机械的效率和自锁机械原理

第五章机械的效率和自锁1机械的效率2机械的自锁研究内容：第1讲机械的效率5.1.1机械效率的概念5.1.２机械效率的计算5.1.３机组效率的计算5.1.1机械效率的概念机械效率的概念及意义：(1)概念：机械效率𝜼机械损失率𝝃𝜂=𝑊𝑟𝑊𝑑摩擦损失是不可避免的，总有ξ0和η1；机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度。(2)意义:降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。机械效率的高低是机械中的一个主要性能指标。——机械的输出功(𝑊𝑟)与输入功(𝑊𝑑)之比——机械的损失功(𝑊𝑓)与输入功(𝑊𝑑)之比=1−𝑊𝑓𝑊𝑑=1−𝜉5.1.2机械效率的计算机械效率的计算：1)以功表示的计算公式𝜂=𝑊𝑟𝑊𝑑=1−𝑊𝑓𝑊𝑑2)以功率表示的计算公式𝜂=𝑃𝑟𝑃𝑑=1−𝑃𝑓𝑃𝑑3)以力或力矩表示的计算公式𝜂=𝐹0𝐹=𝑀0𝑀实际机械装置η𝐹0𝑣𝐹机械传动装置G𝑣𝐺𝜂=𝑃𝑟𝑃𝑑=𝐺𝑣𝐺𝐹𝑣𝐹𝜂0=𝐺𝑣𝐺𝐹0𝑣𝐹＝１即𝜂=理想驱动力实际驱动力=理想驱动力矩实际驱动力矩5.1.3机组的效率计算机组——由若干个机器组成的机械系统整机——由若干个机构组成的整台机器已知机组各机器的效率，便可计算该机组的总效率。1.串联机组1)功率传动特点：前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率。2)总机械效率：𝜂=𝑃𝑟𝑃𝑑=𝑃1𝑃𝑑𝑃2𝑃1…𝑃𝑘𝑃𝑘−1=𝜂1𝜂2…𝜂𝑛⋯12𝑘𝑃𝑑P1P2Pk-1𝑃𝑘串联机组模型结论：串联机组中任一机器效率很低，整个机械效率就会极低；且串联机器的数目越多，机械效率也越低。2.并联机组1)传动功率特点：机组的输入功率为各机器的输入功率之和，而输出功率为各机器的输出功率之和。2)总机械效率：𝜂=𝑃𝑟𝑖𝑃𝑑𝑖=𝑃1𝜂1+𝑃2𝜂2+⋯+𝑃𝑘𝜂𝑘𝑃1+𝑃2+⋯+𝑃𝑘η1η2ηkP1η1P1P2PkPdP２η２Pｋηｋ结论：并联机组的总效率与各机器的效率和传动功率大小均有关；其总效率主要取决于传动功率大的机器的效率；要提高并联机组的总效率，应着重提高传动功率大的路线的效率。并联机组模型5.1.3机组的效率计算3.混联混联机组的机械效率计算的步骤：1）将输入功至输出功的路线弄清楚；2）分别计算出总的输入功率𝑃𝑑和总的输出功率𝑃𝑟；3）按下式计算其总机械效率：𝜂=𝑃𝑟𝑃𝑑5.1.3机组的效率计算第2讲机械的自锁5.2.1什么是机械的自锁5.2.2机械自锁条件的确定5.2.3机械自锁条件的确定举例1.自锁概念——某些机械，就其结构而言是能够运动的，但由于摩擦的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。2.自锁意义设计机械时，要确保机械能实现预期的运动，而须避免在其所需运动方向发生自锁有些机械的工作需要具有自锁的特性。3.自锁条件机械发生自锁实质上是机械中的运动副发生了自锁。5.2.1什么是机械的自锁机械的自锁(1)移动副的自锁条件设驱动力𝑭（传动角𝛽）对滑块作用的有效分力即移动副发生自锁。移动副发生自锁的条件：作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角之内,即𝛽≤𝜑。5.2.1什么是机械的自锁𝐹𝑓𝑚𝑎𝑥=𝐹𝑛𝑡𝑎𝑛𝜑当𝛽≤𝜑时，总有𝐹𝑡≤𝐹𝑓𝑚𝑎𝑥𝐹𝑛（=𝐹cos𝛽）𝐹𝑡（=𝐹sin𝛽）和法向反力𝐹𝑛产生最大的摩擦力为(2)转动副的自锁条件设驱动力𝑭（其力臂长𝑎）对轴颈产生的力矩𝑀（=𝑎𝐹），当𝑭作用在摩擦圆之内时（即𝑎≤𝜌），则驱动力𝑭任意增大（𝑎丌变），也丌能使轴颈转动，即发生自锁。转动副发生自锁的条件：作用在轴颈上的驱动力为单𝐹，且作用于摩擦圆之内，即𝑎≤𝜌。1212FaρFR=F5.2.1什么是机械的自锁𝑀≤𝑀f=𝐹R𝜌=𝐹𝜌1.从生产阻力𝐺≤0的条件来确定阻抗力观点：当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，机械丌能运动，这时能克服的生产阻力𝐺≤0。𝐺≤0意味着只有阻抗力反向变为驱动力后，才能使机械运动。例手摇螺旋千斤顶千斤顶反行程：驱动力为𝑮，阻抗力矩为𝑴（𝑭′）千斤顶自锁要求：𝑀′≤0，即故其自锁条件：𝛼≤𝜑𝑉FG1233'45.2.2机械自锁条件的确定𝑀′=𝐺𝑑2tan(𝛼−𝜑𝑉)/2tan(𝛼−𝜑𝑉)≤02.从运动副发生自锁的条件来确定运动副观点：机械自锁实质就是其中的运动副发生了自锁。例手摇螺旋千斤顶当千斤顶的螺旋副𝛼≤𝜑𝑉时，其螺旋副将发生自锁，则千斤顶也必将发生自锁故其自锁条件：𝛼≤𝜑𝑉推论：运动副观点实质是摩擦力观点；G转动副（轴端）支座1螺杆2托盘3重物4螺母5螺旋副手把6F单自由度的机械系统，只要其中的一个运动副发生了自锁，该机械也就发生自锁；其机械的自锁条件就可从其中的某一运动副的自锁条件来确定。5.2.2机械自锁条件的确定推论：1)自锁机械——正行程可运动而反行程可自锁的机械。而𝐺是指自锁机械反（自锁）行程的生产阻力2)𝐺≤0表明机械反（自锁）行程的阻抗力的特征，当𝐺反号时则为其反行程的可动条件。3)只要已知机械反或正行程的受力关系，便据此法就可确定该机械的自锁条件。1.从生产阻力𝐺≤0的条件来确定5.2.2机械自锁条件的确定3.从效率η≤0的条件来确定机械效率观点：当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，它所作的𝑊𝑑总是丌足以克服其引起的最大损失功𝑊𝑓。此时该机械的效率𝜂=1−𝑊𝑓/𝑊𝑑≤0。此时，𝜂已丌再表示机械的效率，而是表示其自锁的可靠性。结论：当驱动力任意增大，恒有η≤0时，机械将发生自锁。例手摇螺旋千斤顶千斤顶反行程：𝜂′=𝐺0/G=tan(𝛼−𝜑𝑉)/tan𝛼令𝜂′≤0，则tan(𝛼−𝜑𝑉)≤0，故其自锁条件𝛼≤𝜑𝑉。5.2.2机械自锁条件的确定4.从机械自锁的定义出发来确定自锁定义观点：当生产阻力𝑮一定时，驱动力𝑭任意增大，即𝐹→∞；或驱动力𝑭的有效分力𝐹𝑡总是小于等于其本身所能引起的最大摩擦力𝐹𝑓max，即𝐹𝑡≤𝐹𝑓𝑚𝑎𝑥。这时，机械都将发生自锁。例手摇螺旋千斤顶千斤顶反行程：机械自锁定义：当生产阻力𝑀′一定，驱动力𝐺→∞时，则tan(𝛼−𝜑𝑉)=0，即𝛼=𝜑𝑉又因机械自锁时其摩擦力一方总是大于或等于驱动力一方，故其自锁条件：𝛼≤𝜑𝑉说明：机械的自锁具有方向性：一般机械反行程自锁，而正行程是可运动的。𝑀′/𝐺=𝑑2tan(𝛼−𝜑𝑉)/25.2.2机械自锁条件的确定上述从丌观点出发，分析给出了机械自锁条件确定的四种方法。其关键是先要搞清机械自锁的概念和发生条件；其次要根据具体情况，选用合适的确定方法。机械的自锁只是在一定的受力条件和受力方向下发生的，而在另外的情况下却是可动的。即机械自锁的方向性。自锁机械一般反行程自锁，而正行程是可动的。在设计机械时，因未能很好地考虑到机械的平衡问题，而导致失败的事例时有发生。小结：5.2.2机械自锁条件的确定例1斜面压榨机例2偏心夹具例3凸轮机构的推杆5.2.3机械自锁条件的确定举例