【大學課件】機械中的摩擦和自鎖

機械中的摩擦和自鎖本課程將深入探討機械中的摩擦力及其對自鎖現(xiàn)象的影響。課程目標理解摩擦力的產(chǎn)生機制和種類掌握摩擦系數(shù)的概念和影響因素深入了解自鎖現(xiàn)象的原理和應用什么是摩擦表面接觸摩擦力是兩個物體表面相互接觸時產(chǎn)生的力。微觀結構物體表面并非完全光滑，存在微觀凹凸，這些凹凸相互作用產(chǎn)生摩擦力。相對運動當兩個物體之間有相對運動或有相對運動趨勢時，摩擦力就會出現(xiàn)。摩擦力的產(chǎn)生表面粗糙任何物體表面都存在著微小的凹凸不平，這些不平會導致接觸面的相互阻礙。分子引力接觸面的分子之間存在著相互吸引的引力，這種引力也會阻礙物體的相對運動。形變當物體接觸時，表面會發(fā)生微小的形變，這些形變也會產(chǎn)生摩擦力。摩擦力的種類靜摩擦力物體處于靜止狀態(tài)時，阻止物體開始運動的摩擦力?；瑒幽Σ亮ξ矬w相對運動時，阻礙物體運動的摩擦力。滾動摩擦力物體滾動時，阻礙物體滾動的摩擦力。干摩擦和濕摩擦的區(qū)別干摩擦兩個表面之間沒有潤滑劑，直接接觸摩擦。濕摩擦兩個表面之間存在潤滑劑，通過潤滑劑進行摩擦。無滑移摩擦當兩個物體表面之間沒有相對運動時，它們之間產(chǎn)生的摩擦力被稱為無滑移摩擦。這種摩擦力可以阻止物體發(fā)生相對滑動。比如一個物體放在水平桌面上，它不會滑落，因為物體與桌面之間存在無滑移摩擦力?；瑒幽Σ廉攦蓚€物體發(fā)生相對運動時，在接觸面上會產(chǎn)生阻礙運動的摩擦力，這種摩擦力稱為滑動摩擦力?；瑒幽Σ亮Φ拇笮∨c正壓力和接觸面的材料性質(zhì)有關，與接觸面積無關?；瑒幽Σ亮Φ拇笮】梢允褂霉紽=μN來計算，其中F是滑動摩擦力，μ是滑動摩擦系數(shù)，N是正壓力。滾動摩擦當物體在另一個物體表面滾動時產(chǎn)生的摩擦力稱為滾動摩擦。它通常比滑動摩擦力小得多，這使得滾動成為運輸貨物和物體的一種更有效的方式。滾動摩擦力的大小受以下因素的影響：物體表面的材料物體的質(zhì)量滾動時的速度摩擦力的特點方向摩擦力總是與物體相對運動或相對運動趨勢的方向相反。大小摩擦力的大小取決于接觸面的性質(zhì)和正壓力。作用摩擦力可以幫助物體運動，也可以阻止物體運動。摩擦力的作用運動控制摩擦力是維持物體運動和靜止的重要因素。例如，汽車依靠輪胎與地面之間的摩擦力才能啟動、加速和剎車。能量轉換摩擦力可以將動能轉化為熱能，例如剎車時，摩擦力使剎車片發(fā)熱。機械連接摩擦力使兩個物體緊密結合，例如螺絲和螺母依靠摩擦力連接在一起。摩擦系數(shù)的概念定義摩擦系數(shù)是衡量兩個表面之間摩擦力大小的指標，它表示在接觸面間產(chǎn)生滑動摩擦力所需的正壓力與該正壓力之比。符號通常用希臘字母μ表示，沒有單位。公式μ=f/N，其中f是摩擦力，N是正壓力。摩擦系數(shù)的測量1實驗方法通過實驗直接測量摩擦力的大小，再根據(jù)公式計算摩擦系數(shù)。2測試裝置常用的測試裝置包括摩擦測試機、傾斜板裝置等。3數(shù)據(jù)分析根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算摩擦系數(shù)，并分析影響因素?；瑒幽Σ料禂?shù)影響因素接觸面粗糙度接觸面越粗糙，摩擦力越大，滑動摩擦系數(shù)也越大。接觸面壓力接觸面壓力越大，摩擦力越大，滑動摩擦系數(shù)也越大。接觸面材料不同材料的摩擦系數(shù)不同，例如橡膠與金屬的摩擦系數(shù)大于金屬與金屬的摩擦系數(shù)。接觸面潤滑情況接觸面潤滑程度越高，摩擦力越小，滑動摩擦系數(shù)也越小。自鎖現(xiàn)象自鎖現(xiàn)象指的是當外力撤銷后，機械系統(tǒng)能夠保持靜止狀態(tài)的現(xiàn)象。這在許多機械應用中至關重要，例如剎車系統(tǒng)、螺紋連接和楔塊結構。自鎖現(xiàn)象的發(fā)生需要滿足一定的條件，包括摩擦系數(shù)、斜面角度、螺紋傾角等因素。當摩擦力足夠大時，就能阻止物體沿斜面或螺紋滑下，從而實現(xiàn)自鎖。自鎖的條件1摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)大于某個臨界值，即摩擦力足夠大，能夠阻止物體沿斜面下滑。2外力外力方向與斜面平行，且大小小于摩擦力，無法克服摩擦力。3傾斜角度斜面傾斜角度大于某個臨界值，即摩擦力能夠克服重力分量，阻止物體下滑。自鎖工況分析1力平衡分析通過分析作用在機構上的力，判斷是否滿足自鎖條件。2摩擦系數(shù)影響考慮摩擦系數(shù)的變化，分析自鎖是否可靠。3工況變化影響考慮工作環(huán)境、溫度等因素，評估自鎖的穩(wěn)定性。斜面自鎖斜面自鎖是常見的一種自鎖現(xiàn)象，是指物體在斜面上受到重力作用，當斜面傾角小于摩擦角時，物體將保持靜止狀態(tài)，不會沿斜面下滑。這是因為物體在斜面上受到的摩擦力大于物體沿斜面下滑的重力分量，從而阻止物體運動。螺紋自鎖螺紋自鎖原理螺紋自鎖依靠摩擦力來阻止螺母松動，當螺紋傾角小于摩擦角時，螺母會自動鎖緊。應用場景螺紋自鎖廣泛應用于機械設備、建筑工程和日常生活，例如螺釘、螺栓和螺母的固定。楔塊自鎖楔塊自鎖是指楔塊在受力后，由于摩擦力的作用，無法自動滑動的現(xiàn)象。楔塊通常用于機械結構中，例如卡盤、夾具、制動器等。當楔塊受到外力作用時，其摩擦力會阻止其滑動。當外力消失后，摩擦力仍然存在，因此楔塊無法自動回位，這就是自鎖現(xiàn)象。自鎖現(xiàn)象的應用制動系統(tǒng)利用自鎖現(xiàn)象，制動器能夠將汽車或機械設備牢固地固定住。螺紋連接自鎖現(xiàn)象可確保螺紋連接的可靠性，防止松動。楔塊楔塊利用自鎖原理實現(xiàn)對物體進行固定或夾緊。自鎖現(xiàn)象的缺點運動受限自鎖會導致機構在特定條件下無法正常運動，影響機械的正常工作。效率降低自鎖會導致機構在運動過程中產(chǎn)生額外的摩擦力，降低機械的效率。磨損加劇自鎖現(xiàn)象會加劇機構部件之間的摩擦，加速磨損，縮短機械的使用壽命。如何避免自鎖降低摩擦系數(shù)使用潤滑油或潤滑脂降低接觸面的摩擦系數(shù)，從而減少摩擦力。改變接觸面材料選擇摩擦系數(shù)較低的材料作為接觸面，例如使用尼龍代替金屬。優(yōu)化結構設計改變機械結構，例如增加滾珠或滾柱，將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦。機械設計中的摩擦和自鎖考慮減少摩擦使用潤滑劑，選擇合適的材料，優(yōu)化表面處理等方法來降低摩擦力?？刂谱枣i在需要自鎖的情況下，通過增加摩擦力或改變結構設計來確保自鎖效果。避免自鎖在需要防止自鎖的情況下，通過降低摩擦力或設計防自鎖機構來避免自鎖發(fā)生。案例分析一螺桿升降機螺桿升降機是一種常用的機械裝置，它利用螺紋的摩擦力來實現(xiàn)升降功能。在螺桿升降機中，螺紋的摩擦力是自鎖現(xiàn)象的體現(xiàn)，只有當螺母上的外力大于螺紋摩擦力時，螺桿才會轉動。制動系統(tǒng)制動系統(tǒng)利用摩擦力來減速或停止車輛。例如，汽車的剎車片與制動盤之間的摩擦力是制動系統(tǒng)的主要工作原理。在剎車系統(tǒng)中，摩擦力的自鎖現(xiàn)象可以保證車輛在緊急剎車時不會滑行。案例分析二假設一輛汽車在斜坡上行駛，由于坡度較大，汽車在停止后可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。自鎖現(xiàn)象會導致汽車無法正常行駛，需要外部力量才能啟動。在該案例中，自鎖現(xiàn)象是由汽車的制動系統(tǒng)和斜坡的坡度共同決定的。制動系統(tǒng)提供了一個摩擦力，而斜坡的坡度則提供了重力分量，當重力分量大于摩擦力時，自鎖現(xiàn)象就會發(fā)生。案例分析三例如，在汽車制動系統(tǒng)中，剎車片和剎車盤之間的摩擦力可以使車輛減速或停止。如果沒有摩擦力，汽車將無法停止。但是，如果摩擦力過大，會導致制動距離過長，影響駕駛安全。因此，在設計汽車制動系統(tǒng)時，需要選擇合適的摩擦材料和結構，以保證制動效果和安全性?？偨Y與思考摩擦是機械設計中不可忽視的因素。摩擦力的存在既有積極作用，也有負面影響，需要合理利用和控制。自鎖現(xiàn)象的理解至關重要。了解自鎖條件、應用場景和潛在風險，有助于做出更合