構(gòu)的自由度，并確定原動件；從遠離原動件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級組，若不成；再拆Ⅲ級組，直至只剩下原動件和機架為止；最后確定機構(gòu)的級別。（3）舉例破碎機機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：1）若取機構(gòu)1為原動件時，此機構(gòu)為Ⅱ級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(3/4)顯然，這種拆法不成。再試拆Ⅲ級組，故。此機構(gòu)為Ⅲ級機構(gòu)。平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析(4/4)2）若取構(gòu)件5為原動件時，先試拆Ⅱ級桿組，§2-9 平面機構(gòu)中的高副低代高副低代——機構(gòu)中的高副以低副來代替的方法。（1）高副低代應(yīng)滿足的條件：代替前后機構(gòu)的自由度完全相同；代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。（2）高副低代的方法：圓弧高副機構(gòu)非圓弧高副機構(gòu)平面機構(gòu)中的高副低代(2/2)結(jié)論：在平面機構(gòu)中進行高副低代時，為了使代替前后機構(gòu)的自由度、瞬時速度和加速度都保持不變，只要用一個虛擬的構(gòu)件分別與兩高副構(gòu)件在接觸點的曲率中心處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)就行了。若高副兩元素之一為直線，則低代時虛擬構(gòu)件這一端的轉(zhuǎn)動副將轉(zhuǎn)化為移動副。若高副兩元素之一為一個點，則低代時虛擬構(gòu)件這一端的轉(zhuǎn)動副就在此點處。由上述可知，在對高副機構(gòu)進行分析時，可根據(jù)高副低代的方法，先將高副機構(gòu)轉(zhuǎn)化為低副機構(gòu)，然后再進行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動及力分析。內(nèi)燃機及其機構(gòu)運動簡圖返回第三章 平面機構(gòu)的運動分析§3-1§3-2機構(gòu)運動分析的任務(wù)、目的和方法用速度瞬心法作機構(gòu)的速度分析§3-3用矢量方程圖解法作機構(gòu)的速度及加速度分析§3-4§3-5綜合運用瞬心法和矢量方程圖解法對復雜機構(gòu)進行速度分析用解析法作機構(gòu)的運動分析§3-1

機構(gòu)運動分析的任務(wù)、目的和方法任務(wù)根據(jù)機構(gòu)的尺寸及原動件已知運動規(guī)律，求構(gòu)件中從動件上某點的軌跡、位移、速度及加速度和構(gòu)件的角位移、角速度及角加速度。目的了解已有機構(gòu)的運動性能，設(shè)計新的機械和研究機械動力性能的必要前提。方法主要有圖解法和解析法?！?-2

用速度瞬心法作機構(gòu)的速度分析1.速度瞬心及其位置確定速度瞬心兩構(gòu)件上的瞬時等速重合點（即同速點），用Pij表示。絕對瞬心：vP＝0相對瞬心：vP≠0機構(gòu)中的瞬心總數(shù)目：K＝N

(N－1)/2N:運動構(gòu)件數(shù)瞬心位置的確定1）由瞬心定義確定以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)，瞬心在其中心處；以移動副相聯(lián)，瞬心在垂直于其導路的無窮遠處；以純滾動高副相聯(lián)，瞬心就在其接觸點處；以滾動兼滑動的高副相聯(lián)，瞬心就在過其接觸點處兩高副元素的公法線上。2）借助三心定理確定三心定理：彼此作平面運動的三個構(gòu)件的三個瞬心必位于同一直線上。用速度瞬心法作機構(gòu)的速度分析(2/3)例3-1平面鉸鏈四桿機構(gòu)解

K＝6P12P13

P14P23

P24P34用速度瞬心法作機構(gòu)的速度分析(3/3)說明瞬心確定的一種簡捷方法為瞬心代號下腳標同號消去法。2.用瞬心法作機構(gòu)的速度分析例3-2

平面鉸鏈四桿機構(gòu)例3-3

平面凸輪機構(gòu)§3-3用矢量方程圖解法作機構(gòu)的速度及加速度分析a

＝a

+a

＝a

＋a

＋n

aC

B

CB

B

CB

CBtD5

D4

D5D4

D5D4a

＝a

＋a

k

＋ar哥氏加速度的大小：a

k

＝2ω

v

；D5D4

4

D

5D4方向：將vD5D4沿ω4轉(zhuǎn)過90°的方向。1.基本原理和作法（1）同一構(gòu)件上兩點間的運動矢量關(guān)系vC＝vB＋vCB速度多邊形及加速度多邊形；速度影像及加速度影像。（2）兩構(gòu)件上重合點間的運動矢量關(guān)系vD5＝vD4＋vD5D42.作機構(gòu)的速度及加速度分析用矢量方程圖解法作機構(gòu)的速度及加速度分析(2/2)例3-4

柱塞唧筒六桿機構(gòu)例3-5

平面凸輪高副機構(gòu)§3-4綜合運用瞬心法和矢量方程圖解法對復雜機構(gòu)進行速度分析復雜機構(gòu)即Ⅲ級以上的機構(gòu)和組合機構(gòu)等。綜合法即綜合運用瞬心法和矢量方程圖解法作機構(gòu)速度分析的方法。舉例例3-6

齒輪-連桿組合機構(gòu)例3-7

搖動篩六桿機構(gòu)

例3-8風扇搖頭機構(gòu)§3-5

用解析法作機構(gòu)的運動分析1.矢量方程解析法矢量分析的有關(guān)知識構(gòu)件用桿矢量l＝le表示其，單位矢、切向單位矢及法向單位矢分別用e、e

t、e

n表示。矢量方程解析法復數(shù)法矩陣法以平面鉸鏈四桿機構(gòu)為例介紹矩陣法作機構(gòu)運動分析的方法。例3-9牛頭刨床六桿機構(gòu)第四章

平面機構(gòu)的運動分析§4-1機構(gòu)力分析的任務(wù)和方法§4-2構(gòu)件慣性力的確定§4-3運動副中摩擦力的確定§4-4不考慮摩擦時機構(gòu)的力分析§4-5考慮摩擦時機構(gòu)的力分析返回§4-1

機構(gòu)力分析的任務(wù)和方法1.作用在機械上的力（1）驅(qū)動力（2）阻抗力驅(qū)動機械運動的力。阻止機械運動的力。其特征：與其作用點的速度方向相同或者成銳角；其功為正功，稱為驅(qū)動功或輸入功。其特征：與其作用點的速度方向相反或成鈍角；其功為負功，稱為阻抗功。有效阻力（工作阻力）

其功稱為有效功或輸出功；有害阻力（非生產(chǎn)阻力）其功稱為損失功。2．機構(gòu)力分析的任務(wù)、目的及方法任務(wù)確定運動副中的反力確定平衡力及平衡力矩方法靜力分析動態(tài)靜力分析圖解法和解析法機構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法(2/2)§4-2

構(gòu)件慣性力的確定1．一般力學方法M

＝－J

αI2

S2

2I2可簡化為總慣性力F

′lh2＝MI2/FI2S2

I2M

(F

)與2α

方向相反?！銩C1以曲柄滑塊機構(gòu)為例B234（1）作平面復合運動的構(gòu)件（如連桿2）F

＝－m

aI2

2

S2AB1S1m1JS1BC2JS2CS2m23S3m3FI2I2lh2aS2α2FI′2M（2）作平面移動的構(gòu)件（如滑塊3）作變速移動時，則I3F

＝－m

a3

S3（3）繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件（如曲柄1）若曲柄軸線不通過質(zhì)心，則FI1＝－m1aS1MI1＝－JS1α1若其軸線通過質(zhì)心，則MI1＝－JS1α1FI3aS3C3AB1aS1α1FI1S1

MI1構(gòu)件慣性力的確定(2/5)2．質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法是指設(shè)想把構(gòu)件的質(zhì)量按一定條件集中于構(gòu)件上某幾個選定點上的假想集中質(zhì)量來代替的方法這。樣便只需求各集中質(zhì)量的慣性力，而無需求慣性力偶矩，從而使構(gòu)件慣性力的確定簡化。假想的集中質(zhì)量稱為代換質(zhì)量；代換質(zhì)量所在的位置稱為代換點。質(zhì)量代換的參數(shù)條件代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變；代換前后構(gòu)件的質(zhì)心位置不變；代換前后構(gòu)件對質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量不變。質(zhì)量動代換同時滿足上述三個條件的質(zhì)量代換稱為動代換。構(gòu)件慣性力的確定(3/5)mB

+

mK＝

m2BKm

b＝

m

kBK2

2m

b

＋m

k

＝JS

2在工程中，一般選定代換點B的位置，則S

2

2k＝

J

/(m

b)B

2m

＝

m

k/(b+k)ABC12S

31S2S3m2K如連桿BC的分布質(zhì)量可用集中在B、K兩點的集中質(zhì)量mB、mK來代換。bckmkmBmK＝

m2b/(b+k)動代換：優(yōu)點：代換后構(gòu)件慣性力及慣性力偶矩不改變。缺點：代換點及位置不能隨意選擇，給工程計算帶來不便。構(gòu)件慣性力的確定(4/5)BCS2m2（3）質(zhì)量靜代換mB＝m2c/(b+c)mC＝m2b/(b+c)靜代換：優(yōu)缺點：構(gòu)件的慣性力偶會產(chǎn)生一定的誤差，但一般工程是可接受的。ABC123S1S2S3m2S2m2只滿足前兩個條件的質(zhì)量代換稱為靜代換。如連桿BC的分布質(zhì)量可用B、C兩點集中質(zhì)量mB、mC

代換，則BmBCmC構(gòu)件慣性力的確定(5/5)§4-3運動副中摩擦力的確定1．移動副中摩擦力的確定（1）摩擦力的確定移動副中滑塊在力F

的作用下右移時,所受的摩擦力為Ff21

=

f

FN21式中f

為摩擦系數(shù)。FN21

的大小與摩擦面的幾何形狀有關(guān)：2）槽面接觸:θFN21=

G

/

sinθθGFN212FN212G1）平面接觸:FN2

=G

，F(xiàn)N2112GFN21v12F3）半圓柱面接觸:FN21=

k

G，（k

=

1~π/2）摩擦力計算的通式:FN21

=

f

NN21

=

fvG其中,fv

稱為當量摩擦系數(shù),其取值為:平面接觸:fv

=f

；槽面接觸:fv

=f/sinθ

；半圓柱面接觸:fv

=k

f

，（k=1~π/2）。說明引入當量摩擦系數(shù)之后,使不同接觸形狀的移動副中的摩擦力計算和大小比較大為簡化。因而這也是工程中簡化處理問題的一種重要方法。運動副中摩擦力的確定(2/8)G（2）總反力方向的確定運動副中的法向反力與摩擦力的合力FR21

稱為運動副中的總反力，總反力與法向力之間的夾角φ稱，為摩擦角，即φ

＝

arctan

f總反力方向的確定方法：1）FR21偏斜于法向反力一摩擦角φ

；2）

FR21偏斜的方向應(yīng)與相對速度v12的方向相反。舉例：正行程：F＝

G

tan(α

+φ)反行程：F

′＝

G

tan(α

-φ）擰緊：M

＝

Gd2tan(α

+φv)放松：M′＝Gd2tan(α

-φv)FR21Ff21FN21Gv12F12φ運動副中摩擦力的確定(3/8)例4-1

斜面機構(gòu)例4-2

螺旋機構(gòu)終切于摩擦圓，且與G

大小相等，方向相反。r2．轉(zhuǎn)動副中摩擦力的確定(1)軸頸的摩擦1）摩擦力矩的確定f21轉(zhuǎn)動副中摩擦力F

對軸頸的摩擦力矩為Mf

=

Ff21r

=

fv

G

r軸頸2

對軸頸1

的作用力也用總反力FR21

來表示,則FR21

=-G

,f

v式中ρ

=fv

r

,為摩擦圓半徑。具體軸頸其ρ

為定值,故可作摩擦圓ρ

稱,結(jié)論R21故

M

=

f

G

r

=F

ρ只要軸頸相對軸承運動軸，承對軸頸的總反力FR21將始運動副中摩擦力的確定(4/8)GMdω12FR21MfFN21Ff21ρρFf21=fvGfv=(1～π/2)（2）總反力方向的確定運動副中摩擦力的確定(5/8)根據(jù)力的平衡條件，確定不計摩擦時總反力的方向；計摩擦時的總反力應(yīng)與摩擦圓相切；總反力FR21

對軸心之矩的方向必與軸頸1相對軸承2的相對角速度的方向相反。舉例：例4-3鉸鏈四桿機構(gòu)考慮摩擦時的受力分析例4-4

曲柄滑塊機構(gòu)考慮摩擦時的受力分析軸端接觸面取環(huán)形微面積ds

=2πρdρ，設(shè)ds

上的壓強p為常則數(shù)其，正壓力dFN

=pds

，摩擦力dFf

=fdFN

=fρds，故其摩擦力矩dMf為dMf

=

ρdFf

=

ρfpds運動副中摩擦力的確定(6/8)2.2軸端的摩擦軸用以承受軸向力的部分稱為軸端當。軸端1在止推軸承2上旋轉(zhuǎn)時，接觸面間也將產(chǎn)生摩擦力。其摩擦力矩的大小確定如下：2r2RG12ωMMfdρρrRω根據(jù)pρ

=常數(shù)的關(guān)系知，在軸端中心部分的壓強非常大極，易壓潰，故軸端常做成空心的。1）新軸端對于新制成的軸端和軸承，或很少相對運動的軸端和軸承，各接觸面壓強處處相等,即p=G/[π

(R2-r2)]=常數(shù),則，Mf

=

3fG(R3-r3)/(R2-r2)2fr=

fG(R+r)/2M

=

2πf∫R

(pρ)

ρdρ2）跑合軸端

軸端經(jīng)過一定時間的工作后，稱為跑合軸端。此時軸端和軸承接觸面各處的壓強已不能再假定為處處相等而。較符合實際的假設(shè)是軸端與軸承接觸面間處處等磨損，即近似符合

pρ＝常數(shù)的規(guī)律。則總摩擦力矩Mf為M

=∫

ρ

fpds

=

2f

r

rπ

f

∫

pρ

2dρRR運動副中摩擦力的確定(7/8)3．平面副中摩擦力的確定平面高副兩元素之間的相對運動通常是滾動兼滑動故，有滾動摩擦力和滑動摩擦力；因滾其總反力方向的確定為：1）總反力FR21的方向與法向反力偏斜一摩擦角；2）偏斜方向應(yīng)與構(gòu)件1相對構(gòu)件2的相對速度v12的方向相反。動摩擦力一般較小，機構(gòu)力分析時通常只考慮滑動摩擦力。平面高副中摩擦力的確定，通常是將摩擦力和法向反力合成一總反力來研究。運動副中摩擦力的確定(8/8)ttnV12ω12MfFf21nFN21FR21φ§4-4

不考慮摩擦時機構(gòu)的受力分析1．機構(gòu)組的靜定條件:在不考慮摩擦時，平面運動副中反力作用線的方向及大小未知要素如下：轉(zhuǎn)動副

通過轉(zhuǎn)動副中心，大小及方向未知；移動副

沿導路法線方向，作用點的位置及大小未知；平面高副沿高副兩元素接觸點的公法線上，僅大小未知。l

h設(shè)由n個構(gòu)件和p

個低副和p

個高副組成的構(gòu)件組根，據(jù)每不考慮摩擦時機構(gòu)的受力分析(2/3)個構(gòu)件可列獨立力平衡方程數(shù)等于力的未知數(shù)，則得此構(gòu)件組的靜定條件為3n

=

2pl

+

ph結(jié)論基本桿組都滿足靜定條件。2．用圖解法作機構(gòu)的動態(tài)靜力分析分析步驟首先,求出各構(gòu)件的慣性力，并把它們視為外力加于產(chǎn)生慣性力的機構(gòu)上；其次,根據(jù)靜定條件將機構(gòu)分解為若干個構(gòu)件組和平衡力作用的構(gòu)件；最后,按照由外力全部已知的構(gòu)件組開始，逐步推算到平衡力作用的構(gòu)件，順序依次建立力平衡條件，并進行作圖求解。舉例平面六桿機構(gòu)的受力分析3．用解析法作機構(gòu)的動態(tài)靜力分析由于圖解法精度不高，而且當需機構(gòu)一系列位置的力分析時，圖解過程相當繁瑣。為了提高分析力分析精度所，以需要采用解不考慮摩擦時機構(gòu)的受力分析(3/3)析法。機構(gòu)力分析的解析方法很多，其共同點都是根據(jù)力的平衡條件列出各力之間的關(guān)系式，再求解下。面介紹三種方法：關(guān)系方程解析法、復數(shù)法和矩陣法。矢量方程解析法復數(shù)法（留給同學課外自學）矩陣法§4-5

考慮摩擦時機構(gòu)的受力分析掌握了對運動副中的摩擦進行分析的方法后就，不難在考慮摩擦的條件下對機構(gòu)進行力的分析了，下面舉例加以說明。例4-5鉸鏈四桿機構(gòu)考慮摩擦時的受力分析例4-6

曲柄滑塊機構(gòu)考慮摩擦時的受力分析小結(jié)在考慮摩擦時進行機構(gòu)力的分析，關(guān)鍵是確定運動副中總反力的方向，而且一般都先從二力構(gòu)件作起。但有些情況下，運動副中總反力的方向不能直接定出，因而無法解。在此情況下，可以采用逐次逼近的方法來確定。此外，對沖床等設(shè)備的傳動機構(gòu)考，慮不考慮摩擦力的分析

的結(jié)果可能相差一個數(shù)量級，故對此類設(shè)備在作力的分析時必須計及摩擦。返回第五章 機械的效率及自鎖§5-1機械的效率§5-2機械的自鎖§5-1

機械的效率1.機械效率的概念及意義機械的輸出功(Wr)與輸入功(Wd)的比值，（1）機械效率以η表示。機械損失系數(shù)或損失率機械的損失功(Wf)與輸入功(Wd)的比值，以ξ

表示。η＝Wr/Wd

＝1－Wf/Wd

＝1－

ξ（2）機械效率的意義機械效率反映了輸入功在機械中的有效利用的程度它。是機械中的一個主要性能指標。因摩擦損失是不可避免的，故必有ξ

>0和η

<1。降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。2.機械效率的確定（1）機械效率的計算確定以功表示的計算公式η＝Wr/Wd＝1－Wf/Wd以功率表示的計算公式η＝Pr/Pd＝1－Pf/Pd3）以力或力矩表示的計算公式η＝F0/F＝M0/M即實際驅(qū)動力實際驅(qū)動力矩η

＝

理想驅(qū)動力＝

理想驅(qū)動力矩理實論際機械裝置η0vGη

=

Pr

/Pd=GvG/FvFη0

=

GvG/F0vF

=1F

0vF機械的效率(2/10)例5-1斜面機構(gòu)已知：正行程F

＝

Gtan(α＋φ)F′＝Gtan(α－φ)反行程現(xiàn)求：η

及η

′解因其正行程實際驅(qū)動力為F＝Gtan(α＋φ)，理想驅(qū)動力為F0＝Gtanα，故η＝F0/F＝tanα/

tan(α＋φ)η

′＝F0

′/F＝tanα/

tan(α－φ)因其反行程實際驅(qū)動力為G＝F′/tan(α－φ)，理想驅(qū)動力為G

＝

F′/tanα，故0η′＝G0/G＝

tan(α－φ)/

tanα機械的效率(3/10)對嗎？錯誤！例5-2螺旋機構(gòu)已知：擰緊時

M

＝

Gd2tan(α＋φv)/2放松時

M′＝Gd2tan(α－φv)/2現(xiàn)求：η及η

′解采用上述類似的方法，可得擰緊時

η

＝

M0/M

＝

tanα/

tan(α＋φv)放松時

η′＝G0/G

＝

tan(α－φv)/

tanα機械的效率(4/10)（2）機械效率的實驗測定機械效率的確定除了用計算法外，更常用實驗法來測定，許多機械尤其是動力機械在制成后，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說明。1）實驗裝置定子平衡桿電機轉(zhuǎn)子電機定子磅秤彈性梁砝碼傳送帶蝸桿制動輪蝸輪聯(lián)軸器千分表機械的效率(5/10)制動輪上的圓周力Ft＝Q－G，從而確定出從動軸上的力矩M從，M從＝FtR＝(Q－G)R該蝸桿的傳動機構(gòu)的效率公式為η

＝P從/P主＝ω從M從/(ω主M主)＝M從/(iM主)式中i為蝸桿傳動的傳動比。對于正在設(shè)計和制造的機械，雖然不能直接用實驗法測定其機械效率，但是由于各種機械都不過是由一些常用機構(gòu)組合而成的，而這些常用機構(gòu)的效率又是可通過實驗積累的資料來預(yù)先估定的（如表5-1簡單傳動機構(gòu)和運動副的效率）據(jù)。此，可通過

計算確定出整個機械的效率。機械的效率(6/10)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來確定出主動軸上的力矩M主，即M主＝Fl。同時，根據(jù)彈性梁上的千分表讀數(shù)（即代表Q力）來確定3.機組的機械效率計算機組由若干個機器組成的機械系統(tǒng)。當已知機組各臺機器的機械效率時，則該機械的總效率可由計算求得。串聯(lián)機組功率傳動的特點是前一機器的輸出功率即為后一機器的輸入功率。串聯(lián)機組的總機械效率為Pdη

＝

Pr…d

1

k-1＝

P1

P2

PkP

P

P＝

η1η2…ηk即串聯(lián)機組總效率等于組成該機組的各個機器效率的連乘積。ηη

η11

22

kk（1）串聯(lián)

PdPk-1P1P1

P2

Pkr=Pr機械的效率(7/10)（2）并聯(lián)并聯(lián)機組的特點是機組的輸入功率為各機器的輸入功率之和，而輸出功率為各機器的輸出功率之和?！芇diP1+P2+…+Pk∑Pri

P1η1+P2η2+…+Pkηkη

＝

＝即并聯(lián)機組的總效率與各機器的效率及其傳動的功率的大小有關(guān)，且ηmin<η

<ηmax；機組的總效率主要取決于傳動功率大的機器的效率。結(jié)論要提高并聯(lián)機組的效率，應(yīng)著重提高傳動功率大的路線的效率。η11

η22ηkkP1η1

P2η2PkηkP1P2PkPd機械的效率(8/10)結(jié)論只要串聯(lián)機組中任一機器的效率很低，就會使整個機組的效率極低；且串聯(lián)機器數(shù)目越多，機械效率也越低。機械的效率(9/10)（3）混聯(lián)混聯(lián)機組的機械效率計算步驟為將輸入功至輸出功的路線弄清楚；分別計算出總的輸入功率∑Pd和總的輸出功率∑Pr；按下式計算其總機械效率。η

＝

∑Pr

/∑Pd例5-3機械傳動裝置的機械效率。d

rP

＝P

/(1

2

3

4η

η

η

η

)′

′′′2

2＝5

kW/(0.98

×0.96

)＝5.649

kW機構(gòu)1、2、3"、4"及5"串聯(lián)的部分2

2＝0.2

kW/(0.98

×0.94

×0.42)＝0.561

k故該機械的總效率為η

＝

∑Pr

/∑Pd

＝(5+0.2)

kW/(5.649+0.561)

kW=0.837d

rP

＝P

/(1

2

3

4

5ηηη

η

η

)"

""

"

"=5

kW0.98

0.980.96

0.960.94

0.94

0.42解機構(gòu)1、2、3′及4′串聯(lián)的部分=0.2

kW機械的效率(10/10)已知某機械傳動裝置機構(gòu)的效率和輸出功率，求該§5-2

機械的自鎖1.機械的自鎖自鎖現(xiàn)象某些機械，就其機械而言是能夠運動的，但由于摩擦的存在，卻會出現(xiàn)無論驅(qū)動力如何增大，也無法使機械運動的現(xiàn)象。自鎖意義設(shè)計機械時，為使機械能實現(xiàn)預(yù)期的運動，必須避免機械在所需的運動方向發(fā)生自鎖；有些機械的工作需要具有自鎖的特性，如手搖螺旋千斤頂。自鎖條件機械發(fā)生自鎖實質(zhì)上是機械中的運動副發(fā)生了自鎖。如何增大，其有效分力F

總小于t驅(qū)動力F

本身所引起的最大摩擦力Ffmax，因而總不能推動滑塊運動，即為自鎖現(xiàn)象。結(jié)論移動副發(fā)生自鎖的條件為：在移動副中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動力作用在其摩擦角之內(nèi)（即β≤φ

），則發(fā)生自鎖。例5-4移動副設(shè)驅(qū)動力為F，傳動角為β，摩擦角為φ。則Ft

=

Fsinβ

=

FntanβFfmax=

Fntanφ當β≤φ

時，有Ft

≤Ffmax即當β

≤φ

時，無論驅(qū)動力FφFtFnFR

FFfmax機械的自鎖(2/7)M

=

aF

≤

Mf

=FR

ρ

=

F

ρ即F

任意增大（a不變），也不能使軸頸轉(zhuǎn)動，即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。結(jié)論作用在軸頸上的驅(qū)動力為單力F，且作用于摩擦角之內(nèi)，即a

≤ρ。例5-5轉(zhuǎn)動副設(shè)驅(qū)動力為F，力臂長為a,摩擦圓半徑為ρ，當F作用在摩擦圓之內(nèi)時（即a≤ρ），則FaρRFR=F機械的自鎖(3/7)v鎖條件為α≤φ

。2.機械自鎖條件的確定(1)從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定原因機械的自鎖實質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。例5-6

手搖螺旋千斤頂v當α≤φ

時，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，故其自(2)從生產(chǎn)阻力G≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，機械不能運動，這時能克服的生產(chǎn)阻力G≤0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5手把6FG螺旋副機械的自鎖(4/7)v故此千斤頂自鎖條件為α

≤φ

。G≤0意味著只有阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才能使機械運動，此時機械已發(fā)生自鎖。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGM′例5-7手搖螺旋千斤頂反行程：驅(qū)動力為G，機構(gòu)的自鎖(5/7)阻抗力矩為M

，′則M

＝′Gd2tan(α－φv)/2自鎖要求M′≤0，即tan(α－φv)

≤0（3）從效率η

≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，其驅(qū)動力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，

故η＝1－Wf

/Wd

≤0例5-8手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為η′＝G0/G

=tan(α－φv)/tanα令η′≤0，則得此自鎖條件為α

≤φv

。（4）從自鎖的概念或定義的角度來確定當生產(chǎn)阻力G

一定時，驅(qū)動力F任意增大，即F→∞，或驅(qū)動力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，機械將發(fā)生自鎖。機構(gòu)的自鎖(6/7)例5-9手搖螺旋千斤頂其反行程驅(qū)動力與阻抗力矩的關(guān)系為M/′G=d2tan(α

－φv)/2當M′一定，G

→∞時，則tan(α

－φv)＝0機構(gòu)的自鎖(7/7)即α

＝φv又因機械自鎖時，其摩擦力一方應(yīng)大于或等于驅(qū)動力一方，故知其自鎖的條件為α

≤φv。舉例：例5-10

斜面壓榨機例5-11

偏心夾具例5-12

凸輪機構(gòu)的推桿第六章

機械的平衡§6-1§6-2§6-3§6-4§6-5§6-6機械平衡的目的及內(nèi)容剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算

剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗

轉(zhuǎn)子的許用不平衡量撓性轉(zhuǎn)子動平衡簡述(沒有內(nèi)容)平面機構(gòu)的平衡返回§6-1

機械平衡的目的及內(nèi)容1.機械平衡的目的機械在運轉(zhuǎn)時，構(gòu)件所生產(chǎn)的不平衡慣性力將在運動副中引起附加的動壓力。例6-1

磨削工件的砂輪ABSS

m=12.5

kge=1

mmn

=

6000

r/minFⅠFⅠ=

meω

2

=

5000

N其方向作周期性變化FⅠ在轉(zhuǎn)動副中引起的附加反力是砂輪自重的40倍。增大了運動副中摩擦和構(gòu)件中的應(yīng)力，降低了機械效率和使用壽命，影響機械本身的正常工作，也必將引起機械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強迫振動，甚至產(chǎn)生共振會。導致工作機械及其廠房建筑受到破壞。機械平衡的目的就是設(shè)法將構(gòu)件的不平衡慣性力加以平衡，以消除或減少慣性力的不良影響。機械的平衡是現(xiàn)代機械的一個重要問題對。于高速高精密機械尤為重要；但某些機械卻是利用構(gòu)件產(chǎn)生的不平衡慣性力所引起的振動來工作的。對于此類機械則是如何合理利用不平衡慣性力的問題。2.機械平衡的內(nèi)容在機械中,由于各條件的結(jié)構(gòu)及其運動形式的不同,其所產(chǎn)生的慣性力和平衡方法也不同。（１）轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)子的不平衡慣性力可利用在其上增加或除去一部分質(zhì)量的方法加以平衡。其實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子自身質(zhì)心的位置來達到消除或減少慣性力的目的。機娥平衡的目的及內(nèi)容(2/3)1）剛性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子[n<(0.6～0.75)nc1]的平衡，是按理論力學中的力學平衡理論進行的。靜平衡

只要求其慣性力平衡；動平衡

同時要求其慣性力和慣性力偶矩的平衡。2）撓性轉(zhuǎn)子的平衡撓性轉(zhuǎn)子[n≥(0.6～0.75)nc1]的平衡，其平衡是基于彈性梁的橫向振動理論。（2）機構(gòu)的平衡作往復移動或平面復合運動的構(gòu)件，其所產(chǎn)生的慣性力無法在該構(gòu)件上平衡，而必須就整個機構(gòu)加以平衡即。設(shè)法使各運動

構(gòu)件慣性力的合力和合力偶得到完全或部分的平衡，以消除或降低其不良影響。此類平衡問題為機構(gòu)的平衡或機械在機座上的平衡。機械平衡的目的及內(nèi)容(3/3)§6-2

剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算為了使轉(zhuǎn)子得到平衡，在設(shè)計時就要根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，通過計算將轉(zhuǎn)子設(shè)計成平衡的。1.剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計算（1）靜不平衡轉(zhuǎn)子對于軸向尺寸較小的盤形轉(zhuǎn)子(b/D

<0.其2)質(zhì)，量可近似認為分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。這時其偏心質(zhì)量在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生慣性力，因這種不平衡現(xiàn)象在轉(zhuǎn)子靜態(tài)時就可表現(xiàn)出來故，這類轉(zhuǎn)子稱為靜不平衡轉(zhuǎn)子。bABD回轉(zhuǎn)平面mmrωFⅠG（2）靜平衡及其條件靜平衡對于靜不平衡轉(zhuǎn)子，利用在其上增加或除去一部分質(zhì)量，使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸心重合，即可使轉(zhuǎn)子的慣性力得以平衡的方法。靜平衡的條件平衡后轉(zhuǎn)子的各偏心質(zhì)量（包括平衡質(zhì)量）的慣性力的合力為零。即ΣF＝0（3）靜平衡計算靜平衡計算主要是針對由于結(jié)構(gòu)所引起的靜不平衡的轉(zhuǎn)子而進行平衡的計算。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，計算確定需增加或除去的平衡質(zhì)量，使其在設(shè)計時獲得靜平衡。例6-2

盤形凸輪的靜平衡計算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算(2/4)2.剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計算動不平衡轉(zhuǎn)子對于軸向尺寸較大的轉(zhuǎn)子（b/D≥0.2其)，質(zhì)量就不能分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，而往往是分布在若干個不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)這。時即使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)軸線上，但各偏心質(zhì)量所形成的慣性力偶仍不平衡，而且其作用方位是隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化的這。種不平衡只有在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時才能顯現(xiàn)出來的，故稱此類轉(zhuǎn)子為動不平衡轉(zhuǎn)子。動平衡及其條件動平衡對于動不平衡轉(zhuǎn)子，通過選定兩個回轉(zhuǎn)平面Ⅰ及Ⅱ作為平面基面，再分別在這兩個面上增加或除去適當?shù)钠胶赓|(zhì)量，使轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時各偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力和慣性力偶矩同時得以平衡。這種平衡方法稱為動平衡。剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算(3/4)例6-3

內(nèi)燃機曲軸例6-4

雙凸輪軸剛性轉(zhuǎn)子動平衡的條件：各偏心質(zhì)量（包括平衡質(zhì)量）產(chǎn)生的慣性力的矢量和為零，以及這些慣性力所構(gòu)成的力矩矢量和也為零，即ΣF＝0，

ΣM＝0（3）動平衡計算動平衡計算是針對結(jié)構(gòu)動不平衡轉(zhuǎn)子而進行平衡的計算即。根據(jù)其結(jié)構(gòu)計算確定其上需增加或除去的平衡質(zhì)量，使其在設(shè)計時獲得動平衡。例6-5

某印刷機的三凸輪軸的平衡計算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算(4/4)§6-3

剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗對于經(jīng)平衡計算在理論上已經(jīng)平衡的轉(zhuǎn)子，由于其制造精度和裝配的不精確、材質(zhì)的不均勻等原因，就會產(chǎn)生新的不平衡。但這種無法用計算來進行平衡，而只能借助于實驗平衡。平衡實驗是用實驗的方法來確定出轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小和方位，然后利用增加或除去平衡質(zhì)量的方法予以平衡。1．靜平衡實驗（1）實驗設(shè)備導軌式靜平衡儀滾輪式靜平衡儀（2）實驗方法先將轉(zhuǎn)子放在平衡儀上，輕輕轉(zhuǎn)動，直至其質(zhì)心處于最低位置時才能停止。此時在質(zhì)心相反的方向加校正平衡質(zhì)量，再重新轉(zhuǎn)動。反復增減平衡質(zhì)量，直至呈隨遇平衡狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子達到了靜平衡。（3）實驗特點結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。能滿足一定精度要求，但工作效率低。對于批量轉(zhuǎn)子靜平衡，可采用一種快速測定平衡的單面平衡機。2．動平衡實驗轉(zhuǎn)子的動平衡實驗一般需在專用的動平衡機上進行。（1）實驗設(shè)備動平衡實驗機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、測量指示系統(tǒng)等部分組成。例6-6

光電式動平衡機剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗(2/3)（2）實驗原理目前多數(shù)動平衡機是根據(jù)振動原理設(shè)計的，測振傳感器將因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所引起的振動轉(zhuǎn)換成電信號，通過電子線路加以處理和放大，最后用儀器顯示出被測試轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量矢徑積的大小和方位。例6-7

動平衡機的工作原理3．現(xiàn)場平衡對于一些尺寸非常大或轉(zhuǎn)速很高的轉(zhuǎn)子，一般無法在專用動平衡機上進行平衡。即使可以平衡，但由于裝運、蠕變和工作溫度過高或電磁場的影響等原因，仍會發(fā)生微小變形而造成不平衡。在這種情況下，一般可進行現(xiàn)場平衡?，F(xiàn)場平衡就是通過直接測量機器中轉(zhuǎn)子支架的振動，來確定其不平衡量的大小及方位，進而確定應(yīng)增加或減去的平衡質(zhì)量的大小及方位，使轉(zhuǎn)子得以平衡。剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗(3/3)§6-4

轉(zhuǎn)子的許用不平衡量經(jīng)過平衡實驗的轉(zhuǎn)子，不可避免的還會有一些殘存的不平衡。若要這種殘存的不平衡量愈小，則需平衡實驗裝置愈精密、測試手段愈先進和平衡技術(shù)愈高。因此，根據(jù)工作要求，對轉(zhuǎn)子規(guī)定適當?shù)脑S用不平衡量是很有必要的。1．許用不平衡量表示方法質(zhì)徑積表示法轉(zhuǎn)子的許用不平衡質(zhì)徑積以[mr]表示，它是與轉(zhuǎn)子質(zhì)量有關(guān)的一個相對量。常用于具體給定的轉(zhuǎn)子，它比較直觀又便于平衡操作。偏心距表示法轉(zhuǎn)子的質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸線的許用偏心距以[e]表示，它是與轉(zhuǎn)子質(zhì)量無關(guān)的絕對量，用于衡量轉(zhuǎn)子平衡的優(yōu)劣或衡量平衡的檢測精度時，比較方便。兩種表示法的關(guān)系：[e]＝[mr]/m國際上已標準化(表6-1)轉(zhuǎn)子的平衡精度A和平衡等級，轉(zhuǎn)子許用不平衡量的確定表6-1中的轉(zhuǎn)子不平衡量以平衡精度A的形式給出，其值可由下式求得：A＝[e]ω

/10000

mm/s式中ω為轉(zhuǎn)子的角速度（rad/s）。對于靜不平衡的轉(zhuǎn)子，許用不平衡量[e]在選定A值后可由上式求得。對于動不平衡轉(zhuǎn)子，先由表中定出[e]，再求得許用不平衡質(zhì)徑積[mr]＝m[e]，然后將其分配到兩個平衡基面上。轉(zhuǎn)子的許用不平衡量(2/3)2．轉(zhuǎn)子的平衡精度等級與許用不平衡量的確定a轉(zhuǎn)子的許用不平衡量(2/3)Sb如下圖所示，兩平衡基面的許用不平衡質(zhì)徑積可按下式求得[mr]Ⅰ=[mr]b/(a+b)[mr]Ⅱ=[mr]a/(a+b)§6-6

平面機構(gòu)的平衡機構(gòu)的平衡，由于機構(gòu)各構(gòu)件在運動時所產(chǎn)生的慣性力可以簡化為一個通過質(zhì)心的總慣性力和總慣性力偶矩，并全部由基座承受。所以，平面機構(gòu)的平衡就要設(shè)法平衡這個總慣性力和總慣性力偶矩。機構(gòu)平衡的條件作用于機構(gòu)質(zhì)心的總慣性力和總慣性力偶矩應(yīng)分別為零。即F＝0

，

M＝0通常，對機構(gòu)只進行總慣性力的平衡，所以欲使機構(gòu)總慣性力為零，應(yīng)使機構(gòu)的質(zhì)心加速度為零，即應(yīng)使機構(gòu)的質(zhì)心靜止不動。平面機構(gòu)的平衡(2/3)1．完全平衡機構(gòu)的完全平衡是指機構(gòu)的總慣性力恒為零。為了達到機構(gòu)的完全平衡的目的，可采用如下措施：利用對稱機構(gòu)平衡利用平衡質(zhì)量平衡例6-8

鉸鏈四桿機構(gòu)的完全平衡例6-9

曲柄滑塊機構(gòu)的完全平衡研究表明完全平衡n個構(gòu)件的單自由度機構(gòu)的慣性力，應(yīng)至少加n/2個平衡質(zhì)量，這樣就使機構(gòu)的質(zhì)量大大增加。所以一般不采用這種方法，而多采用部分平衡的方法。結(jié)論采用完全平衡法，平衡效果很好。但會使機構(gòu)的質(zhì)量或體積大為增加，故一般采用部分平衡法。2．部分平衡機構(gòu)的部分平衡是對機構(gòu)的總慣性力只需平衡其中的一部分的平衡。機構(gòu)的部分平衡有以下幾種方法。利用平衡機構(gòu)平衡例6-10

曲柄滑塊機構(gòu)的部分平衡例6-11

鉸鏈四桿機構(gòu)的部分平衡利用平衡質(zhì)量平衡利用彈簧平衡結(jié)論采用往復慣性力的部分平衡法，既可減少慣性力的影響，又可減少需加的平衡質(zhì)量。一般對機械的工作較為有利。平面機構(gòu)的平衡(3/3)第七章

機械的運轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié)§7-1§7-2§7-3§7-4§7-5概述機械的運動方程式機械運動方程式的求解穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)下機械的周期性速度波動及其調(diào)節(jié)機械的非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)返回§7-1

概

述1．本章研究的內(nèi)容及目的（1）研究在外力作用下機械真實運動規(guī)律的求解機構(gòu)的運動規(guī)律通常用其原動件的運動規(guī)律（即位移、速度及加速度）描述。而其真實運動規(guī)律是由其各構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和作用于其上的驅(qū)動力與阻抗力等因素決定的。上述參數(shù)

往往是隨時間而變化的。要對機構(gòu)進行精確的運動分析和力分析，就需要確定原動件的真實運動規(guī)律。這對于機械設(shè)計，特別是高速、重載、高精度和高自動化的機械是十分重要的。概述(2/6)（2）研究機械運轉(zhuǎn)速度的波動及其調(diào)節(jié)機械在運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)速度波動，這種速度波動會導致在運動副中產(chǎn)生附加的動壓力，并引起機械的振動，從而降低機械的壽命、效率和工作質(zhì)量。為了降低機械速度波動的影響，就需要研究其波動和調(diào)節(jié)方法，以便設(shè)法將機械運動速度波動的程度限制在許可的范圍之內(nèi)。2．機械運轉(zhuǎn)的三個階段（1）起始階段機械的角速度ω由零漸增至ωm，其功能關(guān)系為Wd＝Wc＋E（2）穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段周期變速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)ωm＝常數(shù)，而ω

作周期性變化；在一個運動循環(huán)的周期內(nèi)，Wd＝Wc。等速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)ω＝ωm＝常數(shù)，Wd≡Wc

。（3）停車階段ω由ωm漸減為零；E＝－Wc

。3．驅(qū)動力和生產(chǎn)阻力（1）驅(qū)動力1）分類，作用在機械上的力常按其機械特性來分類。機械特性通常是指力（或力矩）和運動參數(shù)（位移、速度、時間等）之間的關(guān)系。概述(3/6)Oω直流并激電動機Oω直流并激電動機Oω交流異步電動機常數(shù)位移的函數(shù)速度的函數(shù)如重錘驅(qū)動件Fd＝COMds重錘FdCOMdFdsFd=Ks彈簧OMdMdφ內(nèi)燃機如彈簧Fd＝Fd(s)，內(nèi)燃機Md＝Md(φ)如電動機Md

＝

Md

(ω)驅(qū)動力可分為：概述(4/6)OωBC交流異步電動機2）驅(qū)動力的表達式當為用了解簡析化法計研算究，機常械將在原外動力機作的用機下械的特運性動用時簡，單原的動多機項發(fā)式出來的近驅(qū)似動表力示必。須以解析式表達。MN0MnMdωnωω設(shè)交流異步電動機的額定轉(zhuǎn)矩為Mn，額定角速度為ωn；同步轉(zhuǎn)速為ω0,此時轉(zhuǎn)矩為零。A其機械特性曲線BC的部分,又常近似地以直線NC(或拋物線)來代替。其上任意一點所確定的驅(qū)動力矩Md

可表達為d

n

00nM

=

M

(ω

－ω)/(ω

－ω

)式中Mn、ω0、ωn可由電動機產(chǎn)品目錄中查出。概述(5/6)（2）工作阻力如揉面機、球磨機等。說明驅(qū)動力和生產(chǎn)阻力的確定，涉及許多專業(yè)知識，已不屬于本課程的范圍。另外，在本章中認為外力是已知的。機械的執(zhí)行構(gòu)件所承受的生產(chǎn)阻力的變化規(guī)律，常取決于機械工藝過程的特點。按其機械特性來分，生產(chǎn)阻力可分為：常數(shù)如起重機、車床等。執(zhí)行構(gòu)件的函數(shù)如曲柄壓力機、活塞式壓縮機等。執(zhí)行構(gòu)件速度的函數(shù)