机械原理课件 第五章机械的效率和自锁

1、基本内容 基本要求 基本内容基本内容 1机械的效率计算机械的效率计算 2机械的自锁条件分析机械的自锁条件分析 基本要求基本要求 掌握机械的效率计算掌握机械的效率计算 能够判定机械是否自锁能够判定机械是否自锁 本章内容本章内容 5-1 机械的效率机械的效率 5-2 机械的自锁机械的自锁 5-1 机械的效率机械的效率 一、作用在机械上的力一、作用在机械上的力 l驱动力驱动力Driving force ：驱使机械运动的力。：驱使机械运动的力。 l与作用点的速度方向相同或成锐角与作用点的速度方向相同或成锐角； l所作的功为正功，称为驱动功所作的功为正功，称为驱动功Driving work或或输输 入功

2、入功Input work 。 5-1 机械的效率机械的效率 一、作用在机械上的力一、作用在机械上的力 l驱动力驱动力Driving force ：驱使机械运动的力。：驱使机械运动的力。 l阻抗力阻抗力Resistance ：阻止机械运动的力。：阻止机械运动的力。 l与作用点的速度方向相反或成钝角；与作用点的速度方向相反或成钝角； l所作的功为负功，称为所作的功为负功，称为阻抗功阻抗功Resistance work。 l1)有效阻力有效阻力Effective resistance，即工作阻力，即工作阻力 Working resistance 。生产过程中为改变工作物的。生产过程中为改变工作物的

3、外形、位置或状态等所受到的阻力，外形、位置或状态等所受到的阻力，克服有效阻克服有效阻 力所完成的功称有效功力所完成的功称有效功Effective work或输出功或输出功 Output work。 l 2)有害阻力有害阻力Harmful resistance，即非生产阻力。，即非生产阻力。 克服这类阻力所作的功是一种纯粹的浪费，故称克服这类阻力所作的功是一种纯粹的浪费，故称 为为损失功损失功Lost work。 5-1 机械的效率机械的效率 二、机械效率二、机械效率Machinery efficiency l机械效率机械效率反映输入功被有效利用的程度反映输入功被有效利用的程度： l输入功为输入

4、功为Wd、输出功为、输出功为Wr， ，损失功为 损失功为Wf，则：，则： l机械效率为输出功与输入功之比；机械效率为输出功与输入功之比； l机械损失率机械损失率Lost rate为损失功与输入功之比。为损失功与输入功之比。 frd WWW drddf WWWWW)( dfddr WWWWW)( 1 1 5-1 机械的效率机械的效率 二、机械效率二、机械效率 l机械效率反映输入功被有效利用的程度机械效率反映输入功被有效利用的程度； l机械效率是衡量机械性能优劣的重要指标机械效率是衡量机械性能优劣的重要指标。 l机械效率的高低很大程度上取决于机械中摩擦所机械效率的高低很大程度上取决于机械中摩擦所

5、引起的功率损耗；引起的功率损耗； l研究机械中摩擦是寻找提高机械效率的主要途径。研究机械中摩擦是寻找提高机械效率的主要途径。 F vF vG G 5-1 机械的效率机械的效率 三、效率的表达方式三、效率的表达方式 l机械作机械作变速稳定运转变速稳定运转时效率的表达形式时效率的表达形式 l能量形式能量形式 l功率形式功率形式 d r N N 1 dr WW 5-1 机械的效率机械的效率 l当机械作匀速稳定运转时的表达形式当机械作匀速稳定运转时的表达形式 l力形式力形式 l力矩形式力矩形式 F F Fv vF Fv Gv N N F F F G d r00 M M0 力矩实际状态下的驱动力或 力矩

6、理想状态下的驱动力或 应用 F vF vG G 5-1 机械的效率机械的效率 三、机组的效率三、机组的效率 l串联机组串联机组 series machinery l并联机组并联机组 parallel machinery k1k21 k1k21 d d d k d r P P P P P P 1 PdP1P2Pk1Pk 2k 12k Pd P1P2Pk P1P2Pk kk kk di ri PPPP PPPP P P 121 k1k12211 5-1 机械的效率机械的效率 l混联机组混联机组 combined machinery l1、确定输入功至输出功的传动路线、确定输入功至输出功的传动路线

7、l2、分别计算出总的输入功率、分别计算出总的输入功率 和总的输出功率和总的输出功率 l3、机械效率、机械效率 Pr1 Prk 1 PdP1P2Pm1 2m 12k Pm P1P2Pk P1Pr2Pk kk d r P P 5-2 机械的自锁机械的自锁 一、机械的自锁一、机械的自锁 Self-locking of machinery l机械的自锁机械的自锁：自由度自由度F0的机械，由于摩擦的的机械，由于摩擦的 存在，出现的存在，出现的不论驱动力如何增大也无法使其不论驱动力如何增大也无法使其 运动运动的现象。的现象。 l希望机械产生预期运动时，应避免在所需运动方希望机械产生预期运动时，应避免在所需

8、运动方 向上发生自锁。向上发生自锁。 l需要机械保持在某个位置时，可以利用自锁来完需要机械保持在某个位置时，可以利用自锁来完 成。成。 5-2 机械的自锁机械的自锁 二、自锁条件二、自锁条件 l1、根据机械自锁的概念来确定根据机械自锁的概念来确定 l作用于机械上的生产阻力作用于机械上的生产阻力Q一定时，取驱动力一定时，取驱动力F 趋于无穷大的极限值趋于无穷大的极限值来得出机械的自锁条件。来得出机械的自锁条件。 l作用在构件上的驱动力作用在构件上的驱动力F的有效分力总是小于等的有效分力总是小于等 于驱动力于驱动力F本身所能引起的最大摩擦力本身所能引起的最大摩擦力 。 5-2 机械的自锁机械的自锁

9、 l2、根据机构中运动副的自锁条件来确定根据机构中运动副的自锁条件来确定 l对于对于单自由度机构单自由度机构，机构中某一运动副自锁，机，机构中某一运动副自锁，机 构即自锁，所以机构中的某一运动副的自锁条件构即自锁，所以机构中的某一运动副的自锁条件 也就是机构的自锁条件。也就是机构的自锁条件。 l移动副的自锁条件移动副的自锁条件为驱动力作用于摩擦锥之为驱动力作用于摩擦锥之 内。内。 l转动副的自锁条件转动副的自锁条件为驱动力作用于摩擦圆之为驱动力作用于摩擦圆之 内。内。 l螺旋副的自锁条件为螺纹升角螺旋副的自锁条件为螺纹升角小于或等于小于或等于 螺旋副的摩擦角或当量摩擦角。螺旋副的摩擦角或当量摩

10、擦角。 5-2 机械的自锁机械的自锁 l 3、根据生产阻力来确定根据生产阻力来确定 l 当机械处于自锁时，机械已不能运动，这时生当机械处于自锁时，机械已不能运动，这时生 产阻力产阻力Q将等于或小于零，即将等于或小于零，即Q0。 l 适用于受力状态或几何关系比较复杂的机构。适用于受力状态或几何关系比较复杂的机构。 先按机构不自锁的情况来分析，作出力多边先按机构不自锁的情况来分析，作出力多边 形，并列出各个活动构件上的生产阻力与驱形，并列出各个活动构件上的生产阻力与驱 动力的关系式；动力的关系式； 令生产阻力小于或等于零令生产阻力小于或等于零，解出机构的自锁，解出机构的自锁 条件。条件。 5-2

11、机械的自锁机械的自锁 l 4、根据机械效率来确定根据机械效率来确定 l 当机械发生自锁时，机械已不能发生运动，即当机械发生自锁时，机械已不能发生运动，即 驱动功不足以克服摩擦功，驱动功不足以克服摩擦功，0。 l 已没有一般效率的意义；已没有一般效率的意义； l 利用利用0，仅是一种求自锁条件的方法；，仅是一种求自锁条件的方法； 按机构不自锁的情况求出机械效率按机构不自锁的情况求出机械效率的解析的解析 式；式； 令令0求出自锁条件。求出自锁条件。 5-2 机械的自锁机械的自锁 三、机械的自锁是有条件的三、机械的自锁是有条件的 l机械自锁在一定受力条件及特定受力方向下发机械自锁在一定受力条件及特定

12、受力方向下发 生，在其他条件下可动；生，在其他条件下可动； l自锁具有方向性。自锁具有方向性。 例题（例题（5-1） )()( )( 0 0 tg tg Gtg Gtg F F GtgF GtgF 若若摩摩擦擦力力不不存存在在，则则 1 2 G FR21 FN21 Ff21 n n v F F G + FR21 例题（例题（5-1） )( GtgF 自锁 1 2 G F21 n n v F G F - FR21 FN21 FR21 tgFG 0 若摩擦力不存在，则 tg tg tgF tgF G G)()( 0 自锁自锁1 1、取驱动力取驱动力F趋于无穷大的极限值趋于无穷大的极限值来得出机械的

13、来得出机械的 自锁条件自锁条件 )( GtgF )(/G tgF驱动力 时，G 时自锁 1 2 G F21 n n v F G F - FR21 FN21 FR21 自锁自锁2 2、根据机构中、根据机构中运动副的自锁条件运动副的自锁条件来确定来确定 力作用于摩擦锥内移动副自锁条件：驱动 时自锁 1 2 G F21 n n v F G F - FR21 FN21 FR21 自锁自锁3 3、根据机构中、根据机构中生产阻力生产阻力0来确定来确定 )( GtgF生产阻力 0F 时自锁 1 2 G F21 n n v F G F - FR21 FN21 FR21 自锁自锁4 4、根据机构、根据机构0来确

14、定来确定 0 )( tg tg 时自锁 1 2 G F21 n n v F G F - FR21 FN21 FR21 移动副自锁移动副自锁 v时，无论驱时，无论驱 动力动力FR如何增大，如何增大， 其有效分力其有效分力F总小于总小于 其自身所引起的摩其自身所引起的摩 擦力擦力Ff21，即发生自，即发生自 锁。锁。 v此时驱动力的作此时驱动力的作 用线穿过摩擦锥内。用线穿过摩擦锥内。 FR 摩擦锥摩擦锥 转动副自锁转动副自锁 摩擦圆摩擦圆 v时，无论驱动力时，无论驱动力F如如 何增大，其引起的驱动力何增大，其引起的驱动力 矩总小于其自身所引起的矩总小于其自身所引起的 摩擦力矩，即发生自锁。摩擦力矩，即发生自锁。 v此时驱动力的作用线穿此时驱动力的作用线穿 过摩擦圆。过摩擦圆。 F a 串联机组串联机组 k1k21 k1k21 d d d k d r P P P P P P 1. 机组的效率只与机组的效率只与 各个机器的效率各个机器的效率 有关有关，为各个机，为各个机 器效率的连乘积器效率的连乘积 2. 只要有一个机器只要有一个机器 的效率很低，机的效率很低，机 组的效率就极低组的效率就极低 3. 串联的机器越多串联的机器越多 机组的效率就越机组的效率就越 低低(i1) 并联机