机械原理 潘存云课件 第12章 机械的效率与自锁

第12章机械的效率和自锁12－1机械的效率12－2提高机械效率的途径12－3摩擦在机械中的应用12－4机械的自锁机械在稳定运转阶段恒有:比值Wr/Wd━━机械效率。反映了驱动功的有效利用程度用功率表示：η＝Pr/Pd分析：η总是小于

1，当Wf

增加时将导致η下降。＝1－Wf

/Wd

＝(Wd－Wf)/Wd＝(Pd－Pf)/Pd＝1－Pf

/Pd

一、机械效率的表达形式12－1机械的效率有害功有效功驱动功Wd=

Wr+Wfη＝Wr/Wd1）效率以功或者功率形式来表达设计机械时，尽量减少摩擦损失理想机械潘存云教授研制机械减少摩擦损耗的措施有：b)考虑润滑c)合理选材

a)用滚动代替滑动2）以力或者力矩形式来表达vFvG用力的比值表示：＝GvG

/FvFη＝Pr/Pd对理想机械，当工作阻力G一定时，有理想驱动力F0η0＝G

vG

/F0vF＝1代入得η＝F0

vF

/FvF

＝F0

/F用力矩来表示则有:FG潘存云教授研制理想机械F0vFvGGη＝M0

/M潘存云教授研制

同理：当驱动力F一定时，理想工作阻力为G0：

G0

vG

/FvF＝1得：η＝GvF

/G0vF用力矩来表示有：

η＝M

G/MG0＝G/G0理想机械机械vFvGFG潘存云教授研制理想机械F

vFvGG0重要结论：举例1：试计算斜面机构的效率。作者：潘存云教授12GαFR21a)滑块沿斜面等速上行根据平衡条件：F+FR21+G=0

得：F=Gtan(α+φ)

φNF21nnFR21vFαGα+φF

理想机械：F0＝Gtan(α

)

机械效率：作者：潘存云教授12GαF’R21b)滑块沿斜面等速下滑Gα-φ根据平衡条件：F’+F’R21+G=0得：G=F

’/tan(α-φ)vF’F’R21φαF’NF21nn

理想机械：G

0＝F’/tan(α

)

机械效率：潘存云教授研制作者：潘存云教授πd2d2Gd3d1lα螺纹拧松等同于滑块沿斜面下降，故有：vvGF举例2：试计算螺旋副的效率。螺纹拧紧等同于滑块沿斜面上升，故有：

理想机械：M0＝d2Gtan(α

)/2

η＝M0/M＝tan(α)/tan(α＋φ

)实际驱动力：G=2M’/d2tan(α-φ

)理想驱动力：G0=2M’/d2tan(α)η’＝G0/G＝tan(α-φ)/tan(α

)非矩形螺纹，只要将公式中的φ替换成φv即可。表12-1

简单传动机械和运动副的效率名称传动形式效率值备注圆柱齿轮传动6~7级精度齿轮传动0.98~0.99良好跑合、稀油润滑

8级精度齿轮传动0.97稀油润滑

9级精度齿轮传动0.96稀油润滑

切制齿、开式齿轮传动0.94~0.96干油润滑

铸造齿、开式齿轮传动0.9~0.93圆锥齿轮传动6~7级精度齿轮传动0.97~0.98良好跑合、稀油润滑

8级精度齿轮传动0.94~0.97稀油润滑

切制齿、开式齿轮传动0.92~0.95干油润滑

铸造齿、开式齿轮传动0.88~0.92蜗杆传动自锁蜗杆0.40~0.45单头蜗杆0.70~0.75双头蜗杆0.75~0.82润滑良好

三头、四头蜗杆0.80~0.92圆弧面蜗杆0.85~0.95以上为计算方法，工程上更多地是用实验法测定η

，表12－1列出由实验所得简单传动机构和运动副的机械效率(P236)续表12-1

简单传动机械和运动副的效率名称传动形式效率值备注带传动平型带传动0.90~0.98滑动轴承球轴承0.99稀油润滑滚子轴承0.98稀油润滑

滑动螺旋0.30~0.80滚动螺旋0.85~0.95V型带传动0.94~0.96套筒滚子链0.96无声链0.97链传动平摩擦轮传动0.85~0.92摩擦轮传动润滑良好槽摩擦轮传动0.88~0.900.94润滑不良0.97润滑正常0.99液体润滑滚动轴承螺旋传动二、机械系统的机械效率1)串联2)并联总效率η不仅与各机器的效率ηi有关，而且与传递的功率Ni有关。设各机器中效率最高最低者分别为ηmax和ηmin

则有：PdPkP1P2Pk-112k作者：潘存云教授P1P2PkP’1P’2P’k12kPdPrηmin<η<ηmaxη1η2η3ηkP1P2

1

2PdP”rP’rPkPdPk3)混联先分别计算，合成后按串联或并联计算。潘存云教授研制作者：潘存云教授P1P2P’d2

P”d2P”d3P’d3P’rP”r

1

2

3’

3”4’4”作者：潘存云教授P1P2P’d2

P”d2P”d3P’d3P’rP”r

1

2

3’

3”4’4”PdP”rP’rPkPr并联计算串联计算串联计算12－2提高机械效率的途径

（1）简化系统运动副数目摩擦损耗。（3）不要过多增大轴颈尺寸。因为增加轴颈时会使该轴颈的摩擦力矩增加，机械容易发生自锁。（4）设法减少运动副中的摩擦损耗：

a)用滚动代替滑动;b)考虑润滑；

c)合理选材。

(5)改善机械的平衡，从而减少机械中因惯性力所引起的动压力，可以提高机械的效率。（2）尽量少用移动副。移动副不易保证配和精度，效率相对较低而且容易发生自锁或楔紧。（1）摩擦带传动机构12－3摩擦在机械中的应用潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制组成：由主动轮1、从动轮2和张紧在两轮上的环形带3所组成。工作原理：安装时带被张紧在带轮上，产生的初拉力使得带与带轮之间产生压力。主动轮转动时，依靠摩擦力托动从动轮一起同向回转。动画动画（2）摩擦离合器23组成：由固定圆盘1、活动圆盘2、滑环组成。工作原理：移动滑环，可实现两圆盘的结合与分离，靠摩擦力带动从动轴转动。潘存云教授研制Fa1Rf潘存云教授研制23潘存云教授研制Fa1Rf潘存云教授研制设计：潘存云结构：由瓦块、制动轮等零件组成。工作原理：通电松开，断电后靠弹簧拉力实现制动。借助于瓦块与制动轮之间的摩擦力来实现制动。断电制动是为了保证设备安全。a）块式制动器潘存云教授研制（3）摩擦制动器Faba设计：潘存云F潘存云教授研制F特点：结构简单、紧凑。b)带式制动器ω工作原理在外力的作用下，闸带收紧抱住制动轮实现制动。潘存云教授研制卷扬机制动器利用摩擦力将两个零件刚性动态连接在一起。（4）摩擦连接钻夹具潘存云教授研制潘存云教授研制夹钳式握持器作者：潘存云教授v2121潘存云教授研制摩擦锥无论F多大，滑块不可能运动重要结论：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：Fn=Fcosβ

12－4

机械的自锁水平分力：Ft=Fsinβ正压力：

N21=Fn

最大摩擦力：Fmax=fN21当β≤φ时,恒有：工程意义：设计新机械时，应避免在运动方向出现自锁，而有些机械要利用自锁进行工作(如千斤顶等)。分析平面移动副在驱动力P作用的运动情况N21Ft≤Fmax=Fntanβ

=FntanφFtG一、移动副的自锁F21FR21φβFFn发生自锁!当回转运动副仅受单力F作用时：最大摩擦力矩为：Mf=FRρ重要结论：对于含转动副的机械，当力F的作用线穿过摩擦圆时，则会发生自锁。＝FρM=F·a产生的力矩为：潘存云教授研制作者：潘存云教授1

2

aFFR二、转动副的自锁MMf若a<ρ，则：M

<Mf发生自锁!

当机械出现自锁时，无论驱动力多大，都不能运动，亦即所能克服的生产阻力为：━━判断机械是否自锁及出现自锁条件。特别说明：

η≤0时，机械已不能动，外力根本不做功，η已失去一般效率的意义。仅表明机械自锁的程度。且η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后，才能使机械运动。上式可用于判断是否自锁及出现自锁条件。

即：η≤0

G≤0驱动力做的功永远≤由其引起的摩擦力所做的功三、其他判别机械自锁的方法从能量的观点来看，机械自锁时，一定有:━━判断机械是否自锁及出现自锁条件。

Wd≤Wf潘存云教授研制机械η=Wd/Wr，η’=W’d/W’r

WdWr正行程η

W’dW’r反行程η’机械有正行程和反行程，它们的机械效率一般并不相等。机械设计要求：正行程：η>0━━自锁机械η’>0η’<0反行程自锁机械的应用：反行程自锁可以防止机械自发倒转或松脱。这种特性对于机床夹具、螺栓连接、楔连接、起重装置和压榨机等机械而言是必须的。潘存云教授研制自锁机械的应用：潘存云教授研制自锁螺栓不易松开钻夹具潘存云教授研制潘存云教授研制自锁蜗杆防止倒转螺旋千斤顶需自锁以防跌落作者：潘存云教授13α2F潘存云教授研制作者：潘存云教授α132FFR13FR2390°+φ90°-α+2φα-φ90°-(α-φ)α-2φ90°-φ举例2

求图示斜面压榨机的自锁条件。力多边形中，根据正弦定律得：FR32GG=FR23cos(α-2φ)/cosφGFFR32v32FR13+

FR23+

G=0大小：？？√方向：√√√FR32+

FR12+

F=0大小：√

？？方向：√√√

F=FR32sin(α-2φ)/cosφ

令F≤0得F=Gtan(α-2φ)tan(α-2φ)≤0α≤2φ由FR32＝-FR23可得FR13FR23FR12FR12

α-φ如F力反向，该机械发生自锁吗？作者：潘存云教授1DA3O2潘存云教授研制BODA123举例3

图示钻夹具在F力夹紧，去掉F后要求不能