機械原理教學課件4

二、質量代換法1.質量代換法

按一定條件，把構件的質量假想地用集中于某幾個選定的點上的集中質量來代替的方法。2.代換點和代換質量代換點：上述的選定點。代換質量：集中于代換點上的假想質量。二、質量代換法（續(xù)）2）代換前后構件的質心位置不變；3）代換前后構件對質心的轉動慣量不變。以原構件的質心為坐標原點時，應滿足：3.質量代換時必須滿足的三個條件：1）代換前后構件的質量不變；二、質量代換法（續(xù)）

用集中在通過構件質心S的直線上的B、K兩點的代換質量mB和mK來代換作平面運動的構件的質量的代換法。4.兩個代換質量的代換法5.靜代換和動代換1）動代換：要求同時滿足三個代換條件的代換方法。二、質量代換法（續(xù)）2）靜代換：在一般工程計算中，為方便計算而進行的僅滿足前兩個代換條件的質量代換方法。取通過構件質心S

的直線上的兩點B、C為代換點，有：B及C可同時任意選擇，為工程計算提供了方便和條件；代換前后轉動慣量Js有誤差，將產生慣性力偶矩的誤差：§9–3運動副中的摩擦一、研究摩擦的目的1.摩擦對機器的不利影響1）造成機器運轉時的動力浪費機械效率

2）使運動副元素受到磨損零件的強度、機器的精度和工作可靠性機器的使用壽命3）使運動副元素發(fā)熱膨脹導致運動副咬緊卡死機器運轉不靈活；4）使機器的潤滑情況惡化機器的磨損機器毀壞。2.摩擦的有用的方面：一、研究摩擦的目的（續(xù)）

有不少機器，是利用摩擦來工作的。如帶傳動、摩擦離合器和制動器等。二、移動副中的摩擦-21.移動副中摩擦力的確定F21=fN21當外載一定時，運動副兩元素間法向反力的大小與運動副兩元素的幾何形狀有關：1）兩構件沿單一平面接觸

N21=-QF21=fN21=fQ2）兩構件沿一槽形角為2q

的槽面接觸N21sinq=-Q二、移動副中的摩擦（續(xù)）-23）兩構件沿圓柱面接觸N21是沿整個接觸面各處反力的總和。整個接觸面各處法向反力在鉛垂方向的分力的總和等于外載荷Q。

取N21=kQ（k≈1～1.57）?v------當量擦系數(shù)4）標準式

不論兩運動副元素的幾何形狀如何，兩元素間產生的滑動摩擦力均可用通式：來計算。

二、移動副中的摩擦（續(xù)）-25）槽面接觸效應

當運動副兩元素為槽面或圓柱面接觸時，均有?v＞?

其它條件相同的情況下，沿槽面或圓柱面接觸的運動副兩元素之間所產生的滑動摩擦力＞平面接觸運動副元素之間所產生的摩擦力。2.移動副中總反力的確定1）總反力和摩擦角總反力R21

：法向反力N21和摩擦力F21的合力。摩擦角：總反力和法向反力之間的夾角。2）總反力的方向二、移動副中的摩擦（續(xù)）-2R21與移動副兩元素接觸面的公法線偏斜一摩擦角；R21與公法線偏斜的方向與構件1相對于構件2的相對速度方向v12的方向相反3.斜面滑塊驅動力的確定1）求使滑塊1沿斜面2

等速上行時所需的水平驅動力P根據力的平衡條件（正行程）

如果，P’為負值，成為驅動力的一部分，作用為促使滑塊1沿斜面等速下滑。二、移動副中的摩擦（續(xù)）2）求保持滑塊1沿斜面2等速下滑所需的水平力

P’

根據力的平衡條件注意

當滑塊1下滑時，Q為驅動力，P’為阻抗力，其作用為阻止滑塊1加速下滑。（反行程）

將螺紋沿中徑d2圓柱面展開，其螺紋將展成為一個斜面，該斜面的升角a等于螺旋在其中徑d2上的螺紋升角。三、螺旋副中的摩擦l--導程，z--螺紋頭數(shù)，

p--螺距1.矩形螺紋螺旋副中的摩擦1）矩形螺紋螺旋副的簡化

螺旋副可以化為斜面機構進行力分析。三、螺旋副中的摩擦（續(xù)）2）擰緊和放松力矩擰緊：螺母在力矩M作用下逆著Q力等速向上運動，相當于在滑塊2上加一水平力P，使滑塊2沿著斜面等速向上滑動。

放松：螺母順著Q力的方向等速向下運動，相當于滑塊2沿著斜面等速向下滑。矩形螺紋：三角形螺紋：三、螺旋副中的摩擦（續(xù)）2.三角形螺紋螺旋副中的摩擦

1）三角形螺紋與矩形螺紋的異同點運動副元素的幾何形狀不同在軸向載荷完全相同的情況下，兩者在運動副元素間的法向反力不同接觸面間產生的摩擦力不同。螺母和螺旋的相對運動關系完全相同兩者受力分析的方法一致。2）當量摩擦系數(shù)和當量摩擦角3）擰緊和放松力矩三、螺旋副中的摩擦（續(xù)）三角形螺紋宜用于聯(lián)接緊固；矩形螺紋宜用于傳遞動力。1.軸頸摩擦四、轉動副中的摩擦用總反力R21來表示N21及F21四、轉動副中的摩擦（續(xù)）1）摩擦力矩和摩擦圓摩擦力F21對軸頸形成的摩擦力矩摩擦圓：以為半徑所作的圓。由①②①由力平衡條件②四、轉動副中的摩擦（續(xù)）2）轉動副中總反力R21的確定（1）根據力平衡條件，R21Q（2）總反力R21必切于摩擦圓。（3）總反力R21對軸頸軸心O之矩的方向必與軸頸1相對于軸承2的角速度w12的方向相反。注意

R21是構件2作用到構件1上的力，是構件1所受的力。w12是構件1相對于構件2的角速度。構件1作用到構件2上的作用力R12對轉動副中心之矩，與構件2相對于構件1的角速度w12方向相反。四、轉動副中的摩擦（續(xù)）2.止推軸承（軸端）的摩擦ds=2ddF=fdN=fpdsdN=pds非跑合止推軸承摩擦：不經常旋轉的軸端。如：圓盤摩擦離合器、螺母與被聯(lián)接件端面之間的摩擦。跑合止推軸承摩擦：經常有相對轉動的軸端。如止推軸頸和軸承之間的摩擦屬于此類。四、轉動副中的摩擦（續(xù)）2）跑合的止推軸承：軸端各處壓強p不

相等，pr=常數(shù)1）非跑合的止推軸承：軸端各處壓強p相等§9-4不考慮摩擦時機構的受力分析不考慮摩擦時，機構動態(tài)靜力分析的步驟為：1）求出各構件的慣性力，并把其視為外力加于產生該慣性力的構件上；2）根據靜定條件將機構分解為若干個構件組和平衡力作用的構件；3）由離平衡力作用最遠的構件組開始，對各構件組進行力分析；4）對平衡力作用的構件作力分析。例：在如圖所示的牛頭刨床機構中,已知：各構件的尺寸、原動件的角速度w1、刨頭的重量Q5，機構在圖示位置時刨頭的慣性力PI5，刀具此時所受的切削阻力(即生產阻力)Pr。試求：機構各運動副中的反力及需要施于原動件1上的平衡力偶矩(其他構件的重力和慣性力等忽略不計)。解：1、將該機構分解為構件5與4及構件3與2所組成的兩個靜定桿組，和平衡力作用的構件1。2、按上述次序進行分析。對E點取矩R65的作用線的位置例2（續(xù)）1）構件組5、4的受力分析大?。骸獭獭?？？方向：√√√√√R65lh652）構件組3、2的受力分析取構件3為研究對象，

R23的大小和方向：2為二力構件

R23=–R32=

R12R23作用于點C，且與導桿3垂直構件3對點B取矩由圖解法例2（續(xù)）大小：可求出√？方向：√√√3）原動件1的受力分析對點A取矩：根據構件1的力平衡條件機架對該構件的反力：例2（續(xù)）R21=–R12=

R32

§9-5考慮摩擦時機構的受力分析考慮摩擦時，機構受力分析的步驟為：1）計算出摩擦角和摩擦圓半徑，并畫出摩擦圓；2）從二力桿著手分析，根據桿件受拉或受壓及該桿相對于另一桿件的轉動方向，求得作用在該構件上的二力方向；3）對有已知力作用的構件作力分析；4）對要求的力所在構件作力分析。例1:如圖所示為一四桿機構。曲柄1為主動件，在力矩M1的作用下沿w1方向轉動，試求轉動副B及C中作用力的方向線的位置。（圖中虛線小圓為摩擦圓。解題時不考慮構件的自重及慣性力。）解：1）在不計摩擦時，各轉動副中的作用力應通過軸頸中心

構件2為二力桿此二力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上，作用線與軸頸B、C的中心連線重合。分析：由機構的運動情況連桿2受拉力。B2）當計及摩擦時，作用力應切于摩擦圓。分析：轉動副B處：構件2、1之間的夾角g逐漸減少w21為順時針方向2受拉力作用力R12切于摩擦圓上方。在轉動副C處：構件2、3之間的夾角b逐漸增大w23為順時針方向。R32切于摩擦圓下方。構件2在R12、R32二力個作用下平衡R32和R12共線R32和R12的作用線切于B處摩擦圓上方和C處摩擦圓的下方。例1(續(xù)）w14為逆時針方向例2:

在上例所研究的四桿機構中,若驅動力矩M1的值為已知,試求在圖示位置時各運動副中的作用力及構件3上所能承受的阻抗力矩(即平衡力矩)M3。（解題時仍不考慮構件的重量及慣性力）解：1）取曲柄1為分離體曲柄1在R21、R41及力矩M1的作用下平衡R41=-R21R21R41R21=-R12R41與R21的力偶矩與力矩M1平衡R41與R21平行且切于A處摩擦圓下方。

M1=R21L例2（續(xù)）2）取構件3為分離體根據力平衡條件R23=-R43R23=-R32w34（即w3）為逆時針方向R43切于D處摩擦圓上方R23R43構件3上所能承受的阻抗力矩M3為：M3=R23L’L’為R23與R43之間的力臂。例3如圖所示為一曲柄滑塊機構，設各構件的尺寸(包括轉動副的半徑)已知，各運動副中的摩擦系數(shù)均為f，作用在滑塊上的水平阻力為Q，試對該機構在圖示位置時進行力分析(設各構件的重力及慣性力均略而不計)，并確定加于點B與曲柄AB垂直的平衡力Pb的大小。解:1）根據已知條件作出各轉動副處的摩擦圓(如圖中虛線小圓所示)。2）取二力桿連桿3為研究對象構件3在B、C兩運動副處分別受到R23及R43的作用R23和R43分別切于該兩處的摩擦圓外，且R23=-R43。R23R43R23R43例3（續(xù)）滑塊4在Q、R34及R14三個力的作用下平衡3）根據R23及R43的方向，定出R23及R43的方向。4）取滑塊4為分離體R32R43且三力應匯于一點FjR145）取曲柄2為分離體曲柄2在Pb、R32和R12作用下平衡Pb＋R32＋R12＝0R12E6）用圖解法求出各運動副的反力R14、R34(=-R43)、R32(=-R23=R43)、R12、及平衡力Pb的大小。Q＋R34＋R14＝0§9-6機械的效率或一、各種功及其相互關系驅動功Wd

（輸入功）：作用在機械上的驅動力所作的功。有益功Wr

（輸出功）：克服生產阻力所作的功。損耗功Wf：克服有害阻力所作的功Wd＝Wr

＋Wf二、機械效率h

機械效率是輸出功和輸入功的比值，它可以反映輸入功在機械中有效利用的程度。將式Wd＝Wr

＋Wf

兩邊都除以t Nd、Nr

、Nf分別為輸入功率、輸出功率和損耗功率。二、機械效率（續(xù)）Nd＝Nr

＋Nf或：三、提高機械效率的方法1、盡量簡化機械傳動系統(tǒng)，使傳遞通過的運動副數(shù)目越少越好；2、減少運動副中的摩擦。理想驅動力P0

：理想機械中，克服同樣的生產阻力Q，所需的驅動力。四、機械效率的計算1.一般公式:理想機械：不存在摩擦的機械。理想機械的效率

h0等于1，即：機械效率的統(tǒng)一形式：四、機械效率的計算（續(xù)）理想生產阻力Q0

：理想機械中，同樣的驅動力P所能克服生產阻力。

不考慮摩擦（=0）：四、機械效率的計算（續(xù)）2.螺旋機構的效率計算實例1）當螺母逆著載荷Q向上運動時：

考慮摩擦：不考慮摩擦時：2）當螺母在載荷Q的作用下向下運動時：載荷Q為驅動力

考慮摩擦時：該機組的機械效率為：串聯(lián)機組的總效率等于組成該機組的各個機器的效率的連乘積。四、機械效率的計算（續(xù)）3.機組效率的計算1）串聯(lián)串聯(lián)的級數(shù)越多，系統(tǒng)的總效率越低?？傒敵龉β蕿?

總效率為：四、機械效率的計算（續(xù)）2）并聯(lián)總輸入功率為：Nd

=N1+

N2+…+NkNr

=N1’+

N2’

+…+Nk’=N1h1

+

N2h2

+…+Nkhkhmin<

h

<

hmax

N1=

N2=…=Nk時

h1=

h2=…=hk時則機組的總效率為:四、機械效率的計算（續(xù)）

設機組串聯(lián)部分的效率為h’，并聯(lián)部分的效率為h’’3）混聯(lián)例1:解:如圖所示為一輸送輥道的傳動簡圖。設已知一對圓柱齒輪傳動的效率為0.95；一對圓錐齒輪傳動的效率為0.92(均已包括軸承效率)。求該傳動裝置的總效率。此傳動裝置為一混聯(lián)系統(tǒng)圓柱齒輪1、2、3、4為串聯(lián)圓錐齒輪5-6、7-8、9-10、11-12為并聯(lián)。此傳動裝置的總效率§9-7機械的自鎖一、機械的自鎖

由于摩擦力的存在，無論驅動如何增大也無法使機械運動的現(xiàn)象。二、自鎖現(xiàn)象的意義1）設計機械時，為了使機械實現(xiàn)預期的運動，必須避免機械在所需的運動方向發(fā)生自鎖；2）一些機械的工作需要其具有自鎖特性。垂直分力Pn：所能引的最大摩擦力三、發(fā)生自鎖的條件1.滑塊實例

滑塊1與平臺2組成移動副。P為作用于滑塊1上驅動力

，b為力P與滑塊1和平臺2接觸面的法線nn之間的夾角，為摩擦角。

力P分解為水平分力Pt和垂直分力Pn，有效分力Pt：推動滑塊1運動的分力。當bj

時，-----------自鎖現(xiàn)象滑塊1不會發(fā)生運動三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）2.轉動副實例力P為作用在軸頸上的單一外載荷。當力P的作用線在摩擦圓之內（a<r）時力P對軸頸中心的力矩力P本身所能引起的最大摩擦力矩Mf=Rr

=Pra<r

M<Mf

不論力P如何增大，也不能驅使軸頸轉動。M=Pa------自鎖現(xiàn)象三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）3.一般條件

機械發(fā)生自鎖時，無論驅動力多么大，都不能超過由它所產生的摩擦阻力。

h0

當h=0時，機械處于臨界自鎖狀態(tài)；當h<0時，其絕對值越大，表明自鎖越可靠。驅動力所作的功，總是小于或等于由它所產生的摩擦阻力所作的功。

該千斤頂在物體重力的驅動下運動時的機械效率為：

此即該千斤頂在物體重力作用下不致于自行反轉的自鎖條件。三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）4.實例1）螺旋千斤頂三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）2）斜面壓榨機

該機構在當力P撤去后，在Ｑ的作用下應該具有自鎖性。（1）求出當Ｑ為驅動力時，該機構的機械效率。（設各接觸面的摩擦系數(shù)相同。）①根據各接觸面間的相對運動及已知的摩擦角j，將兩滑塊所受的總反力作出。三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）②取滑塊2為分離體，列出平衡方程式：P+R12+R32=0,作出力多邊形，并由正弦定律求得：③取滑塊3為分離體，列出平衡方程Q+R13+R23=0,可作出力多邊形并由正弦定律求得：R32=-R23三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）④假想該機構中不存在摩擦理想驅動力：該機構的效率：

此即該斜面壓榨機反行程自鎖的條件。三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）3）偏心夾具的自鎖條件應滿足的條件：由幾何關系得：（1）將s、s1的值帶入(1)式可得偏心夾具的自鎖條件為：三、發(fā)生自鎖的條件（續(xù)）5.結論1）所謂機械具有自鎖性，是說當它所受的驅動力作用于其某處或按某方向作用時是自鎖的，而在另外的情況下卻是能夠運動的。2）判定機構是否會自鎖和在什么條件下發(fā)生自鎖，可根據具體情況，視方便運用分析驅動力是否作用于摩擦角之內、或驅動力所能克服的阻抗力等于小于零的方法來解決。第十章機械的運轉及其速度波動的調節(jié)◆

機械的運動方程式◆機械運動方程式的求解◆穩(wěn)定運轉狀態(tài)下機械的周期性速度波動及其調節(jié)◆機械的非周期性速度波動及其調節(jié)◆了解機器運動和外力的定量關系◆了解機器運動速度波動的原因、特點、危害◆掌握機器運動速度波動的調節(jié)方法本章教學目的本章教學內容本章重點：等效質量、等效轉動慣量、等效力、等效力矩的概念及其計算方法；機械運動產生速度波動的原因及其調節(jié)方法?！?0-1概述一、作用在機械上的力

當忽略機械中各構件的重力以及運動副中的摩擦力時，作用在機械上的力可分為工作阻力和驅動力兩大類：1.工作阻力工作阻力是指機械工作時需要克服的工作負荷，它決定于機械的工藝特性。

在機械的生產過程中，有些生產阻力為常數(shù)，有些是位置的函數(shù)，還有一些是速度的函數(shù)。一、作用在機械上的力2.驅動力驅動力是指驅使原動機運動的力，其變化規(guī)律取決于原動機的機械特性。

原動機的機械特性：指原動機發(fā)出的驅動力與運動參數(shù)之間的關系。額定轉矩：特性曲線上N點所對應的轉矩。同步轉速：對應于C點的轉矩。任一點的轉矩為:交流異步電動機的機械特性曲線

原動件的速度從正常工作速度下降到零的階段。二、機械運轉的三個階段1.起動階段原動件的速度由零逐漸上升到開始穩(wěn)定的過程。2.穩(wěn)定運轉階段Wd=Wc1）周期變速穩(wěn)定運轉：角速度ω≠常數(shù)，但在一個運動循環(huán)的始末相等的穩(wěn)定運轉。2）等速運轉：ω=常數(shù)的穩(wěn)定運轉。3.停車階段

Wd=0;E=-WcWd=Wc+E§10-2機械的運動方程式對于如圖之曲柄滑塊機構：系統(tǒng)的運動方程式為：一、機械運動方程的一般表達式機械系統(tǒng)的運動方程式為：dE=dW

對于由n個活動構件組成的機構一、.機械運動方程的一般表達式若作用于構件i上的作用力為Fi，力矩為Mi，力Fi

作用點的速度為ui

，構件的角速度為ωi

，則其瞬時功率為：運動方程的一般表達式為：二、機械系統(tǒng)的等效動力學模型等效轉動慣量等效力矩1.等效轉動慣量和等效力矩（能力微分形式的運動方程式）說明：

對一個單自由度的機械系統(tǒng)的運動研究可簡化為對該系統(tǒng)的一個具有等效轉動慣量Je（），在其上作用有等效力矩Me（,,t）的假想構件的運動的研究。具有等效轉動慣量，其上作用有等效力矩的等效構件等效構件原機械系統(tǒng)等效動力學模型選滑塊為曲柄滑塊機構的等效構件等效力：二、機械系統(tǒng)的等效動力學模型（續(xù)）（能力微分形式的運動方程式）等效質量：2.等效質量和等效力若取轉動構件為等效構件，有：若取移動構件為等效構件，有：小結：三、其他形式表達的機械運動方程式1）力矩形式的機械運動方程式1.以回轉構件為等效構件時2）動能形式的機械運動方程式：三、其他形式表達的機械運動方程式（續(xù)）2.以移動構件為等效構件時1）力矩形式的機械運動方程式2）動能形式的機械運動方程式：§10-3機械運動方程的求解=（）一、等效轉動慣量和等效力矩均為位置的函數(shù)（Md=Md()，Mr=Mr()，Me=Me()，Je=Je()）1.等效構件的角速度

一、等效轉動慣量和等效力矩均為位置的函數(shù)（續(xù)）=（t）

2.等效構件的角加速度以電動機驅動的鼓風機，攪拌機之類機械屬于這種情況。用力矩形式的運動方程式求解比較方便。二、等效轉動慣量是常數(shù)，等效力矩是速度的函數(shù)時=（t）

例1:如圖為一齒輪驅動的正弦機構，已知：z1=20,轉動慣量為J1；z2=60，轉動慣量

為J2，曲柄長為l，滑塊

3和4的質量分別為m3，

m4,其質心分別在C和D

點，輪1上作用有驅動力

矩M1,在滑塊4上作用有

阻抗力F4，取曲柄為等

效構件，解：求：圖示位置時的等效轉動慣量Je及等效力矩Me。1）求Je

1）Je的前三項為常數(shù)，第四項為等效構件的位置參數(shù)2的函數(shù)，為變量。

2）工程上，為了簡化計算，常將等效轉動慣量中的變量部分用其平均值近似代替，或忽略不計。說明例1（續(xù)）2）求Me瞬時功率不變例2：已知：各齒輪齒數(shù)，齒輪3的分度圓半徑r3，各齒輪的轉動慣量，工作臺重G，當取齒輪1為等效構件時，試求該機械系統(tǒng)的Je。解：§10-4穩(wěn)定運轉狀態(tài)下機械的周期性速度波動及其調節(jié)一、產生周期性速度波動的原因當?shù)刃嫾剞D過角時，機械動能的增量為：一、產生周期性速度波動的原因（續(xù)）盈功：E>0，用“+”號表示。虧功：E<0，用“-”號表示。在盈功區(qū)，等效構件的ω在虧功區(qū)，等效構件的ω在Me和Je的公共周期內，Wd=Wr，經過Me和Je的一個公共周期，機械的動能恢復到原來的值等效構件的角速度恢復到原來的數(shù)值。等效構件的角速度在穩(wěn)定運轉過程中呈現(xiàn)周期性波動。二、速度波動程度的衡量指標1.平均角速度m2.角速度的變化量max-min

例如：當max-min=5rad/s時，對于m=10rad/s

和m=100rad/s的機械，低速機械的速度波動要明顯一些。

可反映機械速度波動的絕對量，但不能反映機械運轉的不均勻程度。3.速度不均勻系數(shù)：角速度變化量和其平均角速度的比值。工程上用它來表示機械運轉的速度波動程度。二、速度波動程度的衡量指標（續(xù)）m

一定時，越小，max與

min的差值越小，機器的運轉越平穩(wěn)。

設計機械時，應滿足：常用機械運轉不均勻系數(shù)的許用值[d]三、周期性速度波動的調節(jié)

為了減少機械運轉時產生的周期性速度波動，常用的方法是在機械中安裝具有較大轉動慣量JF的飛輪來進行調節(jié)。

飛輪相當于一個儲能器。當機械出現(xiàn)盈功時，它以動能的形式將多余的能量儲存起來，使主軸角速度上升幅度減小；當出現(xiàn)虧功時，它釋放其儲存的能量，以彌補能量的不足，使主軸角速度下降的幅度減小。設在機械上安裝的飛輪的等效轉動慣量為JF三、周期性速度波動的調節(jié)（續(xù)）

指一個周期內，驅動功和阻抗功之差的最大值。或：一個周期內，機械速度由min上升到max（或由max下降到min

）時，外力對系統(tǒng)所作的盈功（或虧功）的最大值。1.最大盈虧功Wmax

：三、周期性速度波動的調節(jié)（續(xù)）

圖(b)所示為某機械系統(tǒng)的動能E()在一個周期T內的變化曲線。b處：Emin

，c處：Emax

，

Wmax

：在b與c之間能量指示圖：以a點為起點，按一定比例用向量線段依次表示相應位置Med和Mer之間所包圍的面積Aab、Abc、Acd、Ade和Aea’的大小和正負的圖形。Amax代表最大盈虧功

Wmax的大小三、周期性速度波動的調節(jié)（續(xù)）2.飛輪轉動慣量JF的計算：

最好將飛輪安裝在高速軸上。

§10-5機械的非周期性速度波動及其調節(jié)非周期性速度波動：機械運轉過程中，等效力矩（Me=Med-Mer）非周期性變化時，機械出現(xiàn)的速度波動。

工作阻力或驅動力在機械運轉過程中發(fā)生突變，從而使輸入能量和輸出能量在較長一段時間內失衡造成的。若長時間內Med>Mer

,系統(tǒng)的轉速將持續(xù)上升，嚴重時會出現(xiàn)飛車現(xiàn)象；如果長時間Med>Mer

，會造成系統(tǒng)轉速持續(xù)下降直至最后停止運轉。一、非周期性速度波動產生的原因及危害1.當機械的原動機所發(fā)出的驅動力矩是速度的函數(shù)且具下降的趨勢時，機械具有自動調節(jié)非周期性波動的能力。采用電動機作為原動機的機械屬于此類。2.對于沒有自調性的機械系統(tǒng)，需安裝一種專門的調節(jié)裝置-----調速器來調節(jié)機械出現(xiàn)的非周期性速度波動。如采用蒸汽機、內燃機或汽輪機為原動機的機械系統(tǒng)二、非周期性速度波動的調節(jié)方法分為兩種情況：例4：已知:求：1)2)裝在曲軸上的飛輪的轉動慣量JF解：一個循環(huán)內驅動功應等于阻抗功，1)確定阻抗力矩Mr3）求2）求例4（續(xù)）MrED◆

剛性轉子的平衡計算◆剛性轉子的平衡實驗◆轉子的許用不平衡量◆平面機構的平衡◆

掌握剛性轉子靜、動平衡的原理和方法；◆

了解平面四桿機構的平衡原理。本章教學目的本章教學內容第十一章機械的平衡本講重點：剛性轉子靜、動平衡的原理和方法§11-1機械平衡的目的及內容一、機械平衡的目的設法將構件的不平衡慣性力加以消除或減少。二、機械平衡的內容1.繞固定由回轉的構件慣性力的平衡1）剛性轉子的平衡（1）靜平衡：只要求慣性力達到平衡；（2）動平衡：要求慣性力和慣性力矩都達到平衡。2）撓性轉子的平衡：轉子在工作過程中會產生較大的彎曲變形，從而使其慣性力顯著增大。2.機構的平衡：對整個機構加以研究，設法使各運動構件慣性力的合力和合力偶達到完全地或部分的平衡?！?1-2剛性轉子的平衡計算一、剛性轉子的靜平衡計算1.靜不平衡

指質心不在回轉軸線上軸向尺寸較小的盤狀轉子（b/D<0.2），在轉動時其偏心質量就會產生離心慣性力，從而在運動副中引起附加動壓力的不平衡現(xiàn)象。2.靜平衡設計

指通過在轉子上增加或除去一部分質量，使質心與回轉軸心重合以消除慣性力的不利影響的平衡設計方法。一、剛性轉子的靜平衡計算（續(xù)）如圖為一盤狀轉子。已知m1和m2和r1和r2為平衡這些離心慣性力，在轉子上加一平衡質量mb，使Pb與Pi相平衡，即：矢徑ri當轉子以角速度w回轉時，各偏心質量所產生的離心慣性力為：質徑積miri

平衡質徑積mbrb的大小和方位可根據上式用圖解法求出。1）分析與計算（1）靜平衡的條件：分布于轉子上的各個偏心質量的離心慣性力的合力為零或質徑積的向量和為零。（2）對于靜不平衡的轉子，不論它有多少個平衡質量，都只需在同一平衡面內增加或除去一個平衡質量就可以獲得平衡，---------單面平衡。求出mbrb后，可以根據轉子的結構選定rb

，即可定出平衡質量mb

。

也可在rb的反方向rb’處除去一部分質量

mb’來使轉子得到平衡，只要保證mbrb=mb’rb’

即可。一、剛性轉子的靜平衡計算（續(xù)）2）結論對于b/D0.2的轉子，其質量不能再視為分布在同一平面內，即使質心在回轉軸線上，由于各慣性力不在同一回轉平面內，所形成慣性力偶仍使轉子處于不平衡狀態(tài)。二、剛性轉子的動平衡計算1.動不平衡動不平衡：只有在轉子運動的情況下才顯現(xiàn)出來的不平衡。當轉子以角速度w回轉時，各偏心質量所產生的離心慣性力將形成一空間力系。二、剛性轉子的動平衡計算（續(xù)）2.動平衡計算

如圖為一長轉子。已知m1，m2和m3以及r1，r2和r3。轉子動平衡的條件是：P=0M=0

1）分析與計算（3）在平衡基面I及II內適當?shù)馗骷右黄胶赓|量，分別使兩個基面內的慣性力之和分別為零，則轉子達到動平衡。二、剛性轉子的動平衡計算（續(xù)）（1）將力P分解為相互平行的兩個分力：（2）選定兩個回轉平面I及II作為平衡基面，將各離心慣性力分別分解到平衡基面I及II內將P1,P2和P3分解為平衡基面I內的P1,P2

,P3和平衡基面II內的

P1,P2,P3空間力系轉化為兩個平面匯交力系。二、剛性轉子的動平衡計算（續(xù)）平衡基面I及II內的平衡質

量的大小和方位的確定同靜

平衡計算方法。分別列出基面I及II內的平衡條件；

（1）動平衡的條件：當轉子轉動時，轉子分布在不同平面內的各個質量所產生的空間離心慣性力系的合力和合力矩均為零。選取適當?shù)谋壤?，用圖解法求出mb

rb

和mb

II

rb

II；根據轉子的結構選定rb

和rb

II

，定出平衡基面I及II內的平衡質量mb

和mb

II

。2）結論二、剛性轉子的動平衡計算（續(xù)）（2）對于動不平衡的剛性轉子，不論它有多少個偏心質量，以及分布在多少個回轉平面內，都只需在選定的兩個平衡基面內增加或除去一個適當?shù)钠胶赓|量，就可以使轉子獲得動平衡。---------雙面平衡。（3）動平衡同時滿足靜平衡的條件經過動平衡的轉子一定靜平衡；反之，經過靜平衡的轉子不一定動平衡。例1:已知：根據平衡條件有：作質徑積多邊形解:基面I：基面II：例1（續(xù)）三、轉子的平衡精度

轉子要完全平衡是不可能的，實際上，也不需要過高要求轉子的平衡精度，而應以滿足實際工作要求為度。為此，對不同工作要求的轉子規(guī)定了不同的許用不平衡量，即轉子殘余不平衡量。許用不平衡量有兩種表示方法：1.用質徑積[mr]（單位g.mm）表示2.用偏心距[e](單位mm)表示

[e]=[mr]/m

§11-3剛性轉子的平衡實驗一、靜平衡實驗一、靜平衡實驗（續(xù)）二、動平衡實驗§11-4平面機構的平衡

當機構中存在作往復運動和平面復合運動的構件時，這些構件在運動中產生的慣性力和慣性力矩不可能像轉子那樣在構件本身上予以平衡，必須對整個機構進行平衡。機構平衡的條件是：通過機構質心的總慣性力和總慣性力偶矩M分別為零，即：

P=0M=0一、平面機構慣性力的平衡條件對于活動構件的總質量為m、總質心S的加速度為as的機構，要使機架上的總慣性力P平衡，必須滿足：as=0機構的總質心S勻速直線運動或靜止不動。欲使as=0,就得設法使總質心S靜止不動。設計機構時，可以通過構件的合理布置、加平衡質量或加平衡機構的方法使機構的總慣性力得到完全或部分平衡。二、機構慣性力的完全平衡1.利用對稱機構平衡：平衡效果很好，但使機構的體積增大。

完全平衡：使機構的總慣性力恒為0。常用的方法有：二、機構慣性力的完全平衡（續(xù)）2.利用平衡質量平衡將構件2的m2用集中于

B、C兩點的兩個質量代換；在構件1和3的延長線上各加一平衡質量，使其質心分別移到固定軸A和D處：m’=(m2BlAB+m1lAS’1)/r’m’’=(m2ClDC+m3lDS’3)/r’’m2B=

m2lCS’2/lBCm2C=

m2lBS’2/lBC1）四桿機構的完全平衡二、機構慣性力的完全平衡（續(xù)）2.利用平衡質量平衡加上m’和m’’后，可以認為在A和D處分別集中了兩個質量mA和mD:機構的總質心S’靜止不動，as=0機構的慣性力得到完全平衡。2）曲柄滑塊機構的完全平衡二、機構慣性力的完全平衡（續(xù)）

進行質量代換，得到A、B、C三點的集中質量mA、mB和mC；

在構件2的延長線上加平衡質量m’，使m’和mC的總質心移至B點；

在構件1的延長線上加平衡質量m’’，使機構的總質心移至固定點A。整個機構的慣性力達到完全平衡。

上述方法由于加裝了若干個平衡質量，大大增加機構的質量，尤其是把平衡質量裝在連桿上時更為不利。3）缺點：三、機構慣性力的部分平衡1.利用非完全對稱機構平衡

只平衡機構中總慣性力的一部分。常用的方法有：三、機構慣性力的部分平衡（續(xù)）2.利用平衡質量平衡1）將連桿的質量m2用集中于B點和C點的質量m2B和m2C來代替，將曲柄的質量用集中于點B和點A的質量m1B和m1A來代替。2）PB的平衡：在AB的延長線上加一平衡質量m’

三、機構慣性力的部分平衡（續(xù)）m’’所產生的慣性力在水平和鉛垂方向的分力分別為：P’’h=-m’’w2rcosj=-mCw2lAB

cosjP’’v=-m’’w2rsinj=-mCw2lAB

sinjP’’h

=-PCP’’h可以將mc產生的往復慣性力PC平衡掉。在曲柄的延長線上離

A點為r的地方再加一質量m’’,使：3）PC的平衡：PC的大小隨曲柄的轉角的不同而不同。三、機構慣性力的部分平衡（續(xù)）P’’v=-m’’w2rsinj=-mCw2lABcosj新的不平衡力P’’v，對機構也會產生不利影響。減少P’’v不利影響的方法：只平衡部分往復慣性力。在減小往復慣性力PC的同時，使P’’v不至于太大。對機械的工作較為有利，結構設計也較為簡便。農業(yè)機械的設計中，常采用這種平衡方法。三、機構慣性力的部分平衡（續(xù)）3.利用彈簧平衡

通過合理選擇彈簧的剛度系數(shù)k和彈簧的安裝位置，可以使連桿BC的慣性力得到部分平衡?！袅私猱a品設計過程和機械總體方案設計的內容；◆了解機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的過程和內容◆了解常用原動機的類型和特點及其選取原則；◆了解擬定簡單機械傳動系統(tǒng)方案的過程。本章教學目標第十二章機械總體方案的設計12-1機械總體方案設計概述12-2機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計12-3原動機的選擇12-4機械傳動系統(tǒng)的方案設計本章教學內容第十二章機械總體方案的設計一、機械產品的設計過程◆初期規(guī)劃設計階段◆總體方案設計階段◆結構技術設計階段◆生產施工設計階段機械產品設計是一個通過分析、綜合與創(chuàng)新獲得滿足某些特定要求和功能的機械系統(tǒng)的過程?！?2-1機械總體方案設計概述機械新產品的開發(fā)設計過程一般可以分為四個階段：1.初期規(guī)劃設計階段◆選題◆調研和預測◆可行性論證◆確定設計任務階段成果：調研報告設計任務書產品開發(fā)可行性論證報告2.總體方案設計階段◆目標分析◆創(chuàng)新構思◆方案擬定◆方案評價◆方案決策總體方案示意圖機械系統(tǒng)運動簡圖方案設計計算說明書階段成果：一、機械產品的設計過程（續(xù)）3.結構技術設計階段◆結構方案擬定◆造型設計◆結構設計◆材料選擇與尺寸設計◆設計圖繪制

階段成果全套設計圖紙設計計算說明書4.生產施工設計階段◆工藝設計◆工裝設計◆施工設計

階段成果工藝流程卡片、工裝設計圖基礎安裝圖、技術文件使用說明書、備件明細表一、機械產品的設計過程（續(xù)）1.功能：功能是代表一個系統(tǒng)的輸入輸出之間，以完成任務為目的的總的相互關系?；靖拍罟δ艿拿枋龇绞剑簞用~對（Verb-NounPair，VNP）：功能是技術系統(tǒng)對能量、物料和信息等功能對象的作用，采用動詞+名詞的表示方法。例如“傳遞能量”，“固定物體”。基本概念功能基中標準功能動詞和名稱的建立類（一級）二級三級物料611能量124信號27類（一級）二級三級補足物物料人手，腳，頭氣體同質的液體不可壓縮的，可壓縮的，同質的固體物體剛體，彈性體，小配件微粒合成物等離子體………………信號狀態(tài)聽覺音調，話嗅覺控制模擬振蕩的………………能量人聲學生物學………………類（一級）二級三級補足物分開分離隔離，分隔，分開劃分拆開，隔離，釋放，分類，分裂，斷開，減去吸取精煉，過濾，提純，滲濾，濾，清除去除切割，鉆，車，磨光，沙磨散布擴散，驅散，消散，發(fā)散，散播，分散，散射引導輸入形成入口，允許，輸入，捕獲輸出處理，逐出，噴射，發(fā)射，騰空，去除，毀壞，消除傳遞攜帶，遞送引導指引，驅動，駕駛，變直，轉換平移移動，重新安置旋轉（持續(xù)）旋轉，（繞一個點）轉動允許自由度強迫，解開，開鎖，打開連接結合聯(lián)合，連接接合裝配，固定連接連接混和加入，混合，連接，聚合，結合，包裝，填裝1.產品生命周期需求分析1.制定產品定義的過程需求分析1.制定設計需求表需求分析方案設計的進程功能分析建立功能結構尋求作用原理尋求作用原理的進程汽車油箱儲量測定傳感器的抽象化過程實例建立功能結構功能分解補充輔助功能：“轉變信號”補充輔助功能：“調整信號”補充輔助功能：“校正信號”補充輔助功能：“引入外來能量”確定系統(tǒng)邊界：電信號確定系統(tǒng)邊界：其他信號作用原理組合的具體化實例：汽車油箱油位測量儀器的作用變型的具體化

——對采用測定液體重量來確定油位的原理進行具體化操作

作用原理組合的具體化第一步：根據重力和慣性力進行估算作用原理組合的具體化第二步：通過將力變換為路程的方法，可以測量出液位高度值。但是為抑制有加速度力引起的路程，必須配備強阻尼。第三步：從大體上按比例畫出原理解的結構草圖，進行具體評價。評價結論：成本太高，淘汰方案設計實例設計實例：家用單手把混水器步驟1：闡明任務書：依據用戶提出的基本要求表，根據管道連接關系、適用的國家、國際標準以及人機工程關系等分析，建立詳細的設計任務書。步驟2：抽象化，建立總功能關于節(jié)流孔流通量和同類物質流量混合的物理關系步驟3：建立功能結構步驟4：尋求原理解以分功能“流量和溫度的配定”為例，將其具體化為“用一個運動使兩個截面做同義改變，同時或接著用第二個運動使其做反義改變”。用編排表對作用原理進行匯總步驟5：挑選合適的作用原理分析三種作用原理，均滿足設計需求和設計成本的要求，因此在下一步工作中將對所有三種作用原理進行具體化工作。步驟6：具體化原理解原理變型A：平面解，用偏向片和提轉把手原理變型B：圓柱面解，用操縱桿原理變型C：圓柱面解，用單面阻流和附近密封原理變型D：球面解5.9方案設計實例步驟7：原理解變型的評價保留對變型D的進一步研究評價結果：變型B為首選方案，二、機械總體方案設計的目的

總體方案設計階段的工作是實現(xiàn)機械產品初期規(guī)劃階段所提出的設計目標的關鍵。產品設計的好壞，包括產品的功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經濟效益是否顯著，在很大程度上取決于總體方案設計階段的工作，取決于方案的構思和方案擬定時的設計思想。

機械系統(tǒng)主要是由原動機、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成。三、機械系統(tǒng)的組成四、機械總體方案設計的內容★執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計、運動規(guī)律設計、執(zhí)行機構的型式設計、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計和執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價與決策?！镌瓌訖C類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計。其中傳動系統(tǒng)的方案設計主要包括傳動類型和傳動路線的選擇，傳動鏈中機構順序的安排和各級傳動比的分配?！锟刂葡到y(tǒng)的方案設計.★其它輔助系統(tǒng)的設計。主要包括潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、故障監(jiān)測系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等的設計。一、執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的過程§12-2機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計★功能原理設計：就是根據機械預期實現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來實現(xiàn)這一功能要求?！镞\動規(guī)律設計：是指為實現(xiàn)上述工作原理而決定選擇何種運動規(guī)律。★執(zhí)行機構型式設計：是指究竟選擇何種機構來實現(xiàn)上述運動規(guī)律。框圖表示二、執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的內容★執(zhí)行機構的協(xié)調設計：就是根據工藝過程對各動作的要求，分析各執(zhí)行機構應當如何協(xié)調和配合，設計出協(xié)調配合圖?！餀C構尺度設計：是指對所選擇的各個執(zhí)行機構進行運動和動力設計，確定各執(zhí)行機構的運動尺寸，繪制出各執(zhí)行機構的運動簡圖?！镞\動和動力分析：即對整個執(zhí)行系統(tǒng)進行運動分析和動力分析，以檢驗其是否滿足運動要求和動力性能方面的要求。★方案評價與決策：方案評價包括定性評價和定量評價。前者是指對結構的繁簡、尺寸的大小、加工的難易等進行評價，后者是指將運動和動力分析后所得的執(zhí)行系統(tǒng)的具體性能與使用要求所規(guī)定的預期性能進行比較，從而對設計方案作出評價。二、執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的內容（續(xù)）實現(xiàn)同一種功能要求，可以采用不同的工作原理；實現(xiàn)同一種工作原理，可以選擇不同的運動規(guī)律；實現(xiàn)同一種運動規(guī)律，可以選擇不同型式的機構。二、執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的內容（續(xù)）獲得多種不同的方案給定某種預期功能要求機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設計所要研究的問題，就是如何合理地利用設計者地專業(yè)知識和分析能力，創(chuàng)造性地構思出各種可能地方案并從中選出最佳方案。機械預期實現(xiàn)的功能功能原理摩擦傳動原理流體傳動原理電磁傳動原理機械推拉原理材料變形原理光電原理其它原理運動規(guī)律二、執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的內容（續(xù)）機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設計流程圖工藝動作分解方法1工藝動作分解方法2工藝動作分解方法3機構型式工藝動作分解方法n……連桿機構凸輪機構其它機構機構組合結構變異一、原動機的類型和特點§12-3原動機的選擇

電動機的類型很多，不同類型的電動機具有不同的結構型式和特性，可滿足不同的工作環(huán)境和機械不同的負載特性要求。主要優(yōu)點為：驅動效率高、有良好的調速性能、可遠距離控制，啟動、制動、反向調速都易控制，與傳動系統(tǒng)或工作機械聯(lián)接方便，作為一般傳動，電動機的功率范圍很廣。主要缺點為必須有電源，不適于野外使用。根據使用電源的不同，又分為交流電動機和直流電動機兩大類。1.動力電動機

伺服電動機是指能精密控制系統(tǒng)位置和角度的一類電動機。特點：它體積小、重量輕；具有寬廣而平滑的調速范圍和快速響應能力，其理想的機械特性和調節(jié)特性均為直線。應用；伺服電機廣泛應用于工業(yè)控制、軍事、航空航天等領域，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人、火炮隨動系統(tǒng)中。2.控制電動機（伺服電動機）一、原動機的類型和特點（續(xù)）（1）分類按燃料種類分：柴油機、汽油機和煤油機按工作循環(huán)中的沖程數(shù)分:四沖程和二沖程內燃機按汽缸數(shù)目分:單缸和多缸內燃機按主要機構的運動形式分:往復活塞式和旋轉活塞式（2）特點及應用

優(yōu)點是功率范圍寬、操作簡便、啟動迅速；適用于工作環(huán)境無電源的場合，多用于工程機械、農業(yè)機械、船舶、車輛等。缺點為對燃油的要求高，排氣污染環(huán)境、噪音大、結構復雜。3.內燃機一、原動機的類型和特點（續(xù)）

液壓馬達又稱為油馬達，它是把液壓能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置。其主要優(yōu)點是可獲得很大的動力或轉矩，可通過改變油量來調節(jié)執(zhí)行機構速度，易進行無級調速，能快速響應，操作控制簡單，易實現(xiàn)復雜工藝過程的動作要求。缺點是要求有高壓油的供給系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的制造裝配要求高，否則易影響效率和運動精度。4.液壓馬達

氣動馬達是以壓縮空氣為動力‘，將氣壓能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置。常用的有葉片式和活塞式。其主要優(yōu)點為：工作介質為空氣，故容易獲取且成本低廉；易遠距離輸送，排入大氣也無污染；能適應惡劣環(huán)境；動作迅速、反應快。缺點為：工作穩(wěn)定性差、噪音大，輸出轉矩不大，只適用于小型輕載的工作機械。5.氣動馬達一、原動機的類型和特點（續(xù)）1.選擇原則二、原動機的選擇★考慮工作機械的負載特性、工作制度、啟動和制動的頻繁程度?！锟紤]原動機本身的機械特性能否與工作機械的負載特性(包括功率、轉矩、轉速等)相匹配，能否與工作機械的調速范圍、工作的平穩(wěn)性等相適應?！锟紤]機械系統(tǒng)整體結構布置的需要?！锟紤]經濟性，包括原動機的原始購置費用、運行費用和維修費用等。★考慮經濟性，包括原動機的原始購置費用、運行費用和維修費用等。2.原動機類型的選擇★若工作機械要求有較高的驅動效率和較高的運動精度，應選用電動機。電動機的類型和型號較多，并具有各種特性，可滿足不同類型工作機械的要求?！镌谙嗤β氏?，要求外形尺寸盡可能小、重量盡可能輕時，宜選用液壓馬達?！镆笠卓刂?、響應快、靈敏度高時，宜采用液壓馬達或氣動馬達?！镆笤谝兹?、易爆、多塵、振動大等惡劣環(huán)境中工作時，宜采用氣動馬達。★要求對工作環(huán)境不造成污染，宜選用電動機或氣動馬達。★要求啟動迅速、便于移動或在野外作業(yè)場地工作時，宜選用內燃機?！镆筘撦d轉矩大，轉速低的工作機械或要求簡化傳動系統(tǒng)的減速裝置，需要原動機與