机械原理第五章机械的效率和自锁

1、机械原理第五章机械的效率和自锁机械原理第五章机械的效率和自锁 因摩擦损失是不可避免的，故必因摩擦损失是不可避免的，故必有有 0和和 1。 机械的损失功机械的损失功(Wf)与输入功与输入功(Wd)的比值，的比值，5-1 机械的效率机械的效率1. 1. 机械效率的概念及意义机械效率的概念及意义（1 1）机械效率）机械效率 机械的输出功机械的输出功( (WWr r) )与输入功与输入功( (WWd d) )的比值，的比值，以以 表示。表示。机械损失系数或损失率机械损失系数或损失率，以以 表示。表示。Wr/Wd1 1Wf/Wd（2）机械效率的意义）机械效率的意义 它是它是机械中的一个主要性能指标，机械

2、中的一个主要性能指标，机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度，机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度，降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。机械原理第五章机械的效率和自锁2. 2. 机械效率的确定机械效率的确定（1）机械效率的计算确定）机械效率的计算确定1）以功表示的计算公式）以功表示的计算公式Wr/Wd1Wf/Wd2）以功率表示的计算公式）以功率表示的计算公式Pr/Pd1Pf/Pd3）以力或力矩表示的计算公式）以力或力矩表示的计算公式F0/FM0/M即即 理想驱动力理想驱动力实际驱动力实际驱动力理想驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力矩

3、实际驱动力矩G实际机械装置实际机械装置 理论机械装理论机械装置置 0 = Pr /Pd=GvG /FvF00 = GvG /F0vF =1vGvFF机械原理第五章机械的效率和自锁 因其正行程实际驱动力为因其正行程实际驱动力为FGtan()，理想驱动力为，理想驱动力为F0Gtan，故，故例例1 1 斜面机构斜面机构：见图：见图4-3已知已知 正行程正行程 F Gtan()反行程反行程 FGtan(-)现求现求 及及 解解 F0/Ftan/ tan() 因其反行程实际驱动力为因其反行程实际驱动力为GF/tan()，理想驱动力为，理想驱动力为G0 F/tan，故，故G0/G tan()/ tanF机

4、械原理第五章机械的效率和自锁例例2 2 螺旋机构：见图螺旋机构：见图4-5已知已知 拧紧时拧紧时 M Gd2tan(v)/2放松时放松时 MGd2tan(v)/2现求现求 及及 解解采用上述类似的方法，可得采用上述类似的方法，可得拧紧时拧紧时 M0/M tan/ tan(v)放松时放松时 G0/G tan(v)/ tan F机械原理第五章机械的效率和自锁（2）机械效率的实验测定）机械效率的实验测定机械效率的确定除了用计算法外，更常用实验法来测定，机械效率的确定除了用计算法外，更常用实验法来测定，许多机械尤其是动力机械在制成后，往往都需作效率实验。许多机械尤其是动力机械在制成后，往往都需作效率实

5、验。现以蜗杆传动效率实验测定为例加以说明现以蜗杆传动效率实验测定为例加以说明1）实验装置）实验装置GF2RQ定子平衡定子平衡杆杆电机转子电机转子电机定子电机定子磅秤磅秤千分表千分表弹性梁弹性梁砝码砝码皮带皮带蜗杆蜗杆制动轮制动轮蜗轮蜗轮联轴器联轴器机械原理第五章机械的效率和自锁 同时，根据弹性梁上的千分表读数（即代表同时，根据弹性梁上的千分表读数（即代表Q力），来确定力），来确定出制动轮上的圆周力出制动轮上的圆周力FtQG，从而确定出从动轴上的力矩从而确定出从动轴上的力矩M从从，M从从FtR(QG)R该蜗杆的传动机构的效率公式为该蜗杆的传动机构的效率公式为 P从从/P主主从从M从从/(主主M主

6、主)M从从/(iM主主)式中式中 i为蜗杆传动的传动比。为蜗杆传动的传动比。 对于正在设计和制造的机械，虽然不能直接用实验法测定其对于正在设计和制造的机械，虽然不能直接用实验法测定其机械效率，机械效率， 但是由于各种机械都不过是由一些常用机构组合而成但是由于各种机械都不过是由一些常用机构组合而成的，而这些常用机构的效率又是可通过实验积累的资料来预先估的，而这些常用机构的效率又是可通过实验积累的资料来预先估定的（如表定的（如表5-1 简单传动机构和运动副的效率）。简单传动机构和运动副的效率）。 据此，可通过据此，可通过计算确定出整个机械的效率。计算确定出整个机械的效率。2）实验方法）实验方法 实

7、验时，可借助于磅秤测定出定子平衡杆的压力实验时，可借助于磅秤测定出定子平衡杆的压力F来确定出来确定出主动轴上的力矩主动轴上的力矩M主主， 即即 M主主Fl机械原理第五章机械的效率和自锁表表5-1 简单传动机械和运动副的效率简单传动机械和运动副的效率名名 称称传传 动动 形形 式式效率值效率值备备 注注圆柱齿圆柱齿轮传动轮传动67级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.980.99 良好跑合、稀油润滑良好跑合、稀油润滑 8级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.97 稀油润滑稀油润滑 9级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.96 稀油润滑稀油润滑 切制齿、开式齿轮传动切制齿、开式齿轮传动 0.940.96 干油

8、润滑干油润滑 铸造齿、开式齿轮传动铸造齿、开式齿轮传动 0.90.93圆锥齿圆锥齿轮传动轮传动67级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.970.98 良好跑合、稀油润滑良好跑合、稀油润滑 8级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.940.97 稀油润滑稀油润滑 切制齿、开式齿轮传动切制齿、开式齿轮传动 0.920.95 干油润滑干油润滑 铸造齿、开式齿轮传动铸造齿、开式齿轮传动 0.880.92蜗杆传动蜗杆传动自锁蜗杆自锁蜗杆 0.400.45单头蜗杆单头蜗杆 0.700.75双头蜗杆双头蜗杆 0.750.82 润滑良好润滑良好 三头、四头蜗杆三头、四头蜗杆 0.800.92圆弧面蜗杆圆弧面蜗杆 0.8

9、50.95机械原理第五章机械的效率和自锁续表续表5-1 简单传动机械和运动副的效率简单传动机械和运动副的效率名名 称称传传 动动 形形 式式效率值效率值备备 注注带传动带传动平型带传动平型带传动 0.900.98滑动轴承滑动轴承球轴承球轴承 0.99 稀油润滑稀油润滑 滚子轴承滚子轴承 0.98 稀油润滑稀油润滑 滑动螺旋滑动螺旋 0.300.80滚动螺旋滚动螺旋 0.850.95V型带传动型带传动 0.940.96套筒滚子链套筒滚子链 0.96无声链无声链 0.97链传动链传动平摩擦轮传动平摩擦轮传动 0.850.92摩擦轮摩擦轮传动传动润滑良好润滑良好槽摩擦轮传动槽摩擦轮传动 0.880.

10、900.94 润滑不良润滑不良0.97 润滑正常润滑正常0.99 液体润滑液体润滑滚动轴承滚动轴承螺旋传动螺旋传动机械原理第五章机械的效率和自锁3. 3. 机组的机械效率计算机组的机械效率计算机组机组 由若干个机器组成的机械系统。由若干个机器组成的机械系统。 当已知机组各台机器的机械效率时，则该机械的总效率可当已知机组各台机器的机械效率时，则该机械的总效率可由计算求得。由计算求得。（1）串联）串联 串联机组功率传动的特点是前一机器的输出功率即为后一机串联机组功率传动的特点是前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率。器的输入功率。串联机组的总机械效率为串联机组的总机械效率为PrPd P1P2Pd

11、P1PkPk-1 12k 即串联机组总效率等于组成该机组的各个机器效率的连乘积。即串联机组总效率等于组成该机组的各个机器效率的连乘积。1k212kPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr机械原理第五章机械的效率和自锁 只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机组的效率极低；且串联机器数目越多，机械效率也越低。组的效率极低；且串联机器数目越多，机械效率也越低。 要提高并联机组的效率，应着重提高传动功率大的路要提高并联机组的效率，应着重提高传动功率大的路线的效率。线的效率。结论结论（2）并联）并联 并联机组的特点是机组的输入功并联机组的特

12、点是机组的输入功率为各机器的输入功率之和，而输出率为各机器的输入功率之和，而输出功率为各机器的输出功率之和。功率为各机器的输出功率之和。 PriPdiP11+P22+PkkP1+P2+Pk 即并联机组的总效率与各机器的效率及其所传动的功率的大即并联机组的总效率与各机器的效率及其所传动的功率的大小有关，且小有关，且min max； 机组的总效率主要取决于传动功率大机组的总效率主要取决于传动功率大的机器的效率。的机器的效率。结论结论12k12kP11P22P22P1P2PkPd机械原理第五章机械的效率和自锁（3）混联）混联混联机组的机械效率计算步骤为混联机组的机械效率计算步骤为1）先将输入功至输出

13、功的路线弄清楚；）先将输入功至输出功的路线弄清楚；2）然后分别计算出总的输入功率）然后分别计算出总的输入功率Pd和总的输出功率和总的输出功率Pr；3）最后按下式计算其总机械效率。）最后按下式计算其总机械效率。 Pr /Pd机械原理第五章机械的效率和自锁 例例 设已知某机械传动装置的机构的效率和输出功率，求该设已知某机械传动装置的机构的效率和输出功率，求该机械传动装置的机械效率。机械传动装置的机械效率。解解 机构机构1、2、3 及及4串联的部分串联的部分PdPr /(123 4 )22)5.649 kW机构机构1、2、3 、4及及5串联的部分串联的部分220.42)故该机械的总效率为故该机械的总

14、效率为 Pr /Pd(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kWPd Pr /(123 4 5 ) PPPPPPP1243534dPPPPPPPPPP1234534dPPP=5kW0.980.980.960.960.940.940.42=机械原理第五章机械的效率和自锁1. 1. 机构的自锁机构的自锁5-2 机械的自锁机械的自锁（1） 自锁现象自锁现象某些机构，就其机构而言是能够运动的，但由于摩擦的存在，某些机构，就其机构而言是能够运动的，但由于摩擦的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。却会出现无论驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。（2）自锁意义）自锁意义 设计

15、机械时，为使机械能实现预期的运动，必须避免机械在设计机械时，为使机械能实现预期的运动，必须避免机械在所需的运动方向发生自锁；有些机械的工作需要具有自锁的特性，所需的运动方向发生自锁；有些机械的工作需要具有自锁的特性，（3）自锁条件）自锁条件机械发生自锁实质上是机械中的运动副发生的自锁。机械发生自锁实质上是机械中的运动副发生的自锁。如手摇螺旋千斤顶如手摇螺旋千斤顶机械原理第五章机械的效率和自锁F例例 移动副移动副摩擦角摩擦角。则。则Ft=Fsin=FntanFfmax=Fntan当当时，有时，有FtFfmax设驱动力为设驱动力为F，传动角为传动角为，nnFtFnFRFfmax机械原理第五章机械的

16、效率和自锁 即即当时，无论驱动力当时，无论驱动力F如何增大，其有效分力如何增大，其有效分力Ft总小于总小于驱动力驱动力F 本身所引起的最大摩擦本身所引起的最大摩擦力，因而总不能推动滑块运动。即自锁现力，因而总不能推动滑块运动。即自锁现象。象。 结论结论 移动副发生自锁的条件为：在移动副移动副发生自锁的条件为：在移动副中，如果作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角中，如果作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角之内（即之内（即 ），则发生自锁。），则发生自锁。机械原理第五章机械的效率和自锁例例 转动副转动副设驱动力为设驱动力为F， 力臂长为力臂长为a, 当当F作用在摩作用在摩擦圆之内时（即擦圆之内时（即a

17、 ），则），则M0=Fa Mf=FR =F 摩擦圆半径为摩擦圆半径为，1212FaFR=F机械原理第五章机械的效率和自锁即F 任意增大（a不变），也不能使轴颈转动， 即发生了自锁现象。 结论 转动副发生自锁的条件为：作用在轴颈上的驱动力为单力F，且作用于摩擦圆之内，即a 。机械原理第五章机械的效率和自锁 故其自故其自锁条件为锁条件为v2. 2. 机械自锁条件的确定机械自锁条件的确定(1)从运动副发生自锁的条件来确定从运动副发生自锁的条件来确定原因原因 机械的自锁实质就是其中的运动副发生了自锁。机械的自锁实质就是其中的运动副发生了自锁。例例1 1 手摇螺旋千斤顶手摇螺旋千斤顶当当v时，时， 其螺

18、旋副发生自锁，其螺旋副发生自锁，则此机械也必将发生自锁，则此机械也必将发生自锁，(2)从生产阻力从生产阻力G0的条件来确定的条件来确定 当机械发生自锁时，无论驱动力当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，机械不能运动；这时能克如何增大，机械不能运动；这时能克服的生产阻力服的生产阻力G0。支座支座1螺杆螺杆2托盘托盘3重物重物4螺母螺母5螺旋副螺旋副手把手把6FG G螺旋副螺旋副机械原理第五章机械的效率和自锁例例 手摇螺旋千斤顶手摇螺旋千斤顶自锁要求自锁要求M 0，即，即 tan(v) 0故此千斤顶自锁条件为故此千斤顶自锁条件为v G0意味着，只有阻抗力反向变为驱动力后，才能使机械运意味着，只有阻

19、抗力反向变为驱动力后，才能使机械运动，此时机械已发生自锁。动，此时机械已发生自锁。支座支座1螺杆螺杆2托盘托盘3重物重物4螺母螺母5螺旋副螺旋副手把手把6FG GM反行程：反行程：驱动力为驱动力为G，阻抗力矩为阻抗力矩为M ，机构的自锁机构的自锁(5/7)M Gd2tan(v)/2则则机械原理第五章机械的效率和自锁（3）从效率）从效率 0的条件来确定的条件来确定 当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，其驱动力所作的当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，其驱动力所作的功功Wd总是不足以克服其引起的最大损失功总是不足以克服其引起的最大损失功Wf，1Wf /Wd 0故故例例 手摇螺旋千斤顶手摇螺旋千斤顶