第四章平面机构的力分析(新)

1、第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析4-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定4-4 考虑摩擦时机构的力分析考虑摩擦时机构的力分析4-5 不不考虑摩擦时机构的力分析考虑摩擦时机构的力分析与其作用点的速度方向相同或者成锐角；（1）驱动力（2）阻抗力驱动机械运动的力。其特征：其功为正功，阻止机械运动的力，简称阻力。其特征： 与其作用点的速度方向相反或成钝角；其功为负功，称为阻抗功。称为驱动功或输入功。 组成机器的各机构在运转时，各个构件上都受到力的作用，可分为：一、作用于机构中力

2、的分类4-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法1）有效阻力2）有害阻力 与生产工作直接相关的阻力， 其功称为有效功或输出功；（工作阻力）（非生产阻力） 阻力中除了有效阻力外的 无效部分，其功称为损失功。（3）运动副反力：当机构运动（或运转）时在运动副中产生的反作用力，简称反力。进行力分析时反力可分解为沿运动副元素接触处的法向和切向两个力，法向反力又称正压力，切向反力即运动副中的摩擦力。把计入摩擦力的运动副反力称为总反力RFN（4）重力：作用在构件质心上的地球引力。当构件质心下降时，它是驱动力，当质心上升时，它是阻力。各个构件质心每经一个运动循环后回到原位，在一个运动循环

3、中重力所作的功的和为零。（5）惯性力：一种加在有变速运动的构件上的虚拟力。当构件加速运动时，它的惯性力为阻力，当构件减速运动时，它的惯性力为驱动力，惯性力在一个运动循环中所作的功的和为零。 上述的五种力，对整个机构而言运动副反力是内力，但对于一个构件而言是外力，其余各力都是外力。二、研究机构力分析的目的和方法 研究机构力分析的目的： （1）确定机构运动副反力 对于设计机构各个零件和校核其强度、测算机构中的摩擦力和机械效率等都必须已知机构的运动副反力。 （2）确定机构需加的平衡力或平衡力矩 对于确定机器工作时所需的驱动功率或能承受的最大负荷等必须的数据。 研究机构力分析的方法： （1）静力计算

4、对于低速机械，其运动构件因惯性力而引起的动载荷不大，可忽略不计，这种仅考虑静载荷的计算称为静力计算。 （2）动力计算 对于高速机械，动载荷很大，不能忽略不计，这种同时考虑静载荷和动载荷的计算称为动力计算。机构力分析的具体解法：图解法和解析法。 作平面复杂运动的构件和绕非质心变速转动的构件都同时具有惯性力Fi和惯性力偶矩Mi，它们都可用一等于Fi的总惯性力Fi来代替。 根据力偶等效定律及其推论根据力偶等效定律及其推论，首先首先将Mi化为方向相反，作用线间距为h的两个大小相等的力Fi和（Fi）。 然后然后将力偶的一个力（Fi）加在质心S上使之与原来作用在质心S上的惯性力Fi相抵消，结果便剩下一个作

5、用线偏离质心S距离为h的总惯性力总惯性力Fi。4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定iiiiMMhFF1一般力学法以曲柄滑块机构为例（1）作平面复合运动的构件（如连杆2）FI2m2aS2MI2JS22可简化为总惯性力FI2 lh2MI2/FI2MS2(FI2)与2方向相反。ABC1234AB1S1m1JS1BC2S2m2JS2C3S3m3FI2MI2lh2aS22FI2（2）作平面移动的构件（如滑块3）作变速移动时，则FI3 m3aS3（3）绕定轴转动的构件（如曲柄1）若曲柄轴线不通过质心，则FI1m1aS1MI1JS11若其轴线通过质心，则MI1JS11FI3 aS3C3AB1aS1S11

6、FI1MI1或转化为一个总的惯性力FI1 是指设想把构件的质量按一定条件集中于构件上 某几个选定点上的假象集中质量来代替的方法。2质量代换法质量代换法假想的集中质量称为代换质量；代换质量所在的位置称为代换点。 代换前后构件的质量不变； 代换前后构件的质心位置不变； 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变。 这样便只需求各集中质量的惯性力，而无需求惯性力偶矩， 从而使构件惯性力的确定简化。惯性力不变惯性力不变静代换静代换惯性力、惯性力偶矩不变惯性力、惯性力偶矩不变动代换动代换 如连杆BC的分布质量可用集中在B、K两点的集中质量mB、 mK来代换。mB + mK m2mB b mK kmB b2mK

7、k2JS 2 在工程中，一般选定 代换点B的位置，则k JS 2 /(m2b)mB m2k/(b+k)ABC123S1S2S3m2KbckmkmBmK m2b/(b+k)代换后构件惯性力及惯性力偶矩不改变。代换点及位置不能随意选择，给工程计算带来不便。优点：缺点：BCS2m2（1）质量动代换 构件的惯性力偶会产生一定的误差，但一般工程是可接受的。（2）质量静代换只满足前两个条件的质量代换称为静代换。如连杆BC的分布质量可用B、C两点集中质量mB、mC代换，则：mBm2c/(b+c)mCm2b/(b+c)优缺点：ABC123S1S2S3m2BCS2m2mBmC（1）摩擦力的确定移动副中滑块在力F

8、 的作用下右移时,所受的摩擦力为Ff21 = f FN21式中 f 为 摩擦系数。 FN21 的大小与摩擦面的几何形状有关：1）平面接触: FN21 = G，2）槽面接触: FN21= G / sin4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定 1移动副中摩擦力的确定GFN212FN212GFN2112GFN21Fv123）半圆柱面接触:FN21= k G，（k = 1/2）摩擦力计算的通式:Ff21 = f FN21 = fvG 其中, fv 称为当量摩擦系数, 其取值为:平面接触: fv = f ；槽面接触: fv = f /sin ；半圆柱面接触: fv = k f ，（k = 1/

9、2）。 说明 引入当量摩擦系数后, 使不同接触形状的移动副中的摩擦力计算的大小比较大为简化。 因而也是工程中简化处理问题的一种重要方法。G 称 为摩擦角，（2）总反力方向的确定 运动副中的法向反力与摩擦力的合力FR21 称为运动副中的总反力，总反力与法向力之间的夹角， 即 arctan f总反力方向的确定方法：1）FR21偏斜于法向反力一摩擦角 ；2）其偏斜的方向应与相对速度v12的方向相反。举例：拧紧：MGd2tan( +v)/2放松：MGd2tan( -v)/2正行程：FG tan( +)反行程：F G tan( - ） FR21Ff21FN21FGv1212例1 斜面机构例2 螺旋机构

10、轴承对轴颈的总反力FR21将始 终切于摩擦圆，且与 G 大小相等，方向相反。 Or 称为摩擦圆半径。2转动副中摩擦力的确定2.1 轴颈的摩擦（1）摩擦力矩的确定 转动副中摩擦力Ff21对轴颈的摩擦力矩为Mf = Ff21r = fv G r 轴颈2 对轴颈1 的作用力也用总反力FR21 来表示, 则 FR21 = - G , 故 Mf = fvGr 式中 = fv r ,具体轴颈其 为定值,故可作摩擦圆,结论=FR21只要轴颈相对轴承运动，GMd12MfFR21FN21Ff21Ff21=fvGfv=(1/2)（2）总反力方向的确定1）根据力的平衡条件，确定不计摩擦时总反力的方向；2）计摩擦时的

11、总反力应与摩擦圆相切； 3）总反力FR21 对轴心之矩的方向必与轴颈1相对轴承2的相对角速度的方向相反。举例（此部分其实就是教材第4节）例3 铰链四杆机构考虑摩擦时的受力分析例4 曲柄滑块机构考虑摩擦时的受力分析 在考虑摩擦时进行机构力的分析，关键是确定运动副中总反力的方向，小结而且一般都先从二力构件作起。 但有些情况下，运动副中总反力的方向不能直接定出， 因而无法解。 在此情况下，可以采用逐次逼近的方法来确定。轴端接触面 当轴端1在止推轴承2上旋转时，接触面间也将产生摩擦力。2.2 轴端的摩擦 则其正压力dFN = pds ， 取环形微面积 ds = 2d，设 ds 上的压强p为常数，摩擦力

12、dFf = fdFN = f Pds，故其摩擦力矩 dMf为dMf = dFf = fpds轴用以承受轴向力的部分称为轴端。 其摩擦力矩的大小确定如下：2r2RGM12MfdrR 极易压溃，故轴端常作成空心的。(课后作业4-9题) 而较符合实际的假设是轴端与轴承接触面间处处等磨损，即近似符合 p常数常数的规律。 对于新制成的轴端和轴承，或很少相对运动的轴端和轴承，1）新轴端各接触面压强处处相等,即 p=G/ (R2-r2) = 常数，2）跑合轴端根据 p =常数常数的关系知，在轴端中心部分的压强非常大，Mf = fG(R3-r3)/(R2-r2) 则32轴端经过一定时间的工作后，称为跑合轴端。

13、此时轴端和轴承接触面各处的压强已不能再假定为处处相等。 = fG(R+r)/2Mf = 2fr (p) dR则总摩擦力矩Mf为 Mf =r fpds = 2 f r p 2dR R 故有滚动摩擦力和滑动摩擦力；3平面高副中摩擦力的确定 平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动， 因滚动摩擦力一般较小，平面高副中摩擦力的确定，其总反力方向的确定为： 1）总反力FR21的方向与法向反力偏斜一摩擦角；2）偏斜方向应与构件1相对构件2的相对速度v12的方向相反。 机构力分析时通常只考虑滑动摩擦力。通常是将摩擦力和法向反力合成一总反力来研究。12ttnnV1212MfFf21FN21FR21 在考虑

14、摩擦时进行机构力的分析，关键是确定运动副中总反力的方向， 就不难在考虑摩擦的条件下对机构进行力的分析了，4-4 考虑摩擦时机构的受力分析考虑摩擦时机构的受力分析 小结而且一般都先从二力构件作起。掌握了对运动副中的摩擦进行分析的方法后，下面举例加以说明。 但有些情况下，运动副中总反力的方向不能直接定出， 因而无法解。 在此情况下，可以采用逐次逼近的方法来确定。 例1 铰链四杆机构考虑摩擦时的受力分析例2 曲柄滑块机构考虑摩擦时的受力分析此部分内容在第此部分内容在第3节已讲过，此处略过！节已讲过，此处略过！ 4-5 不考虑摩擦时机构的受力分析不考虑摩擦时机构的受力分析1机构组的静定条件: 在不考虑

15、摩擦时，平面运动副中的反力的作用点、方向及大小未知要素如下：转 动 副通过转动副中心，大小及方向未知；移 动 副 沿导路法线方向，作用点的位置及大小未知；平面高副沿高副两元素接触点的公法线上，仅大小未知。 根据每个构件可列独立力平衡方程数等于力的未知数，设由n个构件和 pl个低副和ph个高副组成的构件组，结论 基本杆组都满足静定条件。 则得此构件组得静定条件为3n = 2pl + ph2用图解法作机构的动态静力分析（1）分析步骤： 首先, 求出各构件的惯性力，并把它们视为外力加于产生惯性力的机构上； 其次, 再根据静定条件将机构分解为若干个构件组和 平衡力作用的构件； 最后, 按照由外力全部已知的构件组开始，逐步推算 到平衡力作用的构件顺序依次建立力平衡条件，并进 行作图求解。（2）举例平面六杆机构的受力分析 其共同点都是根据力的平衡条件列出各力之间的关系式，再求解。3用解析法作机构的动态静力分析机构力分析的解析方法很多，（2）复数法 由于图解法精度不高，而且