機械原理與機械設(shè)計

機械原理與機械設(shè)計第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五一、作用在機械上的力1.按作用在機械系統(tǒng)的內(nèi)外分：1）外力：如原動力、生產(chǎn)阻力、介質(zhì)阻力和重力；2）

內(nèi)力：運動副中的反力（也包括運動副中的摩擦力和慣性力引起的附加動壓力）2、按作功的正負分：1）

驅(qū)動力：驅(qū)使機械產(chǎn)生運動的力。2）阻抗力：阻止機械產(chǎn)生運動的力。特征：（M，同向），作正功。稱驅(qū)動功或輸入功。特征：（M，反向），作負功?！?-1機構(gòu)力分析的目的和方法第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五阻抗力又可分為有益阻力和有害阻力。（1）有益阻力——生產(chǎn)阻力（工作阻力），如切削力。（2）有害阻力——非生產(chǎn)阻力，如摩擦力、介質(zhì)阻力。注意摩擦力和重力既可作為作正功的驅(qū)動力，也可成為作負功的阻力。有效功（輸出功）：克服有效阻力所作的功。損耗功（輸出功）：克服有害阻力所作的功。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.機構(gòu)力分析的任務(wù)1）確定運動副中的反力及各構(gòu)件的受力；2）確定為了使機構(gòu)原動件按給定規(guī)律運動時需加于機械上的平衡力。——設(shè)計構(gòu)件的尺寸、形狀、強度及整機效率等。驅(qū)動力阻抗力確定機構(gòu)所能克服的最大阻力（即機器的工作能力）。驅(qū)動力阻抗力確定原動機的功率。二、機構(gòu)力分析的目的和方法第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.機構(gòu)力分析的方法具體方法：利用達朗伯原理。有圖解法和解析法。靜力分析(staticforceanalysis)——用于低速，慣性力的影響不大。動態(tài)靜力分析(dynamicforceanalysis)——用于高速，重載，慣性力很大。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§4-2構(gòu)件慣性力的確定一、一般力學(xué)方法1.作平面復(fù)合運動的構(gòu)件作平面復(fù)合運動的構(gòu)件上的慣性力系可簡化為：加于構(gòu)件質(zhì)心上S的慣性力FI和一個慣性力偶MI。Slh繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量用一個力簡化之第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.作平面移動的構(gòu)件變速運動：等速運動：BCSasFIMI第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1）繞通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件3.繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件2）繞不通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動等速轉(zhuǎn)動：等速轉(zhuǎn)動：產(chǎn)生離心慣性力變速轉(zhuǎn)動：可以用總慣性力FI’來代替FI和MI

，F(xiàn)I’=FI，作用線由質(zhì)心S

偏移lh變速運動：只有慣性力偶第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、質(zhì)量代換法1.質(zhì)量代換法按一定條件，把構(gòu)件的質(zhì)量假想地用集中于某幾個選定的點上的集中質(zhì)量來代替的方法。2.代換點和代換質(zhì)量代換點：上述的選定點。代換質(zhì)量：集中于代換點上的假想質(zhì)量。在確定構(gòu)件慣性力時，如用一般的力學(xué)方法，就需先求出構(gòu)件質(zhì)心的加速度和角加速度，如對一系列位置分析非常繁瑣，為簡化，可采用質(zhì)量代換法。

第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）代換前后構(gòu)件的質(zhì)心位置不變；3）代換前后構(gòu)件對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量不變。以原構(gòu)件的質(zhì)心為坐標(biāo)原點時，應(yīng)滿足：3.質(zhì)量代換條件1）代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變；靜代換動代換第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五BCbcS動代換：用集中在通過構(gòu)件質(zhì)心S的直線上的B、K

兩點的代換質(zhì)量mB和mK來代換作平面運動的構(gòu)件的質(zhì)量。BCbSkKmBmk依據(jù)上述原則，有優(yōu)點：代換精確。缺點：當(dāng)其中一個代換點確定之后，另一個代換點亦隨之確定，不能任意選取。工程計算不便。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五代換后慣性力：由加速度影像得：代換后慣性力矩：aSBakBBCbSkKmBmk第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五BCbScBCbcS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(zhì)量代換方法。取通過構(gòu)件質(zhì)心S的直線上的兩已知點B、C為代換點，有：BCbSkKmBmk動代換mCmB靜代換第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五優(yōu)點：B及C可同時任意選擇，為工程計算提供了方便和條件；缺點：代換前后轉(zhuǎn)動慣量Js有誤差，將產(chǎn)生慣性力偶矩的誤差。適用于角加速度較小的場合。這個誤差的影響，對于一般不是很精確的計算的情況是可以允許的，所以靜代換方法得到了較動代換更為廣泛的應(yīng)用。

第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§4–3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(zhuǎn)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(dǎo)致運動副咬緊卡死機器運轉(zhuǎn)不靈活；4）使機器的潤滑情況惡化機器的磨損機器毀壞。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.摩擦的有用的方面：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。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、移動副中的摩擦1.移動副中摩擦力的確定Ff21=fFN21當(dāng)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(guān)：1）兩構(gòu)件沿單一平面接觸

FN21=-GFf21=fFN21=fG2）兩構(gòu)件沿一槽形角為2q

的槽面接觸FN21sinq=-GV1212GFFN21Ff2112GFN21/2FN21/2第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3）兩構(gòu)件沿圓柱面接觸FN21是沿整個接觸面各處反力FN21的總和。（k≈1～1.57）?v------當(dāng)量擦系數(shù)4）標(biāo)準(zhǔn)式

不論兩運動副元素的幾何形狀如何，兩元素間產(chǎn)生的滑動摩擦力均可用通式：來計算。12GFN21FN21設(shè)：第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五5）槽面接觸效應(yīng)因為

fv

>f，所以在其它條件相同的情況下，槽面、圓柱面的摩擦力大于平面摩擦力。2.移動副中總反力方向的確定1）總反力和摩擦角總反力FR21：法向反力FN21和摩擦力Ff21的合力。摩擦角

：總反力和法向反力之間的夾角。V1212GFFN21Ff21FR21或：第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）總反力的方向FR21與移動副兩元素接觸面的公法線偏斜一摩擦角；FR21與公法線偏斜的方向與構(gòu)件1相對于構(gòu)件2的相對速度方向v12的方向相反3.斜面滑塊驅(qū)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(qū)動力F——正行程根據(jù)力的平衡條件V1212GFFN21Ff2190o+FR21V1212FFN21Ff21FR21GFFR21+G第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

如果，F(xiàn)'為負值，成為驅(qū)動力的一部分，作用為促使滑塊1沿斜面等速下滑。2）求保持滑塊1沿斜面2等速下滑所需的水平力F'——反行程根據(jù)力的平衡條件注意當(dāng)滑塊1下滑時，G為驅(qū)動力，F(xiàn)'為阻抗力，其作用為阻止滑塊1加速下滑。V1212F'FN21Ff21FR21GF'FR21-G第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

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(dǎo)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(gòu)進行力分析。12G/2G/2GGF第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）擰緊和放松力矩擰緊——螺母在力矩M作用下逆著G力等速向上運動，相當(dāng)于在滑塊2上加一水平力F，使滑塊2沿著斜面等速向上滑動。

放松——螺母順著G力的方向等速向下運動，相當(dāng)于滑塊2沿著斜面等速向下滑。12G/2G/2GGF第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五矩形螺紋：三角形螺紋：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(chǎn)生的摩擦力不同。螺母和螺旋的相對運動關(guān)系完全相同兩者受力分析的方法一致。GFNFN第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角3）擰緊和放松力矩三角形螺紋宜用于聯(lián)接緊固；矩形螺紋宜用于傳遞動力。GFNFN當(dāng)量摩擦系數(shù)當(dāng)量摩擦角第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.軸頸摩擦四、轉(zhuǎn)動副中的摩擦軸頸——軸放在軸承中的部分當(dāng)軸頸在軸承中轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動副兩元素間產(chǎn)生的摩擦力將阻止軸頸相對于軸承運動。

2Md121rOG總摩擦力：FN21Ff21對于新軸頸：壓力分布均勻，對于跑合軸頸：點、線接觸，第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2Md121rOGFR21FN21Ff21用總反力FR21來表示FN21及Ff211）摩擦力矩和摩擦圓摩擦力Ff21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第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）轉(zhuǎn)動副中總反力FR21的確定（1）根據(jù)力平衡條件，F(xiàn)R21G（2）總反力FR21必切于摩擦圓。（3）總反力FR21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2Md121rOGFR21FN21Ff21

FR21是構(gòu)件2作用到構(gòu)件1上的力，是構(gòu)件1所受的力。w12是構(gòu)件1相對于構(gòu)件2的角速度。方向相反。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五例:

圖示為一四桿機構(gòu)，構(gòu)件1為主動件，不計構(gòu)件的重量和慣性力。求轉(zhuǎn)動副B及C中作用力的方向線的位置。

構(gòu)件2為二力構(gòu)件——受拉狀態(tài)M11BCDA12342123

FR12

FR32第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.軸端摩擦環(huán)面正壓力環(huán)面摩擦力環(huán)形微面積上產(chǎn)生的摩擦力dFf對回轉(zhuǎn)軸線的摩擦力矩dMf為:

軸端所受的總摩擦力矩Mf為

G

從軸端取環(huán)形微面積ds并設(shè)ds上的壓強p為常數(shù)，則有第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五上式的求解可分兩種情況來討論：

（1）新軸端——假定整個軸端接觸面上的壓強p處處相等，即p=常數(shù)，則

（2）跑合軸端——整個軸端接觸面上的壓強p已不再處處相等，而滿足p=常數(shù)，則

第31頁，共33頁，2023年，