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1、第5章机械的调速与平衡第1页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5一、作用在机械上的力一、作用在机械上的力外力：外力：重力、摩擦力、驱动力、工作阻力重力、摩擦力、驱动力、工作阻力阻力：阻力：机械工作时需克服的生产阻力机械工作时需克服的生产阻力驱动力：驱动力：驱动原动件运动的力驱动原动件运动的力机器动能方程式机器动能方程式：外力功外力功=驱动功驱动功 阻力功阻力功=系统动能的增减量系统动能的增减量盈功：驱动力作的功大于阻力作的功盈功：驱动力作的功大于阻力作的功(速度波动速度波动)亏功：驱动力作的功小于阻力作的功亏功：驱动力作的功小于阻力作的功(速度波
2、动速度波动)总之总之,只要只要 wd wc，则则 E 0 变化（变化（速速度波动度波动）第2页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5三、速度波动的分类三、速度波动的分类1 周期性速度波动周期性速度波动2 非周期性速度波动非周期性速度波动第3页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.55.1 5.1 速度波动分类及调节方法速度波动分类及调节方法一、周期性速度波动一、周期性速度波动外力作周期性变化时，机械主外力作周期性变化时，机械主轴角速度作周期性的变化如图轴角速度作周期性的变化如图5-15-1黑线所示。机械的
3、这种有规黑线所示。机械的这种有规律的、周期性的速度变化称为律的、周期性的速度变化称为周期性速度波动周期性速度波动。图图5-1周期性速度波动周期性速度波动运动周期运动周期:将主轴的位置、速度和加速度从某一数值变回初始值的变化过程将主轴的位置、速度和加速度从某一数值变回初始值的变化过程称为运动循环，其所需时间称为运动周期如上图所示，就整个循环来说，称为运动循环，其所需时间称为运动周期如上图所示，就整个循环来说，驱动力所做的功等于阻力所做的功，但在循环的每一瞬时却是不等的驱动力所做的功等于阻力所做的功，但在循环的每一瞬时却是不等的第4页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础20
4、07.52007.55.1 5.1 速度波动分类及调节方法速度波动分类及调节方法(续）续）特征特征特征特征在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等。调节方法调节方法在机械中加上一个转动惯量很大的回转件在机械中加上一个转动惯量很大的回转件飞轮。飞轮。飞轮动能变化为飞轮动能变化为动能增加动能增加,飞轮存储能量飞轮存储能量.动能减少动能减少,飞轮释放能量飞轮释放能量.第5页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5平
5、均角速度：平均角速度：机器运转的绝对不均匀度：机器运转的绝对不均匀度：3.速度不均匀系数速度不均匀系数(相对不均匀度）相对不均匀度）许用不均匀系数许用不均匀系数 见见p51p51表表5-15-1四、周期性速度波动的衡量指标四、周期性速度波动的衡量指标第6页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5由上式得：由上式得：四、周期性速度波动的衡量指标（续）四、周期性速度波动的衡量指标（续）第7页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5二、非周期速度波动二、非周期速度波动输入功在很长一段时间内总是大于输入功在很长一段
6、时间内总是大于输出功，机械运转速度不断升高；输出功，机械运转速度不断升高；或者输入功在很长一段时间内总是或者输入功在很长一段时间内总是小于输出功，机械运转速度不断下小于输出功，机械运转速度不断下降直至停车。降直至停车。调节原理调节原理:采用调速器使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的采用调速器使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳定运转。稳定运转。机械调速器体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用机械调速器体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用电子调速装置实现自动控制。因此，本章主要讨论飞轮电子调速装置实现自动控制。因此，本章主要讨论飞轮设计的有关问题。设计的有关问题。离心调速器第8页，共18页，编辑于2
7、022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5二、飞轮设计的基本原理二、飞轮设计的基本原理设计原理设计原理:近似认为飞轮的动能就是整个机械的动能。近似认为飞轮的动能就是整个机械的动能。设计基本问题设计基本问题:已知作用于主轴的驱动力矩和阻力矩的变化规律，要已知作用于主轴的驱动力矩和阻力矩的变化规律，要求在求在的允许范围内，确定需要安装的飞轮的转动惯量的允许范围内，确定需要安装的飞轮的转动惯量。由此得安装在主轴上的飞轮的转动惯量由此得安装在主轴上的飞轮的转动惯量当主轴处于当主轴处于 时，飞轮具有最大动能时，飞轮具有最大动能 ；反之当主轴处于；反之当主轴处于 时，时，飞轮具有最小
8、动能飞轮具有最小动能 。与与 之差表示一个周期内动能的最之差表示一个周期内动能的最大变化量，其值为大变化量，其值为 为最大盈亏功，用绝对值表示为最大盈亏功，用绝对值表示第9页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5分析前式的三个结论）当）当maxmax与与m m一定时，且速度不均匀系数一定时，且速度不均匀系数已经很小时，略微减小已经很小时，略微减小的数值就会使飞轮转的数值就会使飞轮转动惯量激增动惯量激增(图图7-3)7-3)。因此，过分追求运转速度。因此，过分追求运转速度均匀将会使飞轮笨重，增加成本。均匀将会使飞轮笨重，增加成本。第10页，共18页，
9、编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5）当与当与m m 一定时，一定时，maxmax与与与与成正比，即最大盈亏功成正比，即最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。越大，机械运转速度越不均匀。）J J与与m m 的平方成反比，即主轴的平均转速越高，的平方成反比，即主轴的平均转速越高，所需安装在主轴上的飞轮转动惯量越小所需安装在主轴上的飞轮转动惯量越小.为了缩小飞为了缩小飞轮的尺寸轮的尺寸,应将飞轮安装在机器中速度较高的轴上应将飞轮安装在机器中速度较高的轴上.分析前式的三个结论第11页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.
10、5一、机械平衡的目的及内容一、机械平衡的目的及内容1 惯性力及其影响2 机械平衡的目的3 机械平衡的分类4 机械平衡的方法第12页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.51 1 惯性力及其影响惯性力及其影响运动的构件按运动形态可分为三类：运动的构件按运动形态可分为三类：定轴转动定轴转动、往复直线运动往复直线运动、复杂平面运动复杂平面运动除：除：1）等速直线运动的构件）等速直线运动的构件 2）质量分布对其转动轴线完全对称的等速转动构件）质量分布对其转动轴线完全对称的等速转动构件其它构件在运动过程中都将产生惯性力或惯性力偶矩其它构件在运动过程中都将产生惯
11、性力或惯性力偶矩产生附加动压力产生附加动压力 摩擦摩擦、磨损、磨损、效率、效率、振动噪音、振动噪音.影响机械的工作精度、可靠性、寿命影响机械的工作精度、可靠性、寿命.造成破坏性事故造成破坏性事故不平衡后果：不平衡后果：电风扇电风扇、砂轮磨削砂轮磨削、轴的塑性变形轴的塑性变形第13页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.52 2 机械平衡的目的机械平衡的目的减少或消除惯性力减少或消除惯性力第14页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.53 3 机械平衡的分类机械平衡的分类回转构件的静平衡回转构件的静平衡对长径
12、比对长径比1/5的构件，作单面的构件，作单面平衡平衡回转构件的动平衡回转构件的动平衡对长径比对长径比1/5的构件，作双面平衡的构件，作双面平衡mFIm3m1m2FI1FI2FI3第15页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5静平衡静平衡静平衡的对象：沿轴向宽度很小的回转构件，其质量的分布可近似地认静平衡的对象：沿轴向宽度很小的回转构件，其质量的分布可近似地认为在同一回转平面内。（单平面平衡）为在同一回转平面内。（单平面平衡）对象确定：通常指其直径对象确定：通常指其直径D D与轴向宽度与轴向宽度b b的比值，的比值，D Db b5 5的构件），如的构
13、件），如齿轮、飞轮、带轮等。齿轮、飞轮、带轮等。平衡的原理：平衡的原理：例：单缸发动机曲轴，当已知其不平衡质量例：单缸发动机曲轴，当已知其不平衡质量m的的大小和质心大小和质心C的位置时，可在其质心对方离回转的位置时，可在其质心对方离回转中心中心e处加一平衡质量处加一平衡质量m，使其产生的离心力，使其产生的离心力F与不平衡质量产生的离心力与不平衡质量产生的离心力F平衡，即平衡，即质径积第16页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5静平衡试验 理论上，可以根据质量的分布情况进行平衡计算，加上或减去平理论上，可以根据质量的分布情况进行平衡计算，加上或减去
14、平衡质量之后能做到回转构件完全平衡，但由于制造和装配的误差，以及衡质量之后能做到回转构件完全平衡，但由于制造和装配的误差，以及材料内部的不均匀等原因，使得质量和质心位置的计算有误差，从而导材料内部的不均匀等原因，使得质量和质心位置的计算有误差，从而导致回转件达不到完全平衡，因此，有时还应当用静平衡试验方法加以平致回转件达不到完全平衡，因此，有时还应当用静平衡试验方法加以平衡。衡。1。确定质心位置：试验时，将回转件轴架在刀口上，任其自由滚动，。确定质心位置：试验时，将回转件轴架在刀口上，任其自由滚动，如回转件质心如回转件质心 C不在回转轴的轴不在回转轴的轴 线上，则由于重量对回转轴线有一力线上，
15、则由于重量对回转轴线有一力矩作用，回转件将在导轨上左右来回摆动，良到其质心处于最低位置矩作用，回转件将在导轨上左右来回摆动，良到其质心处于最低位置。2。测定质径积：然后在质心的相反方向加一平衡质量（如橡皮泥测定质径积：然后在质心的相反方向加一平衡质量（如橡皮泥之类的物体）再作试验，直至该回转件达到之类的物体）再作试验，直至该回转件达到随遇平衡随遇平衡为止。这时所为止。这时所加的平衡质量与其至回转轴线距离之乘积，即为该回转件达到静平衡所加的平衡质量与其至回转轴线距离之乘积，即为该回转件达到静平衡所需加的质径积的人小。需加的质径积的人小。3。修正质量分布：按试验所得的质径积，在结构允许的回转件径向
16、位置。修正质量分布：按试验所得的质径积，在结构允许的回转件径向位置上焊上、铆上一块金属，或者在其相反方向去掉一块材料，以使该回达上焊上、铆上一块金属，或者在其相反方向去掉一块材料，以使该回达到完全平衡到完全平衡试验步骤：静平衡实验静平衡实验实验过程第17页，共18页，编辑于2022年，星期一机械设计基础机械设计基础2007.52007.5二、回转构件的动平衡动平衡的对象：动平衡的对象：轴向宽度很大的回转件，其质量分布不能再近似地认为是在同一回转面内，而应该看作分布于沿轴向的许多互相平行的回转面内（又称多平面平衡）。如多缸发动机的曲轴、电机转子以及一些机床主轴等。满足条件满足条件：1.离心力之和应等于零；2.其惯性力偶矩之和也必须等于零。动平衡第18页，共18页，编辑于2022年，星期一