機械原理課件：第5章機械的效率和自鎖

返回第五章機械的效率及自鎖§5-1

機構的效率§5-2

機械的自鎖因摩擦損失是不可避免的，故必有ξ>0和η<1。機械的損失功(Wf)與輸入功(Wd)的比值，§5-1

機構的效率1.機械效率的概念及意義（1）機械效率機械的輸出功(Wr)與輸入功(Wd)的比值，以η表示。機械損失系數或損失率，以ξ表示。η＝Wr/Wd＝1－ξ＝1－Wf/Wd（2）機械效率的意義它是機械中的一個主要性能指標，機械效率反映了輸入功在機械中的有效利用的程度，降耗節(jié)能是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重要任務之一。2.機械效率的確定（1）機械效率的計算確定1）以功表示的計算公式η＝Wr/Wd＝1－Wf/Wd2）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η＝理想驅動力實際驅動力理想驅動力矩實際驅動力矩＝實際機械裝置

η理論機械裝置

η0η=Pr/Pd=GvG

/FvF0η0=GvG

/F0vF=1vGvFF機構的效率(2/10)因其正行程實際驅動力為F＝Gtan(α＋φ)，理想驅動力為F0＝Gtanα，故例1

斜面機構已知

正行程F＝Gtan(α＋φ)反行程F′＝Gtan(α

－φ)現求

η及η′解η＝F0/F＝tanα/tan(α＋φ)η＝F0/F＝tanα/tan(α－φ)′′對嗎？因其反行程實際驅動力為G＝F′/tan(α－φ)，理想驅動力為G0＝F′/tanα，故η′＝G0/G＝tan(α－φ)/tanα機構的效率(3/10)例2

螺旋機構已知擰緊時

M＝Gd2tan(α＋φv)/2放松時M′＝Gd2tan(α－φv)/2現求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

機構的效率(4/10)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。（1）串聯串聯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。串聯機組的總機械效率為PrPdη＝P1P2PdP1…PkPk-1＝＝η1η2…ηk

即串聯機組總效率等于組成該機組的各個機器效率的連乘積。1k2η1η2ηkPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr機構的效率(7/10)只要串聯機組中任一機器的效率很低，就會使整個機組的效率極低；且串聯機器數目越多，機械效率也越低。要提高并聯機組的效率，應著重提高傳動功率大的路線的效率。結論（2）并聯并聯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。η＝∑Pri∑PdiP1η1+P2η2+…+PkηkP1+P2+…+Pk＝即并聯機組的總效率與各機器的效率及其所傳遞的功率的大小有關，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。結論12kη1η2ηkP1η1P2η2P2η2P1P2PkPd機構的效率(8/10)（3）混聯混聯機組的機械效率計算步驟為1）先將輸入功至輸出功的路線弄清楚；2）然后分別計算出總的輸入功率∑Pd和總的輸出功率∑Pr；3）最后按下式計算其總機械效率。η＝∑Pr/∑Pd機構的效率(9/10)

例設已知某機械傳動裝置的機構的效率和輸出功率，求該機械傳動裝置的機械效率。解機構1、2、3′及4′串聯的部分Pd＝Pr/(η1η2η3η4)′′′′＝5kW/(0.982×0.962)＝5.649kW機構1、2、3"、4"及5"串聯的部分＝0.2kW/(0.982×0.942×0.42)＝0.561kW故該機械的總效率為η＝∑Pr/∑Pd＝(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837Pd

＝Pr

/(η1η2η3

η4

η5)"""""=5kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2kW機構的效率(10/10)1.機構的自鎖§5-2

機械的自鎖（1）自鎖現象某些機構，就其機構而言是能夠運動的，但由于摩擦的存在，卻會出現無論驅動力如何增大，也無法使機械運動的現象。（2）自鎖意義設計機械時，為使機械能實現預期的運動，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，（3）自鎖條件機械發(fā)生自鎖實質上時機械中的運動副發(fā)生的自鎖。如手搖螺旋千斤頂。F例

移動副摩擦角φ。則Ft=Fsinβ=FntanβFfmax=Fntanφ當β≤φ時，有Ft≤Ffmax即β≤φ當時，無論驅動力F如何增大，其有效分力Ft總小于驅動力F所引起的最大摩擦力，因而總不能推動滑塊運動。即自鎖現象。

結論移動副發(fā)生自鎖的條件為：在移動副中，如果作用于滑塊上的驅動力作用在其摩擦角之內（即β≤φ

），則發(fā)生自鎖。設驅動力為F，傳動角為β，φFtFnFRFfmax機構的自鎖(2/7)例

轉動副設驅動力為F，力臂長為a,當F作用在摩擦圓之內時（即a≤ρ），則Ma=aF≤Mf=FR

ρ=F

ρ即F

任意增大（a不變），也不能使軸頸轉動，即發(fā)生了自鎖現象。

結論轉動副發(fā)生自鎖的條件為：作用在軸頸上的驅動力為單力F，且作用于摩擦角之內，即a≤ρ。摩擦圓半徑為ρ，FaρFR=FFR=F機構的自鎖(3/7)故其自鎖條件為α≤φv2.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就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。例1

手搖螺旋千斤頂當α≤φv時，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，(2)從生產阻力G≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅動力如何增大，機械不能運動；這時能克服的生產阻力G≤0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGG螺旋副機構的自鎖(4/7)

G≤0意味著，只有驅抗力反向變?yōu)轵寗恿?，才能使機械運動，此時機械已發(fā)生自鎖。例

手搖螺旋千斤頂自鎖要求M′≤0，即

tan(α－φv)≤0故此千斤頂自鎖條件為α≤φv0

G≤0意味著，只有驅抗力反向變?yōu)轵寗恿?，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6FGGM′反行程：驅動力為G，阻抗力矩為M

，′機構的自鎖(5/7)M＝Gd2tan(α－φv)/2′則（3）從效率η≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅動力如何增大，其驅動力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，η＝1－Wf

/Wd≤0故例

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）從自鎖的概念或意義的角度來確定當生產力一定時，驅動力P可以任意增大，即P－>∞，或驅動力F的有效分力Ft總是小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。機構的自鎖(6/7)例手搖螺旋千斤頂其反行程驅動力與阻抗力矩的關系為M/G=d2tan(α-φv)/2′當M′一定時，而G→∞時，則

tan(α-φv)＝0又因機械自鎖時，其摩擦力一方應大于或等于驅動力一方，舉例機構的自鎖(7/7)例2

斜面壓榨機例3

偏心夾具例4

凸輪機構的推桿故知其自鎖的條件為α≤φv。即α＝φv例1.已知：圖示機構，P為驅動力，Q為阻力，各接觸面間的摩擦系數均為f。求：當P力撤除后，機構在Q力作用下的自鎖條件。解：分析3構件：分析2構件：a123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21a123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21R23QR13PR32R12a-2ja123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21R23QR13PR32R12a-2j例2.已知：圖示曲柄滑塊機構，當滑塊主動時，P為驅動力，M1

為阻力矩，摩擦系數f

，

fV，軸頸r

均已知。求：機構的自鎖范圍。解：分析2構件：1構件：PM11234w21w23R12R32w14h