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1、机械原理课件第四章第1页，本讲稿共37页一、作用在机械上的力（续）一、作用在机械上的力（续）v阻抗力又可分为有效阻抗力和有害阻力。阻抗力又可分为有效阻抗力和有害阻力。（1）有效阻抗力：是指为了完成有益工作必须克服的生）有效阻抗力：是指为了完成有益工作必须克服的生产产阻力，故也称工作阻力。阻力，故也称工作阻力。（2）有害阻力：是指机械在运转过程中所受到的非生产）有害阻力：是指机械在运转过程中所受到的非生产无用阻力，如有害摩擦力、介质阻力等。无用阻力，如有害摩擦力、介质阻力等。注意注意摩擦力和重力既可作为作正功的驱动力，摩擦力和重力既可作为作正功的驱动力，也可成为作负功的阻力。也可成为作负功的阻力
2、。有效功（输出功）：克服有效阻抗力所作的功。有效功（输出功）：克服有效阻抗力所作的功。损失功：克服有害阻力所作的功。损失功：克服有害阻力所作的功。第2页，本讲稿共37页二、机构力分析的目的和方法二、机构力分析的目的和方法1.机构力分析的任务机构力分析的任务1）确定运动副中的反力（运动副两元素接触处彼此的）确定运动副中的反力（运动副两元素接触处彼此的作用力）；作用力）；2）确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机械上的平衡力、平衡力偶。械上的平衡力、平衡力偶。2.机构力分析的方法机构力分析的方法1）对于低速度机械：采用静力分析方法；）对于低速度机械
3、：采用静力分析方法；2）对于高速及重型机械：一般采用动态静力分析法。）对于高速及重型机械：一般采用动态静力分析法。第3页，本讲稿共37页4-2 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定一、一、一般力学方法一般力学方法1.作平面复合运动的构件：作平面复合运动的构件：v 构件构件BC上的惯性力系可简化为：加上的惯性力系可简化为：加在质心在质心S上的惯性力和惯性力偶矩上的惯性力和惯性力偶矩v可以用总惯性力可以用总惯性力PI来代替来代替PI和和MI，PI=PI，作用线由质心，作用线由质心S 偏移偏移2.作平面移动的构件作平面移动的构件v变速运动：变速运动：v等速运动：等速运动：PI=0，MI=0 第4
4、页，本讲稿共37页一、一、一般力学方法（续）一般力学方法（续）1）绕通过质心的定轴转动的构件）绕通过质心的定轴转动的构件3.绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件2）绕不通过质心的定轴转动，）绕不通过质心的定轴转动，v等速转动：等速转动：PI=0，MI=0；v变速运动：只有惯性力偶变速运动：只有惯性力偶v等速转动：产生离心惯性力等速转动：产生离心惯性力v变速转动：变速转动：可以用总惯性力可以用总惯性力PI来代替来代替PI和和MI，PI=PI，作用线由质，作用线由质心心S 偏移偏移 lh第5页，本讲稿共37页二、二、质量代换法质量代换法1.质量代换法质量代换法按一定条件，按一定条件，把构件的质量假想地
5、用集中于某几把构件的质量假想地用集中于某几个选定的点上的集中质量来代替的方法。个选定的点上的集中质量来代替的方法。简化惯性力的确定，即只需求集中质量的惯性力，简化惯性力的确定，即只需求集中质量的惯性力，无需求惯性力偶矩。无需求惯性力偶矩。2.代换点和代换质量代换点和代换质量v代换点：上述的选定点。代换点：上述的选定点。v代换质量：集中于代换点上的假想质量。代换质量：集中于代换点上的假想质量。第6页，本讲稿共37页二、二、质量代换法（续）质量代换法（续）2）代换前后构件的质心位置不变；代换前后构件的质心位置不变；3）代换前后构件对质心的转动惯量不变。代换前后构件对质心的转动惯量不变。v以原构件的
6、质心为坐标原点时，应满足：以原构件的质心为坐标原点时，应满足：3.质量代换时必须满足的三个条件：质量代换时必须满足的三个条件：1）代换前后构件的质量不变；代换前后构件的质量不变；第7页，本讲稿共37页二、二、质量代换法（续）质量代换法（续）用集中在通过构件质心用集中在通过构件质心S 的直线上的的直线上的B、K 两点的代换两点的代换质量质量mB 和和 mK 来代换作平面运动的构件的质量的代换法。来代换作平面运动的构件的质量的代换法。4.两个代换质量的代换法两个代换质量的代换法5.静代换和动代换静代换和动代换1）动代换：要求同时满足三个代换条件的代换方法。）动代换：要求同时满足三个代换条件的代换方
7、法。b第8页，本讲稿共37页二、二、质量代换法（续）质量代换法（续）2）静代换：在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足）静代换：在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足前两个代换条件的质量代换方法。前两个代换条件的质量代换方法。v取通过构件质心取通过构件质心 S 的直线上的直线上的两点的两点B、C为代换点，有：为代换点，有：vB及及C位置可任意选择，为工程计算提供了方便和条件；位置可任意选择，为工程计算提供了方便和条件；v代换前后转动惯量代换前后转动惯量 Js有误差，将产生惯性力偶矩的误差：有误差，将产生惯性力偶矩的误差：第9页，本讲稿共37页4 4 3 3 运动副中摩擦力的确定运动副中
8、摩擦力的确定一、一、研究摩擦的目的研究摩擦的目的1.摩擦对机器的不利影响摩擦对机器的不利影响1）造成机器运转时的动力浪费）造成机器运转时的动力浪费机械效率机械效率 2）使运动副元素受到磨损）使运动副元素受到磨损零件的强度零件的强度、机器的精度、机器的精度和工作可靠性和工作可靠性 机器的使用寿命机器的使用寿命 3）使运动副元素发热膨胀）使运动副元素发热膨胀导致运动副咬紧卡死导致运动副咬紧卡死机器运转不灵机器运转不灵活；活；4）使机器的润滑情况恶化）使机器的润滑情况恶化机器的磨损机器的磨损 机器毁坏。机器毁坏。2.摩擦的有用的方面：摩擦的有用的方面：有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦有
9、不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦离合器和制动器等。离合器和制动器等。第10页，本讲稿共37页平面接触QN2112N21=Q Q槽面接触圆柱面接触Q(k 1 )fVfV写成通式：fV-当量摩擦系数二、移动副中摩擦力的确定二、移动副中摩擦力的确定第11页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定 讨论 fV值的变化是由于接触面的几何形状不同，而值的变化是由于接触面的几何形状不同，而f的变化是由的变化是由材料决定的；材料决定的；欲使摩擦力增大，可改变材料和接触面的几何形状，欲使摩擦力增大，可改变材料和接触面的几何形状，V带带传动和三角形螺纹都是利用这种方法来增加摩擦力。传动和三角形螺纹
10、都是利用这种方法来增加摩擦力。N21QFf21F v12移动副中总反力的确定移动副中总反力的确定2对对1的反力：的反力：法向力法向力N21切向力切向力Ff21合成为总反力合成为总反力R21R21-摩擦角若接触面不是平面，若接触面不是平面，V-当量摩擦角结论结论：总反力的大小总反力的大小总反力的方向总反力的方向R21与v12的夹角恒为90+90+第12页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定 滑块沿斜面等速上升（正行程）滑块沿斜面等速上升（正行程）滑块沿斜面等速下降（反行程）滑块沿斜面等速下降（反行程）21讨论反行程，反行程，Q为驱动力，而为驱动力，而F 分为分为三种情况：三种情况：时，时
11、，F 为阻力，阻止滑块加速下滑；为阻力，阻止滑块加速下滑；时，时，M 为阻力矩，阻止螺母加速松退；为阻力矩，阻止螺母加速松退；时，时，M 为驱动力矩，松动螺母所需外加为驱动力矩，松动螺母所需外加的驱动力矩。的驱动力矩。第15页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定三、转动副中的摩擦分析三、转动副中的摩擦分析轴颈：轴伸入轴承的部分。轴颈：轴伸入轴承的部分。按承受载荷的方向分为：按承受载荷的方向分为：u径向轴颈：载荷沿轴的径向径向轴颈：载荷沿轴的径向轴颈轴承u止推轴颈：载荷沿轴的轴向止推轴颈：载荷沿轴的轴向轴第16页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定1、径向轴颈、径向轴颈12当驱动
12、力偶矩当驱动力偶矩Md=0时，时，当Md0时，等速转动2给给1的反力的反力法向力法向力FN21切向力切向力Ff21=fvG合成总反力合成总反力总反力作用线位置的确定总反力作用线位置的确定-摩擦圆半径摩擦圆半径 转动副中，总反力转动副中，总反力FR21与外载荷与外载荷G大小相等，方向相反；大小相等，方向相反；总反力总反力FR21切于摩擦圆；切于摩擦圆；摩擦力矩摩擦力矩Mf阻止轴颈转动，与阻止轴颈转动，与 12方向相反。方向相反。结论摩擦力矩摩擦力矩摩擦圆第17页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定摩擦圆摩擦圆12摩擦圆fV-当量摩擦系数当量摩擦系数当量摩擦系数fV由实验得到：由实验得到：
13、非跑合轴颈：非跑合轴颈：fV=1.57f跑合轴颈：跑合轴颈：fV=1.27f讨论对某一具体轴颈，对某一具体轴颈，为定值。为定值。r Mf 第18页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定2、止推轴颈、止推轴颈1212新轴端新轴端：没有磨损或磨损很：没有磨损或磨损很小，假定其接触面的压强小，假定其接触面的压强p=常数。常数。磨合轴端磨合轴端：接触面间有较大：接触面间有较大磨损，假定磨损，假定p=常数常数磨损磨损 摩擦力矩为：摩擦力矩为：r-当量摩擦半径当量摩擦半径非跑合：非跑合：跑合：跑合：G第19页，本讲稿共37页四、平面高副中摩擦力的确定一般既有滚动也有滑动，但滚动小故只考虑滑动摩擦力，
14、总反力方向的确定与移动副相同。第20页，本讲稿共37页例已知机构尺寸，工作阻力已知机构尺寸，工作阻力Q，摩擦圆半径，摩擦圆半径，摩擦角，摩擦角，求各，求各运动副反力及驱动力运动副反力及驱动力F。(不计构件重力及惯性力）不计构件重力及惯性力）1234解：确定各构件间的相对运动解：确定各构件间的相对运动构件构件2为二力杆，受压。为二力杆，受压。分析各构件的受力分析各构件的受力构件构件3受三个力：受三个力：构件构件1受三个力：受三个力：？大小大小 方向方向大小 方向？Q第21页，本讲稿共37页4-5 考虑摩擦时机构的力分析例已知机构尺寸，工作阻力已知机构尺寸，工作阻力Q，摩擦圆半径，摩擦圆半径，摩擦
15、角，摩擦角，求各，求各运动副反力及驱动力运动副反力及驱动力F。1234小结受力分析步骤小结受力分析步骤u确定不计摩擦时反力的方向；确定不计摩擦时反力的方向；u确定相对运动方向；确定相对运动方向；u确定反力的方向（与相对运动确定反力的方向（与相对运动相反）；相反）；u根据构件力平衡条件作出反力根据构件力平衡条件作出反力方向线。方向线。第22页，本讲稿共37页4-5 考虑摩擦时机构的力分析例例4123已知凸轮机构尺寸如图，工作阻力已知凸轮机构尺寸如图，工作阻力Q，、，求原动件，求原动件1上上的平衡力矩的平衡力矩Mb。解：确定相对运动确定相对运动分析构件分析构件2的受力：的受力：大小 方向？分析凸轮
16、分析凸轮1的受力：的受力：第23页，本讲稿共37页4-5 4-5 考虑摩擦时机构的力分析考虑摩擦时机构的力分析例123已知凸轮机构尺寸如图，工作阻力已知凸轮机构尺寸如图，工作阻力Q，、，求原动件，求原动件1上上的平衡力矩的平衡力矩Mb。解：确定相对运动确定相对运动分析构件分析构件2的受力：的受力：大小 方向？分析凸轮分析凸轮1的受力：的受力：第24页，本讲稿共37页4-44-4不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析一、不计摩擦时运动副反力的确定一、不计摩擦时运动副反力的确定运动副类型图形大小方向作用点低副转动副移动副高副121212通过轴心垂直导路沿nn接触点 求平面低副中的反力，需
17、求解2个未知量；求平面高副中的反力，需求解1个未知量。结结论论第25页，本讲稿共37页二、构件组的静定条件二、构件组的静定条件设构件组有设构件组有n个构件，个构件，PL个低副，个低副，PH个高副，则：个高副，则：独立的力平衡方程数：独立的力平衡方程数：运动副中未知反力未知元素数：运动副中未知反力未知元素数：3n静定条件：静定条件：讨论含有一个高副和一个低副的构件是静定的；含有一个高副和一个低副的构件是静定的；对于低副机构，对于低副机构，3n=2PL-级杆组级杆组基本杆组都满足静定条件。基本杆组都满足静定条件。第26页，本讲稿共37页三、用图解法做机构的动态静力分析三、用图解法做机构的动态静力分
18、析1、对机构做运动分析、对机构做运动分析2、求惯性力、求惯性力3、列平衡矢量方程式、列平衡矢量方程式4、作图求平衡力矩、作图求平衡力矩第27页，本讲稿共37页例：例：在如图所示的牛头刨床机构中在如图所示的牛头刨床机构中,已知：各构件的尺寸、原动已知：各构件的尺寸、原动件的角速度件的角速度w w1、刨头的重量、刨头的重量Q5，机构在图示位置时刨头的，机构在图示位置时刨头的惯性力惯性力PI5，刀具此时所受的切削阻力，刀具此时所受的切削阻力(即生产阻力即生产阻力)Pr。试求：机构各运动副中的反力及需要施于原动件试求：机构各运动副中的反力及需要施于原动件1上的平衡上的平衡力偶矩力偶矩(其他构件的重力和
19、惯性力等忽略不计其他构件的重力和惯性力等忽略不计)。解：解：1、将该机构分解为构件、将该机构分解为构件5与与4及构件及构件3与与2所组成的两所组成的两个静定杆组，和平衡力作个静定杆组，和平衡力作用的构件用的构件1。2、按上述次序进行分析。、按上述次序进行分析。361245PrQ5PI5w1EHqCsHRABCD第28页，本讲稿共37页v对对E点取矩点取矩R65的作用线的位置的作用线的位置例例（续）（续）1）构件组）构件组5、4的受力分析的受力分析(力比例尺）力比例尺）大小：大小：？方向：方向：R65lh6545PrQ5PI5EHqCsHRDQ5PrPI5R65R45abcde第29页，本讲稿共
20、37页2）构件组）构件组3、2的受力分析的受力分析取构件取构件3为研究对象，为研究对象，v R23的大小和方向：的大小和方向：2为二力构件为二力构件 R23=R32=R12 R23作用于点作用于点C，且与导杆且与导杆3垂直垂直构件构件3对点对点B取矩取矩v由图解法由图解法例例（续）（续）大小：大小：可求出可求出？方向：方向：Q5PrPI5R65R45abcdeR43362BCR43h43DR23R63f第30页，本讲稿共37页3）原动件）原动件1的受力分析的受力分析v对点对点A取矩：取矩：v根据构件根据构件1的力平衡条件的力平衡条件机架对该构件的反力：机架对该构件的反力：例例2（续）（续）vR
21、21=R12=R32 361245PrQ5PI5w1EHqCsHRABCD第31页，本讲稿共37页构件所受静力的几种情况构件所受静力的几种情况1、二力构件、二力构件不含力偶的二力构件：不含力偶的二力构件：二力大小相等、方向相反并共线。二力大小相等、方向相反并共线。含力偶的二力构件：含力偶的二力构件：二力大小相等、方向相反但不共线。二力大小相等、方向相反但不共线。2、三力构件、三力构件不含力偶的三力构件：不含力偶的三力构件：三力汇交于一点。三力汇交于一点。含力偶的三力构件：含力偶的三力构件：三力不汇交于一点。三力不汇交于一点。第32页，本讲稿共37页四、用解析法做机构的动态静力分析四、用解析法做
22、机构的动态静力分析1、复数矢量法、复数矢量法2、矩阵法、矩阵法第33页，本讲稿共37页4-5 4-5 考虑摩擦时机构的力分析考虑摩擦时机构的力分析例例 双滑块机构，已知双滑块机构，已知、Q，求滑块，求滑块2等速上升时，机构所需的等速上升时，机构所需的水平驱动力水平驱动力F。解：确定相对运动方向解：确定相对运动方向取构件取构件3为分离体为分离体构件构件3为二力杆，受压。为二力杆，受压。取构件取构件2为分离体为分离体大小大小 方向方向？取构件取构件4为分离体为分离体大小 方向？第34页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定 例 斜面机构受力分析斜面机构受力分析滑块沿斜面等
23、速上升（正行程）滑块沿斜面等速上升（正行程）滑块滑块1受力：受力：12水平驱动力水平驱动力FF载荷载荷Q反力反力R21滑块在三力作用下等速上升，则有：滑块在三力作用下等速上升，则有：滑块沿斜面等速下降（反行程）滑块沿斜面等速下降（反行程）21滑块滑块1受力：受力：载荷载荷Q阻力阻力F反力反力R21滑块在三力作用下等速下降，则有：滑块在三力作用下等速下降，则有：第35页，本讲稿共37页4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定例例4-8 斜面压机。斜面压机。求：正行程求：正行程F与与Q的关系的关系解解：构件：构件：构件构件2：第36页，本讲稿共37页螺母螺母螺杆螺杆轴轴线线轴轴线线螺螺杆杆螺母螺母NQ（二）三角形螺纹 0矩形螺纹：矩形螺纹：NQ1、=0三角形螺纹：三角形螺纹：fV-当量摩擦系数当量摩擦系数V-当量摩擦角当量摩擦角2、0正行程反行程4-3 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定牙形斜角第37页，本讲稿共37页