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1、刚体定轴转动第1页，本讲稿共13页学习目标：学习目标：1.1.了解刚体定轴转动的转速、角速度和角加速度的概了解刚体定轴转动的转速、角速度和角加速度的概念。念。2.2.理解惯性力的概念、转动零件惯性力的平衡及转动惯理解惯性力的概念、转动零件惯性力的平衡及转动惯量的概念。量的概念。3.3.熟悉功率、转速和转矩的关系。熟悉功率、转速和转矩的关系。第2页，本讲稿共13页5.15.1刚体绕定轴的转动刚体绕定轴的转动1.1.刚体的定轴转动刚体的定轴转动 刚体内各点都绕一固定的直线作圆周运动，这种运动称为刚体内各点都绕一固定的直线作圆周运动，这种运动称为刚体刚体绕定轴转动绕定轴转动，简称，简称定轴转动定轴转
2、动。刚体内固定不动的直线称为刚体的轴。刚体内固定不动的直线称为刚体的轴。刚体作定轴转动时，具有如下特征：刚体作定轴转动时，具有如下特征：n 刚体内轴上所有各点都保持不动。刚体内轴上所有各点都保持不动。n 刚体内不在轴上的各点，都在通过各该点，并垂直于轴的平面内绕刚体内不在轴上的各点，都在通过各该点，并垂直于轴的平面内绕轴作圆周运动。圆心就是这些平面分别与轴的交点，半径就是该点与轴作圆周运动。圆心就是这些平面分别与轴的交点，半径就是该点与轴的垂直距离。轴的垂直距离。n 刚体内各点在同一时间内转过的圆弧长度是不同的。刚体内各点在同一时间内转过的圆弧长度是不同的。第3页，本讲稿共13页2.2.转速与
3、角速度、线速度转速与角速度、线速度n定义：定义：转速转速单位时间内刚体转过的圈数。用单位时间内刚体转过的圈数。用n n表示，单位为表示，单位为r/min(r/min(转转/分分)。角速度角速度刚体在单位时间内转过的角度。用刚体在单位时间内转过的角度。用表示，单位为表示，单位为rad/s(rad/s(弧度弧度/秒秒)。线速度线速度刚体内任一质点运动快慢的程度。用刚体内任一质点运动快慢的程度。用表示，单位为表示，单位为m/s(m/s(米米/秒秒)。n三者的关系三者的关系(如图如图5-1)5-1)：=/t =/t =2n/60=n/30 =2n/60=n/30 V=r V=r第4页，本讲稿共13页图
4、图5-1 5-1 刚体定轴转动刚体定轴转动3.3.角加速度角加速度角加速度角加速度刚体角速度变化的快慢。用符号刚体角速度变化的快慢。用符号表示，单位为表示，单位为rad/rad/s s(弧度弧度/秒秒2 2)。n公式：公式：=/t=/tn方向：当方向：当与与同号，即角速度与加速度方向一致时，转动是加同号，即角速度与加速度方向一致时，转动是加速的；如果速的；如果与与异号，即角速度与加速度方向相反时，转动是减异号，即角速度与加速度方向相反时，转动是减速的。速的。2 2第5页，本讲稿共13页4.4.匀速定轴转动刚体的惯性力及转动零件惯性力的平衡匀速定轴转动刚体的惯性力及转动零件惯性力的平衡n惯性力惯
5、性力由于外力的作用使物体的运动状态改变时，因其惯性由于外力的作用使物体的运动状态改变时，因其惯性引起的运动物体对外界抵抗的反作用力。用符号引起的运动物体对外界抵抗的反作用力。用符号Q Q表示，单位为表示，单位为N N(牛顿牛顿)。特点：特点：大小等于运动物体的质量与加速度的乘积，即：大小等于运动物体的质量与加速度的乘积，即：Q=maQ=man n。方向与加速度方向相反；方向与加速度方向相反；作用在施力物体上。作用在施力物体上。第6页，本讲稿共13页 如图如图5-25-2所示，当质量为所示，当质量为m m的小球绕的小球绕O O点作匀速圆周运动时，点作匀速圆周运动时，由于惯性，小球会沿切线方向飞出
6、。为使小球保持圆周运动，由于惯性，小球会沿切线方向飞出。为使小球保持圆周运动，用细绳系住小球通过细绳对小球施加向心力用细绳系住小球通过细绳对小球施加向心力F F，则小球产生惯，则小球产生惯性力性力Q Q作用在绳上，方向与作用在绳上，方向与F F相反，通常称为相反，通常称为离心惯性力。离心惯性力。图图5-2 5-2 匀速定轴转动刚体的惯性力匀速定轴转动刚体的惯性力第7页，本讲稿共13页 如果刚体作定轴转动，而刚体重心不在转轴上，也会产如果刚体作定轴转动，而刚体重心不在转轴上，也会产生离心惯性力。如发动机曲轴上的惯性力。如图生离心惯性力。如发动机曲轴上的惯性力。如图5-3。图图5-3 5-3 发动
7、机曲轴上的惯性力发动机曲轴上的惯性力第8页，本讲稿共13页5.5.转动惯量转动惯量转动惯量转动惯量转动物体具有保持原有运动状态不变的特性。转动物体具有保持原有运动状态不变的特性。物体的转动惯性大小是由转动惯量来度量的。转动惯量的物体的转动惯性大小是由转动惯量来度量的。转动惯量的大小不仅与刚体质量大小不仅与刚体质量m m的大小有关，而且与刚体质量的分布有关。的大小有关，而且与刚体质量的分布有关。刚体的质量越大，质量的分布离转轴越远，其转动惯性也越大。刚体的质量越大，质量的分布离转轴越远，其转动惯性也越大。刚体对转轴的转动惯量是刚体中每一质点的质量与该质点绕转刚体对转轴的转动惯量是刚体中每一质点的
8、质量与该质点绕转轴旋转的转动半径平方的乘积之和，用符号轴旋转的转动半径平方的乘积之和，用符号J J表示，即表示，即 J=mr J=mr 由转动惯量的定义可知，转动惯量恒为正值。其常用单位为由转动惯量的定义可知，转动惯量恒为正值。其常用单位为kg.m kg.m 。可从工程手册上查得。可从工程手册上查得。2 22 2第9页，本讲稿共13页5.25.2功率、转速和转矩之间的关系功率、转速和转矩之间的关系1.1.功率功率功率功率力在单位时间内所做的功。用力在单位时间内所做的功。用P P表示，单位为表示，单位为KWKW。不变的力的功率等于力在其运动方向上的投影与速度不变的力的功率等于力在其运动方向上的投
9、影与速度的乘积，即的乘积，即 P=F P=Fv v式中式中 P P功率，单位为功率，单位为KW(KW(千瓦千瓦)；F F力在运动方向上的投影，单位为力在运动方向上的投影，单位为N(N(牛顿牛顿)；v v 物体的运动速度，单位为物体的运动速度，单位为m/s(m/s(米米/秒秒)。第10页，本讲稿共13页 对于绕定轴作匀速转动的刚体，如图对于绕定轴作匀速转动的刚体，如图5-45-4所示，在转动物体上的任一所示，在转动物体上的任一点点A A作用一个力作用一个力F F，其切向分量为，其切向分量为FF，R R为为A A点的转动半径，刚体转动的角点的转动半径，刚体转动的角速度为速度为，则，则A A点的线速
10、度点的线速度v=Rv=R。设。设F F对对A A点的功率为点的功率为P P，则，则 P=F P=F v=F v=F R R=T=T式中式中 T T力力F F对刚体转轴对刚体转轴O O点的矩。点的矩。上式表明，转矩的上式表明，转矩的功率等于力对转轴的矩功率等于力对转轴的矩与刚体的角速度的乘积。与刚体的角速度的乘积。图图5-4 5-4 绕定轴转动绕定轴转动第11页，本讲稿共13页2.2.功率、转轴和转矩之间的关系功率、转轴和转矩之间的关系由由5.15.1节公式节公式=n/30=n/30得出功率得出功率P P、转速、转速n n和转矩和转矩T T的关系为的关系为 T=9550P/nT=9550P/n式
11、中式中 P P功率，单位为功率，单位为KW(KW(千瓦千瓦)；n n转轴的转速，单位为转轴的转速，单位为r/min(r/min(转转/分分)；T T转轴的转矩，单位为转轴的转矩，单位为NmNm。第12页，本讲稿共13页例例1 1 汽车发动机的额定功率汽车发动机的额定功率P=55KWP=55KW，试求当传动轴转速，试求当传动轴转速n=1200r/minn=1200r/min时输出的转矩。当换档以后，传动的转速降为时输出的转矩。当换档以后，传动的转速降为600r/min600r/min，求此时传动轴输出的转矩。，求此时传动轴输出的转矩。解：根据公式解：根据公式T=9550P/nT=9550P/n得得 T=9550P/n=955055/1200=437.7 Nm T=9550P/n=955055/1200=437.7 Nm 当转速降为当转速降为600r/min600r/min时时 T=9550P/n=955055/600=875.4 Nm T=9550P/n=955055/600=875.4 Nm 结论：结论：当功率一定时，转矩当功率一定时，转矩T T与转速与转速n n成反比。成反比。第13页，本讲稿共13页