機(jī)械原理課件-力分析

基本要求：

了解研究機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法，掌握機(jī)構(gòu)慣性力的確定，會(huì)確定運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力以及用圖解法進(jìn)行不考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析第九章平面機(jī)構(gòu)的力分析教學(xué)內(nèi)容:1.研究機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法2.構(gòu)件慣性力的確定3.運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定4.不考慮摩擦力的機(jī)構(gòu)力分析9.1作用在機(jī)構(gòu)上的力分類：1）驅(qū)動(dòng)力：輸入功2）阻力：有效阻力，有害阻力3）運(yùn)動(dòng)副反力：正壓力，摩擦力4）重力5）慣性力目的：1）確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副反力2）確定機(jī)構(gòu)需加的平衡力和平衡力矩方法：圖解法和解析法9.2構(gòu)件慣性力的確定一、構(gòu)件慣性力的計(jì)算由理論力學(xué)知，質(zhì)量對(duì)稱的剛體（構(gòu)件）作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性力系簡(jiǎn)化為：通過(guò)質(zhì)心S的力Fi和一力偶矩Mi。如圖a)作平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件和圖c)作繞非質(zhì)心變速轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件都同時(shí)具有慣性力Fi和慣性力偶矩Mi。它們都可以用一等于Fi的總慣性力F?i來(lái)代替，距離質(zhì)心h，如圖b)Fi和Mi用一等于Fi的總慣性力F?i來(lái)代替，偏離方向由Mi的方向決定。用上述方法確定構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩必須已知質(zhì)心加速度及角加速度，計(jì)算復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，按一定條件將構(gòu)件的分布質(zhì)量用集中在若干選定點(diǎn)的假想質(zhì)量來(lái)代換構(gòu)件的慣性力系的方法稱為質(zhì)量代換法，該假想的集中質(zhì)量稱為代換質(zhì)量，而代換質(zhì)量所集中的點(diǎn)稱為代換點(diǎn)。質(zhì)量代換法必須滿足下列代換條件：1）代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變；2）代換前后構(gòu)件的質(zhì)心不變；3）代換前后對(duì)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變。滿足前兩個(gè)條件的為靜代換，滿足三個(gè)條件的為動(dòng)代換。工程中常用兩個(gè)或三個(gè)代換質(zhì)量，本章只討論應(yīng)用較多的兩質(zhì)量代換法。二、質(zhì)量代換法1、動(dòng)代換如圖a）、b）所示，設(shè)選定運(yùn)動(dòng)副中心B為代換點(diǎn)，以質(zhì)心S為原點(diǎn)，以BS方向?yàn)閤軸，xB=-b，若選取另一代換點(diǎn)K，xK=k，根據(jù)動(dòng)代換必須滿足的三個(gè)代換條件得：解出未知數(shù)：當(dāng)代換點(diǎn)B選定后，代換點(diǎn)K的位置才確定，不能同時(shí)任選兩個(gè)代換點(diǎn)。如圖所示，根據(jù)靜代換必須滿足前兩個(gè)代換條件得２、靜代換

靜代換可以同時(shí)任選兩個(gè)代換點(diǎn)，但沒(méi)有滿足第三個(gè)條件，故慣性力偶矩產(chǎn)生誤差：在容許的誤差情況下，工程計(jì)算中靜代換得到廣泛應(yīng)用。

一、移動(dòng)副中的摩擦力平面移動(dòng)副中的摩擦力F:作用A上所有外力合力，與接觸面法線夾角β9.3運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定

1）當(dāng)時(shí)，自鎖

2）當(dāng)

時(shí)，。臨界狀態(tài)3）當(dāng)時(shí)，。加速運(yùn)動(dòng)RBA:總反作用力，和運(yùn)動(dòng)方向成:摩擦角2、斜面摩擦一滑塊置于斜面上，在鉛垂載荷Q的作用下滑塊沿斜面等速運(yùn)動(dòng)，分析使滑塊沿斜面等速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的水平力。（1）滑塊等速上升當(dāng)滑塊在水平力作用下等速上升時(shí)（2）滑塊等速上升當(dāng)滑塊在水平力作用下等速下滑時(shí)

（3）楔面摩擦

式中稱當(dāng)量摩擦系數(shù)，相當(dāng)于把楔形滑塊視為平滑塊時(shí)的摩擦系數(shù)。與之對(duì)應(yīng)的摩擦角稱為當(dāng)量摩擦角。引入當(dāng)量摩擦系數(shù)的意義在于：當(dāng)量摩擦系數(shù)引入后,在分析運(yùn)動(dòng)副中的滑動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí),不管運(yùn)動(dòng)副兩元素的幾何形狀如何,均可視為單一平面接觸來(lái)計(jì)算其摩擦力。二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦力的確定

常見(jiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副可以看成由軸和軸承構(gòu)成。軸頸：軸安裝在軸承中的部分；圖9-7徑向軸頸：載荷作用在半徑方向；圖9-7止推軸頸：載荷作用在周線方向。圖9-7重點(diǎn)在：徑向軸頸1.徑向軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力半徑為r的軸頸A在徑向載荷Q、驅(qū)動(dòng)力矩M作用下相對(duì)軸承以ωAB回轉(zhuǎn)，根據(jù)平衡條件：總反作用RBA與軸徑作用載荷Q關(guān)系：而二者構(gòu)成一阻止軸頸轉(zhuǎn)到的力偶矩RBA與Q構(gòu)成阻力偶矩Mf與M平衡：有f0：當(dāng)量摩擦系數(shù),f0=f：滑動(dòng)摩擦系數(shù)RBA與以O(shè)為圓心，以ρ為半徑的圓相切，此圓稱為摩擦圓；同時(shí)對(duì)軸心取矩方向與ωAB相反。根據(jù)力偶等效定律，可將驅(qū)動(dòng)力偶矩M與載荷Q合并成一合力Q'，其大小仍為Q，作用線偏移距離為h=M/Q，如圖所示。則有當(dāng)h<ρ，自鎖（阻力大于驅(qū)動(dòng)力）當(dāng)h=ρ，處于臨界狀態(tài)h>ρ，加速轉(zhuǎn)動(dòng)例題：圖9-10題9-7桿二為二力桿，受壓，力方向如圖所指二力桿由壓變成拉

在對(duì)機(jī)械進(jìn)行力分析時(shí)，對(duì)于低速機(jī)械，慣性力的影響不大，常忽略。在不計(jì)慣性力的條件下，對(duì)機(jī)械進(jìn)行的力分析稱為機(jī)構(gòu)的靜力分析。

但對(duì)于高速及重型機(jī)械，由于某些構(gòu)件的慣性力很大，甚至比機(jī)械所受的外力還大，此時(shí)就得考慮慣性力影響。根據(jù)理論力學(xué)中所學(xué)知識(shí)，可以將慣性力視為一般外力加于產(chǎn)生該慣性力的構(gòu)件上，此時(shí)可將該機(jī)械看做處于靜力平衡狀態(tài)，仍可用靜力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行受力分析，此方法稱為機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析。9.4不考慮摩擦力的機(jī)構(gòu)力分析一、動(dòng)態(tài)靜力法的應(yīng)用及靜定條件動(dòng)態(tài)靜力法：靜定條件：該構(gòu)件組所能列出的獨(dú)立的力平衡方程式應(yīng)等于構(gòu)件組中所有力的未知要素。運(yùn)動(dòng)副中的反力對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)是內(nèi)力，不能就整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的分析計(jì)算，必須把機(jī)構(gòu)分解成若干桿組，要求每一個(gè)桿組都必須是靜定的，滿足靜定條件。例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副中的反力應(yīng)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心，但它的大小和方向未知；移動(dòng)副中的反力垂直于移動(dòng)方向，其大小和作用點(diǎn)未知。因此確定平面低副中的反力，需求解兩個(gè)未知量；而高副中的反力，只需要一個(gè)未知量。因此，構(gòu)件組中有PL和PH，各運(yùn)動(dòng)副中反力應(yīng)為：2PL+PH個(gè)未知要素。而每個(gè)做平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，都可以列出3個(gè)獨(dú)立的力平衡方程，所以n個(gè)活動(dòng)件有3n個(gè)獨(dú)立方程，靜定條件即為3n=2PL+PH（和前面講的桿組條件相同，所以每個(gè)桿組都是靜定的）進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的一般步驟為：1）先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確定在已知的機(jī)構(gòu)位置時(shí)各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩，2）將慣性力及其它已知外力和力矩分別加在相應(yīng)的構(gòu)件上。3）從已知的驅(qū)動(dòng)力或生產(chǎn)阻力所作用的構(gòu)件開(kāi)始，對(duì)外力全部已知的一個(gè)構(gòu)件或一組構(gòu)件計(jì)算其運(yùn)動(dòng)副反力。4）最后計(jì)算平衡力及其所作用的構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副反力。例題9-5：解：1、選定μL，μv，μa作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、速度多邊形和加速度多邊形2、確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力矩α2順時(shí)針，Mi2逆時(shí)針將通過(guò)質(zhì)心S2的Fi2和作用在構(gòu)件上的Mi2合并一總慣性力F‘i2（如圖），其大小和方向不變，作用線偏一距離hi2，hi2=Mi2/Fi2

，偏移方向由慣性力矩決定。同理可求出Fi3、Mi3和hi3.（見(jiàn)書）F‘i3（如圖）α2順時(shí)針，Mi2逆時(shí)針;α3逆時(shí)針，Mi3順時(shí)針從作用Fr構(gòu)件開(kāi)始，按桿組求運(yùn)動(dòng)副反力和平衡力

1）求桿組2、3：分別以構(gòu)件2和3作為示力時(shí)，無(wú)法求解，因此以整個(gè)桿組為示力體。由構(gòu)件2的平衡3、確定各運(yùn)動(dòng)副反力及平衡力由構(gòu)件3的力平衡求得Rt43所得值為正，表示假設(shè)方向正確，反之相反。G2h2+Frhr-F`irh1-Rt12lCB=0Rt12=（G2h2+Frhr-F`irh1