機械原理課件：第5章機械的效率和自鎖

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機構(gòu)的效率§5-2

機械的自鎖因摩擦損失是不可避免的，故必有ξ>0和η<1。機械的損失功(Wf)與輸入功(Wd)的比值，§5-1

機構(gòu)的效率1.機械效率的概念及意義（1）機械效率機械的輸出功(Wr)與輸入功(Wd)的比值，以η表示。機械損失系數(shù)或損失率，以ξ表示。η＝Wr/Wd＝1－ξ＝1－Wf/Wd（2）機械效率的意義它是機械中的一個主要性能指標，機械效率反映了輸入功在機械中的有效利用的程度，降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要任務之一。2.機械效率的確定（1）機械效率的計算確定1）以功表示的計算公式η＝Wr/Wd＝1－Wf/Wd2）以功率表示的計算公式η＝Pr/Pd＝1－Pf/Pd3）以力或力矩表示的計算公式η＝F0/F＝M0/M即η＝理想驅(qū)動力實際驅(qū)動力理想驅(qū)動力矩實際驅(qū)動力矩＝實際機械裝置

η理論機械裝置

η0η=Pr/Pd=GvG

/FvF0η0=GvG

/F0vF=1vGvFF機構(gòu)的效率(2/10)因其正行程實際驅(qū)動力為F＝Gtan(α＋φ)，理想驅(qū)動力為F0＝Gtanα，故例1

斜面機構(gòu)已知

正行程F＝Gtan(α＋φ)反行程F′＝Gtan(α

－φ)現(xiàn)求

η及η′解η＝F0/F＝tanα/tan(α＋φ)η＝F0/F＝tanα/tan(α－φ)′′對嗎？因其反行程實際驅(qū)動力為G＝F′/tan(α－φ)，理想驅(qū)動力為G0＝F′/tanα，故η′＝G0/G＝tan(α－φ)/tanα機構(gòu)的效率(3/10)例2

螺旋機構(gòu)已知擰緊時

M＝Gd2tan(α＋φv)/2放松時M′＝Gd2tan(α－φv)/2現(xiàn)求η及η′解采用上述類似的方法，可得擰緊時η＝M0/M

＝tanα/tan(α＋φv)放松時η′＝G0/G＝tan(α－φv)/tanα

機構(gòu)的效率(4/10)3.機組的機械效率計算機組由若干個機器組成的機械系統(tǒng)。當已知機組各臺機器的機械效率時，則該機械的總效率可由計算求得。（1）串聯(lián)串聯(lián)機組功率傳動的特點是前一機器的輸出功率即為后一機器的輸入功率。串聯(lián)機組的總機械效率為PrPdη＝P1P2PdP1…PkPk-1＝＝η1η2…ηk

即串聯(lián)機組總效率等于組成該機組的各個機器效率的連乘積。1k2η1η2ηkPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr機構(gòu)的效率(7/10)只要串聯(lián)機組中任一機器的效率很低，就會使整個機組的效率極低；且串聯(lián)機器數(shù)目越多，機械效率也越低。要提高并聯(lián)機組的效率，應著重提高傳動功率大的路線的效率。結(jié)論（2）并聯(lián)并聯(lián)機組的特點是機組的輸入功率為各機器的輸入功率之和，而輸出功率為各機器的輸出功率之和。η＝∑Pri∑PdiP1η1+P2η2+…+PkηkP1+P2+…+Pk＝即并聯(lián)機組的總效率與各機器的效率及其所傳遞的功率的大小有關(guān)，且ηmin<η<ηmax；機組的總效率主要取決于傳動功率大的機器的效率。結(jié)論12kη1η2ηkP1η1P2η2P2η2P1P2PkPd機構(gòu)的效率(8/10)（3）混聯(lián)混聯(lián)機組的機械效率計算步驟為1）先將輸入功至輸出功的路線弄清楚；2）然后分別計算出總的輸入功率∑Pd和總的輸出功率∑Pr；3）最后按下式計算其總機械效率。η＝∑Pr/∑Pd機構(gòu)的效率(9/10)

例設已知某機械傳動裝置的機構(gòu)的效率和輸出功率，求該機械傳動裝置的機械效率。解機構(gòu)1、2、3′及4′串聯(lián)的部分Pd＝Pr/(η1η2η3η4)′′′′＝5kW/(0.982×0.962)＝5.649kW機構(gòu)1、2、3"、4"及5"串聯(lián)的部分＝0.2kW/(0.982×0.942×0.42)＝0.561kW故該機械的總效率為η＝∑Pr/∑Pd＝(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837Pd

＝Pr

/(η1η2η3

η4

η5)"""""=5kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2kW機構(gòu)的效率(10/10)1.機構(gòu)的自鎖§5-2

機械的自鎖（1）自鎖現(xiàn)象某些機構(gòu)，就其機構(gòu)而言是能夠運動的，但由于摩擦的存在，卻會出現(xiàn)無論驅(qū)動力如何增大，也無法使機械運動的現(xiàn)象。（2）自鎖意義設計機械時，為使機械能實現(xiàn)預期的運動，必須避免機械在所需的運動方向發(fā)生自鎖；有些機械的工作需要具有自鎖的特性，（3）自鎖條件機械發(fā)生自鎖實質(zhì)上時機械中的運動副發(fā)生的自鎖。如手搖螺旋千斤頂。F例

移動副摩擦角φ。則Ft=Fsinβ=FntanβFfmax=Fntanφ當β≤φ時，有Ft≤Ffmax即β≤φ當時，無論驅(qū)動力F如何增大，其有效分力Ft總小于驅(qū)動力F所引起的最大摩擦力，因而總不能推動滑塊運動。即自鎖現(xiàn)象。

結(jié)論移動副發(fā)生自鎖的條件為：在移動副中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動力作用在其摩擦角之內(nèi)（即β≤φ

），則發(fā)生自鎖。設驅(qū)動力為F，傳動角為β，φFtFnFRFfmax機構(gòu)的自鎖(2/7)例

轉(zhuǎn)動副設驅(qū)動力為F，力臂長為a,當F作用在摩擦圓之內(nèi)時（即a≤ρ），則Ma=aF≤Mf=FR

ρ=F

ρ即F

任意增大（a不變），也不能使軸頸轉(zhuǎn)動，即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。

結(jié)論轉(zhuǎn)動副發(fā)生自鎖的條件為：作用在軸頸上的驅(qū)動力為單力F，且作用于摩擦角之內(nèi)，即a≤ρ。摩擦圓半徑為ρ，F(xiàn)aρFR=FFR=F機構(gòu)的自鎖(3/7)故其自鎖條件為α≤φv2.機械自鎖條件的確定(1)從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定原因機械的自鎖實質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。例1

手搖螺旋千斤頂當α≤φv時，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，(2)從生產(chǎn)阻力G≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，機械不能運動；這時能克服的生產(chǎn)阻力G≤0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGG螺旋副機構(gòu)的自鎖(4/7)

G≤0意味著，只有驅(qū)抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才能使機械運動，此時機械已發(fā)生自鎖。例

手搖螺旋千斤頂自鎖要求M′≤0，即

tan(α－φv)≤0故此千斤頂自鎖條件為α≤φv0

G≤0意味著，只有驅(qū)抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才能使機械運動，此時機械已發(fā)生自鎖。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGGM′反行程：驅(qū)動力為G，阻抗力矩為M

，′機構(gòu)的自鎖(5/7)M＝Gd2tan(α－φv)/2′則（3）從效率η≤0的條件來確定當機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，其驅(qū)動力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，η＝1－Wf

/Wd≤0故例

手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為：η′＝G0/G=tan(α－φv)/tanα令η′≤0，則得此自鎖條件為α≤φv（4）從自鎖的概念或意義的角度來確定當生產(chǎn)力一定時，驅(qū)動力P可以任意增大，即P－>∞，或驅(qū)動力F的有效分力Ft總是小于其本身所能引起的最大摩擦力，即Ft≤Ffmax此時，機械將發(fā)生自鎖。機構(gòu)的自鎖(6/7)例手搖螺旋千斤頂其反行程驅(qū)動力與阻抗力矩的關(guān)系為M/G=d2tan(α-φv)/2′當M′一定時，而G→∞時，則

tan(α-φv)＝0又因機械自鎖時，其摩擦力一方應大于或等于驅(qū)動力一方，舉例機構(gòu)的自鎖(7/7)例2

斜面壓榨機例3

偏心夾具例4

凸輪機構(gòu)的推桿故知其自鎖的條件為α≤φv。即α＝φv例1.已知：圖示機構(gòu)，P為驅(qū)動力，Q為阻力，各接觸面間的摩擦系數(shù)均為f。求：當P力撤除后，機構(gòu)在Q力作用下的自鎖條件。解：分析3構(gòu)件：分析2構(gòu)件：a123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21a123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21R23QR13PR32R12a-2ja123PQR13jv31jaR32R23v32R12jv21R23QR13PR32R12a-2j例2.已知：圖示曲柄滑塊機構(gòu)，當滑塊主動時，P為驅(qū)動力，M1

為阻力矩，摩擦系數(shù)f

，

fV，軸頸r

均已知。求：機構(gòu)的自鎖范圍。解：分析2構(gòu)件：1構(gòu)件：PM11234w21w23R12R32w14h