西北工大版机械原理课件第4章平面机构的力分析

第四章平面机构的力分析§4－1机构力分析的任务、目的与方法§4－2构件惯性力的确定§4－3运动副中摩擦力的确定§4－4机构力分析实例§4－1机构力分析的任务、目的与方法▲作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能的主要因素；▲是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。力分析的必要性：1.作用在机械上的力力的类型原动力生产阻力重力摩擦力介质阻力惯性力运动副反力按作用分为阻抗力驱动力有效阻力有害阻力驱动力----驱使机械运动，其方向与力的作用点速度之间的夹角为锐角，所作功为正功。阻抗力----阻碍机械运动，其方向与力的作用点速度之间的夹角为钝角，所作功为负功。有效(工作)阻力----机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或状态所受到的阻力，克服了阻力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等。有害(工作)阻力----机械运转过程受到的非生产阻力，克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量。如摩擦力、介质阻力等。▲确定运动副中的反力----为进一步研究构件强度、运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能等作准备。2.机构力分析的任务和目的▲确定机械平衡力（或力偶）---目的是已知生产负荷确定原动机的最小功率；或由原动机的功率来确定所能克服的最大生产阻力。反力----运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力平衡力----机械在已知外力作用下，为了使机械按给定的运动规律运动所必需添加的未知外力。3.机械力分析的方法图解法解析法机械力分析的理论依据：静力分析----适用于低速机械，惯性力可忽略不计；动态静力分析----适用于高速重型机械，惯性力往往比外力要大，不能忽略。一般情况下，需要对机械做动态静力分析时，可忽略重力和摩擦力，通常可满足工程要求。就是把惯性力当作一般外力作用于构件上，进行静力分析的方法。§4－2构件惯性力的确定1.一般的力学方法惯性力：FI=FI(mi,Jsi，asi,αi)惯性力偶：MI=MI(mi,Jsi，asi,αi)其中：mi----构件质量;Jsi----绕质心的转动惯量;asi----质心的加速度;αi----构件的角加速度。CBA321S3S1S2as2as1as3α2α1CBA321S3S1S2as2as1as3α2α1构件运动形式不同，惯性力的表达形式不一样。1)作平面复合运动的构件：FI2=-m2as2MI2=-Js2α22)作平移运动的构件FI3=-m3as33)绕定轴转动的构件合力：F’I2=FI2lh2=MI2/FI2一般情况：FI1=-m1as1MI1=-Js1α1合力：F’I1=FI1,lh1=MI1/FI1FI2MI2lh2lh1F’I2F’I1FI3FI1MI1若质心位于回转中心：MI1=-Js1α1CBA321S3S1S2as2as1as32.质量代换法一般力学方法的缺陷：▲质心位置难以精确测定；质量代换法的思路：将各构件的质量，按一定条件用集中于某些特定点的假想质量来替代，只需求集中质量的惯性力，而无需求惯性力偶矩。从而将问题简化。质量代换的条件：1）代换前后各构件质量不变；2）质心位置不变；3）对质心轴的转动惯量不变。▲求解各构件质心加速度较繁琐。BCmBmCS2CBA321m2S3S1S2代换质量的计算：若替换质量集中在B、K两点，则由三个条件分别得：mB+mk=m2四个未知量，只有三个方程，故:（b,k,mB,mk）可以先选定一个。例如选定b，则解得：bkmBb=mkkmBb2+mkk2=JS2k=JS2/(m2b)mB=m2k/(b+k)mk=m2b/(b+k)满足此三个条件称为动代换，代换前后构件的惯性力和惯性力偶矩不变。但K点位置不能任选。BKCmBmkS2CBA321m2S3S1S2为了计算方便，工程上常采用静代换，只满足前两个条件。mB+mk=m2此时可同时选定B、C两点作为质量代换点。则有：bckBKCmBmkmBb=mkkmBb2+mkk2=JS2mB=m2c/(b+c)mC=m2b/(b+c)BCS2S2因为不满足第三个条件，故构件的惯性力偶会产生一定误差，但不会超过允许值，所以这种简化处理方法为工程上所采用。健身增肌二次发育WeiXinTaoBao§4－3运动副中摩擦力的确定概述：摩擦产生源－运动副元素之间相对滑动。摩擦的缺点：优点：研究目的：发热↑效率↓磨损↑→强度↓→精度↓→寿命↓利用摩擦完成有用的工作。如摩擦传动（皮带、摩擦轮）、离合器(摩托车)、制动器（刹车）。减少不利影响，发挥其优点。→润滑恶化→卡死。低副－产生滑动摩擦力高副－滑动兼滚动摩擦力。运动副中摩擦的类型：v2121一、移动副的摩擦1.移动副中摩擦力的确定得：F21＝fN21G－铅垂载荷;GFF－水平力，N21N21－法向反力;F21F21－摩擦力。摩擦系数摩擦副材料静摩擦动摩擦无润滑剂有润滑剂无润滑剂有润滑剂钢－钢钢－铸铁钢－青铜铸铁－铸铁铸铁－青铜青铜－青铜橡皮－铸铁0.150.1~0.120.10.05~0.10.2~0.30.16~0.180.05~0.150.1~0.150.15~0.180.070.15~0.160.150.07~0.120.280.160.15~0.210.15~0.200.04~0.10.3~0.50.80.5皮革－铸铁或钢0.07~0.150.12~0.15G12F21＝fN21当材料确定之后，F21大小取决于法向反力N21而G一定时，N21的大小又取决于运动副元素的几何形状。槽面接触：N”21N’21F21=fN’21+fN”21平面接触：N’21=N”21=G/(2sinθ)GN21N21=－GF21=fN21=fGF21N’21+N”21=-GN’21Gθ=(f/sinθ)•G=fvGθθfv－称为当量摩擦系数N”21v2121FG12结论：不论何种运动副元素，有计算通式：矢量和：N21=Σ△N21理论分析和实验结果有：k=1~π/2F21=fN’21F21=fN21柱面接触：=-G代数和：N’21=Σ|△N21|=fkG=fvG=fvG=kG|N21|△N21N21同理，称fv为当量摩擦系数。非平面接触时，摩擦力增大了，为什么？是f增大了？原因：是由于N21分布不同而导致的。v2121GPN21F21应用：当需要增大滑动摩擦力时，可将接触面设计成槽面或柱面。如圆形皮带（缝纫机）、三角形皮带、螺栓联接中采用的三角形螺纹。对于三角带：θ＝18°2.移动副中总反力的确定总反力为法向反力与摩擦力的合成：FR21=N21+F21tanφ=F21/N21φ－摩擦角，φ方向:∠FR21V12＝(90°+φ)摩擦锥----以FR21为母线所作圆锥。结论：移动副中总反力恒切于摩擦锥。fv＝3.24f=fN21/N21=f不论P的方向如何改变，P与R两者始终在同一平面内θθFR21F’F’R2112Gα12Gαa)求使滑块沿斜面等速上行所需水平力Fb)求使滑块沿斜面等速下滑所需水平力F’作图作图若αφ，则F’为阻力;根据平衡条件：F+FR21+G=0大小：？方向：√得：F=Gtan(α+φ)Gα-φφ根据平衡条件：F’+F’R21+G=0若αφ，则F’方向相反，成为驱动力。得：F’=Gtan(α-φ)大小：？？√方向：√√√力分析实例：？√√√NF21nnFR21vFαGα+φFR21FNF21nnvF’F’R21φα二、螺旋副中的摩擦螺纹的牙型有：矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º螺纹的用途：传递动力或联接从摩擦的性质可分为：矩形螺纹和三角形螺纹螺纹的旋向：右旋左旋作者：潘存云教授1.矩形螺纹螺旋中的摩擦式中l－导程，z－螺纹头数，p－螺距螺旋副的摩擦转化为=斜面摩擦。拧紧时直接引用斜面摩擦的结论有：假定载荷集中在中径d2圆柱面内，展开πd2斜面其升角为：αtanαα螺纹的拧松－螺母在F和G的联合作用下，顺着G等速向下运动。v螺纹的拧紧－螺母在F和G的联合作用下，逆着G等速向上运动。v=l/πd2=zp/πd2)tan(GF从端面看d2Gd3d1lGFF－螺纹拧紧时必须施加在中径处的圆周力，所产生的拧紧所需力矩M为：拧松时直接引用斜面摩擦的结论有：)tan(2222GddFMF’－螺纹拧松时必须施加在中径处的圆周力，所产生的拧松所需力矩M’为：)tan('GF)tan(22''22GddFM若αφ，则M’为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；若αφ，则M’为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。Mfd2F作者：潘存云教授2.三角形螺纹螺旋中的摩擦矩形螺纹――忽略升角影响时，△N近似垂直向上,可得：引入当量摩擦系数:fv=f/cosβ三角形螺纹――∑△Ncosβ＝G，β－牙形半角∑△N＝G当量摩擦角:φv＝arctanfv∑△N＝G/cosβGββββ△N△NG△N△N摩擦力:Ｆf=∑△N.f＝f.G/cosβ21rN21)tan(22vGdM拧紧：)tan(2'2vGdM拧松：可直接引用矩形螺纹的结论：三、转动副中的摩擦1.轴径摩擦直接引用前面的结论有：产生的摩擦力矩为：轴轴径轴承ω12方向：与ω12相反。Mf根据平衡条件有：FR21＝-G,Md=－Mf=fkG=fvGMf=F21r=fvrG=Gρ=fN21rF21=fN21MdGFR21F2121ω12MfMd21rN21ω12MfMdGFR21F21GN21F21FR21ρρ当G的方向改变时，FR21的方向也跟着改变，以ρ作圆称为摩擦圆，ρ－摩擦圆半径。且FR21恒切于摩擦圆。分析：由ρ=fvr知，r↑→ρ↑→Mf↑对减小摩擦不利。但ρ不变。213ABC4FMr运动副总反力判定准则1.由力平衡条件，初步确定总反力方向（不考虑摩擦时）。2.对于转动副有：FR21恒切于摩擦圆。3.对于转动副有：Mf的方向与ω12相反于移动副有：FR21恒切于摩擦锥对于移动副有：∠FR21V12＝(90°+φ)ω14MrFω21例1：图示机构中，已知驱动力F和阻力Mr和摩擦圆半径ρ，画出各运动副总反力的作用线。ω23FR23FR21FR41v3490°+φFR43R12R32212r2RrR取环形面积:ds＝2πρdρ2.轴端摩擦在G的作用下产生摩擦力矩Mf(1)新轴端，p＝常数，则：摩擦力为：dF=fdN总摩擦力矩：摩擦力矩：dMf=ρdFdN=pdsfpdsMRrfRrfdpfM22)(/22rRGp设ds上的压强为p,正压力为：=ρfdN=ρfpds=fpds)(3233rRfp＝2233)(32rRrRfGRrdpf22GdρρωωMMf(2)磨合轴端磨合初期:p＝常数磨合结束：正压力分布规律为:pρ=常数RrfdfpM2RrpdsG内圈V↓→磨损快→p↓→磨损变慢结论：Mf=fG(R+r)/2pρ=常数,中心压强高，容易压溃，故做成中空状。)(22rRfp)(2rRp→磨损慢→p↑→磨损变快外圈V↑212r2RrRGdρρωωMMf21四、平面高副中的摩擦力的确定相对运动:滑动+滚动v12ω摩擦力:滑动摩擦力+滚动摩擦力∵滚动摩擦力滑动摩擦力∴可忽略滚动摩擦力总反力为法向反力与滑动摩擦力的合成：FR21=N21+F21F21FR21N21总反力的方向：∠R21V12＝(90°+φ)90°+φφ•如图：曲柄滑块机构三个位置，F为作用在滑块上的力，确定A、B处作用力的真实方向１、判断受拉还是受压2、判断ωA和ωB的方向3、大小相等、方向相反ωAωBωAωBωAωBφＦR31φＦR32φＦR21ＦR12§4-4不考虑摩擦时机构的受力分析不考虑摩擦时，机构动态静力分析的步骤为：1）求出各构件的惯性力，并把其视为外力加于产生该惯性力的构件上；2）根据静定条件将机构分解为若干个构件组和平衡力作用的构件；3）由距平衡力作用最远的构件组开始，对各构件组进行力分析；4）对平衡力作用的构件作力分析。假设已对机构作