机械原理第4章机构力分析课件

1、机械原理第4章机构力分析第四章 平面机构力分析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 不考虑摩擦力时机构力分析不考虑摩擦力时机构力分析4 -5 考虑摩擦力时机构力分析考虑摩擦力时机构力分析（简介）（简介）机械原理第4章机构力分析4-1 机构力分析的任务、目的和方法4-2 构件惯性力的确定4-3 运动副中摩擦力的确定机械原理第4章机构力分析重点是：重点是： 运动副中摩擦力的确定难点是：难点是： 不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析机械原理第4章机构力分析一

2、、作用在机械上的力一、作用在机械上的力1）驱动力 ：力F方向 与运动速度与运动速度V 方向夹角为锐角，作正功 原动力由原动机提供，它是驱动力，那么驱动力只来自原动力吗？原动力由原动机提供，它是驱动力，那么驱动力只来自原动力吗？2）阻抗力： F 与与V夹角夹角 为钝角，作负功生产阻力（有效阻力） 有害阻力常见的力：常见的力：原动力、摩擦力、运动副反力、重力、惯性力 一提到摩擦力，会认为是有害阻力。一提到摩擦力，会认为是有害阻力。对搅拌机、带传动、自行车呢？对搅拌机、带传动、自行车呢？ 运动副反运动副反力（法向、切向）是内力还是外力？它做功吗？力（法向、切向）是内力还是外力？它做功吗？ 什么时候应

3、考虑重什么时候应考虑重力？做功如何？力？做功如何？ 惯性力是一种什么性质的惯性力是一种什么性质的力，大小如何求？它作正功还是负功？力，大小如何求？它作正功还是负功？ 什么时候会用到它？可以忽略吗？什么时候会用到它？可以忽略吗？4-1 4-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法机械原理第4章机构力分析二、二、机构力分析的任务和目的机构力分析的任务和目的4-1 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 1）确定运动副中的反力）确定运动副中的反力 用于计算强度、机械效率、摩擦磨损、决定轴承结构等用于计算强度、机械效率、摩擦磨损、决定轴承结构等2 2）确

4、定机械上的平衡力（或平衡力偶）确定机械上的平衡力（或平衡力偶） 根据作用在机构上的已知外力（或力偶），确定要维持根据作用在机构上的已知外力（或力偶），确定要维持 给定运动规律时所需的未知外力（或力偶）给定运动规律时所需的未知外力（或力偶）三、三、机构力分析的方法1 1）静力学方法）静力学方法 不考虑惯性力因素（低速机械）不考虑惯性力因素（低速机械）2 2）动态静力学方法）动态静力学方法 将惯性力视为外力，加于相应构件上，按静力方法分析将惯性力视为外力，加于相应构件上，按静力方法分析 图解法、解析法图解法、解析法机械原理第4章机构力分析4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定确定惯性力：确定惯性

5、力： 设已知构件的质量、转动惯量及运动学参数。设已知构件的质量、转动惯量及运动学参数。实际上实际上 在设计新机械时，力分析还未进行时，根本不能作强在设计新机械时，力分析还未进行时，根本不能作强度计算，构件的质量、转动惯量是未知的。度计算，构件的质量、转动惯量是未知的。常用方法：常用方法： 类比和经验公式，或按纯静力学方法对机构在某一特定类比和经验公式，或按纯静力学方法对机构在某一特定位置时大体估算出构件的尺寸、材料。粗略地得到质量、转位置时大体估算出构件的尺寸、材料。粗略地得到质量、转动惯量，将它作为初值代入进行力分析。待第一次力分析完动惯量，将它作为初值代入进行力分析。待第一次力分析完成后，

6、作强度计算，对其进行修正。这个过程反复循环进行。成后，作强度计算，对其进行修正。这个过程反复循环进行。直至满足要求为止。直至满足要求为止。机械原理第4章机构力分析4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定SasFIMIFIlh一、一般力学方法一、一般力学方法1 1）作平面运动的构件）作平面运动的构件惯性力 F I = - m as惯性力矩 M I = - Js 把 FI 按图示平移 lh ，将两者合二为一。IIhFMl 2 2）作平动的构件）作平动的构件3 3）绕定轴转动的构件）绕定轴转动的构件惯性力 F I = - m as惯性力矩 M I = - Js 绕质心轴转动绕非质心轴转动惯性力 F

7、I = - m as惯性力矩 M I = - Js asFIM Iasss机械原理第4章机构力分析4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定二、质量代换法二、质量代换法确定惯性力和惯性力矩 a、 复杂将构件的质量等效简化成几个集中质量只有惯性力方便 质量代换法质量代换法代换条件代换前后的总质量质量保持不变代换前后的总质心位置质心位置保持不变代换前后的总转动惯量转动惯量保持不变1 1、动代换问题（两点动代换）、动代换问题（两点动代换）SKBKBKBJkmbmkmbmmmm22三个方程，四个未知量（ b 、 k 、mB 、mK ），如确定bkbbmmkbkmmmbJkKBS机械原理第4章机构力分析4

8、-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定二、质量代换法二、质量代换法确定惯性力和惯性力矩 a、 复杂将构件的质量等效简化成几个集中质量只有惯性力方便 质量代换法质量代换法代换条件代换前后的总质量质量保持不变代换前后的总质心质心位置保持不变代换前后的总转动惯量转动惯量保持不变SBCmBmCmkmBmcbk2 2、静代换问题、静代换问题（两点静代换）同时选定b、c，只满足前两个条件BCBCmmmm bm cBCcmmbcbmmbc机械原理第4章机构力分析4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定二、质量代换法二、质量代换法确定惯性力和惯性力矩 a、 复杂将构件的质量等效简化成几个集中质量只有惯性力方便

9、 质量代换法质量代换法代换条件代换条件代换前后的总质量质量保持不变代换前后的总质心位置质心位置保持不变代换前后的总转动惯量转动惯量保持不变SBCmBmCmkmBmcbk2 2、静代换问题、静代换问题（两点代换）同时选定b、c，只满足前两个条件BCBCmmmm bm cBCcmmbcbmmbc结论：结论：1）两代换点连线必然通过质心。2）静代换简单方便，代换点 B、C 可随意选定。对于一般要求机构，采 用静代换较多。3）动代换满足了质量代换的全部条件。其代换点只能随意选定一点，而 另外一个代换点则由代换条件确定。 4）使用静代换，其惯性力偶矩将产生误差)(22sCBIJcMbmM机械原理第4章机

10、构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定一、移动副中摩擦力的确定一、移动副中摩擦力的确定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外载荷一定时，法向反力FN21的其大小与运动副表面的几何形状有关。G 12v12 Ff21F1）平面： FN21 = G Ff21 = f G2）槽面： FN21 = G / sin Ff21 = f FN21 = f G / sin 令当量摩擦系数：fv = f / sin Ff21 = f vGGFN212FN212212FN21机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定一、移动副中摩擦力的确定一、移动副中摩擦力的

11、确定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外载荷一定时，法向反力FN21的其大小与运动副表面的几何形状有关。G 12v12FN21 Ff21F3）半圆柱面 FN21 = k G Ff21 = f FN21 = f k G若圆柱面为点、线接触： k 1若为均匀圆柱面接触： k = /2 其余则介于两者之间。Gv2121令当量摩擦系数：fv = f k Ff21 = f vG机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定二、移动副中总反力的确定二、移动副中总反力的确定G 12v12FN21 Ff21FFR21 1、平面移动 FR21 = FN21+ Ff 21 Ff

12、21 = FN21tan 摩擦角摩擦角 =arctan f总反力方向的确定：总反力方向的确定：（1 1）与法向反力偏斜一摩擦角）与法向反力偏斜一摩擦角 （2 2）偏斜方向与相对速度方向相反）偏斜方向与相对速度方向相反机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定二、移动副中总反力的确定二、移动副中总反力的确定2、斜面移动GFfFNFFR21 vFGFR21 + F GF R21 - (1) 滑块沿斜面上升力平衡条件： F + G + FR21 = 0由力多边形得：F = G tan ( + ) （2）滑块沿斜面下降（驱动力为 G）同理： F + G + F R21 =

13、 0 F = G tan ( - )vGFFfFNFR21注意：注意：1 1）当）当 时时, ,F 0, 0, 滑块在载荷滑块在载荷G 作用下自行加速下滑，作用下自行加速下滑，若使滑快静止或匀速下滑，需借助外部阻力。若使滑快静止或匀速下滑，需借助外部阻力。2 2）当）当 时，时，F 0, 0, 滑块在载荷滑块在载荷G 作用下作用下, ,不能自行不能自行下滑，需借助外部推动力才能滑下。下滑，需借助外部推动力才能滑下。 自锁自锁（ ） 机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定二、移动副中总反力的确定二、移动副中总反力的确定3、螺旋副中的摩擦 (1) 矩形螺纹pGFF

14、R21vd2 d 2lGM2122tan()22dGdMF旋紧螺母力矩：22tan()22dGdMF放松螺母力矩：施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 旋紧螺母旋紧螺母: : 类似于用螺旋千斤顶克服载荷类似于用螺旋千斤顶克服载荷 G ，将重物升起。，将重物升起。施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 放松螺母：放松螺母： 若若 M M 0(0(即即 ) )：表明螺纹本身在载荷：表明螺纹本身在载荷G 作用下作用下, ,不能自行松脱，需不能自行松脱，需借助外力矩才能将螺母拧下。借助外力矩才能将螺母拧下。 自锁自锁 若若 M M 0 0（即（即 ）：表明螺纹本身在载荷：表明螺纹本身在载荷G 作用下能够自行松脱

15、，需作用下能够自行松脱，需借助外力矩才能使螺母匀速松脱。借助外力矩才能使螺母匀速松脱。机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定二、移动副中总反力的确定二、移动副中总反力的确定3、螺旋副中的摩擦 (2) 三角形螺纹（相当于槽面摩擦）90 - 90 - Q在矩形螺纹公式中将 用 v代替即可。三角螺纹的牙型斜角，则槽形斜角 90 - 当量摩擦系数：fv = f / sin = f / cos 当量摩擦角： v = arctan fv 22vtan()22dGdMF旋紧螺母力矩：22vtan()22dGdMF放松螺母力矩：机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的

16、确定运动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定1、轴颈摩擦轴在轴承中转动摩擦力阻止其转动2、轴端摩擦、轴端摩擦机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定 摩擦圆半径： = fv r GFf21FN21FR21Mdr21半圆柱面摩擦: Ff21 = f vG f v =（1 /2）f运动副总反力：FR21 = FN21 + Ff21 = G 摩擦阻力矩: Mf = Ff21 r =G fv r =FR21 结论： 1）匀速转动时，轴承总反力 FR21 恒切于摩擦圆 。 2）匀速转动时，Mf =

17、 FR21 =G ， 类似平面摩擦系数，其其大小 fv 和 r 有关。1、轴颈摩擦12机械原理第4章机构力分析三、转动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定2、总反力的确定 G GFf21FN21FR21Mdr211）不计摩擦，平衡条件总反力方向。2）考虑摩擦，总反力与摩擦圆相切。3）摩擦力矩方向总是与转向相反（阻止其运动）。 如：总反力FR21 对轴心之矩的方向必与其相对转向 12的方向相反。12将Md与G合成为G ， = Md / G = 轴匀速转动（或静止）。 轴将加速转动（或由静止开始运动） 轴将减速转动（静止时则卡死不动）自锁自锁机械原理第4章机构力分析三、转动副中摩擦力的确定三、

18、转动副中摩擦力的确定例例4-1 曲柄1为主动件，求各构件受力方向。（不计重力、惯性力）M11ABCDM3123FR12FR322123M114A1BFR21FR41LF R12F R32CDM33FR2334FR43L机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定2、轴端的摩擦G12M2R2rrRd取微环，其上压强 p 为常量面积 ds = 2 d 正压力 dFN = p ds摩擦力 dFf = f dFN = f p ds摩擦力矩 dMf = dFf = f p ds讨论讨论RrRrfpfsfpMd2d2总摩擦力矩：常数）新轴端：)(122rRGp)()(322233rRrRfGMf机械原理第4章机构力分析4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定三、转动副中摩擦力的确定2、轴端的摩擦rRdp2）跑合轴