機(jī)械原理力的分析.ppt

1、了解作用在機(jī)構(gòu)上的力及機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法； 掌握構(gòu)件慣性力的確定方法和機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的方法； 能對(duì)幾種最常見的運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力進(jìn)行分析和計(jì)算。,本章教學(xué)目的,第三章 平面機(jī)構(gòu)力分析,機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法 構(gòu)件慣性力的確定 運(yùn)動(dòng)副中的摩擦 不考慮摩擦和考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析,本章教學(xué)內(nèi)容,本章重點(diǎn)： 構(gòu)件慣性力的確定及質(zhì)量代換法 圖解法作平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析 考慮摩擦?xí)r平面機(jī)構(gòu)的力分析,本章難點(diǎn)： 機(jī)構(gòu)的平衡力（或平衡力矩）及構(gòu)件的質(zhì)量代換兩個(gè)概念。,一、作用在機(jī)械上的力,1. 按作用在機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)外分：,1） 外力：如原動(dòng)力、生產(chǎn)阻力、介質(zhì)阻力和重力；,2） 內(nèi)力：運(yùn)動(dòng)副中的反力（也

2、包括運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力和慣性力引起的附加動(dòng)壓力 ）,2、按作功的正負(fù)分：,1） 驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)使機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。,2） 阻抗力：阻止機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。,3-1 機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法,阻抗力又可分為有益阻力和有害阻力。,（1）有益阻力生產(chǎn)阻力（工作阻力），如切削力。,（2）有害阻力非生產(chǎn)阻力，如摩擦力、介質(zhì)阻力。,注意,摩擦力和重力既可作為作正功的驅(qū)動(dòng)力，也可成為作負(fù)功的阻力。,有效功（輸出功）：克服有效阻力所作的功。,損耗功（輸出功）：克服有害阻力所作的功。,1. 機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù),1）確定運(yùn)動(dòng)副中的反力及各構(gòu)件的受力；,2） 確定為了使機(jī)構(gòu)原動(dòng)件按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)需加于機(jī)械上的平衡力。,設(shè)計(jì)構(gòu)件

3、的尺寸、形狀、強(qiáng)度及整機(jī)效率等。,二、機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法,2. 機(jī)構(gòu)力分析的方法,具體方法：利用達(dá)朗伯原理。有圖解法和解析法。,3-2 構(gòu)件慣性力的確定,一、一般力學(xué)方法,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)件上的慣性力系可簡(jiǎn)化為：加于構(gòu)件質(zhì)心上S的慣性力FI和一個(gè)慣性力偶MI。,2. 作平面移動(dòng)的構(gòu)件,變速運(yùn)動(dòng)：,等速運(yùn)動(dòng)：,1）繞通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件,3. 繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件,2）繞不通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng),等速轉(zhuǎn)動(dòng)：,等速轉(zhuǎn)動(dòng)：產(chǎn)生離心慣性力,變速轉(zhuǎn)動(dòng)：,可以用總慣性力FI來代替FI和MI ，F(xiàn)I = FI，作用線由質(zhì)心S 偏移 lh,變速運(yùn)動(dòng)：只有慣性力偶,二、質(zhì)量代換法,

4、1. 質(zhì)量代換法,按一定條件，把構(gòu)件的質(zhì)量假想地用集中于某幾個(gè)選定的點(diǎn)上的集中質(zhì)量來代替的方法。,2. 代換點(diǎn)和代換質(zhì)量,代換點(diǎn)：上述的選定點(diǎn)。 代換質(zhì)量：集中于代換點(diǎn)上的假想質(zhì)量。,在確定構(gòu)件慣性力時(shí)，如用一般的力學(xué)方法，就需先求出構(gòu)件質(zhì)心的加速度和角加速度，如對(duì)一系列位置分析非常繁瑣，為簡(jiǎn)化，可采用質(zhì)量代換法。,2）代換前后構(gòu)件的質(zhì)心位置不變；,3）代換前后構(gòu)件對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變。,以原構(gòu)件的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，應(yīng)滿足：,3. 質(zhì)量代換條件,1）代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變；,動(dòng)代換：,用集中在通過構(gòu)件質(zhì)心S 的直線上的B、K 兩點(diǎn)的代換質(zhì)量mB 和 mK 來代換作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的質(zhì)量。,依據(jù)上

5、述原則，有,優(yōu)點(diǎn)：代換精確。 缺點(diǎn)：當(dāng)其中一個(gè)代換點(diǎn)確定之后，另一個(gè)代換點(diǎn)亦隨之確定，不能任意選取。工程計(jì)算不便。,代換后慣性力：,由加速度影像得：,代換后慣性力矩：,靜代換：,在一般工程計(jì)算中，為方便計(jì)算而進(jìn)行的僅滿足前兩個(gè)代換條件的質(zhì)量代換方法。取通過構(gòu)件質(zhì)心 S 的直線上的兩已知點(diǎn)B、C為代換點(diǎn)，有：,動(dòng)代換,優(yōu)點(diǎn)：B及C可同時(shí)任意選擇，為工程計(jì)算提供了方便和條件； 缺點(diǎn)：代換前后轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js有誤差，將產(chǎn)生慣性力偶矩的誤差。,這個(gè)誤差的影響，對(duì)于一般不是很精確的計(jì)算的情況是可以允許的，所以靜代換方法得到了較動(dòng)代換更為廣泛的應(yīng)用。,33 運(yùn)動(dòng)副中的摩擦,一、研究摩擦的目的,1. 摩擦對(duì)機(jī)

6、器的不利影響,1）造成機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力浪費(fèi) 機(jī)械效率,2）使運(yùn)動(dòng)副元素受到磨損零件的強(qiáng)度、機(jī)器的精度和工作可靠性 機(jī)器的使用壽命,3）使運(yùn)動(dòng)副元素發(fā)熱膨脹 導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副咬緊卡死機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活；,4）使機(jī)器的潤(rùn)滑情況惡化機(jī)器的磨損機(jī)器毀壞。,2. 摩擦的有用的方面：,有不少機(jī)器，是利用摩擦來工作的。如帶傳動(dòng)、摩擦離合器和制動(dòng)器等。,二、移動(dòng)副中的摩擦,1. 移動(dòng)副中摩擦力的確定,Ff21=f FN21,當(dāng)外載一定時(shí)，運(yùn)動(dòng)副兩元素間法向反力的大小與運(yùn)動(dòng)副兩元素的幾何形狀有關(guān)：,1）兩構(gòu)件沿單一平面接觸,FN21= -G,2）兩構(gòu)件沿一槽形角為2q 的槽面接觸,FN21sinq = -G,3）兩構(gòu)件沿

7、圓柱面接觸,FN21是沿整個(gè)接觸面各處反力FN21的總和。,（k 11.57）,v -當(dāng)量擦系數(shù),4）標(biāo)準(zhǔn)式,不論兩運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀如何，兩元素間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力均可用通式：,來計(jì)算。,設(shè)：,5）槽面接觸效應(yīng),因?yàn)?f v f ，所以在其它條件相同的情況下，槽面、圓柱面的摩擦力大于平面摩擦力。,2. 移動(dòng)副中總反力方向的確定,1）總反力和摩擦角,總反力FR21 ：法向反力FN21和摩擦力Ff21的合力。,摩擦角 ：總反力和法向反力之間的夾角。,或：,2）總反力的方向,FR21與移動(dòng)副兩元素接觸面的公法線偏斜一摩擦角； FR21與公法線偏斜的方向與構(gòu)件1相對(duì)于構(gòu)件2 的相對(duì)速度方向v12的方

8、向相反,3. 斜面滑塊驅(qū)動(dòng)力的確定,1）求使滑塊1沿斜面2等速上行時(shí)所需的水平驅(qū)動(dòng)力F正行程,根據(jù)力的平衡條件,如果，F(xiàn)為負(fù)值，成為驅(qū)動(dòng)力的一部分，作用為促使滑塊1沿斜面等速下滑。,2）求保持滑塊1沿斜面2等速下滑所需的水平力 F 反行程,根據(jù)力的平衡條件,注意,當(dāng)滑塊1下滑時(shí)，G為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)為阻抗力，其作用為阻止滑塊1 加速下滑。,將螺紋沿中徑d2 圓柱面展開，其螺紋將展成為一個(gè)斜面，該斜面的升角a等于螺旋在其中徑d2上的螺紋升角。,三、螺旋副中的摩擦,l-導(dǎo)程 z-螺紋頭數(shù) p-螺距,1. 矩形螺紋螺旋副中的摩擦,1）矩形螺紋螺旋副的簡(jiǎn)化,螺旋副可以化為斜面機(jī)構(gòu)進(jìn)行力分析。,2）擰緊和放松

9、力矩,擰緊螺母在力矩M作用下逆著G力等速向上運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于在滑塊2上加一水平力F，使滑塊2沿著斜面等速向上滑動(dòng)。,放松螺母順著G力的方向等速向下運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于滑塊 2 沿著斜面等速向下滑。,矩形螺紋：,三角形螺紋：,2. 三角形螺紋螺旋副中的摩擦,1） 三角形螺紋與矩形螺紋的異同點(diǎn),運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀不同在軸向載荷完全相同的情況下，兩者在運(yùn)動(dòng)副元素間的法向反力不同接觸面間產(chǎn)生的摩擦力不同。,螺母和螺旋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系完全相同兩者受力分析的方法一致。,2）當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角,3）擰緊和放松力矩,三角形螺紋宜用于聯(lián)接緊固；矩形螺紋宜用于傳遞動(dòng)力。,1. 軸頸摩擦,四、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦,軸頸軸放在軸

10、承中的部分,當(dāng)軸頸在軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副兩元素間產(chǎn)生的摩擦力將阻止軸頸相對(duì)于軸承運(yùn)動(dòng)。,總摩擦力：,對(duì)于新軸頸：壓力分布均勻，,對(duì)于跑合軸頸：點(diǎn)、線接觸，,用總反力FR21來表示FN21及Ff21,1）摩擦力矩和摩擦圓,摩擦力Ff21對(duì)軸頸形成的摩擦力矩,摩擦圓：以為半徑所作的圓。,由,由力平衡條件,2） 轉(zhuǎn)動(dòng)副中總反力FR21的確定,（1）根據(jù)力平衡條件，F(xiàn)R21G,（2）總反力FR21必切于摩擦圓。,（3）總反力FR21對(duì)軸頸軸心O之矩的方向必與軸頸1相對(duì)于軸承2的角速度 w12的方向相反。,注意,FR21是構(gòu)件2作用到構(gòu)件1上的力，是構(gòu)件1所受的力。 w12是構(gòu)件1相對(duì)于構(gòu)件2的角速度。 方向相反。,例 : 圖示為一四桿機(jī)構(gòu)，構(gòu)件1為主動(dòng)件，不計(jì)構(gòu)件的重量和慣性力。求轉(zhuǎn)動(dòng)副B及C中作用力的方向線的位置。,構(gòu)件2為二力構(gòu)件受拉狀態(tài),2. 軸端摩擦,環(huán)面正壓力,環(huán)面摩擦力,環(huán)形微面積上產(chǎn)生的摩擦力dFf對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的摩擦力矩dMf為:,軸端所受的總摩擦力矩Mf為,從軸端取環(huán)形微面積ds,并設(shè)ds上的壓強(qiáng)p為常數(shù)，則有,上式的求解可分兩種情況來討論：,（