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1、LOGO第章第章平面平面(pngmin)机构的力分机构的力分析析 机械机械(jxi)工程学院工程学院 第一页，共34页。了解了解(lioji)作用在机构上的力及机构力分析的目的和方法；作用在机构上的力及机构力分析的目的和方法；掌握构件惯性力的确定方法和机构动态静力分析的方法；掌握构件惯性力的确定方法和机构动态静力分析的方法；能对几种最常见的运动副中的摩擦力进行分析和计算。能对几种最常见的运动副中的摩擦力进行分析和计算。本章教学本章教学(jio xu)目的目的第四章第四章 平面机构平面机构(jgu)(jgu)力分析力分析机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法构件惯性力的确定构件惯性力的确定
2、运动副中的摩擦运动副中的摩擦不考虑摩擦和考虑摩擦时机不考虑摩擦和考虑摩擦时机构的受力分析构的受力分析本章教学内容本章教学内容本章重点：本章重点：构件惯性力的确定及质量代换法构件惯性力的确定及质量代换法 图解法作平面机构动态静力分析图解法作平面机构动态静力分析 考虑摩擦时平面机构的力分析考虑摩擦时平面机构的力分析本章难点：本章难点：机机构构的的平平衡衡力力（或或平平衡衡力力矩矩）及构件的质量代换两个概念。及构件的质量代换两个概念。第二页，共34页。一、作用一、作用(zuyng)在机械上的力在机械上的力1.按作用按作用(zuyng)在机械系统的内外分：在机械系统的内外分：1）外力外力(wil)：如
3、原动力、生产阻力、介质阻力和重力；：如原动力、生产阻力、介质阻力和重力；2）内力：内力：运动副中的反力（运动副中的反力（也包括运动副中的摩擦力也包括运动副中的摩擦力和惯和惯性力引起的附加动压力性力引起的附加动压力）2、按作功的正负分：、按作功的正负分：1）驱动力：驱动力：驱使机械产生运动的力。驱使机械产生运动的力。2）阻抗力：阻抗力：阻止机械产生运动的力。阻止机械产生运动的力。特征特征：（M，同同向向），作作正正功功。称称驱动功或输入功。驱动功或输入功。特征特征：（M，反向反向），作负功。），作负功。4-1 4-1 机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法第三页，共34页。v阻抗力又可分为
4、阻抗力又可分为(fn wi)有益阻力和有害阻力。有益阻力和有害阻力。（1）有益阻力）有益阻力生产生产(shngchn)阻力（工作阻力），如切阻力（工作阻力），如切削力。削力。（2）有害阻力）有害阻力(zl)非生产阻力非生产阻力(zl)，如摩擦力、介质阻，如摩擦力、介质阻力力(zl)。注意注意摩擦力摩擦力和和重力重力既可作为既可作为作正功的作正功的驱动力驱动力，也可成为，也可成为作负作负功的功的阻力阻力。有效功（输出功）有效功（输出功）：克服有效阻力所作的功。：克服有效阻力所作的功。损耗功（输出功）损耗功（输出功）：克服有害阻力所作的功。：克服有害阻力所作的功。第四页，共34页。1.机构力分析机
5、构力分析(fnx)的任务的任务1）确定运动）确定运动(yndng)副中的反力及各构件的受副中的反力及各构件的受力；力；2）确定为了使机构原动件按给定确定为了使机构原动件按给定(i dn)规律运动时需规律运动时需加于机械上的平衡力。加于机械上的平衡力。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确确定定机机构构所所能能克克服服的的最最大大阻阻力（即机器的工作能力）。力（即机器的工作能力）。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确定原动机的功率。确定原动机的功率。二、机构力分析的目的和方法二、机构力分析的目的和方法第五页，共34页。2.机构机构(jgu
6、)力分析的方法力分析的方法具体方法：利用具体方法：利用(lyng)达朗伯原理。有图解法和解达朗伯原理。有图解法和解析法。析法。静静力力分分析析(static force analysis)用于低速，惯性力的影响不大。用于低速，惯性力的影响不大。动动态态静静力力分分析析(dynamic force analysis)用用于高速，重载，惯性力很大于高速，重载，惯性力很大。第六页，共34页。4-2 构件构件(gujin)惯性力的惯性力的确定确定一、一般力学一、一般力学(l xu)方法方法1.作平面复合运动作平面复合运动(yndng)的构件的构件v作作平平面面复复合合运运动动的的构构件件上上的的惯惯性
7、性力力系系可可简简化化为为：加加于于构构件件质质心心上上S的的惯惯性性力力FI和和一一个个惯惯性性力力偶偶MI。Slh绕质心的转动惯量绕质心的转动惯量用一个力简化之用一个力简化之第七页，共34页。2.作平面作平面(pngmin)移移动的构件动的构件v变速运动变速运动(binsyndng)：v等速运动等速运动(dn s yn dn)：BC SasFIMMI I第八页，共34页。1 1）绕通过质心）绕通过质心(zh xn)(zh xn)的定轴转的定轴转动的构件动的构件3.绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件(gujin)2 2）绕不通过）绕不通过(tnggu)(tnggu)质心的质心的定轴转动定轴转动
8、v等速转动：等速转动：v等速转动：等速转动：产生离心惯性力产生离心惯性力v变速转动：变速转动：可以用总惯性力可以用总惯性力FI来代替来代替FI和和MI，FI=FI，作用线由质心，作用线由质心S 偏偏移移 lhv变速运动：变速运动：只有惯性力偶只有惯性力偶第九页，共34页。二、质量二、质量(zhling)代换法代换法1.1.质量质量(zhling)(zhling)代换法代换法 按按一一定定条条件件，把把构构件件的的质质量量假假想想(jixing)(jixing)地地用用集集中中于于某某几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。2.2.代换点和代换质量代换点和代换
9、质量v代换点：代换点：上述的选定点。上述的选定点。v代换质量：代换质量：集中于代换点上的假想质量。集中于代换点上的假想质量。在在确确定定构构件件惯惯性性力力时时，如如用用一一般般的的力力学学方方法法，就就需需先先求求出出构构件件质质心心的的加加速速度度和和角角加加速速度度，如如对对一一系系列列位位置置分分析析非非常常繁繁琐琐，为为简简化化，可可采用质量代换法。采用质量代换法。第十页，共34页。2）代换前后构件）代换前后构件(gujin)的质心位置不变；的质心位置不变；3）代换前后）代换前后(qinhu)构件对质心的转动惯量不构件对质心的转动惯量不变。变。v以原构件的质心以原构件的质心(zh x
10、n)为坐标原点时，应满足：为坐标原点时，应满足：3.3.质量代换条件质量代换条件1）代换前后构件的质量不变；代换前后构件的质量不变；静静代代换换动动代代换换第十一页，共34页。BCbcSu动代换动代换(di hun)：用用集集中中在在通通过过(tnggu)(tnggu)构构件件质质心心S S 的的直直线线上上的的B B、K K 两两点点的的代代换换质质量量mB mB 和和 mK mK 来来代代换换作作平面运动的构件的质量。平面运动的构件的质量。BCbSkKmBmk依据依据(yj)上述原则，有上述原则，有优点：优点：代换精确。代换精确。缺缺点点：当当其其中中一一个个代代换换点点确确定定之之后后，
11、另另一一个个代代换换点点亦亦随随之之确确定定，不不能能任任意意选选取取。工工程计算不便。程计算不便。第十二页，共34页。代换代换(di hun)后惯性力：后惯性力：由加速度影像(yn xin)得：代换代换(di hun)后惯性力矩：后惯性力矩：aSBakBBCbSkKmBmk第十三页，共34页。BCbScBCbcSu静代换静代换(di hun)：在在一一般般(ybn)工工程程计计算算中中，为为方方便便计计算算而而进进行行的的仅仅满满足足前前两两个个代代换换条条件件的的质质量量代代换换方方法法。取取通通过过构构件件质质心心 S 的的直直线线上上的的两两已已知知点点B、C为为代代换换点点，有：有：
12、BCbSkKmBmk动动 代代 换换(d i h u n)mCmB静静代代换换第十四页，共34页。优点：优点：B及及C可同时任意可同时任意(rny)选择，为工程计算提供了方便和条件；选择，为工程计算提供了方便和条件；缺点：代换前后转动惯量缺点：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。适适用用于于角角加加速速度较小的场合。度较小的场合。这这个个误误差差的的影影响响，对对于于一一般般不不是是很很精精确确的的计计算算的的情情况况是是可可以以允允许许的的，所所以以静静代代换换(di hun)方方法法得得到到了了较较动动代代换换(di hun)更更为为广广泛
13、泛的应用。的应用。第十五页，共34页。43 运动运动(yndng)副中的摩擦副中的摩擦一、研究摩擦一、研究摩擦(mc)的目的的目的1.摩擦对机器的不利摩擦对机器的不利(bl)影响影响1 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 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、机器的精度和、机器的精度和工作可靠性工作可靠性 机器的使用寿命机器的使用寿命 3 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机器运转不灵活；转不灵活；4 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
14、 机器毁坏。机器毁坏。第十六页，共34页。2.摩擦的有用摩擦的有用(yu yn)的方面：的方面：有有不不少少机机器器(j(j q)q)，是是利利用用摩摩擦擦来来工工作作的的。如如带带传传动动、摩摩擦离合器和制动器等。擦离合器和制动器等。第十七页，共34页。二、移动二、移动(ydng)副中副中的摩擦的摩擦1.1.移动移动(ydng)(ydng)副中摩擦力的确定副中摩擦力的确定Ff21=f FN21v当外载一定时，运动副两元素间法向反力当外载一定时，运动副两元素间法向反力的大小的大小(dxio)与运动副两元素的几何形状与运动副两元素的几何形状有关：有关：1 1）两构件沿单一平面接触两构件沿单一平面
15、接触 FN21=-GFf21=f FN21=f G2）两构件沿一槽形角为两构件沿一槽形角为2 的槽面接触的槽面接触FN21sin =-GV1212GFFN21Ff2112 GFN21/2FN21/2第十八页，共34页。3）两构件）两构件(gujin)沿圆柱面接触沿圆柱面接触FN21是是沿沿整整个个接接触触面面各各处处(ch)反反力力 FN21的的总和。总和。（k 11.57）v-当量当量(dngling)摩摩擦系数擦系数4 4）标准式标准式 不不论论两两运运动动副副元元素素的的几几何何形形状状如如何何，两两元元素素间间产产生生的的滑滑动动摩摩擦擦力均可用通式力均可用通式：来计算。来计算。12G
16、FN21 FN21设：设：第十九页，共34页。5 5）槽面接触）槽面接触(jich)(jich)效应效应因因为为 f v f ，所所以以在在其其它它条条件件相相同同(xin tn)的的情情况况下下，槽面、圆柱面的摩擦力大于平面摩擦力。槽面、圆柱面的摩擦力大于平面摩擦力。2.2.移动移动(ydng)(ydng)副中总反力方副中总反力方向的确定向的确定1 1）总反力和摩擦角总反力和摩擦角v总反力总反力FR21：法向反力：法向反力FN21和摩擦力和摩擦力Ff21的合力。的合力。v摩擦角摩擦角 ：总反力和法向反力之间的夹角。：总反力和法向反力之间的夹角。V1212GFFN21Ff21 FR21或：或：
17、第二十页，共34页。2 2）总反力的方向）总反力的方向(fngxing)(fngxing)vFR21与与移移动动副副两两元元素素接接触触面面的的公公法法线线偏偏斜一摩擦角斜一摩擦角；vFR21与与公公法法线线偏偏斜斜的的方方向向(fngxing)与与构构 件件1相相 对对 于于 构构 件件2 的的 相相 对对 速速 度度 方方 向向(fngxing)v12的方向的方向(fngxing)相反相反3.3.斜面斜面(ximin)(ximin)滑块驱动力的确定滑块驱动力的确定 1）求求使使滑滑块块1沿沿斜斜面面2等等速速上上行行时时所所需需的的水水平平驱驱动动力力F正行程正行程根据力的平衡条件根据力的
18、平衡条件V1212GFFN21Ff2190+FR21V1212FFN21Ff21 FR21 GFFR21+G第二十一页，共34页。如如果果，F为为负负值值，成成为为(chngwi)驱驱动动力力的的一一部部分分，作用为促使滑块作用为促使滑块1沿斜面等速下滑。沿斜面等速下滑。2）求求保保持持(boch)滑滑块块1沿沿斜斜面面2等等速速下滑所需的水平力下滑所需的水平力 F 反行程反行程根据根据(gnj)力的平衡条件力的平衡条件注意注意 当当滑滑块块1下下滑滑时时，G为为驱驱动动力力，F为为阻阻抗抗力力，其其作作用用为为阻阻止止滑滑块块1 加速下滑。加速下滑。V1212FFN21Ff21 FR21 G
19、FFR21-G第二十二页，共34页。v 将将螺螺纹纹沿沿中中径径d2 圆圆柱柱面面展展开开，其其螺螺纹纹将将展展成成为为一一个个斜斜面面(ximin)，该斜面该斜面(ximin)的升角的升角a等于螺旋在其中径等于螺旋在其中径d2上的螺纹升角。上的螺纹升角。三、螺旋三、螺旋(luxun)副中的摩擦副中的摩擦l-导程导程z-螺纹螺纹(luwn)头数头数 p-螺距螺距1.矩形螺纹螺旋副中的摩擦矩形螺纹螺旋副中的摩擦1 1）矩形螺纹螺旋副的简化）矩形螺纹螺旋副的简化v 螺旋副可以化为斜面机构进行力分析螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。12G/2G/2G GG GF F第二十三页，共34页。2 2）拧紧
20、和放松）拧紧和放松(fn sn)(fn sn)力矩力矩v拧拧紧紧螺螺母母在在力力矩矩M作作用用下下逆逆着着G力力等等速速向向上上运运动动，相相当当于于在在滑滑块块2上上加加一一水水平平(shupng)力力F，使滑块，使滑块2沿着斜面等速向上滑动。沿着斜面等速向上滑动。v 放放松松螺螺母母顺顺着着 G力力 的的 方方 向向(fngxing)等等 速速向向下下运运动动，相相当当于于滑滑块块 2 沿沿着着斜斜面面等等速向下滑。速向下滑。12G/2G/2G GG GF F第二十四页，共34页。矩形矩形(jxng)螺纹：螺纹：三角形螺纹三角形螺纹(luwn)：2.三角形螺纹螺旋三角形螺纹螺旋(luxun
21、)副中的摩擦副中的摩擦 1 1）三角形螺纹与矩形螺纹的异同点三角形螺纹与矩形螺纹的异同点v运动副元素的几何形状不同运动副元素的几何形状不同在轴向载荷完全相同的情况在轴向载荷完全相同的情况下，两者在运动副元素间的法向反力不同下，两者在运动副元素间的法向反力不同接触面间产生接触面间产生的摩擦力不同。的摩擦力不同。v螺螺母母和和螺螺旋旋的的相相对对运运动动关关系系完完全全相相同同两者受力分析的方法一致。两者受力分析的方法一致。GFN FN 第二十五页，共34页。2 2）当量）当量(dngling)(dngling)摩擦系数和当量摩擦系数和当量(dngling)(dngling)摩擦角摩擦角3 3）拧
22、紧和放松）拧紧和放松(fn sn)(fn sn)力矩力矩三角形螺纹宜用于联接紧固三角形螺纹宜用于联接紧固(jn)；矩形螺纹宜用于传递；矩形螺纹宜用于传递动力。动力。GFN FN 当量摩擦系数当量摩擦系数当量摩擦角当量摩擦角第二十六页，共34页。1.轴颈摩擦轴颈摩擦(mc)四、转动四、转动(zhun dng)副中的摩擦副中的摩擦轴颈轴颈轴放在轴承轴放在轴承(zhuchng)中的部分中的部分当当轴轴颈颈在在轴轴承承中中转转动动时时，转转动动副副两两元元素素间间产生的摩擦力将阻止轴产生的摩擦力将阻止轴颈颈相对于轴承运动。相对于轴承运动。2Md 121rOG总摩擦力：总摩擦力：FN21 Ff21对于新
23、轴颈：压力分布均匀，对于新轴颈：压力分布均匀，对于跑合轴颈：点、线接触，对于跑合轴颈：点、线接触，第二十七页，共34页。2Md 121rOG FR21FN21Ff21用用 总总 反反 力力 FR21来来 表表 示示(biosh)FN21及及Ff211 1）摩擦）摩擦(mc)(mc)力矩和摩力矩和摩擦擦(mc)(mc)圆圆摩擦摩擦(mc)力力Ff21对轴颈形成的摩对轴颈形成的摩擦擦(mc)力矩力矩摩擦圆摩擦圆：以：以 为半径所作的圆。为半径所作的圆。由由由力平衡条件由力平衡条件第二十八页，共34页。2 2）转动转动(zhun dng)(zhun dng)副中总反力副中总反力FR21FR21的确定
24、的确定（1 1）根根 据据(gnj)(gnj)力力 平平 衡衡 条条 件件，FR21FR21G G（2 2）总总反反力力FR21FR21必必切切于于摩摩擦擦(mc)(mc)圆。圆。（3 3）总总反反力力FR21对对轴轴颈颈轴轴心心O之之矩矩的的方方向向必必与与轴轴颈颈1相相对对于于轴轴承承2的的角速度角速度 1212的方向的方向相反相反。注意注意2Md 121rOG FR21FN21Ff21 FR21是构件是构件2作用到构件作用到构件1上的力，是构件上的力，是构件1所受的力。所受的力。12是构件是构件1相对于构件相对于构件2的角速度。的角速度。方向相反。方向相反。第二十九页，共34页。例例:图
25、图示示为为一一四四杆杆机机构构，构构件件1为为主主动动件件，不不计计构构件件的的重重量量和和惯惯性性力力。求求转动转动(zhun dng)副副B及及C中作用力的方向线的位置。中作用力的方向线的位置。构件构件(gujin)2(gujin)2为二力构件为二力构件(gujin)(gujin)受拉状态受拉状态M1 1BCDA1234 21 23 FR12 FR32第三十页，共34页。2.轴端摩擦轴端摩擦(mc)环面正压力环面正压力(yl)环面摩擦力环面摩擦力环形微面积环形微面积(min j)上产生的摩擦力上产生的摩擦力dFf对回转轴线的摩擦力矩对回转轴线的摩擦力矩dMf为为:轴端所受的总摩擦力矩轴端所
26、受的总摩擦力矩Mf为为 G 从轴端取环形微面积从轴端取环形微面积ds并设并设ds上的压强上的压强p为常数，则有为常数，则有第三十一页，共34页。上式的求解可分两种情况上式的求解可分两种情况(qngkung)来讨论：来讨论：（1）新新轴轴端端假假定定整整个个轴轴端端接接触触面面上上的的压压强强p处处处处(chch)相相等等，即即p=常数，则常数，则（2）跑跑合合轴轴端端整整个个轴轴端端接接触触面面上上的的压压强强(yqing)p已已不不再再处处处处相相等等，而满足而满足p=常数，则常数，则 第三十二页，共34页。五、高副中的摩擦五、高副中的摩擦(mc)12 12Ff21FN21FR21 12V1
27、2FN21FR21 Ff21对于对于(duy)纯滑动状态：总反力的分析方法同平面移动副；纯滑动状态：总反力的分析方法同平面移动副；对于对于(duy)纯滚动状态：总反力分析见下图。纯滚动状态：总反力分析见下图。纯滑动纯滑动(hudng)状态状态纯滚动状态纯滚动状态第三十三页，共34页。小小结结(xioji)移移动动(ydng)副副 中中 的的 摩摩擦擦转转动动(z h u n dng)副副中中的的摩摩擦擦移动副中的摩擦力移动副中的摩擦力移动副中总反力方向移动副中总反力方向斜面滑块驱动力的确定斜面滑块驱动力的确定轴颈摩擦轴颈摩擦轴端摩擦轴端摩擦摩擦力矩摩擦力矩摩擦圆摩擦圆新轴端新轴端跑合轴端跑合轴端总总反反力力FR21切切于于摩摩擦圆擦圆第三十四页，共34页。