機(jī)械設(shè)計(jì)之平面機(jī)構(gòu)力分析

1、第四章 平面機(jī)構(gòu)力分析機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法4 -1 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定 4 -2 運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定4 -3 不考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析不考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析4 -4 考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析考慮摩擦力時(shí)機(jī)構(gòu)力分析（簡(jiǎn)介）（簡(jiǎn)介）結(jié)束一、作用在機(jī)械上的力一、作用在機(jī)械上的力1）驅(qū)動(dòng)力 ： F V 為銳角，作正功 原動(dòng)力由原動(dòng)機(jī)提供，它是驅(qū)動(dòng)力，那么驅(qū)動(dòng)力只來(lái)自原動(dòng)力嗎？原動(dòng)力由原動(dòng)機(jī)提供，它是驅(qū)動(dòng)力，那么驅(qū)動(dòng)力只來(lái)自原動(dòng)力嗎？2）阻抗力： F V 為鈍角，作負(fù)功生產(chǎn)阻力（有效阻力） 由害阻力常提到的力：常提到的力：原動(dòng)力、摩

2、擦力、運(yùn)動(dòng)副反力、重力、慣性力 一提到摩擦力，多會(huì)認(rèn)為是有害阻力。一提到摩擦力，多會(huì)認(rèn)為是有害阻力。對(duì)攪拌機(jī)、帶傳動(dòng)、自行車呢？對(duì)攪拌機(jī)、帶傳動(dòng)、自行車呢？ 運(yùn)動(dòng)副反運(yùn)動(dòng)副反力（法向、切向）是內(nèi)力還是外力？它作功嗎？力（法向、切向）是內(nèi)力還是外力？它作功嗎？ 什么時(shí)候應(yīng)考慮重什么時(shí)候應(yīng)考慮重力？作功如何？力？作功如何？ 慣性力是一種什么性質(zhì)的慣性力是一種什么性質(zhì)的力，大小如何求？它作正功還是負(fù)嗎？力，大小如何求？它作正功還是負(fù)嗎？ 什么時(shí)候會(huì)用到它？可以忽略嗎？什么時(shí)候會(huì)用到它？可以忽略嗎？機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)、目的和方法結(jié)束二、二、機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)和目的機(jī)構(gòu)力分析的任

3、務(wù)和目的1）確定運(yùn)動(dòng)副中的反力 用于計(jì)算強(qiáng)度、機(jī)械效率、摩擦磨損、決定軸承結(jié)構(gòu)等2）確定機(jī)械上的平衡力（或平衡力偶） 根據(jù)作用在機(jī)構(gòu)上的已知外力（或力偶），確定要維持 給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)所需的未知外力（或力偶）三、三、機(jī)構(gòu)力分析的方法1）靜力學(xué)方法 不考慮慣性力因素（低速機(jī)械）2）動(dòng)態(tài)靜力學(xué)方法 將慣性力視為外力，加于相應(yīng)構(gòu)件上，按靜力方法分析 圖解法、解析法圖解法、解析法結(jié)束4-1 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定確定慣性力：確定慣性力： 設(shè)已知構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。設(shè)已知構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。實(shí)際上：實(shí)際上： 在設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí)，力分析還未進(jìn)行時(shí)，根本不能作強(qiáng)度計(jì)在設(shè)計(jì)新機(jī)

4、械時(shí)，力分析還未進(jìn)行時(shí)，根本不能作強(qiáng)度計(jì)算，構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是未知的。算，構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是未知的。常用方法：常用方法： 類比和經(jīng)驗(yàn)公式，或按純靜力學(xué)方法對(duì)機(jī)構(gòu)在某一特定類比和經(jīng)驗(yàn)公式，或按純靜力學(xué)方法對(duì)機(jī)構(gòu)在某一特定位置時(shí)大體估算出構(gòu)件的尺寸、材料。粗略地得到質(zhì)量、轉(zhuǎn)位置時(shí)大體估算出構(gòu)件的尺寸、材料。粗略地得到質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將它作為初值代入進(jìn)行力分析。待第一次力分析完動(dòng)慣量，將它作為初值代入進(jìn)行力分析。待第一次力分析完成后，作強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行修正。這個(gè)過(guò)程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。成后，作強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行修正。這個(gè)過(guò)程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。直至滿足要求為止。直至滿足要求為止。結(jié)束SasFIMIFI

5、lh一、一般力學(xué)方法一、一般力學(xué)方法1 1）作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件）作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件慣性力 F I = - m as慣性力矩 M I = - Js 把 FI 按圖示平移 lh ，將兩者合二為一。IIhFMl 2 2）作平面移動(dòng)的構(gòu)件）作平面移動(dòng)的構(gòu)件3 3）繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件）繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件慣性力 F I = - m as慣性力矩 M I = - Js 繞質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)繞非質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力 F I = - m as慣性力矩 M I = - Js 結(jié)束二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡(jiǎn)化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換前后的

6、總質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變SBCmBmCmkmBmcbk1 1、動(dòng)代換問(wèn)題、動(dòng)代換問(wèn)題SKBKBKBJkmbmkmbmmmm22三個(gè)方程，四個(gè)未知量（ b 、 k 、mB 、 mK ），如確定bkbbmmkbkmmmbJkKBS結(jié)束二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡(jiǎn)化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換前后的總質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變SBCmBmCmkmBmcbk2 2、靜代換問(wèn)題、靜代換問(wèn)題（兩點(diǎn)代換）同時(shí)選定b、c，只滿足條件1、2k

7、mbmmmmKBKBcbbmmcbcmmKB結(jié)束二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法確定慣性力和慣性力矩 a、 復(fù)雜將構(gòu)件的質(zhì)量等效簡(jiǎn)化成幾個(gè)集中質(zhì)量只有慣性力方便 質(zhì)量代換法質(zhì)量代換法代換條件代換前后的總質(zhì)量保持不變代換前后的總質(zhì)心位置保持不變代換前后的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變SBCmBmCmkmBmcbk2 2、靜代換問(wèn)題、靜代換問(wèn)題（兩點(diǎn)代換）同時(shí)選定b、c，只滿足條件1、2kmbmmmmKBKBcbbmmcbcmmKB結(jié)論：結(jié)論：1）兩代換點(diǎn)連線必然通過(guò)質(zhì)心。2）靜代換簡(jiǎn)單方便，代換點(diǎn) B、C 可隨意選定。對(duì)于一般要求機(jī)構(gòu)，采 用靜代換較多。3）動(dòng)代換滿足了質(zhì)量代換的全部條件。其代換點(diǎn)只能隨意選定一

8、點(diǎn)，而 另外一個(gè)代換點(diǎn)則由代換條件確定。 4）使用靜代換，其慣性力偶矩將產(chǎn)生誤差)(22sCBIJcMbmM結(jié)束4-2 運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定一、移動(dòng)副中摩擦力的確定一、移動(dòng)副中摩擦力的確定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外載荷一定時(shí)，法向反力FN21的其大小與運(yùn)動(dòng)副表面的幾何形狀有關(guān)。G 12v12FN21 Ff21FR21F 1）平面： FN21 = G Ff21 = f G2）槽面： FN21 = G / sin Ff21 = f FN21 = f G / sin 令當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f / sin Ff21 = f vGGFN212FN212212結(jié)

9、束一、移動(dòng)副中摩擦力的確定一、移動(dòng)副中摩擦力的確定摩擦力F21： Ff21 = f FN21在外載荷一定時(shí)，法向反力FN21的其大小與運(yùn)動(dòng)副表面的幾何形狀有關(guān)。G 12v12FN21 Ff21FR21F 3）半圓柱面 FN21 = k G Ff21 = f FN21 = f k G若圓柱面為點(diǎn)、線接觸： k 1若為均勻圓柱面接觸： k = /2 其余則介于兩者之間。Gv2121令當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f k Ff21 = f vG結(jié)束9、 人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。21.11.421.11.4Thursday, November 04, 202110、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。1

10、7:02:3017:02:3017:0211/4/2021 5:02:30 PM11、人總是珍惜為得到。21.11.417:02:3017:02Nov-214-Nov-2112、人亂于心，不寬余請(qǐng)。17:02:3017:02:3017:02Thursday, November 04, 202113、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來(lái)懲罰自己。21.11.421.11.417:02:3017:02:30November 4, 202114、抱最大的希望，作最大的努力。2021年11月4日星期四下午5時(shí)2分30秒17:02:3021.11.415、一個(gè)人炫耀什么，說(shuō)明他內(nèi)心缺少什么。2021年11月下午5時(shí)2

11、分21.11.417:02November 4, 202116、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2021年11月4日星期四17時(shí)02分30秒17:02:304 November 202117、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。下午5時(shí)2分30秒下午5時(shí)2分17:02:3021.11.49、 人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。21.11.421.11.4Thursday, November 04, 202110、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。17:02:3117:02:3117:0211/4/2021 5:02:31 PM11、人總是珍惜為得到。21.11.417:02:3117:02Nov-2

12、14-Nov-2112、人亂于心，不寬余請(qǐng)。17:02:3117:02:3117:02Thursday, November 04, 202113、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來(lái)懲罰自己。21.11.421.11.417:02:3117:02:31November 4, 202114、抱最大的希望，作最大的努力。2021年11月4日星期四下午5時(shí)2分31秒17:02:3121.11.415、一個(gè)人炫耀什么，說(shuō)明他內(nèi)心缺少什么。2021年11月下午5時(shí)2分21.11.417:02November 4, 202116、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2021年11月4日星期四17時(shí)02分31秒17:02:314

13、 November 202117、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。下午5時(shí)2分31秒下午5時(shí)2分17:02:3121.11.4二、移動(dòng)副中總反力的確定二、移動(dòng)副中總反力的確定G 12v12FN21 Ff21FR21F 1、平面移動(dòng) FR21 = FN21+ Ff 21 Ff21 = FN21tan 摩擦角摩擦角 =arctan f總反力方向的確定：總反力方向的確定：（1 1）與法向反力偏斜一摩擦角）與法向反力偏斜一摩擦角 （2 2）偏斜方向與相對(duì)速度方向相反）偏斜方向與相對(duì)速度方向相反結(jié)束2、斜面移動(dòng)GFFNFFR21 vFGFR21 + F GF R21 - (1) 滑塊沿斜面上升力平

14、衡條件： F + G + FR21 = 0由力多邊形得：F = G tan ( + ) （2）滑塊沿斜面下降（驅(qū)動(dòng)力為 G）同理： F + G + F R21 = 0 F = G tan ( - )注意：注意：1 1）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)時(shí), ,F 0, 0, 滑塊在載荷滑塊在載荷G G 作用下自行下滑，若作用下自行下滑，若使滑快靜止或勻速下滑，需借助外部阻力。使滑快靜止或勻速下滑，需借助外部阻力。2 2）當(dāng)）當(dāng) 時(shí)，時(shí)，F(xiàn) 0, 0, 滑塊在載荷滑塊在載荷G G 作用下作用下, ,不能自行下不能自行下滑，需借助外部推動(dòng)力才能滑下?；杞柚獠客苿?dòng)力才能滑下。 自鎖自鎖（ ） 結(jié)束3、螺旋副中的摩擦

15、(1) 矩形螺紋pGFFR21vd2 d 2lGM21)tan(222GddFM旋緊螺母力矩：)tan(222GddFM放松螺母力矩：施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 旋緊螺母旋緊螺母: : 類似于用螺旋千斤頂克服載荷類似于用螺旋千斤頂克服載荷 G G ，將重物升起。，將重物升起。施加扳手力矩施加扳手力矩 M M 放松螺母：放松螺母： 若若 M M 0(0(即即 0 0（即（即 ）：表明螺紋本身在載荷：表明螺紋本身在載荷G G 作用下能夠自行松脫，需作用下能夠自行松脫，需借助外力矩才能使螺母勻速松脫。借助外力矩才能使螺母勻速松脫。自鎖自鎖結(jié)束3、螺旋副中的摩擦 (2) 三角形螺紋（相當(dāng)于曹面摩

16、擦）90 - 90 - Q在矩形螺紋公式將 用 v代替即可。三角螺紋的牙型半角則槽形半角 = 90 - 當(dāng)量摩擦系數(shù)：fv = f / sin = f / cos 當(dāng)量摩擦角： v = arctan fv )tan(22v2GddFM旋緊螺母力矩：)tan(22v2GddFM放松螺母力矩：結(jié)束三、轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦力的確定三、轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦力的確定1、軸徑的摩擦軸徑在軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力阻止其轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束 摩擦圓半徑： = fv r G GFf21FN21FR21Mdr21半圓柱面摩擦: Ff21 = f vG f v =（1 /2）f運(yùn)動(dòng)副總反力：FR21 = FN21 + Ff21 = G 摩擦阻力矩:

17、Mf = Ff21 r =G fv r =FR21 結(jié)論： 1）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸承總反力 FR21 恒切于摩擦圓 。 2）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Mf = FR21 =G ， 類似平面摩擦系數(shù)。其其大小 fv 和 r 有關(guān)。3）將Md與G合成為G ， = Md / G = 軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（或靜止）。 軸將加速轉(zhuǎn)動(dòng)（或由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)） 軸將減速轉(zhuǎn)動(dòng)（靜止時(shí)則卡死不動(dòng)）1、軸徑的摩擦12自鎖自鎖結(jié)束2、總反力的確定 G GFf21FN21FR21Mdr211）根據(jù)平衡條件總反力方向。2）考慮摩擦，總反力與摩擦圓相切。3）摩擦力矩方向總是與轉(zhuǎn)向相反（阻止） 如：總反力FR21 對(duì)軸心之矩的方向必 與其相對(duì)轉(zhuǎn)向 12的方向相反。12結(jié)束例例4-1 曲柄1為主動(dòng)件，求各構(gòu)件受力方向。（不計(jì)重力、慣性力）M11ABCDM3123FR12FR322123M114A1BFR21FR41LF R12F R32CDM33FR2334FR43L結(jié)束3、軸端的摩擦G12M2R2rrRd取微環(huán)，其上壓強(qiáng) p 為常量面積 ds = 2 d 正壓力 dFN = p ds摩擦力 dFf = f dFN = f p ds摩擦力矩 dMf = dFf = f p ds討論討論