机械原理-第4章

1、LOGO第章第章平面机构的力分析平面机构的力分析 机械工程学院机械工程学院 了解作用在机构上的力及机构力分析的目的和方法；了解作用在机构上的力及机构力分析的目的和方法；掌握构件惯性力的确定方法和机构动态静力分析的方法；掌握构件惯性力的确定方法和机构动态静力分析的方法；能对几种最常见的运动副中的摩擦力进行分析和计算。能对几种最常见的运动副中的摩擦力进行分析和计算。本章教学目的本章教学目的第四章第四章 平面机构力分析平面机构力分析机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法构件惯性力的确定构件惯性力的确定运动副中的摩擦运动副中的摩擦不考虑摩擦和考虑摩擦时不考虑摩擦和考虑摩擦时机构的受力分析机构的受

2、力分析本章教学内容本章教学内容本章重点：本章重点： 构件惯性力的确定及质量代换法构件惯性力的确定及质量代换法 图解法作平面机构动态静力分析图解法作平面机构动态静力分析 考虑摩擦时平面机构的力分析考虑摩擦时平面机构的力分析本章难点：本章难点：机构的平衡力（或平衡力矩）机构的平衡力（或平衡力矩）及构件的质量代换两个概念。及构件的质量代换两个概念。 一、作用在机械上的力一、作用在机械上的力1. 按作用在机械系统的内外分：按作用在机械系统的内外分：1） 外力：外力：如原动力、生产阻力、介质阻力和重力；如原动力、生产阻力、介质阻力和重力；2） 内力：内力：运动副中的反力（运动副中的反力（也包括运动副中的

3、摩擦力也包括运动副中的摩擦力和和惯性力引起的附加动压力惯性力引起的附加动压力 ）2、按作功的正负分：、按作功的正负分：1） 驱动力：驱动力：驱使机械产生运动的力。驱使机械产生运动的力。2） 阻抗力：阻抗力：阻止机械产生运动的力。阻止机械产生运动的力。 90VF,特征特征：（M， 同向同向），作正功。），作正功。称称驱动功或输入功。驱动功或输入功。 90VF,特征特征：（M， 反向反向），作负功。），作负功。4-1 4-1 机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法v阻抗力又可分为有益阻力和有害阻力。阻抗力又可分为有益阻力和有害阻力。（1）有益阻力有益阻力生产阻力（工作阻力），如切削力。生产阻

4、力（工作阻力），如切削力。（2）有害阻力有害阻力非生产阻力，如摩擦力、介质阻力。非生产阻力，如摩擦力、介质阻力。注意注意摩擦力摩擦力和和重力重力既可作为既可作为作正功的作正功的驱动力驱动力，也可成为，也可成为作负功的作负功的阻力阻力。有效功（输出功）有效功（输出功）：克服有效阻力所作的功。：克服有效阻力所作的功。损耗功（输出功）损耗功（输出功）：克服有害阻力所作的功。：克服有害阻力所作的功。1. 机构力分析的任务机构力分析的任务1）确定运动副中的反力及各构件的受力；）确定运动副中的反力及各构件的受力；2） 确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机

5、械上的平衡力。械上的平衡力。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确定机构所能克服的最大阻确定机构所能克服的最大阻力（即机器的工作能力）。力（即机器的工作能力）。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确定原动机的功率。确定原动机的功率。二、机构力分析的目的和方法二、机构力分析的目的和方法2. 机构力分析的方法机构力分析的方法具体方法：利用达朗伯原理。有图解法和解析法具体方法：利用达朗伯原理。有图解法和解析法。静力分析静力分析(static force analysis) 用于低速，惯性力的影响不大。用于低速，惯性力的影响不大。动态静力分析动态

6、静力分析(dynamic force analysis)用用于高速，重载，惯性力很大于高速，重载，惯性力很大。4-2 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定一、一、一般力学方法一般力学方法1. 作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件v作平面复合运作平面复合运动的构件上的惯动的构件上的惯性力系可简化为：性力系可简化为：加于构件质心上加于构件质心上S的的惯性力惯性力FI和一和一个个惯性力偶惯性力偶MI。 SaSIMIFlhIF SISIJMamF绕质心的转动惯量绕质心的转动惯量用一个力简化之用一个力简化之 SSIIhSImaJFMlamF 2. 作平面移动的构件作平面移动的构件v变速运动：变速

7、运动：v等速运动：等速运动：0; 0 IIMF0; ISIMamFBCSasFI1 1）绕通过质心的定轴转动的构件）绕通过质心的定轴转动的构件3. 绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件sSIIJMP ; 02 2）绕不通过质心的定轴转动）绕不通过质心的定轴转动v等速转动：等速转动：v等速转动：等速转动：产生离心惯性力产生离心惯性力v变速转动：变速转动：可以用总惯性力可以用总惯性力FI来代替来代替FI和和MI ，FI = FI，作用线由质心，作用线由质心S 偏移偏移 lhIIhFMl 0; 0 IIMF0; ISIMamF SISIJMamF ;IF IFv变速运动：变速运动：只有惯性力偶只有惯性力

8、偶二、二、质量代换法质量代换法1. 1. 质量代换法质量代换法 按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个上的上的来代替的方法。来代替的方法。2. 2. 代换点和代换质量代换点和代换质量v代换点：代换点：上述的选定点。上述的选定点。v代换质量：代换质量：集中于代换点上的假想质量。集中于代换点上的假想质量。在确定构件惯性力时，如用一般的力学方法，就需先求出在确定构件惯性力时，如用一般的力学方法，就需先求出构件质心的加速度和角加速度，如对一系列位置分析非常繁琐，构件质心的加速度和角加速度，如对一系列位置分析非常繁琐，为简化，可采用质量代换法。为简化，可

9、采用质量代换法。 2）代换前后构件的质心位置不变；代换前后构件的质心位置不变；3）代换前后构件对质心的转动惯量不变。代换前后构件对质心的转动惯量不变。 0011iniiiniiymxm siiniiJyxm 221v以原构件的质心为坐标原点时，应满足：以原构件的质心为坐标原点时，应满足：3. 3. 质量代换条件质量代换条件mmnii11）代换前后构件的质量不变；代换前后构件的质量不变； 静静代代换换动动代代换换BCbcSu动代换：动代换：用集中在用集中在通过构件质心通过构件质心S 的直线的直线上的上的B、K 两点的代换两点的代换质量质量mB 和和 mK 来代换作平面来代换作平面运动的构件的质量

10、。运动的构件的质量。BCbSkKmBmk sKBkBKBJkmbmkmbmmmm22 mbJkkbmbmkbmkmskB依据上述原则，有依据上述原则，有优点：优点：代换精确。代换精确。缺点：缺点：当其中一个代换点确定之后，另一个代换点亦随之确定，不能任意当其中一个代换点确定之后，另一个代换点亦随之确定，不能任意选取。工程计算不便。选取。工程计算不便。代换后惯性力：代换后惯性力： KBBKBBBKBKKBBKBIakbbamaakbbakbkmakbbakbkmamamPPP由加速度影像得：SBKBKBSBaakbbkbbaa 代代换换前前 SSBBIamaamP代换后惯性力矩：代换后惯性力矩：

11、 代代换换前前 StKtBtKtBtKKtBBIJmkbkbkbbkmaakbbkmakbbkakbbkmkambamMaSBakBBCbSkKmBBCbScBCbcSu静代换：静代换：在一般工程计算中，为在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足前方便计算而进行的仅满足前两个代换条件的质量代换方两个代换条件的质量代换方法。取通过构件质心法。取通过构件质心 S 的直的直线上的两线上的两已知点已知点B、C为代换为代换点，有：点，有：BCbSkKmBmk cmbmmmmCBCB cbbmmcbcmmCB动代换动代换mCmB静代换静代换优点：优点：B及及C可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；

12、可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；缺点：缺点：代换前后转动惯量代换前后转动惯量 Js有误差，将产生惯性力偶矩的误差。有误差，将产生惯性力偶矩的误差。 ssCBIJmbcJcmbmM 22适用于角加速适用于角加速度较小的场合。度较小的场合。这个误差的影响，对于一般不这个误差的影响，对于一般不是很精确的计算的情况是可以是很精确的计算的情况是可以允许的，所以静代换方法得到允许的，所以静代换方法得到了较动代换更为广泛的应用。了较动代换更为广泛的应用。 43 43 运动副中的摩擦运动副中的摩擦一、一、研究摩擦的目的研究摩擦的目的1. 摩擦对机器的不利影响摩擦对机器的不利影响1 1）造成机器运转

13、时的动力浪费）造成机器运转时的动力浪费 机械效率机械效率 2 2）使运动副元素受到磨损）使运动副元素受到磨损零件的强度零件的强度 、机器的精度、机器的精度和工作可靠性和工作可靠性 机器的使用寿命机器的使用寿命 3 3）使运动副元素发热膨胀）使运动副元素发热膨胀 导致运动副咬紧卡死导致运动副咬紧卡死机机器运转不灵活；器运转不灵活； 4 4）使机器的润滑情况恶化）使机器的润滑情况恶化机器的磨损机器的磨损 机器毁坏。机器毁坏。2. 摩擦的有用的方面：摩擦的有用的方面：有不少机器，是利用摩擦来工作的。有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦离如带传动、摩擦离合器和制动器等合器和制动器等。二、移动

14、副中的摩擦二、移动副中的摩擦1. 1. 移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定Ff21=f FN21v当外载一定时，运动副两元素间法向反力当外载一定时，运动副两元素间法向反力的大小与运动副两元素的几何形状有关：的大小与运动副两元素的几何形状有关：1 1）两构件沿单一平面接触两构件沿单一平面接触 FN21= -GFf21=f FN21=f G2）两构件沿一槽形角为两构件沿一槽形角为2q q 的槽面接触的槽面接触FN21sinq q = -GGfGffFFNfq qq qsinsin2121 GffFFvNf 2121vff q qsin令令V1212GFFN21Ff2112q qq qGFN2

15、1/2FN21/3）两构件沿圆柱面接触）两构件沿圆柱面接触FN21是沿整个接触面各处反力是沿整个接触面各处反力 FN21的总和的总和。（k 11.57）GfFvf 21kfGfFFNf 2121vfkf 令令GffFFvNf 2121v -当量摩擦系数当量摩擦系数4 4）标准式标准式 不论两运动副元素的几何形状如何，两元素间产生的滑动摩不论两运动副元素的几何形状如何，两元素间产生的滑动摩擦力均可用通式擦力均可用通式：来计算。来计算。12GFN21kGdGgdFFNN q qq q 002121)(q q dFFNN 02121q q FN21设：设：)(21GgFN 5 5）槽面接触效应槽面接

16、触效应因为因为 f v f ，所以在所以在其它条件相同的情况下其它条件相同的情况下，槽面、圆柱槽面、圆柱面的摩擦力大于平面摩擦力面的摩擦力大于平面摩擦力。2. 2. 移动副中总反力方向的确定移动副中总反力方向的确定1 1）总反力和摩擦角总反力和摩擦角v总反力总反力FR21 ：法向反力：法向反力FN21和摩擦力和摩擦力Ff21的合力。的合力。v摩擦角摩擦角 ：总反力和法向反力之间的夹角。：总反力和法向反力之间的夹角。fFFfFFtgNNNf 21212121 V1212GFFN21Ff21 FR21或：或：ftg1 2 2）总反力的方向总反力的方向vFR21与移动副两元素接触面的公法线偏与移动副

17、两元素接触面的公法线偏斜一摩擦角斜一摩擦角 ；vFR21与公法线偏斜的方向与构件与公法线偏斜的方向与构件1相对相对于构件于构件2 的相对速度方向的相对速度方向v12的方向相反的方向相反 90,jiijRVF)( tgGF3. 3. 斜面滑块驱动力的确定斜面滑块驱动力的确定 1）求使滑块）求使滑块1沿斜面沿斜面2等速等速上行时所需的水平驱动上行时所需的水平驱动力力F正行程正行程根据力的平衡条件根据力的平衡条件021 GFFRV1212GFFN21Ff2190+ FR21V1212FFN21Ff21 FR21 GFFR21 + G 如果如果，F为负值，成为驱动力的一部分，作用为促为负值，成为驱动力

18、的一部分，作用为促使滑块使滑块1沿斜面等速下滑。沿斜面等速下滑。2）求保持滑块）求保持滑块1 1沿斜面沿斜面2 2等速下滑等速下滑所需的水平力所需的水平力 F 反行程反行程根据力的平衡条件根据力的平衡条件注意注意 当滑块当滑块1下滑时，下滑时，G为驱动力，为驱动力，F为阻抗力，其作用为为阻抗力，其作用为阻止滑块阻止滑块1 加速下滑。加速下滑。V1212FFN21Ff21 FR21 GFFR21 - G021 GFFR)( tgGFv 将螺纹沿中径将螺纹沿中径d2 圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜面，该斜面圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜面，该斜面的升角的升角 等于螺旋在其中径等于螺旋在其中径d

19、2上的螺纹升角上的螺纹升角。22dzpdltg 三、螺旋副中的摩擦三、螺旋副中的摩擦l-导程导程z-螺纹头数螺纹头数 p-螺距螺距1. 矩形螺纹螺旋副中的摩擦矩形螺纹螺旋副中的摩擦1 1）矩形螺纹螺旋副的简化）矩形螺纹螺旋副的简化v 螺旋副可以化为斜面机构进行力分析螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。12G/2G/)( tgGF)(2222 tgGddFM2 2）拧紧和放松力矩）拧紧和放松力矩v拧紧拧紧螺母在力矩螺母在力矩M作用下逆着作用下逆着G力等速向上运动力等速向上运动，相当于在相当于在滑块滑块2 2上加上加一水平力一水平力F，使滑块使滑块2 2沿着斜面等速向上滑动沿着斜面等速向上滑动。v

20、放松放松螺母螺母顺着顺着G力的方向等力的方向等速向下运动，相速向下运动，相当于滑块当于滑块 2 2 沿着沿着斜面等速向下滑斜面等速向下滑。)( tgGF12G/2G/2当)000同驱动力（与运动方向相时，时，反）阻力矩（与运动方向相时，MMM)(2222 tgGddFM矩形螺纹：矩形螺纹： GFN 三角形螺纹：三角形螺纹： cosGFN 2. 三角形螺纹螺旋副中的摩擦三角形螺纹螺旋副中的摩擦 1 1） 三角形螺纹与矩形螺纹的异同点三角形螺纹与矩形螺纹的异同点v运动副元素的几何形状不同运动副元素的几何形状不同在轴向载荷完全相同的情在轴向载荷完全相同的情况下，两者在运动副元素间的法向反力不同况下，

21、两者在运动副元素间的法向反力不同接触面间产接触面间产生的摩擦力不同。生的摩擦力不同。v螺母和螺旋的相对运动关系完全螺母和螺旋的相对运动关系完全相同相同两者受力分析的方法一致。两者受力分析的方法一致。GFN FN GcosFNGcosFN2 2）当量摩擦系数和当量摩擦角）当量摩擦系数和当量摩擦角 cosffv vvfarctg 3 3）拧紧和放松力矩）拧紧和放松力矩)(2222vtgGddFM )(2222vtgGddFM GfGfFfFNf coscos 三角形螺纹宜用于联接紧固；矩形螺纹宜用于传递动力。三角形螺纹宜用于联接紧固；矩形螺纹宜用于传递动力。ffvMMffv cosffvGFN F

22、N 当量摩擦系数当量摩擦系数当量摩擦角当量摩擦角1. 轴颈摩擦轴颈摩擦四、转动副中的摩擦四、转动副中的摩擦轴颈轴颈轴放在轴承中的部分轴放在轴承中的部分当轴当轴颈颈在轴在轴承承中转动时，转动副两元素中转动时，转动副两元素间产生的摩擦力将阻止轴间产生的摩擦力将阻止轴颈颈相对于轴承运动。相对于轴承运动。 2Md 121rOG总摩擦力：总摩擦力：FN21 Ff21GfFfFfFFvNNff 02102102121对于新轴颈：压力分布均匀，对于新轴颈：压力分布均匀，fffv57. 12 对于跑合轴颈：点、线接触，对于跑合轴颈：点、线接触，ffv 2Md 121rOG FR21FN21Ff21用总反力用总

23、反力FR21来表示来表示FN21及及Ff211 1）摩擦力矩和摩擦圆）摩擦力矩和摩擦圆摩擦力摩擦力Ff21对轴颈形成的摩擦力矩对轴颈形成的摩擦力矩 2121RRvvfFrFfGrfM rfFMvRf 21 摩擦圆摩擦圆：以：以 为半径所作的圆。为半径所作的圆。GrfrFMvff 21由由 fRdRMFMGF 2121由力平衡条件由力平衡条件2 2） 转动副中总反力转动副中总反力FR21的确定的确定（1 1）根据力平衡条件，根据力平衡条件，FR21G（2 2）总反力总反力FR21必切于摩擦圆。必切于摩擦圆。（3 3）总反力总反力FR21对轴颈轴心对轴颈轴心O之之矩的方向必与轴颈矩的方向必与轴颈1

24、相对于轴承相对于轴承2的角速度的角速度 1212的方向的方向相反相反。注意注意2Md 121rOG FR21FN21Ff21 FR21是构件是构件2作用到构件作用到构件1上的力，是构件上的力，是构件1所受的力。所受的力。 12是构件是构件1相对于构件相对于构件2的角速度。的角速度。 方向相反。方向相反。 1221 ROFM例例 : 图示为一四杆机构，构件图示为一四杆机构，构件1 1为主动件，为主动件，不计构件的重量和惯不计构件的重量和惯性力。性力。求转动副求转动副B B及及C C中作用力的方向线的位置。中作用力的方向线的位置。 构件构件2 2为二力构件为二力构件受拉状态受拉状态M1 1BCDA1234 21 23 FR12 FR2. 轴端摩擦轴端摩擦环面正压力环面正压力环面摩擦力环面摩擦力环形微面积上产生的摩擦力环形微面积上产生的摩擦力dFf对回