機械設(shè)計基礎(chǔ)課件

機械設(shè)計基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院機械工程教研室唐克巖12/23/20221機械設(shè)計基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院12/17/20221第七章機械運動速度波動的調(diào)節(jié)本章要求：掌握機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法，飛輪設(shè)計的近似方法和飛輪主要尺寸的確定。本章重點：1.機械運轉(zhuǎn)速度波動的分類和調(diào)節(jié)方法。2.能量指示圖的繪制本章難點：飛輪的設(shè)計,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算12/23/20222第七章機械運動速度波動的調(diào)節(jié)本章要求：12/17/2教學(xué)內(nèi)容：§7—1機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法§7—2飛輪設(shè)計的近似方法§7—3飛輪主要尺寸的確定12/23/20223教學(xué)內(nèi)容：§7—1機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法§7—2§7-1研究機器運轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)的目的

一、研究機器運轉(zhuǎn)的目的

確定原動件真實運動規(guī)律→確定其它運動構(gòu)件的運動規(guī)律，參數(shù)機械運轉(zhuǎn)速度波動的原因機械是在外力(驅(qū)動力和阻力)作用下運轉(zhuǎn)的，驅(qū)動力所作的功是機械的輸入功，阻力所作的功是機械的輸出功。輸入功與輸出功之差形成機械動能的增減。如果輸入功在每段時間都等于輸出功，則機械的主軸保持勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)輸入功大于輸出功時，出現(xiàn)盈功。當(dāng)輸入功小于輸出功時，出現(xiàn)虧功。12/23/20224§7-1研究機器運轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)的目的一、研究機器二、調(diào)節(jié)機器速度波動的目的

使上述不良影響限制在容許范圍之內(nèi)。1、周期性速度波動當(dāng)外力作周期性變化時，機械主軸的角速度也作周期性的變化，如圖7-1虛線所示。機械的這種有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為周期性速度波動。12/23/20225二、調(diào)節(jié)機器速度波動的目的使上述不良影響限制在容許范圍之內(nèi)周期性速度波動的重要特征是：在一個整周期中，驅(qū)動力所作的輸入功與阻力所作的輸出功是相等的。但是在周期中的某段時間內(nèi)，輸人功與輸出功卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度的波動。調(diào)節(jié)周期性速度波動的常用方法是在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)件——飛輪。盈功時飛輪轉(zhuǎn)速略增并將多余的功以動能的形式儲存起來，使機械的速度上升較慢；虧功時飛輪轉(zhuǎn)速略減并將儲存的能量釋放出來以補充驅(qū)動力功的不足，使機械的速度下降較慢；從而把速度波動控制在允許的范圍內(nèi)。12/23/20226周期性速度波動的重要特征是：在一個整周期中，驅(qū)動力所作的輸入動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J越大，角速度ω的波動越小。由于飛輪能利用儲蓄的動能克服短時過載，故在確定原動機額定功率時只需考慮它的平均功率，而不必考慮高峰負(fù)荷所需的瞬時最大功率。因此，安裝飛輪不僅可避免機械運轉(zhuǎn)速度發(fā)生過大的波動，而且可以選擇功率較小的原功機。

危害：

②可能在機器中引起振動，影響壽命、強度。

③影響工藝，↓產(chǎn)品質(zhì)量。

①引起動壓力，η↓和可靠性。

12/23/20227動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J越大，角速度ω的波動越小二、非周期性速度波動在機械運轉(zhuǎn)過程中，由于機械驅(qū)動力或阻力的不規(guī)則變化等原因使機械動能的平衡關(guān)系遭到破壞，因而使機械的運轉(zhuǎn)速度發(fā)生不規(guī)則的隨機變化，稱為非周期性速度波動。如果輸入功在很長一段時間內(nèi)總是大于輸出功，則機械運轉(zhuǎn)速度將不斷升高，直至超越機械強度所容許的極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機械損壞；反之，如輸入功總是小于輸出功，則機械運轉(zhuǎn)速度將不斷下降，直至停車。12/23/20228二、非周期性速度波動12/17/20228非周期性速度波動不能依靠飛輪來迸行調(diào)節(jié)。只能采用特殊的裝置——調(diào)速器，使驅(qū)動力作的功和阻力作的功趨于平衡，以使機械重新恢復(fù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。圖7-2所示為機械式離心調(diào)速器的工作原理圖。12/23/20229非周期性速度波動不能依靠飛輪來迸行調(diào)節(jié)。只能采用特殊的裝置—§7-2飛輪設(shè)計的近似方法一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)一個周期內(nèi)角速度的實際平均值m可用下式計算

這個實際平均值稱為機器的“額定轉(zhuǎn)速”。常近似地以其算術(shù)平均值來代替，即12/23/202210§7-2飛輪設(shè)計的近似方法一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不機械運轉(zhuǎn)速度波動的程度用機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來表示，即若巳知m和δ，則由式(7-2)和(7-3)可得由上式可知，越小，主軸越接近勻速轉(zhuǎn)動，運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。

12/23/202211機械運轉(zhuǎn)速度波動的程度用機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來表示，即若二、飛輪設(shè)計的基本原理飛輪設(shè)計的基本問題：已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，要求在機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ的容許范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。用飛輪的動能代替整個機械的動能。與最大角速度ωmax、最小角速度ωmin對應(yīng)的動能分別為最大動能Emax、最小動能Emin。Emax與Emin之差表示一個周期內(nèi)動能的最大變化量。它是由最大盈功或最大虧功轉(zhuǎn)化而來的。12/23/202212二、飛輪設(shè)計的基本原理12/17/202212機械在一個周期內(nèi)動能的最大變化量稱為最大盈虧功Amax，即由此得到安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量由上式可知：當(dāng)Amax與ωm一定時，J與成反比。當(dāng)取得很小時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就會很大。所以，過分追求機械運轉(zhuǎn)的速度均勻性，將使飛輪過于笨重，增加成本。12/23/202213機械在一個周期內(nèi)動能的最大變化量稱為最大盈虧由此得到安裝在主當(dāng)J與ωm一定時，Amax與成正比，表明機械只要有盈虧功，不論飛輪有多大，都不等于零；最大盈虧功愈大，機械運轉(zhuǎn)愈不均勻。J與ωm的平方成反比，即主軸的平均轉(zhuǎn)速越高，所需安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量越小。飛輪也可以安裝在與主軸保持固定速比的其他軸上，但必須保證該軸上安裝的飛輪與主軸上安裝的飛輪具有相等的動能，即或12/23/202214當(dāng)J與ωm一定時，Amax與成正比，表明機械只要有盈虧功三、最大盈虧功Amax的確定確定飛輪轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)鍵是求最大盈虧功。為了確定最大盈虧功，需先確定ωmax和ωmin的位置。常利用能量指示圖來解決。12/23/202215三、最大盈虧功Amax的確定12/17/202215Aoa為oa區(qū)間的盈虧功，以絕對值表示。oa區(qū)間阻力矩大于驅(qū)動力矩，出現(xiàn)虧功，機器動能減小，故標(biāo)注負(fù)號；而ab區(qū)間驅(qū)動力矩大于阻力矩，出現(xiàn)盈功，機器動能增加，故標(biāo)注正號。同理，bc、do區(qū)間為負(fù)，cd區(qū)間為正。盈虧功等于機器動能的增減量。如圖b所示，按一定比例從o點出發(fā)，用矢量線段依次表示相應(yīng)的盈虧功Aoa、

Aab、Abc、Acd和Ado，箭頭朝上表示盈功，箭頭朝下表示虧功。在oa區(qū)間，輸入功與輸出功之差(盈虧功)為12/23/202216Aoa為oa區(qū)間的盈虧功，以絕對值表示。oa區(qū)間阻力矩大于12/23/20221712/17/202217§7-3飛輪主要尺寸的確定圖7-6所示為帶有輪輻的飛輪。這種飛輪的輪轂和輪輻的質(zhì)量很小，回轉(zhuǎn)半徑也較小，近似計算時可以將它們的轉(zhuǎn)動慣量略去，而認(rèn)為飛輪質(zhì)量m集中于輪緣。設(shè)輪緣的平均直徑為Dm，則12/23/202218§7-3飛輪主要尺寸的確定圖7-6所示為帶有輪輻的飛輪。由式(7-8)便可求出飛輪的質(zhì)量m。設(shè)輪緣為矩形斷面，它的體積、厚度、寬度分別為V(m3)、H(m)、B(m)，材料的密度為ρ(kg/m3)，則m=Vρ=πDmH

Bρ(7-9)選定飛輪的材料與比值H/B之后，輪緣的截面尺寸便可求出。對于外徑為D的實心圓盤式飛輪，由理論力學(xué)知選定圓盤直徑D，便可求出飛輪的質(zhì)量m。選定材料之后，便可求出飛輪的寬度B。12/23/202219由式(7-8)便可求出飛輪的質(zhì)量m。設(shè)輪緣為矩形斷面，它的體飛輪的轉(zhuǎn)速越高，其輪緣材質(zhì)產(chǎn)生的離心力越大，當(dāng)輪緣材料所受離心力超過其材料的強度極限時，輪緣便會爆裂。為了安全，在選擇平均直徑Dm和外圓直徑D時，應(yīng)使飛輪外圓的圓周速度不大于以下安全數(shù)值：對于鑄鐵飛輪vmax<36m/s對于鑄鋼飛輪vmax<50m/s應(yīng)當(dāng)說明，飛輪不一定是外加的專門構(gòu)件。實際機械中往往用增大帶輪（或齒輪）的尺寸和質(zhì)量的方法，使它們兼起飛輪的作用。這種帶輪（或齒輪）也就是機器中的飛輪。12/23/202220飛輪的轉(zhuǎn)速越高，其輪緣材質(zhì)產(chǎn)生的離心力越大，當(dāng)輪緣材料所受離例：由電動機驅(qū)動的某機械系統(tǒng)，電動機的轉(zhuǎn)速為1440r/min，轉(zhuǎn)化到電機軸上的等效力矩Mvr變化情況如圖所示，且等效驅(qū)動力矩為常數(shù)，若不計機械中其它構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量,只考慮飛輪轉(zhuǎn)動慣量,運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)=0.05,試計算飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J。Mv(N.m)MvroMvdW1(+)W2(-)W3(+)1800200500abca解:（1）根據(jù)一個周期的時間間隔,等效驅(qū)動力矩Mvd等于等效阻力矩Mvr的功，求出等效驅(qū)動力矩矩Mvd

；（2）畫能量指示圖，確定最大盈虧功Amax由左圖知，W1、W3為盈功，W2為虧功。W1=(500-200)×π/2=150πNm12/23/202221例：由電動機驅(qū)動的某機械系統(tǒng)，電動機的轉(zhuǎn)速為1440r/miW2=-[(1800-500)×(3π/4-π/2)+1/2×(1800-500)×(1800-500)/(1800-200)×π/4]=-457πNmW3=-W1-W2=-150π-(-457π)=307πNmabcaoo畫出能量指示圖如右圖示。Amax=|W2|=457πNm3.確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J=1.263kg﹒m2可知，b點最高，c點最低，故bc間的面積為最大盈虧功，即W1=(500-200)×π/2=150πNm12/23/202222W2=-[(1800-500)×(3π/4-π/2)+機械設(shè)計基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院機械工程教研室唐克巖12/23/202223機械設(shè)計基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院12/17/20221第七章機械運動速度波動的調(diào)節(jié)本章要求：掌握機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法，飛輪設(shè)計的近似方法和飛輪主要尺寸的確定。本章重點：1.機械運轉(zhuǎn)速度波動的分類和調(diào)節(jié)方法。2.能量指示圖的繪制本章難點：飛輪的設(shè)計,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算12/23/202224第七章機械運動速度波動的調(diào)節(jié)本章要求：12/17/2教學(xué)內(nèi)容：§7—1機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法§7—2飛輪設(shè)計的近似方法§7—3飛輪主要尺寸的確定12/23/202225教學(xué)內(nèi)容：§7—1機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法§7—2§7-1研究機器運轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)的目的

一、研究機器運轉(zhuǎn)的目的

確定原動件真實運動規(guī)律→確定其它運動構(gòu)件的運動規(guī)律，參數(shù)機械運轉(zhuǎn)速度波動的原因機械是在外力(驅(qū)動力和阻力)作用下運轉(zhuǎn)的，驅(qū)動力所作的功是機械的輸入功，阻力所作的功是機械的輸出功。輸入功與輸出功之差形成機械動能的增減。如果輸入功在每段時間都等于輸出功，則機械的主軸保持勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)輸入功大于輸出功時，出現(xiàn)盈功。當(dāng)輸入功小于輸出功時，出現(xiàn)虧功。12/23/202226§7-1研究機器運轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)的目的一、研究機器二、調(diào)節(jié)機器速度波動的目的

使上述不良影響限制在容許范圍之內(nèi)。1、周期性速度波動當(dāng)外力作周期性變化時，機械主軸的角速度也作周期性的變化，如圖7-1虛線所示。機械的這種有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為周期性速度波動。12/23/202227二、調(diào)節(jié)機器速度波動的目的使上述不良影響限制在容許范圍之內(nèi)周期性速度波動的重要特征是：在一個整周期中，驅(qū)動力所作的輸入功與阻力所作的輸出功是相等的。但是在周期中的某段時間內(nèi)，輸人功與輸出功卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度的波動。調(diào)節(jié)周期性速度波動的常用方法是在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)件——飛輪。盈功時飛輪轉(zhuǎn)速略增并將多余的功以動能的形式儲存起來，使機械的速度上升較慢；虧功時飛輪轉(zhuǎn)速略減并將儲存的能量釋放出來以補充驅(qū)動力功的不足，使機械的速度下降較慢；從而把速度波動控制在允許的范圍內(nèi)。12/23/202228周期性速度波動的重要特征是：在一個整周期中，驅(qū)動力所作的輸入動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J越大，角速度ω的波動越小。由于飛輪能利用儲蓄的動能克服短時過載，故在確定原動機額定功率時只需考慮它的平均功率，而不必考慮高峰負(fù)荷所需的瞬時最大功率。因此，安裝飛輪不僅可避免機械運轉(zhuǎn)速度發(fā)生過大的波動，而且可以選擇功率較小的原功機。

危害：

②可能在機器中引起振動，影響壽命、強度。

③影響工藝，↓產(chǎn)品質(zhì)量。

①引起動壓力，η↓和可靠性。

12/23/202229動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J越大，角速度ω的波動越小二、非周期性速度波動在機械運轉(zhuǎn)過程中，由于機械驅(qū)動力或阻力的不規(guī)則變化等原因使機械動能的平衡關(guān)系遭到破壞，因而使機械的運轉(zhuǎn)速度發(fā)生不規(guī)則的隨機變化，稱為非周期性速度波動。如果輸入功在很長一段時間內(nèi)總是大于輸出功，則機械運轉(zhuǎn)速度將不斷升高，直至超越機械強度所容許的極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機械損壞；反之，如輸入功總是小于輸出功，則機械運轉(zhuǎn)速度將不斷下降，直至停車。12/23/202230二、非周期性速度波動12/17/20228非周期性速度波動不能依靠飛輪來迸行調(diào)節(jié)。只能采用特殊的裝置——調(diào)速器，使驅(qū)動力作的功和阻力作的功趨于平衡，以使機械重新恢復(fù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。圖7-2所示為機械式離心調(diào)速器的工作原理圖。12/23/202231非周期性速度波動不能依靠飛輪來迸行調(diào)節(jié)。只能采用特殊的裝置—§7-2飛輪設(shè)計的近似方法一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)一個周期內(nèi)角速度的實際平均值m可用下式計算

這個實際平均值稱為機器的“額定轉(zhuǎn)速”。常近似地以其算術(shù)平均值來代替，即12/23/202232§7-2飛輪設(shè)計的近似方法一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不機械運轉(zhuǎn)速度波動的程度用機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來表示，即若巳知m和δ，則由式(7-2)和(7-3)可得由上式可知，越小，主軸越接近勻速轉(zhuǎn)動，運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。

12/23/202233機械運轉(zhuǎn)速度波動的程度用機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來表示，即若二、飛輪設(shè)計的基本原理飛輪設(shè)計的基本問題：已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，要求在機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ的容許范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。用飛輪的動能代替整個機械的動能。與最大角速度ωmax、最小角速度ωmin對應(yīng)的動能分別為最大動能Emax、最小動能Emin。Emax與Emin之差表示一個周期內(nèi)動能的最大變化量。它是由最大盈功或最大虧功轉(zhuǎn)化而來的。12/23/202234二、飛輪設(shè)計的基本原理12/17/202212機械在一個周期內(nèi)動能的最大變化量稱為最大盈虧功Amax，即由此得到安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量由上式可知：當(dāng)Amax與ωm一定時，J與成反比。當(dāng)取得很小時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就會很大。所以，過分追求機械運轉(zhuǎn)的速度均勻性，將使飛輪過于笨重，增加成本。12/23/202235機械在一個周期內(nèi)動能的最大變化量稱為最大盈虧由此得到安裝在主當(dāng)J與ωm一定時，Amax與成正比，表明機械只要有盈虧功，不論飛輪有多大，都不等于零；最大盈虧功愈大，機械運轉(zhuǎn)愈不均勻。J與ωm的平方成反比，即主軸的平均轉(zhuǎn)速越高，所需安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量越小。飛輪也可以安裝在與主軸保持固定速比的其他軸上，但必須保證該軸上安裝的飛輪與主軸上安裝的飛輪具有相等的動能，即或12/23/202236當(dāng)J與ωm一定時，Amax與成正比，表明機械只要有盈虧功三、最大盈虧功Amax的確定確定飛輪轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)鍵是求最大盈虧功。為了確定最大盈虧功，需先確定ωmax和ωmin的位置。常利用能量指示圖來解決。12/23/202237三、最大盈虧功Amax的確定12/17/202215Aoa為oa區(qū)間的盈虧功，以絕對值表示。oa區(qū)間阻力矩大于驅(qū)動力矩，出現(xiàn)虧功，機器動能減小，故標(biāo)注負(fù)號；而ab區(qū)間驅(qū)動力矩大于阻力矩，出現(xiàn)盈功，機器動能增加，故標(biāo)注正號。同理，bc、do區(qū)間為負(fù)，cd區(qū)間為正。盈虧功等于機器動能的增減量。如圖b所示，按一定比例從o點出發(fā)，用矢量線段依次表示相應(yīng)的盈虧功Aoa、

Aab、Abc、Acd和Ado，箭頭朝上表示盈功，箭頭朝下表示虧功。在oa區(qū)間，輸入功與輸出功之差(盈虧功)為12/23/202238Aoa為oa區(qū)間的盈虧功，以絕對值表示。oa區(qū)間阻力矩大于12/23/20223912/17/202217§7-3飛輪主要尺寸的確定圖7-6所示為帶有輪輻的飛輪。這種飛輪的輪轂和輪輻的質(zhì)量很小，回轉(zhuǎn)半徑也較小，近似計算時可以將它們的轉(zhuǎn)動慣量略去，而認(rèn)為飛輪質(zhì)量m集中于輪緣。設(shè)輪緣的平均直徑為Dm，則12/23/202240§7-3飛輪主要尺寸的確定圖7-6所示為帶有輪輻的飛輪。由式(7-8)便可求出飛輪的質(zhì)量m。設(shè)輪緣為矩形斷面，它的體積、厚度、寬度分別為V(m3)、H(m)、B(m)，材料的密度為ρ(kg/m3)，則m=Vρ=πDmH

Bρ(7-9)選定飛輪的材料與比值H/B之后，輪緣的截面尺寸便可求出。對于外徑為D的實心圓盤式飛輪，由理論力學(xué)知選定圓盤直徑D，便可求出飛輪的質(zhì)量m。選定材料之后，便可求出飛輪的寬度B。12/23/202241由式(7-8)便可求出飛輪的質(zhì)量m。設(shè)輪緣為矩形斷面，它的體飛輪的轉(zhuǎn)速越高，其輪緣材質(zhì)產(chǎn)生的離心力越大，當(dāng)輪緣材料所受離心力超過其材料的強度極限時，輪緣便會爆裂。為了安全，在選擇平均直徑Dm