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1、安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 第三章第三章 机构的运动分析和动力学问题机构的运动分析和动力学问题31 机构的运动分析机构的运动分析3 3、机构速度分析的瞬心法、机构速度分析的瞬心法32 机构的力分析机构的力分析33 机械中的摩擦和机械效率机械中的摩擦和机械效率2、用解析法作机构的运动分析、用解析法作机构的运动分析1、机构运动分析目的与方法、机构运动分析目的与方法安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 31 机构的运动分析机构的运动分析1.位置分析位置分析研究内容：研究内容：位置分析、速度分析和加速度分析。位置分析、速度分析和加速度分析。确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。确定
2、机构的位置（位形），绘制机构位置图。 确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件确定构件(活塞活塞)行程，行程， 找出上下极限位置。找出上下极限位置。确定点的轨迹（连杆曲线），如确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊鹤式吊。31 1机构的运动分析目的和方法机构的运动分析目的和方法运动分析目的运动分析目的: :安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 2.2.速度分析速度分析 通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足 工作要求。如工作要求。如牛头刨牛头刨为加速度分析作准备。为加速度分析作准备。3.加速度分析加速度分
3、析 加速度分析是为确定惯性力作准备。加速度分析是为确定惯性力作准备。运动分析方法：运动分析方法： 图解法图解法简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。解析法解析法正好与以上相反。正好与以上相反。实验法实验法试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决 实现预定轨迹问题。实现预定轨迹问题。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 31 机构运动分析的解析法机构运动分析的解析法图解法的缺点：图解法的缺点：分析结果精度低；分析结果精度低； 随着计算机应用的普及随着计算机应用的普及,解析法得到了广泛的应用。解析法得到了广泛的应用。 常用的解析
4、法有：常用的解析法有：复数矢量法、矩阵法、杆组分析法复数矢量法、矩阵法、杆组分析法等等作图繁琐、费时，不适用于一个运动周期的分析。作图繁琐、费时，不适用于一个运动周期的分析。 不便于把机构分析与综合问题联系起来。不便于把机构分析与综合问题联系起来。 思路：思路： 由由机机构构的的几几何何条条件件，建建立立机机构构的的位位置置方方程程，然然后后就就位位置置方方程程对对时时间间求求一一阶阶导导数数，得得速速度度方方程程，求求二二阶阶导数得到机构的加速度方程。导数得到机构的加速度方程。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授DABC12341231x xy y一、一、复数矢量法复数
5、矢量法1、位置分析、位置分析将各构件用杆矢量表示，则有：将各构件用杆矢量表示，则有： 已已知知: 图图示示四四杆杆机机构构的的各各构构件件尺尺寸寸(位位置置)和和1 1 , ,求求2 2、3 3 、2 2、3 3、2 2、2 2 。L1+ L2 L3+ L4 移项得：移项得： L2 L3+ L4 L1 (1)化成直角坐标形式有：化成直角坐标形式有： l2 cos2 2l3 cos3 3+ l4 cos4 4l1 cos1 1 (2)大小：大小： 方向方向 2? ? 3? ? l2 sin2 2l3 sin3 3+ l4 sin4 4l1 sin1 1 (3)(1已知已知)安徽工程科技学院专用
6、作者： 潘存云教授 (2)、(3)平方后相加得：平方后相加得：l22l23+ l24+ l212 l3 l4cos3 3 2 l1 l3(cos3 3 cos1 1- sin3 3 sin1 1)2 l1 l4cos1 1 整理后得整理后得： Asin3 3+ +Bcos3 3+C=0 (4)其中其中：A=2 l1 l3 sin1 1B=2 l3 (l1 cos1 1- - l4)C= l22l23l24l212 l1 l4cos1 1 解三角方程得：解三角方程得： tg(3 3 / 2)=Asqrt(A2+B2C2) / (BC) 由由连续性确定同理，为了求解同理，为了求解2 2 ，可将矢量
7、方程写成如下形式：，可将矢量方程写成如下形式： L3 L1+ L2 L4 (5) 安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 化成直角坐标形式：化成直角坐标形式： l3 cos3 3l1 cos1 1+ l2 cos2 2l4 (6) (6)、(7)平方后相加得：平方后相加得：l23l21+ l22+ l242 l1 l2cos1 1 2 l1 l4(cos1 1 cos2 2 - sin1 1 sin2 2 )2 l1 l2cos1 1整理后得整理后得： Dsin2 2+ +Ecos2 2+F=0 (8)其中其中：D=2 l1 l2 sin1 1E=2 l2 (l1 cos1 1- - l4
8、)F= l21+l22+l24l23- - 2 l1 l4 cos1 1 解三角方程得：解三角方程得： tg(2 2 / 2)=Dsqrt(D2+E2F2) / (EF)l3 sin3 3l1 sin1 1+ l2 sin2 20 (7)安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 2、速度分析、速度分析将将 L3 L1+ L2 L4 对时间求导得：对时间求导得： 用用 e2 点积点积(9)式，可得：式，可得： l33 3 e3t e2= l11 1 e1t e2 (10)(10)3 3 l3 sin (3 3 2 2 ) = 1 1 l1 sin (1 1 2 2 )3 3 = 1 1 l1 s
9、in (1 1 2 2 ) / l3 sin (3 3 2 2 ) 用用 e3 点积点积(9)式，可得：式，可得： - l22 2 e2t e3= l11 1 e1t e3 (11)(11)-2 2 l2 sin (2 2 3 3 ) = 1 1 l1 sin (1 1 3 3 )2 2 = - - 1 1 l1 sin (1 1 3 3 ) / l2sin (2 23 3 ) l33 3 e3t = l11 1 e1t + l22 2 e2t (9)(9)安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授aCBt0aCBt3、加速度分析、加速度分析 将（将（9）式对时间求导得：）式对
10、时间求导得：acnactaBaCBn l33 32 2 e3n e2 + l33 3 e3t e2 = l11 12 2 e1n e2 + l22 22 2 e2n e2 上式中只有两个未知量上式中只有两个未知量-3 32 2 l3 cos (3 3 2 2 ) - -3 3 l3 sin (3 3 2 2 ) = - - 1 12 2 l1 cos (1 1 2 2 ) - - 2 22 2 l2 3 3 =1 12 2 l1 cos (1 1 - - 2 2 ) + + 2 22 2 l2 -3 32 2 l3 cos (3 3 - - 2 2 ) / l3 sin (3 3 2 2 )
11、用用e3点积点积(12)式，整理后可得：式，整理后可得：2 2 =1 12 2 l1 cos (1 1 - - 3 3 ) + + 3 32 2 l3 -2 22 2 l2 cos (2 2 - - 3 3 ) / l2 sin (2 2 3 3 ) ，用，用e2点积点积(12)式，可得：式，可得：速度方程速度方程: l33 3 e3t = l11 1 e1t + l22 2 e2t (9) l33 32 2 e3n + l33 3 e3t = l11 12 2 e1n + l22 22 2 e2n + l22 2 e2t (12)安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 DABC123412
12、31x xy yabP二、矩阵法二、矩阵法思路：在在直直角角坐坐标标系系中中建建立立机机构构的的位位置置方方程程，然然后后将将位位置置方方程程对对时时间间求求一一阶阶导导数数，得得到到机机构构的的速速度度方方程程。求二阶导数便得到机构加速度方程。求二阶导数便得到机构加速度方程。1.位置分析位置分析改写成直角坐标的形式：改写成直角坐标的形式：L1+ L2 L3+ L4 ，或或 L2L3L4 L1 已已知知图图示示四四杆杆机机构构的的各各构构件件尺尺寸寸和和1,1,求求:2 2、3 3、2 2、3 3、2 2、2 2 、x xp p、yp p、vp p 、 ap p 。l2 cos2 2 l3 c
13、os3 3 l4 l1 cos1 1l2 sin2 2 l3 sin3 3 l1 sin1 1(13)安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 连杆上连杆上P点的坐标为：点的坐标为：xp l1 cos1 1 +a cos2 2 + b cos (90+2 2 ) yp l1 sin1 1 +a sin2 2 + b sin (90+2 2 )(14)2.速度分析速度分析对时间求导得速度方程：对时间求导得速度方程：l2 sin2 2 2 2 l3 sin3 3 3 3 1 1 l1 sin1 1l2 cos2 2 2 2 l3 cos3 3 3 3 1 1 l1 cos1 1(15)l2 cos
14、2 2 l3 cos3 3 l4 l1 cos1 1l2 sin2 2 l3 sin3 3 l1 sin1 1 (13)重写位置方程组将以下位置方程：将以下位置方程：安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 从动件的从动件的角角速度列阵速度列阵原动件的位置原动件的位置参数矩阵参数矩阵B原动件的原动件的角角速度速度1 1从动件的位置从动件的位置参数矩阵参数矩阵A写成矩阵形式：写成矩阵形式：- l2 sin2 2 l3 sin3 3 2 2 l1 sin1 1l2 cos2 2 - l3 cos3 3 3 3 -l1 cos1 1(16)1 1A =1 1 B 对以下对以下P点的位置方程求导：点的
15、位置方程求导：xp l1 cos1 1 +a cos2 2 + b cos (90+2 2 ) yp l1 sin1 1 +a sin2 2 + b sin (90+2 2 )(14)得得P点的速度方程：点的速度方程：(17)vpxvpyxp -l1 sin1 1 -a sin2 2b sin (90+2 2 ) yp l1 cos1 1 a cos2 2b cos (90+2 2 )1 12 2速度合成：速度合成： vp v2px v2py pvtg-1(vpy / vpx )安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 3.加速度分析加速度分析将（将（15）式对时间求导得以下矩阵方程：）式对时
16、间求导得以下矩阵方程：l2 sin2 2 2 2 l3 sin3 3 3 3 1 1 l1 sin1 1l2 cos2 2 2 2 l3 cos3 3 3 3 1 1 l1 cos1 1(15)重写速度方程组AB=A+ 1 1对速度方程求导：对速度方程求导：l1 1 1 sin1 1l1 3 3 cos1 12 2 3 3- l2 sin2 2 l3 sin3 3 l2 cos2 2 - l3 cos3 32 2 3 3- l2 2 2 cos2 2 l3 3 3 cos3 3- l 2 2 2 sin2 2 l3 3 3 sin3 3+1 1 (18)安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授
17、 对对P点的速度方程求导：点的速度方程求导：(17)vpxvpyxp -l1 sin1 1 -a sin2 2b sin (90+2 2 ) yp l1 cos1 1 a cos2 2b cos (90+2 2 )1 12 2得得以下矩阵方程以下矩阵方程：加速度合成：加速度合成： ap a2px a2py patg-1(apy / apx )(19)apxapyxp -l1 sin1 1 -a sin2 2b sin (90+2 2 ) yp l1 cos1 1 a cos2 2b cos (90+2 2 )0 02 2l1 cos1 1 a cos2 2 + b cos (90+2 2 )-
18、l1 sin1 1 -a sin2 2 + b sin (90+2 2 ) 2 22 2 3 32 2安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 解解析析法法运运动动分分析析的的关关键键：正正确确建建立立机机构构的的位位置置方方程程。至于速度分析和加速度分析只不过是对位置方程作进一步的数学运算而已。本例所采用的分析方法同样适用复杂机构。速度方程的一般表达式：速度方程的一般表达式：其中其中A机构机构从动件的位置参数矩阵从动件的位置参数矩阵；机构机构从动件的角速度矩阵从动件的角速度矩阵； B 机构机构原原动件的位置参数矩阵动件的位置参数矩阵；1 1 机构机构原原动件的角速度。动件的角速度。加速度方程
19、的一般表达式：加速度方程的一般表达式： 机构从动件的加角速度矩阵；机构从动件的加角速度矩阵； A ddA/dt/dt；A = -A+1 1 B A =1 1 B 缺缺点点: 是是对对于于每每种种机机构构都都要要作作运运动动学学模模型型的的推推导导，模模型的建立比较繁琐。型的建立比较繁琐。 B ddB/dt/dt；安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授全部为转动副全部为转动副类型类型 简简 图图 运动副运动副 矢量三角形中的已知量矢量三角形中的已知量AabR内：内：1个转动副个转动副外：外：2个移动移个移动移E内：内：1个移动副个移动副外：外：1转转1移移D内：内：1个转动副
20、个转动副外：外：1转转1移移C内：内：1个移动副个移动副外：外：2个转动副个转动副B三、杆组分析法三、杆组分析法 原原理理：将将基基本本杆杆组组的的运运动动分分析析模模型型编编成成通通用用的的子子程程序序，根根据据机机构构的的组组成成情情况况依依次次调调用用杆杆组组分分析析子子程程序序，就就能能完完成成整整个个机机构构的的运运动动分析。分析。 a = R + b ? ? a = R + b ? ? 特点：特点：运动学模型是通用的，适用于任意复杂的平面连杆机构。运动学模型是通用的，适用于任意复杂的平面连杆机构。 a = R + b ? ? ? a b a = R + b ? ?a b a = R
21、 + b ? ?abRabRabRabR安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授12A2(A1)B2(B1) 31 平面机构速度分析的瞬心法平面机构速度分析的瞬心法 机机构构速速度度分分析析的的图图解解法法有有：速速度度瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法瞬心法: 适合于简单机构的运动分析。适合于简单机构的运动分析。一、一、速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法绝对瞬心绝对瞬心重合点绝对速度为零重合点绝对速度为零。P21相对瞬心相对瞬心重合点绝对速度不为零重合点绝对速度不为零。 VA2A1VB2B1Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0 两两个个作作平平面面
22、运运动动构构件件上上速速度度相相同同的的一一对对重重合合点点，在在某某一一瞬瞬时时两两构构件件相相对对于于该该点点作作相相对对转转动动 ，该该点点称称瞬时速度中心。瞬时速度中心。求法？1 1、速度瞬心的定义速度瞬心的定义安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 特点：特点： 该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。 2、瞬心数目、瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有根据排列组合有P12P23P13构件数构件数 4 5 6 8瞬心数瞬心数 6 10 15 281 2 3若机构中有若机构中有n个构件，则个构件，则N Nn(n-1)/2n(n-1)/2 绝对速度相同，相
23、对速度为零。绝对速度相同，相对速度为零。（重合点）（重合点）相对回转中心。相对回转中心。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 121212tt123、机构瞬心位置的确定、机构瞬心位置的确定（1）直接观察法）直接观察法 （利用定义）适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。nnP12P12P12（2）三心定律）三心定律V12定定义义：三三个个彼彼此此作作平平面面运运动动的的构构件件共共有有三三个个瞬瞬心心，且且它它们们位位于于同同一一条条直直线线上上。此此法法特特别别适适用用于两构件不直接相联的场合。于两构件不直接相联的场合。安徽工程科技学院专用
24、 作者： 潘存云教授 用反证法证明： 如右图所示的三个构件组成的一个机构，若P23不与P12、P13共线（同一直线），而在任意一点C，则C点在构件2和构件3上的绝对速度的方向不可能相同，即绝对速度不相等。二只有C点在P12、P13连成的直线上，才能使绝对速度的方向相同。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 例 ：求图121所示铰链四杆机构的瞬心。解 该机构瞬心数： N1/24(4一1)6转动副中心A、B、C、D各为瞬心P12、P23、P34、P14，由三心定理可知，P13、P12、P23三个瞬心位于同一直线上；P13、P14、P34也应位于同一直线上。因此，P12 P23和P14 P34两
25、直线的交点就是瞬心P13。 同理，直线P14 P12和直线P34 P23的交点就是瞬心P24。因为构件1是机架，所以P12、P13、P14是绝对瞬心,而P23、P34、P24是相对瞬心。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授3214举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。P141234P12P34P13P24P23解：瞬心数为：解：瞬心数为：1.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心三心定律求瞬心N Nn(n-1)/2n(n-1)/26 n=46 n=4安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授
26、作者：潘存云教授123465P24P13P15P25P26P35举例：举例：求图示六杆机构的速度瞬心。求图示六杆机构的速度瞬心。解：瞬心数为：解：瞬心数为：N Nn(n-1)/2n(n-1)/215 n=615 n=61.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心三心定律求瞬心P46P36123456P14P23P12P16P34P56P45安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 1 1123二、速度瞬心在机构速度分析中的应用二、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度求线速度已知凸轮转速已知凸轮转速1 1，求推杆的速度。，求推杆的速度。P23解：解：直
27、接观察求瞬心直接观察求瞬心P13、 P23 。V2求瞬心求瞬心P12的速度的速度 。 V2V P12l(P13P12)1 1长度长度P13P12直接从图上量取。直接从图上量取。P13 根据三心定律和公法线根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置求瞬心的位置P12 。nnP12安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 P24P13作者：潘存云教授2 22.求角速度求角速度解：解：瞬心数为瞬心数为 6个个直接观察能求出直接观察能求出 4个个余下的余下的2个用三心定律求出。个用三心定律求出。求瞬心求瞬心P24的速度的速度 。VP24l(P24P14)4 4 2 (P24P12)/ P24P14 a)铰
28、链机构铰链机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件4的角速度的角速度4 4 。 VP24l(P24P12)2方向方向: CW, 与与2 2相同。相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同VP2423414 4P12P23P34P14安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 312b)高副机构高副机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件3的角速度的角速度3 3 。2 2解解: 用三心定律求出用三心定律求出P P2323 。求瞬心求瞬心P P2323的速度的速度 :VP23l(P23P13)3 3 3 32 2( (P13P23/ /P12P23) )P
29、P1212P P1313方向方向: CCW, 与与2 2相反。相反。VP23VP23l(P23P12)2 2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。n nn nP P23233 3安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 312P P2323P P1313P P12123.求传动比求传动比定义：两构件角速度之比传动比。定义：两构件角速度之比传动比。3 3 /2 2 P12P23 / / P13P23推广到一般：推广到一般： i i /j j P1jPij / / P1iPij结论结论: :两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的距离之反比瞬心的距离之反
30、比。角速度的方向为：角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧同一侧时，两构件时，两构件转向相同转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心相对瞬心位于两绝对瞬心之间之间时，两构件时，两构件转向相反。转向相反。2 23 3安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 4.4.用瞬心法解题步骤用瞬心法解题步骤绘制机构运动简图；绘制机构运动简图；求瞬心的位置；求瞬心的位置；求出相对瞬心的速度求出相对瞬心的速度; ;瞬心法的优缺点：瞬心法的优缺点：适合于求简单机构的速度，机构复杂时因适合于求简单机构的速度，机构复杂时因 瞬心数急剧增加而求解过程复杂。瞬心数急剧增加而求解过程复杂。 有时瞬
31、心点落在纸面外。有时瞬心点落在纸面外。仅适于仅适于求速度求速度V V, ,使应用有一定局限性。使应用有一定局限性。求构件绝对速度求构件绝对速度V V或角速度或角速度。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 32 机构的力分析机构的力分析作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能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；的主要因素；是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。作用在机械上的力作用在机械上的力力的类型力的类型原动力原动力生产阻力生产阻力重力重力摩擦力摩擦力介质阻力介质阻力惯性力惯性力运动副反力运动副反力一、机构力分析的必要性一、机构力分析的必
32、要性安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 按作用分为按作用分为阻抗力阻抗力 驱动力驱动力 有效阻力有效阻力 有害阻力有害阻力 驱动力驱动力-驱使机械运动，其方向与力的作用点速驱使机械运动，其方向与力的作用点速 度之间的夹角为度之间的夹角为锐角锐角，所作功为，所作功为正功正功。 阻抗力阻抗力-阻碍机械运动，其方向与力的作用点速阻碍机械运动，其方向与力的作用点速 度之间的夹角为度之间的夹角为钝角钝角，所作功为，所作功为负功负功。 有效有效( (工作工作) )阻力阻力-机械在生产过程中为了改变工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，克服了阻作物的外形、位置或状态所受到的阻
33、力，克服了阻力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等。力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等。有害有害( (工作工作) )阻力阻力-机械运转过程受到的非生产阻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。摩擦力、介质阻力等。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 确定运动副中的反力确定运动副中的反力-为进一步研究构件强度、为进一步研究构件强度、运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能等运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能等作准备。作准备。二二.机械力分析的任务和目的机械力分析的任务和目的
34、确定机械平衡力（或力偶）确定机械平衡力（或力偶）-目的是已知生产负目的是已知生产负荷确定原动机的最小功率；或由原动机的功率来确定荷确定原动机的最小功率；或由原动机的功率来确定所能克服的最大生产阻力。所能克服的最大生产阻力。反力反力-运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力 平衡力平衡力-机械在已知外力作用下，为了使机械按给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。定的运动规律运动所必需添加的未知外力。三三.机械力分析的方法机械力分析的方法图解法图解法解析法解析法安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 机械力分析的理论依据机械
35、力分析的理论依据 ： 静力分析静力分析-适用于低速机械，惯性力可忽略不计；适用于低速机械，惯性力可忽略不计； 动动态态静静力力分分析析-适适用用于于高高速速重重型型机机械械，惯惯性性力力往往往往比比外力要大，不能忽略。外力要大，不能忽略。 一一般般情情况况下下，需需要要对对机机械械做做动动态态静静力力分分析析时时，可可忽略重力和摩擦力忽略重力和摩擦力，通常可满足工程要求。，通常可满足工程要求。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授二、二、 构件惯性力的确定构件惯性力的确定一般的力学方法一般的力学方法惯性力：惯性力： FI=FI (mi , Jsi，asi, i )惯性力偶：
36、惯性力偶： MI=MI (mi , Jsi，asi, i )其中：其中：mi -构件质量构件质量; Jsi -绕质心的转动惯量绕质心的转动惯量; asi -质心的加速度质心的加速度; i -构件的角加速度。构件的角加速度。作者：潘存云教授CBA321S3S1S2as2 as1as321安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授CBA321S3S1S2as2 as1as321构件运动形式不同，惯性力的表达形式不一样。构件运动形式不同，惯性力的表达形式不一样。1) 作平面运动的构件：作平面运动的构件： FI2 =-m2 as2 MI2 =- Js22 2) 作平移运动的构件作平移运
37、动的构件 FI =-mi asi 3) 作平定轴转动的构件作平定轴转动的构件 合力：合力：FI 2=FI 2 lh 2= MI2 / FI 2 一般情况：一般情况： FI1 =-m1 as1 MI1 =- Js11 合力：合力：FI 1=FI 1 , lh 1= MI1 / FI 1 FI 2M MI 2lh 2lh 1FI 2FI 1FI 3FI 1M MI 1若质心位于回转中心：若质心位于回转中心： MI1 =- Js11 安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 三、平面机构的动态静力分析三、平面机构的动态静力分析安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 33 机械中的摩擦和机械效率机械
38、中的摩擦和机械效率概述：概述：摩擦产生源运动副元素之间相对滑动。摩擦产生源运动副元素之间相对滑动。摩擦的摩擦的缺点缺点：优点：优点：研究目的：研究目的：发热发热效率效率 磨损磨损 强度强度精度精度寿命寿命利用摩擦完成有用的工作。利用摩擦完成有用的工作。如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、离合器、离合器、制动器（刹车）。制动器（刹车）。减少不利影响，发挥其优点。减少不利影响，发挥其优点。润滑恶化润滑恶化 卡死。卡死。低副产生滑动摩擦力低副产生滑动摩擦力 高副滑动兼滚动摩擦力高副滑动兼滚动摩擦力。运运动动副副中中摩摩擦的类型：擦的类型：安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授
39、v2121一、移动副的摩擦一、移动副的摩擦1. 移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定 由库仑定律得：由库仑定律得： F21f N21G铅垂载荷铅垂载荷;GFF水平力，水平力，N21N21法向反力法向反力;F21F21摩擦力。摩擦力。摩摩 擦擦 系系 数数摩擦副材料摩擦副材料静静 摩摩 擦擦动动 摩摩 擦擦无润滑剂无润滑剂有润滑剂有润滑剂无润滑剂无润滑剂有润滑剂有润滑剂钢钢钢钢钢铸铁钢铸铁钢青铜钢青铜铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁青铜铸铁青铜青铜青铜青铜青铜橡皮铸铁橡皮铸铁0.150.1 0.120.10.05 0.10.2 0.30.16 0.180.05 0.150.1 0.150.15 0.18
40、0.070.15 0.160.150.07 0.120.280.160.15 0.210.15 0.200.04 0.10.3 0.50.80.5皮革铸铁或钢皮革铸铁或钢0.07 0.150.12 0.1533 1 运动副中摩擦运动副中摩擦安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授G12F21f N21 当当材材料料确确定定之之后后，F21大大小小取取决决于于法向反力法向反力N21 而而G一一定定时时，N21 的的大大小小又又取取决于运动副元素的几何形状。决于运动副元素的几何形状。 槽面接触：槽面接触：N”21N21F21 = f N21 + f N”21平面接
41、触：平面接触：N21 = N”21 = G / (2sin) ) GN21N21=GF21=f N21= f GF21N21 +N”21= - -GN21G= ( f / sin) G= fv Gfv称为当量摩擦系数称为当量摩擦系数N”21v2121F安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授v2121GPN21F21应应用用：当当需需要要增增大大滑滑动动摩摩擦擦力力时时，可可将将接接触触面面设设计计成成槽槽面面或或柱柱面面。如如圆圆形形皮皮带带（缝缝纫纫机机）、三三角角形形皮皮带带、螺栓联接中采用的三角形螺纹。螺栓联接中采用的三角形螺纹。对于三角带：对于三角带
42、： 18182.移动副中总反力的确定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：总反力为法向反力与摩擦力的合成： FR21=N21+F21tg= = F21 / N21摩擦角，摩擦角，方向方向: :FR21 V V1212 (90(90+ +) )摩擦锥摩擦锥-以以FR21为母线所作圆锥。为母线所作圆锥。结论：结论：移动副中总反力恒切于摩擦锥。移动副中总反力恒切于摩擦锥。fv3.24 3.24 f = f N21 / N21= f不论P的方向如何改变，P与R两者始终在同一平面内FR21安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授FFR2112G12Ga)a
43、)求使滑块沿斜面等速上行所需水平力求使滑块沿斜面等速上行所需水平力F Fb)b)求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力F F作图作图作图作图若若，则则F F为阻力为阻力; ;根据平衡条件根据平衡条件：F + FF + FR21R21+G = 0+G = 0 大小：？大小：？方向：方向：得：得： F=F=Gtg(tg(+) ) G-根据平衡条件：根据平衡条件： F F + F + FR21R21+G = 0+G = 0若若=斜面摩擦。斜面摩擦。拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：假定载荷集中在中径假定载荷集中在中径d2 圆柱面内，展开圆柱面内
44、，展开d2斜面其升角为：斜面其升角为： tg螺螺纹纹的的拧拧松松螺螺母母在在F和和G的的联联合合作作用下，顺着用下，顺着G等速向下运动。等速向下运动。v螺螺纹纹的的拧拧紧紧螺螺母母在在F和和G的的联联合合作作用下，逆着用下，逆着G等速向上运动。等速向上运动。v=l /d2=zp /d2 从端面看d2Gd3d1lGF安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 F螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的 拧紧所需力矩拧紧所需力矩M为：为：拧松时直接引用斜面摩擦的结论有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，所产生螺纹拧松时
45、必须施加在中径处的圆周力，所产生 的拧松所需力矩的拧松所需力矩M为：为：若若，则则M M为正值，其方向与螺母运动方向相反，为正值，其方向与螺母运动方向相反， 是阻力；是阻力；若若0输入功大于有害功之和。输入功大于有害功之和。WdWrWfWG= EE0 a)启动阶段启动阶段 速度速度0,动能动能0E0E启动启动一、机械效率一、机械效率安徽工程科技学院专用 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
46、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。安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 2、机械的效率、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
47、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安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 表表3-2 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级精度齿轮传动级精度齿轮传动 0.980.9
48、9 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、开式齿轮传动铸造齿、开式齿轮传动 0
49、.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安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授 续表续表3-2 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 滑动螺旋滑动螺旋 0.300.80滚动螺旋滚动
50、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安徽工程科技学院专用 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。设各机器中效率最高最低者分别为设
51、各机器中效率最高最低者分别为maxmax和和minmin 则有：则有：NdNkN1N2Nk-112kN1N2NkN1N2Nk12kNdNrminmin maxmax安徽工程科技学院专用 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“44“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串联计算串联计算安徽工程科技学院专
52、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。当当驱驱动动力力的的作作用用线线落落在在摩摩擦擦锥锥内内时时，则则机机械械发生自锁。发生自锁。法向分力：法向分力： Fn=Fcos 二、二、 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力 ：F Fmaxmax = f N21当当时时, ,恒有：恒有：工工程程意意义义：设设计计新新机机械械时时，应应避避免免在在运运动动方方向向出出现现自自锁锁，而而有有些些机机械械要要利利用用自自锁锁进行工作进行工作(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 tg = FntgF21FR21PFtPnG1、含移动副的机械、含移动副的机械 安徽工程科技学院专用 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：12aFFR2、含转动副的机械、含转动副的机械
