机械中摩擦和机械效率.ppt

湘潭大学专用,第五章 机械中摩擦和机械效率,51 研究机械中摩擦的目的,52 运动副的中摩擦,53 机械的效率,54 机械的自锁,湘潭大学专用,51 研究机械中摩擦的目的,摩擦产生源运动副。,摩擦的缺点：,优点：,研究目的：,研究内容：,1.运动副中的摩擦分析,2.考虑摩擦时机构的受力分析；,3.机械效率的计算,4.自锁现象及其发生的条件,发热,效率,磨损,强度,精度,寿命,利用摩擦完成有用的工作。,如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、,离合器(摩托车)、,制动器（刹车）。,减少不利影响，发挥其优点。,润滑恶化,卡死。,湘潭大学专用,52 运动副中摩擦,低副产生滑动摩擦力,高副滑动兼滚动摩擦力。,一、移动副的摩擦,1. 移动副中摩擦力的确定,由库仑定律得： F21f N21,湘潭大学专用,F21f N21,当材料确定之后，F21大小取决于法向反力N21,而Q一定时，N21 的大小又取决于运动副元素的几何形状。,槽面接触：,结论：不论何种运动副元素，有计算通式：,F21=f N21 + f N”21,平面接触：,N21 = N”21 = Q / (2sin),理论分析和实验结果有： k =1/2,F21=f N21,F21= f N21,F21=f N21= f Q,柱面接触：,代数和：N21= |N21|,= ( f / sin) Q,= fv Q,=f k Q,= fv Q,= fv Q,fv称为当量摩擦系数,=kQ,|N21|,湘潭大学专用,非平面接触时 ，摩擦力增大了，为什么？,应用：当需要增大滑动摩擦力时，可将接触面设计成槽面或柱面。如圆形皮带（缝纫机）、三角形皮带、螺栓联接中采用的三角形螺纹。,是 f 增大了？,原因：是由于N21 分布不同而导致的。,对于三角带：18,2.移动副中总反力的确定,总反力为法向反力与摩擦力的合成： R21=N21+F21,tg= F21 / N21,摩擦角，,方向:R21V12 (90+),以R21为母线所作圆锥称为摩擦锥,，总反力恒切于摩擦锥,fv3.24 f,= fN21 / N21,=f,不论P的方向如何改变，P与R两者始终在同一平面内,湘潭大学专用,a)求使滑块沿斜面等速上行所需水平力P,b)求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力P,作图,作图,若，则P为阻力;,大小：？ ？ 方向： ,得： P=Qtg(+),若，则P方向相反，成为驱动力。50分,得： P=Qtg(-),大小： ？ ？ 方向： ,湘潭大学专用,二、螺旋副中的摩擦,螺纹的牙型有：,螺纹的用途：传递动力或连接,从摩擦的性质可分为：矩形螺纹和三角形螺纹,螺纹的旋向：,湘潭大学专用,1.矩形螺纹螺旋中的摩擦,式中l导程，z螺纹头数，p螺距,螺旋副的摩擦转化为=斜面摩擦。,拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：,假定载荷集中在中径d2 圆柱面内，展开,斜面其升角为： tg,螺纹的拧松螺母在P和Q的联合作用下，顺着Q等速向下运动。,螺纹的拧紧螺母在P和Q的联合作用下，逆着Q等速向上运动。,=l /d2,=zp /d2,从端面看,湘潭大学专用,P螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的 拧紧所需力矩M为：,拧松时直接引用斜面摩擦的结论有：,P螺纹拧松时必须施加在中径处的圆周力，所产生 的拧松所需力矩M为：,若，则M为正值，其方向与螺母运动方向相反， 是阻力；,若，则M为负值，方向相反，其方向与预先假定 的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为 放松螺母所需外加的驱动力矩。,湘潭大学专用,2.三角形螺纹螺旋中的摩擦,矩形螺纹忽略升角影响时，N近似垂直向上,比较可得：NcosQN,引入当量摩擦系数: fv = f / cos,三角形螺纹,拧紧：,拧松：,NcosQ，,NQ,当量摩擦角: v arctg fv,可直接引用矩形螺纹的结论：,NN /cos,湘潭大学专用,三、转动副中的摩擦,1.轴径摩擦,直接引用前面的结论有： F21=f N21,产生的摩擦力矩为：,轴,轴径,轴承,方向：与12相反。,= Q,=f kQ,= fv Q,Mf= F21 r,= fv rQ,=f N21 r,湘潭大学专用,三、转动副中的摩擦,1.轴径摩擦,当Q的方向改变时，,R21的方向也跟着改变，,以作圆称为摩擦圆，摩擦圆半径。且R21恒切于摩擦圆。,分析：由= fv r 知，,r,Mf,对减小摩擦不利。,但距离不变。,直接引用前面的结论有： F21=f N21,产生的摩擦力矩为：,方向：与12相反。,= Q,=f kQ,= fv Q,Mf= F21 r,= fv rQ,=f N21 r,湘潭大学专用,运动副总反力判定准则,1. 由力平衡条件，初步确定总反力方向（受拉或压）。,2.对于转动副有：R21恒切于摩擦圆。,3.对于转动副有：Mf 的方向与12相反,例1 ：图示机构中，已知驱动力P和阻力Mr和摩擦圆 半径，画出各运动副总反力的作用线。,100分,对于移动副有：R21恒切于摩擦锥,对于移动副有：R21V12(90+),湘潭大学专用,解题步骤小结：,从二力杆入手，初步判断杆2受拉。,由、增大或变小来判断各构件的相对角速度。,依据总反力判定准则得出R12和R32切于摩擦圆的内公切线。,由力偶平衡条件确定构件1的总反力。,由三力平衡条件（交于一点）得出构件3的总反力。,R23 = Q(cb/ab),大小：？ ？ 方向： ,从图上量得： MdQ(cb/ab)l,湘潭大学专用,取环形面积: ds2d,2. 轴端摩擦,在Q的作用下产生摩擦力矩Mf,(1)新轴端， p常数，则：,摩擦力为：dF= fdN,总摩擦力矩：,摩擦力矩：dMf =dF,dN=pds,(2)跑合轴端,跑合初期: p常数，外圈V,跑合结束：正压力分布规律为: p=常数,设ds上的压强为p,正压力为：,内圈V,磨损快, p,磨损变慢,结论： Mf = f Q(R+r)/2,pq=const, 中心压强高，容易压溃，故做成中空状,=f dN,=fpds,= fpds,磨损慢, p,磨损变快,湘潭大学专用,一、机械运转时的功能关系,53 机械的效率,1.动能方程,机械运转时，所有作用在机械上的力都要做功，由能量守恒定律知：所有外力之功等于动能增量,2.机械的运转,驱动功,有效功,有害功,重力功,WdWrWfWG=E00,b)稳定运转阶段,输入功大于有害功之和,在一个循环内有：WdWrWf= EE00,匀速稳定阶段 常数，任意时刻都有：,WdWrWfWG= EE0,a)启动阶段 速度0,动能0E,变速稳定阶段 在m上下周期波动, (t)=(t+Tp),WG=0, E=0, Wd= Wr+Wf,WdWrWf=EE00，,Wd=WrWf,湘潭大学专用,c)停车阶段 0,输入功小于有用功与损失功之和。,二、机械的效率,机械在稳定运转阶段恒有:,比值Wr / Wd反映了驱动功的有效利用程度，称为机械效率。,Wr / Wd,用功率表示：Nr / Nd,用力的比值表示，有：,分析：总是小于 1，当Wf 增加时将导致下降。,Nr/Nd,对理想机械，有理想驱动力P0,设计机械时，尽量减少摩擦损失，措施有：,0Nr /Nd = Q vQ /P0vp,代入得:P0 vp / PvpP0 / P,用力矩来表示有：Md0 / Md,WdWrWfWG= EE00,Wd= Wr+Wf,b)考虑润滑,c)合理选材,1Wf /Wd,(WdWf) /Wd,(NdNf) /Nd,1Nf /Nd,= Q vQ /P vp,1,P0,a)用滚动代替滑动,湘潭大学专用,结论：,计算螺旋副的效率：,拧紧：,理想机械： M0d2 Q tg( ) / 2,M0 / M,拧松时，驱动力为Q，M为阻力矩，则有：,实际驱动力： Q=2M/d2 tg(-v ),理想驱动力： Q0=2M/d2 tg(), Q0/Q,以上为计算方法，工程上更多地是用实验法测定 ，表52列出由实验所得简单传动机构和运动副的机械效率(P123-P124)。,同理：当驱动力P一定时，理想工作阻力Q0为： Q0vQ /Pvp1,得：Qvp /Q0 vpQ/Q0,用力矩来表示有：M Q/ MQ0,tg()/tg(v ),tg(-v ) / tg( ),Q0,湘潭大学专用,湘潭大学专用,湘潭大学专用,复杂机械的机械效率计算方法：,1.)串联：,2.)并联,总效率不仅与各机器的效率i有关，而且与传递的功率Ni有关。,设各机器中效率最高最低者分别为max和min 则有：,min,max,湘潭大学专用,3.)混联,先分别计算，合成后按串联或并联计算。,串联计算,并联计算,串联计算,湘潭大学专用,无论P多大，滑块在P的作用下不可能运动,发生自锁。,当驱动力的作用线落在摩擦锥内时，则机械发生自锁。,法向分力： Pn=Pcos,54 机械的自锁,水平分力： Pt=Psin,正压力： N21=Pn,最大摩擦力 ：Fmax = f N21,当时,恒有：,设计新机械时，应避免在运动方向出现自锁，而有些机械要利用自锁进行工作(如千斤顶等)。,分析平面移动副在驱动力P作用的运动情况：,PtFmax,= Pn tg,= Pntg,自锁的工程意义：,湘潭大学专用,对仅受单力P作用的回转运动副,最大摩擦力矩为： Mf =R,当力P的作用线穿过摩擦圆(a)时，发生自锁。,应用实例：图示钻夹具在P力加紧，去掉P后要求不能松开，即反行程具有自锁性，,由此可求出夹具各参数的几何条件为：,在直角ABC中有：,在直角OEA中有：,该夹具反行程具有自锁条件为：,s-s1,esin()(Dsin)/2,s =OE,s1 =AC,若总反力R23穿过摩擦圆-发生自锁,P,=(Dsin) /2,=esin(),M=P a,产生的力矩为：,湘潭大学专用,当机械出现自锁时，无论驱动力多大，都不能运动，从能量的观点来看，就是驱动力所做的功永远由其引起的摩擦力所做的功。即：,设计机械时，上式可用于判断是否自锁及出现自锁条件。,说明： 0时，机械已不能动，外力根本不做功，已失去一般效 率的意义。仅表明机械自锁的程度。且越小表明自锁越可靠。,上式意味着只有当生产阻力反向而称为驱动力之后，才能 使机械运动。上式可用于判断是否自锁及出现自锁条件。,0,Q0 / Q 0, Q0,湘潭大学专用,举例：(1)螺旋千斤顶, 螺旋副反行程(拧松)的机械效率为：,0,得自锁条件：tg(-v ) 0，,(2)斜面压榨机,力多边形中，根据正弦定律得：,提问：如P力反向，该机械发生自锁吗？,Q = R23 cos(-2)/cos,tg(-v ) / tg(),v,大小： ？ ？ 方向： ,大小： ？ ？ 方向：