平面机构的力分析.pptx
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1、机械原理机械原理14-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法1.1.作用在机械上的力作用在机械上的力(外力、惯性力、约束反力)(外力、惯性力、约束反力)3 3 重力重力 与作用点速度方向相反或成钝角的力;其功为与作用点速度方向相反或成钝角的力;其功为负功,称为阻抗功。负功,称为阻抗功。与作用点速度方向相同或成锐角的力;其功为与作用点速度方向相同或成锐角的力;其功为正功,称为驱动功或输入功。正功,称为驱动功或输入功。1 1 驱动力驱动力(一)外力(一)外力有效阻力有效阻力 其功为有效功或输出功其功为有效功或输出功(风扇空气阻力)(风扇空气阻力);有害阻力有害阻力 其功称为损
2、失功,其功称为损失功,有些摩擦力或介质阻力有些摩擦力或介质阻力。重心上升,作负功,为阻力;重心上升,作负功,为阻力;重心下降,作正功,为驱动力。重心下降,作正功,为驱动力。2 2 阻抗力阻抗力机械原理机械原理2(二)惯性力(二)惯性力 由构件作变速运动产生,其方向与加速度方向相反。由构件作变速运动产生,其方向与加速度方向相反。加速时,为阻力;减速时,为驱动力;加速时,为阻力;减速时,为驱动力;(三)约束反力(运动副反力)(三)约束反力(运动副反力)对整机是内力,对单个构件是外力。对整机是内力,对单个构件是外力。可分解为:可分解为:法向反力法向反力与接触面垂直与接触面垂直,不作功不作功;切向反力
3、切向反力为摩擦力,作功。为摩擦力,作功。*1.1.约束反力是在前两种力作用下产生的约束反力是在前两种力作用下产生的.2.2.由惯性力引起的部分称由惯性力引起的部分称 “附加动压力附加动压力”.机械原理机械原理32 2机构力分析的任务、目的机构力分析的任务、目的(1 1)确定运动副中的反力)确定运动副中的反力(2 2)确定平衡力及平衡力偶)确定平衡力及平衡力偶 是两运动副元素间正压力与摩擦力的合力;是两运动副元素间正压力与摩擦力的合力;是构件强度、刚度计算的需要是构件强度、刚度计算的需要,是研究摩擦、磨损、是研究摩擦、磨损、机械效率、运转的需要机械效率、运转的需要。使机构按给定运动规律运动需加在
4、机械上的外力使机构按给定运动规律运动需加在机械上的外力(矩矩).).设计新机械设计新机械-求主动力求主动力(矩矩),即根据生产负荷确定原,即根据生产负荷确定原动机的功率;动机的功率;合理使用现有机械合理使用现有机械-求工作阻力,即按原动机功率确求工作阻力,即按原动机功率确定能克服的最大生产负荷。定能克服的最大生产负荷。4-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法机械原理机械原理43.3.机构力分析的方法机构力分析的方法(1)(1)静力分析静力分析 即不计构件惯性力即不计构件惯性力(inertial force)的机构力分析的机构力分析 对于低速轻型机械,因其惯性力小,故常略
5、去不对于低速轻型机械,因其惯性力小,故常略去不计。此时只需对机械作静力分析。计。此时只需对机械作静力分析。(2)(2)动态静力分析动态静力分析 即将惯性力视为一般外力加于相应构件上,再按即将惯性力视为一般外力加于相应构件上,再按静力分析的方法进行分析。静力分析的方法进行分析。方法有图解法和解析法两种。方法有图解法和解析法两种。4-1 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法机械原理机械原理54-2 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定1 1一般力学方法一般力学方法(1)作平面复合运动的构件(如连杆)作平面复合运动的构件(如连杆2)加在质心加在质心S2上的惯性力:上的惯性力:
6、FI2m2aS2加在质心加在质心S2上的惯性力偶矩:上的惯性力偶矩:MI2JS22亦可简化为总惯性力亦可简化为总惯性力FI2 lh2MI2/FI2ABC1234AB1S1m1JS1BC2S2m2JS2C3S3m3FI2MI2lh2aS22FI2 原理原理-对于作平面复杂运动的构件,构件的惯性对于作平面复杂运动的构件,构件的惯性力可化为一个加在重心上的惯性力及一个惯性力可化为一个加在重心上的惯性力及一个惯性力偶:力偶:MS2(FI2)与2方向相反。机械原理机械原理6(2)作平面移动的构件(如滑块)作平面移动的构件(如滑块3)作变速移动时,则作变速移动时,则FI3 m3aS3(3)绕定轴转动的构件
7、(如曲柄)绕定轴转动的构件(如曲柄1)若曲柄轴线不通过质心,则若曲柄轴线不通过质心,则FI1m1aS1MI1JS11若其轴线通过质心,则若其轴线通过质心,则MI1JS11FI3 aS3C3AB1aS1S11FI1MI1质量代换法质量代换法(自学自学)4-2 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定机械原理机械原理7 是指设想把构件的质量按一定条件集中于构件上是指设想把构件的质量按一定条件集中于构件上某几个选定点上的假象集中质量来代替的方法。某几个选定点上的假象集中质量来代替的方法。2 2质量代换法质量代换法质量代换法质量代换法假想的集中质量称为假想的集中质量称为代换质量代换质量;代换质量所在的
8、位置称为代换质量所在的位置称为代换点代换点。(1)质量代换的参数条件)质量代换的参数条件 代换前后构件的质量不变;代换前后构件的质量不变;代换前后构件的质心位置不变;代换前后构件的质心位置不变;代换前后构件对质心轴的转动惯量不变。代换前后构件对质心轴的转动惯量不变。这样便只需求各这样便只需求各集中质量的惯性力,而无需求惯性力偶矩,集中质量的惯性力,而无需求惯性力偶矩,从而使构件惯性力的从而使构件惯性力的确定简化。确定简化。(2)质量动代换)质量动代换即同时满足上述三个条件的质量代换称为即同时满足上述三个条件的质量代换称为动代换动代换。机械原理机械原理8 如连杆如连杆BC的分布质量可用集中在的分
9、布质量可用集中在B、K两点的集中质量两点的集中质量mB、mK来代换。来代换。mB+mK m2mB b mK kmB b2mK k2JS 2 在工程中,一般选定在工程中,一般选定代换点代换点B的位置,则的位置,则k JS 2/(m2b)mB m2k/(b+k)ABC123S1S2S3m2KbckmkmBmK m2b/(b+k)代换后构件惯性力及惯性力偶矩不改变。代换后构件惯性力及惯性力偶矩不改变。代换点代换点K的位置不能随意选择,给工程计算带来不便。的位置不能随意选择,给工程计算带来不便。动代换动代换:优点优点:缺点缺点:BCS2m2质量不变质量不变质心位置不变质心位置不变转动惯量不变转动惯量不
10、变机械原理机械原理9 构件的惯性力偶会产生一定的误差,但一般工程是构件的惯性力偶会产生一定的误差,但一般工程是可接受的。可接受的。(3)质量静代换)质量静代换只满足前两个条件的质量代换称为只满足前两个条件的质量代换称为静代换静代换。如连杆如连杆BC的分布质量可用的分布质量可用B、C两点集中质量两点集中质量mB、mC代换,则代换,则mBm2c/(b+c)mCm2b/(b+c)静代换静代换:优缺点优缺点:ABC123S1S2S3m2BCS2m2mBmC两个代换点的位置可两个代换点的位置可以任选以任选机械原理机械原理10 4-4 4-4 不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析一一.平面机构
11、静定的条件平面机构静定的条件 在不考虑摩擦时,平面运动副中反力作用线的方向及大在不考虑摩擦时,平面运动副中反力作用线的方向及大小未知要素如下:小未知要素如下:转动副转动副 通过转动副中心,通过转动副中心,大小及方向未知;大小及方向未知;移动副移动副 沿导路法线方向,沿导路法线方向,作用点的位置及大小未知作用点的位置及大小未知;平面高副平面高副沿高副两元素接触点的公法线上,仅沿高副两元素接触点的公法线上,仅大小未知大小未知。机械原理机械原理11设由设由n个构件和个构件和 pl个低副和个低副和ph个高副组成的构件组,个高副组成的构件组,则此构件组的静定条件为则此构件组的静定条件为 4-4 4-4
12、不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析一一.平面机构静定的条件平面机构静定的条件平衡方程数平衡方程数 =待求力要素的个数待求力要素的个数1.1.平衡方程数平衡方程数平衡方程数平衡方程数 =3n 2.2.待求力要素的个数待求力要素的个数1)1)每一低副有每一低副有 2 2 个个待求力要素待求力要素2)2)每一高副有每一高副有 1 1 个个待求力要素待求力要素3)3)平衡力的个数平衡力的个数 m m3.3.静定条件静定条件机械原理机械原理12二二.不考虑摩擦时力分析实例不考虑摩擦时力分析实例(解析法解析法)4-3 4-3 不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析游梁式抽油机游梁式
13、抽油机机械原理机械原理13机械原理机械原理14满足静定条件满足静定条件机械原理机械原理159 9个待求未知力为个待求未知力为:机械原理机械原理161.对杆对杆12.对杆对杆2(1)(2)(3)(4)(5)(6)机械原理机械原理173.对杆对杆3(9)(8)(7)机械原理机械原理18由上述方程可解出由上述方程可解出:机械原理机械原理194-4 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定摩擦摩擦 是影响机器工作性能的重要物理现象。是影响机器工作性能的重要物理现象。摩擦导致:摩擦导致:1.1.磨损磨损 零件强度下降零件强度下降 寿命下降寿命下降 运动副间隙增大运动副间隙增大 传动传动精度下降精度下降
14、2.2.机械效率降低机械效率降低 3.3.发热发热 运动副间隙变小运动副间隙变小 卡死卡死措施:措施:滚动代替滑动、选用优质润滑油、选用耐磨材料滚动代替滑动、选用优质润滑油、选用耐磨材料 应用应用:皮带传动、摩擦轮皮带传动、摩擦轮传动、传动、摩擦离合器、制动器、夹具摩擦离合器、制动器、夹具摩擦摩擦 是通过运动副对整个机器工作性能发生影响的是通过运动副对整个机器工作性能发生影响的机械原理机械原理204-4 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定(1 1)摩擦力的确定)摩擦力的确定 移动副中滑块在力移动副中滑块在力F 的作用下右移时的作用下右移时,所受的摩擦力为所受的摩擦力为Ff21=f FN2
15、1式中式中 f 为为 摩擦系数。摩擦系数。FN21 的大小与摩擦面的几何形状有关:的大小与摩擦面的几何形状有关:1 1)平面接触平面接触:FN21=G ,2 2)槽面接触槽面接触:FN21=G/sin 1 1移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定1 12 2G GF FN21N21GFN21GFN212FN212Fv12*在相同载荷及摩擦系数情况下在相同载荷及摩擦系数情况下,槽面摩擦大于平面摩擦槽面摩擦大于平面摩擦.机械原理机械原理213 3)半圆柱面接触半圆柱面接触:FN21=k G,(,(k=1/2)摩擦力计算的通式摩擦力计算的通式:FN21=f NN21=fvG 其中其中,fv 称为称
16、为当量摩擦系数当量摩擦系数,其取值为其取值为:平面接触平面接触:fv=f;槽面接触槽面接触:fv=f/sin;半圆柱面接触半圆柱面接触:fv=k f,(,(k=1/2)。)。说明说明 引入当量摩擦系数之后引入当量摩擦系数之后,使不同接触形状的移动副中使不同接触形状的移动副中的摩擦力计算和大小比较大为简化。的摩擦力计算和大小比较大为简化。因而这也是工程中简化处因而这也是工程中简化处 理问题的一种重要方法。理问题的一种重要方法。G G当量摩擦角当量摩擦角机械原理机械原理22 例例1.1.图示机床滑板的运动方向垂直于纸面。经测定图示机床滑板的运动方向垂直于纸面。经测定接触面间的滑动摩擦系数为接触面间
17、的滑动摩擦系数为f=0.1f=0.1。试求滑板的当量摩。试求滑板的当量摩擦系数擦系数fv的大小。的大小。解:首先画出机床滑板接触面间解:首先画出机床滑板接触面间所受法向反力图。所受法向反力图。然后由平面力系平衡条件可然后由平面力系平衡条件可列出三个力平衡方程式列出三个力平衡方程式ll写出总摩擦力关系式写出总摩擦力关系式当量摩擦系数当量摩擦系数机械原理机械原理23 称为称为摩擦角摩擦角,(2 2)总反力方向的确定)总反力方向的确定 运动副中的法向反力与摩擦力运动副中的法向反力与摩擦力的合力的合力FR21 称为称为运动副中的总反力运动副中的总反力,总反力与法向力之间的夹角总反力与法向力之间的夹角,
18、即即 arctan f总反力方向的确定方法:总反力方向的确定方法:1 1)FR21偏斜于法向反力的角度摩擦角偏斜于法向反力的角度摩擦角 ;2 2)FR21偏斜的方向应与相对速度偏斜的方向应与相对速度v v1212的方向相反。的方向相反。拧紧:拧紧:M Gd2tan(+v)放松:放松:MGd2tan(-v)正行程:正行程:F G tan(+)反行程:反行程:F G tan(-)FR21Ff21FN21FGv1212例例4-1 4-1 斜面机构斜面机构例例4-2 4-2 螺旋机构螺旋机构机械原理机械原理24斜斜面面机机构构机械原理机械原理25螺螺旋旋机机构构机械原理机械原理262 2转动副中摩擦力
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