机械原理机构力分析

1、机械原理机构力分析第1页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四第四章 平面机构的力分析41机构力分析的任务、目的与方法43运动副中摩擦力的确定机构力分析实例第2页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四41机构力分析的任务、目的与方法作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能 的主要因素；是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。力分析的必要性：1.作用在机械上的力力的类型原动力生产阻力重力摩擦力介质阻力惯性力运动副反力第3页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四按作用分为阻抗力 驱动力 有效阻力 有害阻力 驱动力-驱使机械运动，其方向与力的作用点速 度之

2、间的夹角为锐角，所作功为正功。 阻抗力-阻碍机械运动，其方向与力的作用点速 度之间的夹角为钝角，所作功为负功。 有效(工作)阻力-机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或状态所受到的阻力，克服了阻力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等。有害(工作)阻力-机械运转过程受到的非生产阻力，克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量。如摩擦力、介质阻力等。第4页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四确定运动副中的反力-为进一步研究构件强度、运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能等作准备。2.机械力分析的任务和目的确定机械平衡力（或力偶）-目的是已知生产负荷确定原动机的最小功率；

3、或由原动机的功率来确定所能克服的最大生产阻力。反力-运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力 平衡力-机械在已知外力作用下，为了使机械按给定的运动规律运动所必需添加的未知外力。3.机械力分析的方法图解法解析法第5页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四机械力分析的理论依据 ： 静力分析-适用于低速机械，惯性力可忽略不计； 动态静力分析-适用于高速重型机械，惯性力往往比外力要大，不能忽略。 注：一般情况下，需要对机械做动态静力分析时，可忽略重力和摩擦力，通常可满足工程要求。第6页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四43运动副中摩擦力的确定概述：摩擦产生源运动副元素

4、之间相对滑动。摩擦的缺点：摩擦的优点：研究目的：发热效率磨损强度精度寿命利用摩擦完成有用的工作。如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、离合器(摩托车)、制动器（刹车）。(1)减少不利影响;(2)发挥其优点。润滑恶化卡死。低副产生滑动摩擦力 高副滑动兼滚动摩擦力。运动副中摩擦的类型：第7页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四v21211. 移动副中摩擦力的确定 由库仑定律得： F21f N21G铅垂载荷;GFF水平力，N21N21法向反力;F21F21摩擦力。摩 擦 系 数摩擦副材料静 摩 擦动 摩 擦无润滑剂有润滑剂无润滑剂有润滑剂钢钢钢铸铁钢青铜铸铁铸铁铸铁青铜青铜青铜橡皮铸铁0.1

5、50.1 0.120.10.05 0.10.2 0.30.16 0.180.05 0.150.1 0.150.15 0.180.070.15 0.160.150.07 0.120.280.160.15 0.210.15 0.200.04 0.10.3 0.50.80.5皮革铸铁或钢0.07 0.150.12 0.15第8页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授G12F21f N21 当材料确定之后，F21大小取决于法向反力N21 而G一定时，N21 的大小又取决于运动副元素的几何形状。 槽面接触：N”21N21F21 = f N21 + f N”

6、21平面接触：N21 = N”21 = G / (2sin) GN21N21=GF21=f N21= f GF21N21 +N”21= -GN21G= ( f / sin) G= fv Gfv称为当量摩擦系数N”21v2121F第9页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授G12结论：不论何种运动副元素，有计算通式：理论分析和实验结果有： k =1/2 F21 = f N21 F21= f N21 柱面接触： N21= kG= f k G= fv G= fv G N21 N21同理，称 fv为当量摩擦系数。 非平面接触时 ，摩擦力增大了，为什么？是 f 增大了？原

7、因：是由于N21 分布不同而导致的。第10页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授v2121GPN21F21应用：当需要增大滑动摩擦力时，可将接触面设计成槽面或柱面。如圆形皮带（缝纫机）、三角形皮带、螺栓联接中采用的三角形螺纹。对于三角带： 18移动副中总反力的确定总反力为法向反力与摩擦力的合成： FR21=N21+F21tg= F21 / N21摩擦角，方向:FR21 V12 (90+)摩擦锥-以FR21为母线所作圆锥。结论：移动副中总反力恒切于摩擦锥。fv3.24 f = f N21 / N21= f不论P的方向如何改变，P与R两者始终在同一

8、平面内FR21第11页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授FFR2112G12Ga)求使滑块沿斜面等速上行所需水平力Fb)求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力F作图作图若，则F为阻力;根据平衡条件：F + FR21+G = 0 得： F=Gtg(+) G-根据平衡条件： F + FR21+G = 0若斜面摩擦。拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：假定载荷集中在中径d2 圆柱面内，展开d2斜面其升角为： tg螺纹的拧松螺母在F和G的联合作用下，顺着G等速向下运动。v螺纹的拧紧螺母在F和G的联合作用下，逆着G等速向上运动。v=l /d2=zp /d2 从端

9、面看d2Gd3d1lGF第14页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四F螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的 拧紧所需力矩M为：拧松时直接引用斜面摩擦的结论有：F螺纹拧松时必须施加在中径处的圆周力，所产生 的拧松所需力矩M为：若，则M为正值，其方向与螺母运动方向相反， 是阻力；若，则M为负值，方向相反，其方向与预先假定 的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为 放松螺母所需外加的驱动力矩。Mfd2F第15页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授(2)三角形螺纹螺旋中的摩擦矩形螺纹忽略升角影响时，N近似垂直向上,比较可得：NcosGN引入当量

10、摩擦系数: fv = f / cos三角形螺纹NcosG，牙形半角 NG当量摩擦角: v arctg fvNN /cosGNNGNN第16页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授21rN21拧紧：拧松：可直接引用矩形螺纹的结论：2.转动副中的摩擦(1)轴径摩擦直接引用前面的结论有：产生的摩擦力矩为：轴轴径轴承12方向：与12相反。Mf根据平衡条件有： FR21-G, Md =Mf = G= f kG= fv G Mf= F21 r= fv r G=f N21 r F21 = f N21MdGFR21F21第17页，共27页，2022年，5月20日

11、，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授2112MfMd21rN2112MfMdGFR21F21GN21F21FR21当G的方向改变时，FR21的方向也跟着改变，以作圆称为摩擦圆，摩擦圆半径。且FR21恒切于摩擦圆。分析:由= fv r 知，rMf对减小摩擦不利。但不变。第18页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授2 13ABC4FMr运动副总反力判定准则1. 由力平衡条件，初步确定总反力方向（受拉或压）。2. 对于转动副有： FR21恒切于摩擦圆。3. 对于转动副有：Mf 的方向与12相反对于移动副有： FR21恒切于摩擦锥对于移

12、动副有：FR21 V12(90+)14MrF21例1 ：图示机构中，已知驱动力F和阻力Mr和摩擦圆半径，画出各运动副总反力的作用线。23FR23FR21FR41v3490+FR43R12R32内燃机第19页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授212r2RrR取环形面积: ds2d(2) 轴端摩擦在G的作用下产生摩擦力矩Mf 新轴端， p常数，则：摩擦力为：dF= f dN总摩擦力矩：摩擦力矩：dMf =dFdN=p ds 设ds上的压强为p,正压力为：=f dN=f p ds= f p dsGdMMf第20页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期

13、四作者：潘存云教授 跑合轴端 跑合初期: p常数跑合结束：正压力分布规律为: p=常数 内圈V 磨损快 p 磨损变慢 结论： Mf = f G(R+r)/2 注:p =const, 中心压强高,容易压溃,故做成中空状。 磨损慢 p 磨损变快 外圈V212r2RrRGdMMf第21页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授21(3)平面高副中的摩擦力的确定相对运动: 滑动+滚动 v12摩擦力: 滑动摩擦力+滚动摩擦力 滚动摩擦力滑动摩擦力 可忽略滚动摩擦力总反力为法向反力与滑动摩擦力的合成： FR21=N21+F21F21FR21N21总反力的方向：R21V12(9

14、0+)90+第22页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授dFbcFR2345考虑摩擦时机构的受力分析14Fr21例43 ：图示机构中，已知构件尺寸、材料、运动副半径，水平阻力Fr，求平衡力Fb的大小。23213ABC4Fbv3490+FR21FR41FR43FR23FR21FR41EFR43FFR12FR32FR43 + FR23 +Fr = 0 解：1)根据已知条件求作摩擦圆 2)求作二力杆运动副反力的作用线 3)列出力平衡向量方程FR41 + FR21 +Fb = 0 Frba受压滑块3在三个力作用下平衡,得曲柄1在三个力作用下平衡,得第2

15、3页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四作者：潘存云教授作者：潘存云教授MdBAGABCD1234例2 ：图示四铰链机构中，已知工作阻力G、运动副 的材料和半径r， 求所需驱动力矩Md 。Md142123G FR21FR41FR23FR4314FR43 + FR23 + G = 0 可求得FR23FR23c从而求得： Md FR21 llFR21= -FR23 4343GbaFR12FR32解：1)根据已知条件求作摩擦圆 FR43受拉2)求作二力杆反力的作用线 3)列出力平衡向量方程第24页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四Fr213ABC4Fb力分析解题步骤小结： 从二力杆入手，初步判断杆2受拉。 由、增大或变小来判断各构件的相对角速度。 依据总反力判定准则得出FR12和FR32切于摩擦圆的公切线。 由力偶平衡条件确定构件1的总反力。 由三力平衡条件（交于一点）得出构件3的总反力。 ABCD1234Md14Q第25页，共27页，2022年，5月20日，2点41分，星期四本章重点: 1.运动副中总反力的确定 2.斜面滑块的受力分析(图4-3,