机械原理(西工大)第5章机械的效率与自锁

1、湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 第五章第五章 机械的效率和自锁机械的效率和自锁51 机械的效率机械的效率52 机械的自锁机械的自锁湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授重力功重力功动能增量动能增量有害功有害功有效功有效功驱动功驱动功m m t 一、机械运转时的功能关系一、机械运转时的功能关系51 机械的效率机械的效率1.动能方程动能方程机械运转时，所有作用在机械机械运转时，所有作用在机械上的力都要做功，由能量守恒上的力都要做功，由能量守恒定律知：定律知：所有外力之功等于动能增量2.机械的运转机械的运转 WdWrWfWG=E00输入功大于有害功之和。输入功大于有害功

2、之和。WdWrWfWG= EE0 a)启动阶段启动阶段 速度速度0 , ,动能动能0 0 E E启动启动湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授m m t 稳定运转稳定运转启动启动b)稳定运转阶段稳定运转阶段在一个循环内有在一个循环内有 WdWrWf= EE00匀速稳定阶段匀速稳定阶段 常数，任意时刻都有：常数，任意时刻都有：变速稳定阶段变速稳定阶段 在在m m上下上下 周期波动周期波动, , (t)=(t+T(t)=(t+Tp p) )WG=0, E=0E=0 Wd= Wr+WfWdWrWf=EE00 Wd=WrWfc)停车阶段停车阶段 0 WdWrWfWG= EE00停止

3、停止输入功小于有用功与损失功之和。输入功小于有用功与损失功之和。输入功总是等于有用功与损失功之和。输入功总是等于有用功与损失功之和。湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 二、机械的效率二、机械的效率机械在稳定运转阶段恒有机械在稳定运转阶段恒有:比值比值Wr / Wd反映了驱动功的有效利用程度，反映了驱动功的有效利用程度，称为称为机械效率机械效率。Wr / Wd用功率表示用功率表示：Nr / Nd分析：分析：总是小于总是小于 1，当，当Wf 增加时将导致增加时将导致下降。下降。设计机械时，尽量减少摩擦损失，措施有：设计机械时，尽量减少摩擦损失，措施有：Wd= Wr+Wfb)b)考虑润滑考虑润

4、滑c)c)合理选材合理选材 1Wf /Wd (WdWf) /Wd(NdNf) /Nd1Nf /Nd a a)用滚动代替滑动用滚动代替滑动湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 F0vF FvG GG作者：潘存云教授理想理想机械机械用力的比值表示：用力的比值表示：G vG /F vFNr / Nd对理想机械，对理想机械，当工作阻力当工作阻力G一定时，一定时，有理想驱动力有理想驱动力F00Nr / Nd = G vG /F0 vF代入得代入得 F0 vF / F vFF0 / F用力矩来表示有用力矩来表示有 Md0 / Md1同理：当驱动力同理：当驱动力F一定时，一定时，理想工作阻力为理想工作阻

5、力为G0： G0 vG / F vF1得：得： G vF /G0 vFG / G0用力矩来表示有：用力矩来表示有：M G/ MG0理想理想机械机械FvF FvG GG0FvF FvG GG机械机械湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 重要结论：重要结论：计算螺旋副的效率：计算螺旋副的效率： 拧紧：拧紧：)+tan(2=2vGdM 理想机械：理想机械： M0d2 G tan( ) / 2 M0 / M拧松时，驱动力为拧松时，驱动力为G，M为阻力矩，则有：为阻力矩，则有：实际驱动力：实际驱动力： G=2M/d2 tan(-v )理想驱动力：理想驱动力： G0=2M/d2 tan() G0/G

6、以上为计算方法，工程上更多地是用实验法测以上为计算方法，工程上更多地是用实验法测定定 ，表，表5 52 2列出由实验所得简单传动机构和运动列出由实验所得简单传动机构和运动副的机械效率副的机械效率( (P123-P124)P123-P124)。理想工作阻力矩实际工作阻力矩tan()/tan(v v )tan(-v ) / tan( )理想工作阻力实际工作阻力实际驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力理想驱动力湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 表表5-2 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

7、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

8、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 0.850.95湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 续表续表5-2 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

9、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 0.880.900.94 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湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授复杂机械的机械效率计算方法：复杂机械的机械效率计算方法：1.)1.)串联串联2.)2.)并联并联总效率不仅与各机器的效率i有关，而且与传递的功率Ni有关。设

10、各机器中效率最高最低者分别为设各机器中效率最高最低者分别为maxmax和和minmin 则有：则有：dkNNkidNN1kirNN1drNN123121 kkdNNNNNNNNk 21kNNN 21kkkNNNNNN 212211NdNkN1N2Nk-112k21kNNN kkNNN 2211N1N2NkN1N2Nk12kNdNrminminmaxmax123k湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授NdNkN1N212N”rNr作者：潘存云教授NdNkN1N2Nd2 N”d2N”d3Nd3NrN”r1233“44“N1N2Nd2 N”d2N”d3Nd3NrN”r1233“4

11、4“NdNk3.)3.)混联混联先分别计算，合成后按串联或并联计算。先分别计算，合成后按串联或并联计算。作者：潘存云教授Nr并联计算并联计算串联计算串联计算N”rNr串联计算串联计算湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授摩擦锥摩擦锥v2121无论无论F多大，滑块在多大，滑块在P的作用下不可能运动的作用下不可能运动发生自锁。发生自锁。当驱动力的作用线落在摩擦锥内时，则机械发生自锁。当驱动力的作用线落在摩擦锥内时，则机械发生自锁。法向分力：法向分力： Fn=Fcos 52 机械的自锁机械的自锁水平分力：水平分力： Ft=Fsin正压力：正压力： N21=Fn 最大摩擦力最大摩擦

12、力 ：F Fmaxmax = f N21当当时时, ,恒有：恒有：工程意义：工程意义：设计新机械时，应避免设计新机械时，应避免在运动方向出现自锁，而有些机械在运动方向出现自锁，而有些机械要利用自锁进行工作要利用自锁进行工作(如如千斤顶千斤顶等等)。 分析平面移动副在驱动力P作用的运动情况： N21Ft F Fmaxmax= = Fn tan = FntanPFtPnG一、含移动副的机械一、含移动副的机械 F21FR21湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授当回转运动副仅受单力当回转运动副仅受单力F作用时：作用时：最大摩擦力矩为：最大摩擦力矩为： Mf =FR当力当力F的作用

13、线穿过摩擦圆的作用线穿过摩擦圆(a)时，发生自锁。时，发生自锁。F F M=F a产生的力矩为：产生的力矩为：12aFFR二、含转动副的机械二、含转动副的机械 湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授1DA3O2BODA123应用实例：应用实例：图示钻夹具在图示钻夹具在F力夹紧，去掉力夹紧，去掉F后要求不能后要求不能松开，即反行程具有自锁性。分析其几何条件。松开，即反行程具有自锁性。分析其几何条件。由此可求出夹具各参数的几何条件为：由此可求出夹具各参数的几何条件为：在直角在直角ABC中有：中有：在直角在直角OEA中有：中有： 反行程具有自锁条件为：反行程具有自锁条件为：s-s

14、1 esin()(Dsin)/2 s =OEs1 =AC e分析：分析：若总反力若总反力FR23穿过摩擦圆穿过摩擦圆发生自锁发生自锁=(Dsin) /2 =esin() -FFR23Bss1EEOACBC湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 当机械出现自锁时，无论驱动力多大，都不能当机械出现自锁时，无论驱动力多大，都不能运动，从能量的观点来看，就是运动，从能量的观点来看，就是: 由此判断是否自锁及出现自锁条件。由此判断是否自锁及出现自锁条件。说明：说明： 00时，机械已不能动，外力根本不做功，时，机械已不能动，外力根本不做功，已已失去一般效率的意义。仅表明机械自锁的程度。且失去一般效率的意

15、义。仅表明机械自锁的程度。且越小表明自锁越可靠。越小表明自锁越可靠。 上式意味着只有当生产阻力反向而称为驱动力之上式意味着只有当生产阻力反向而称为驱动力之后，才能使机械运动。后，才能使机械运动。上式可用于判断是否自锁及出上式可用于判断是否自锁及出现自锁条件。现自锁条件。 即：即： 00G0 / G 0 G0驱动力做的功永远驱动力做的功永远由其引起的摩擦力所做的功由其引起的摩擦力所做的功湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授举例举例1 1： 求螺旋千斤顶反行程的机械效率。求螺旋千斤顶反行程的机械效率。00得自锁条件：得自锁条件： tan(-v v ) 0 0令令 tan(-v

16、 v ) / tan() v vv v =8.7 =8.7若取：若取： f =0.15=0.15作者：潘存云教授湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授FR13FR2390+9090-+2-+2-9090-(-)-(-)-29090-132例例2 求图示斜面压榨机的机械效率。求图示斜面压榨机的机械效率。力多边形中，根据正弦定律得：力多边形中，根据正弦定律得：提问：提问：如如F力反向，该机械发生自锁吗？力反向，该机械发生自锁吗？FFR32GG = F FR R23 cos(-2)/cos-2)/cosGFFR32v32F FR R13 + F FR R23 + G = 0 大小：大小： ？ ？ 方向：方向： F FR R32 + F FR R12 + F = 0 大小：大小： ？ ？方向：方向： F = F FR R32 sin(-2)/cos-2)/cos 令令F0F0得：得：F= Gtan(-2)-2)tan(-2)-2)0022由由F FR R32-F FR R23可得：可得：FR13FR23FR12FR12-湖北汽车工业学院专用 作者： 潘存云教授 根据不同的场合，应用不同的根据不同的场合，应用不同的机械自锁判断条件机械