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1、第5章机械的效率与自锁安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 第1页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授重力功重力功动能增量动能增量有害功有害功有效功有效功驱动功驱动功m m t 一、机械运转时的功能关系一、机械运转时的功能关系51 机械的效率机械的效率1.动能方程动能方程机机械械运运转转时时，所所有有作作用用在在机机械械上上的的力力都都要要做做功功，由由能能量量守守恒恒定定律律知：知：所有外力之功等于动能增量2.机械的运转机械的运转 WdWrWfWG=E00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
2、能动能0 0 E E启动启动第2页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 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
3、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。第3页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 二、机械的效率二、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)/Nd
4、1Nf/Nd a a)用滚动代替滑动用滚动代替滑动第4页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 F0vF FvG GG作者：潘存云教授理想理想机械机械用力的比值表示：用力的比值表示：G vG/F vFNr/Nd对对理理想想机机械械，当当工工作作阻阻力力G一一定定时，时，有理想驱动力有理想驱动力F00Nr /Nd=G vG/F0 vF代入得代入得 F0 vF/F vFF0/F用力矩来表示有用力矩来表示有 Md0/Md1同同理理：当当驱驱动动力力F一一定定时时，理理想想工作阻力为工作阻力为G0：G0 vG/F vF1得：得：G vF/G0 vFG/G0用力矩来表示有：用力矩来表示有：M
5、 G/MG0理想理想机械机械FvF FvG GG0FvF FvG GG机械机械第5页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 重要结论：重要结论：计算螺旋副的效率：计算螺旋副的效率：拧紧：拧紧：理想机械：理想机械：M0d2 G tan()/2 M0/M拧松时，驱动力为拧松时，驱动力为G，M为阻力矩，则有：为阻力矩，则有：实际驱动力：实际驱动力：G=2M/d2 tan(-v)理想驱动力：理想驱动力：G0=2M/d2 tan()G0/G 以以上上为为计计算算方方法法，工工程程上上更更多多地地是是用用实实验验法法测测定定 ，表表5 52 2列列出出由由实实验验所所得得简简单单传传动动机机构
6、构和和运运动动副副的的机机械械效率效率(P123-P124)(P123-P124)。tan()/tan(v v)tan(-v)/tan()第6页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 表表5-2 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 0.980.99 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
7、.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 0.880.92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
8、蜗杆 0.850.95第7页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 续表续表5-2 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
9、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第8页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 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各机器中效率最高最低者分别为maxmax和和minmin 则有：则有：NdNkN1N2Nk-112kN1N2NkN1N2Nk12kNdNrminminmaxmax123k第9页，本讲稿共
10、17页安徽理工大学专用 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串联计算串联计算第10页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 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
11、生自锁。当驱动力的作用线落在摩擦锥内时，则机械发生自锁。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：法向分力：Fn=Fcos 52 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进行工作锁进行工作(如千斤顶等如千斤顶等)。分析平面移动副在驱动力P作用的运动情况：N21Ft F Fmaxmax=Fn tan=FntanPFtPnG一、含移动
12、副的机械一、含移动副的机械 F21FR21第11页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 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：12aFFR二、含转动副的机械二、含转动副的机械 第12页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授1DA3O2BODA123应应用用实实例例：图图示示钻钻夹夹具具在在F力力夹夹紧紧，去去掉掉F后后要要求求不不能能松松开开，即反行
13、程具有自锁性。分析其几何条件。即反行程具有自锁性。分析其几何条件。由此可求出夹具各参数的几何条件为：由此可求出夹具各参数的几何条件为：在直角在直角ABC中有：中有：在直角在直角OEA中有：中有：反行程具有自锁条件为：反行程具有自锁条件为：s-s1 esin()(Dsin)/2 s=OEs1=AC e分析：分析：若总反力若总反力FR23穿过摩擦圆穿过摩擦圆发生自锁发生自锁=(Dsin)/2 =esin()-FFR23Bss1EEOACBC第13页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 当当机机械械出出现现自自锁锁时时，无无论论驱驱动动力力多多大大，都都不不能能运运动动，从从能量的观点
14、来看，就是能量的观点来看，就是:由此判断是否自锁及出现自锁条件。由此判断是否自锁及出现自锁条件。说明：说明：00时时，机机械械已已不不能能动动，外外力力根根本本不不做做功功，已已失失去去一一般般效效率率的的意意义义。仅仅表表明明机机械械自自锁锁的的程程度度。且且越越小小表表明明自自锁锁越越可可靠。靠。上上式式意意味味着着只只有有当当生生产产阻阻力力反反向向而而称称为为驱驱动动力力之之后后，才才能能使使机机械械运运动动。上上式式可可用用于于判判断断是是否否自自锁锁及及出出现现自自锁锁条条件。件。即：即：00G0/G 0 G0驱动力做的功永远驱动力做的功永远由其引起的摩擦力所做的功由其引起的摩擦力
15、所做的功第14页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授举例举例1 1：求螺旋千斤顶反行程的机械效率。求螺旋千斤顶反行程的机械效率。00得自锁条件：得自锁条件：tan(-v v)0 0令令 tan(-v v)/tan()v vv v=8.7=8.7若取：若取：f =0.15=0.15作者：潘存云教授第15页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授 作者：潘存云教授作者：潘存云教授FR13FR2390+9090-+2-+2-9090-(-)-(-)-29090-132例例2 求图示斜面压榨机的自锁条件。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：
16、力多边形中，根据正弦定律得：提问：提问：如如F力反向，该机械发生自锁吗？力反向，该机械发生自锁吗？FFR32GG=F FR R23 cos(-2)/cos-2)/cosGFFR32v32F FR R13+F FR R23+G=0 大小：大小：？方向：方向：F FR R32+F FR R12+F=0 大小：大小：？方向：方向：F=F FR R32 sin(-2)/cos-2)/cos 令令F0F0得得F=Gtan(-2)-2)tan(-2)-2)0022由由F FR R32-F FR R23 可得可得 FR13FR23FR12FR12-第16页，本讲稿共17页安徽理工大学专用 作者：潘存云教授
17、根据不同的场合，应用不同的根据不同的场合，应用不同的机械自锁判断条件机械自锁判断条件：驱动力在运动方向上的分力驱动力在运动方向上的分力P Pt tFF摩擦力。摩擦力。令生产阻力令生产阻力Q0Q0令令00驱动力落在摩擦锥或摩擦圆之内驱动力落在摩擦锥或摩擦圆之内本章重点：本章重点：自锁的概念，以及求简单机械自锁的几何条件。自锁的概念，以及求简单机械自锁的几何条件。机械效率机械效率的计算方法的计算方法机构中不同运动副中总反力作用线的确定机构中不同运动副中总反力作用线的确定不同运动副中摩擦力与载荷之间的关系，摩擦不同运动副中摩擦力与载荷之间的关系，摩擦 角或摩擦圆的概念角或摩擦圆的概念第17页，本讲稿共17页