机械原理-第四章-平面机构的力分析课件.ppt

1、第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法构件惯性力的确定构件惯性力的确定运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定不考虑摩擦时机构的受力分析不考虑摩擦时机构的受力分析本章教学内容本章教学内容一、作用在机械上的力一、作用在机械上的力按按作功的正负作功的正负分：分：1）驱动力：驱动力：驱使机械产生运动的力。驱使机械产生运动的力。2）阻抗力：阻抗力：阻止机械产生运动的力。阻止机械产生运动的力。90VF,特征特征：（M，同向或成锐角同向或成锐角），作），作正功。正功。称驱动功或输入功。称驱动功或输入功。90VF,特征特征：（M，反向或成钝角反向或成钝角）

2、，作），作负功。负功。4-1 4-1 机构力分析的目的和方法机构力分析的目的和方法v阻抗力又可分为有效阻抗力和有害阻力。阻抗力又可分为有效阻抗力和有害阻力。（1）有效阻抗阻力有效阻抗阻力生产阻力（工作阻力），如切削力。生产阻力（工作阻力），如切削力。（2）有害阻力有害阻力非生产阻力，如摩擦力、介质阻力。非生产阻力，如摩擦力、介质阻力。注意注意摩擦力摩擦力和和重力重力既可作为既可作为作正功的作正功的驱动力驱动力，也可成为，也可成为作负功的作负功的阻力阻力。有效功（输出功）有效功（输出功）：克服有效阻力所作的功。：克服有效阻力所作的功。损耗功（输出功）损耗功（输出功）：克服有害阻力所作的功。：克服

3、有害阻力所作的功。1.机构力分析的任务机构力分析的任务1）确定运动副中的反力及各构件的受力；）确定运动副中的反力及各构件的受力；2）确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机械上的平衡力。械上的平衡力。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。设计构件的尺寸、形状、强度及整机效率等。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确定机构所能克服的最大阻确定机构所能克服的最大阻力（即机器的工作能力）。力（即机器的工作能力）。驱动力驱动力阻抗力阻抗力确定原动机的功率。确定原动机的功率。二、机构力分析的目的和方法二、机构力分析的目的和方法2.机构力分析的方法机构力分析的方法具体

4、方法：图解法和解析法具体方法：图解法和解析法。静力分析静力分析(static force analysis)用于用于低速，惯性力的影响不大，常略去。低速，惯性力的影响不大，常略去。动态静力分析动态静力分析(dynamic force analysis)用于用于高速，重载，惯性力很大高速，重载，惯性力很大。4-2 4-2 构件惯性力的确定构件惯性力的确定一、一、一般力学方法一般力学方法1.作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件v作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件2 2上的惯性力系可简化为：上的惯性力系可简化为：加于构件质心上加于构件质心上S2的的惯性力惯性力FI2和一个和一个惯性力偶矩惯

5、性力偶矩MI2。222222SISIJMamF绕绕质心的转动惯量质心的转动惯量用一个力简化之用一个力简化之222222222SSIIhSIamJFMlamF2.作平面移动的构件作平面移动的构件v变速运动：变速运动：v等速运动：等速运动：0;0IIMF0;333ISIMamF1 1）绕）绕通过质心的定轴通过质心的定轴转动的构件转动的构件3.绕定轴转动的构件绕定轴转动的构件1111;0sSIIJFM2 2）绕）绕不通过质心的定轴不通过质心的定轴转动转动v等速转动：等速转动：v等速转动：只等速转动：只产生离心惯性力产生离心惯性力v变速转动：变速转动：可以用总惯性力可以用总惯性力FI1来代替来代替FI

6、1和和MI1，FI1=FI1，作用线，作用线由质心由质心S 偏移偏移 lh1111IIhFMl0;0IIMF0;11ISIMamF11111;SISIJMamFv变速运动：变速运动：只有惯性力偶矩只有惯性力偶矩二、二、质量代换法质量代换法1.1.质量代换法质量代换法 按一定条件，按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个把构件的质量假想地用集中于某几个上的上的来代替的方法。来代替的方法。2.2.代换点和代换质量代换点和代换质量v代换点：代换点：上述的选定点。上述的选定点。v代换质量：代换质量：集中于代换点上的假想质量。集中于代换点上的假想质量。在确定构件惯性力时，如用一般的力学方法，就需在确

7、定构件惯性力时，如用一般的力学方法，就需先求出先求出构件质心的加速度和角加速度构件质心的加速度和角加速度，如对一系列位置分析非常繁琐，如对一系列位置分析非常繁琐，为简化，可采用质量代换法。为简化，可采用质量代换法。2）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；3）代换前后构件对质心的转动惯量不变。代换前后构件对质心的转动惯量不变。0011iniiiniiymxm siiniiJyxm 221v以原构件的质心为坐标原点时，应满足：以原构件的质心为坐标原点时，应满足：3.3.质量代换条件（质量代换条件（保证代换前后的惯性力和惯性力偶矩不变保证代换前后的惯性力和惯性力偶矩不变）mmni

8、i11）代换前后构件的质代换前后构件的质量不变；量不变；静静代代换换动动代代换换BCbcSu动代换：动代换：用集中在用集中在通过构件质心通过构件质心S 的直线的直线上的上的B、K 两点的代换两点的代换质量质量mB 和和 mK 来代换作平面来代换作平面运动的构件的质量。运动的构件的质量。BCbSkKmBmk sKBkBKBJkmbmkmbmmmm22 mbJkkbmbmkbmkmskB依据上述原则，有依据上述原则，有优点：优点：代换精确。代换精确。缺点：缺点：当其中一个代换点确定之后，另一个代换点亦随之确定，不能任意当其中一个代换点确定之后，另一个代换点亦随之确定，不能任意选取。工程计算不便。选

9、取。工程计算不便。代换后惯性力：代换后惯性力：KBBKBBBKBKKBBKBIakbbamaakbbakbkmakbbakbkmamamFFF 由加速度影像得：SBKBKBSBaakbbkbbaa?ISSBBIFamaamF代换后惯性力矩：代换后惯性力矩：?ISKBKBKKBBIMJmkbkbkbbkmaakbbkmakbbkakbbkmkambamMaSBakBBCbSkKmBmkBCbScBCbcSu静代换：静代换：在一般工程计算中，为在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足前方便计算而进行的仅满足前两个代换条件的质量代换方两个代换条件的质量代换方法。取通过构件质心法。取通过构件质心 S

10、 的直的直线上的两线上的两已知点已知点B、C为代换为代换点，有：点，有：BCbSkKmBmk cmbmmmmCBCB cbbmmcbcmmCB动代换动代换mCmB静代换静代换优点：优点：B及及C可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；缺点：缺点：代换前后转动惯量代换前后转动惯量 Js有误差，将产生惯性力偶矩的误差。有误差，将产生惯性力偶矩的误差。ssCBIJmbcJcmbmM 22适用于角加速适用于角加速度较小的场合。度较小的场合。这个误差的影响，对于一般不这个误差的影响，对于一般不是很精确的计算的情况是可以是很精确的计算的情况是可以允许的，所以

11、静代换方法得到允许的，所以静代换方法得到了较动代换更为广泛的应用。了较动代换更为广泛的应用。43 43 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定一、一、研究摩擦的目的研究摩擦的目的1.摩擦对机器的不利影响摩擦对机器的不利影响1 1）造成机器运转时的动力浪费）造成机器运转时的动力浪费 机械效率机械效率 2 2）使运动副元素受到磨损）使运动副元素受到磨损零件的强度零件的强度、机器的精度、机器的精度和工作可靠性和工作可靠性 机器的使用寿命机器的使用寿命 3 3）使运动副元素发热膨胀使运动副元素发热膨胀 导致运动副咬紧卡死导致运动副咬紧卡死机机器运转不灵活；器运转不灵活；4 4）使机器的润滑情况恶化使

12、机器的润滑情况恶化机器的磨损机器的磨损 机器毁坏。机器毁坏。2.摩擦的有用的方面：摩擦的有用的方面：有不少机器，是利用摩擦来工作的。有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦离如带传动、摩擦离合器和制动器等合器和制动器等。二、移动副中的摩擦二、移动副中的摩擦1.1.移动副中摩擦力的确定移动副中摩擦力的确定Ff21=f FN21v当外载一定时，运动副两元素间法向反力当外载一定时，运动副两元素间法向反力的大小与运动副两元素的几何形状有关：的大小与运动副两元素的几何形状有关：1 1）两构件沿单一平面接触两构件沿单一平面接触 FN21=-GFf21=f FN21=f G2）两构件沿一槽形角为两构件

13、沿一槽形角为2q q 的槽面接触的槽面接触FN21sinq q=-GGfGffFFNfq qq qsinsin2121 GffFFvNf 2121vff q qsin令令V1212GFFN21Ff2112q qq qGFN21/2FN21/23）两构件沿圆柱面接触两构件沿圆柱面接触FN21是沿整个接触面各处反力是沿整个接触面各处反力 FN21的总和的总和。（k 11.57）GfFvf 21kfGfFFNf 2121vfkf 令令GffFFvNf 2121v-当量擦系数当量擦系数4 4）标准式标准式 不论两运动副元素的几何形状如何，两元素间产生的滑动摩不论两运动副元素的几何形状如何，两元素间产生

14、的滑动摩擦力均可用通式擦力均可用通式：来计算。来计算。12GFN21kGdGgdFFNN q qq q 002121)(q q dFFNN 02121q q FN21设：设：)(21GgFN 5 5）槽面接触效应槽面接触效应因为因为 f v f ，所以在所以在其它条件相同的情况下其它条件相同的情况下，槽面、圆柱槽面、圆柱面的摩擦力大于平面摩擦力面的摩擦力大于平面摩擦力。2.2.移动副中总反力方向的确定移动副中总反力方向的确定1 1）总反力和摩擦角总反力和摩擦角v总反力总反力FR21：法向反力法向反力FN21和摩擦力和摩擦力Ff21的合力。的合力。v摩擦角摩擦角 ：总反力和法向反力之间的夹角。：

15、总反力和法向反力之间的夹角。fFFfFFtgNNNf 21212121 V1212GFFN21Ff21 FR21或：或：ftg1 2 2）总反力的方向总反力的方向vFR21与与移动副两元素接触面的公法线偏移动副两元素接触面的公法线偏斜一摩擦角斜一摩擦角；vFR21与法向反力偏斜的方向与构件与法向反力偏斜的方向与构件1相相对于构件对于构件2 的相对速度方向的相对速度方向v12的的方向相方向相反反 90,jiijRVF)(tgGF3.3.斜面滑块驱动力的确定斜面滑块驱动力的确定 1）求使滑块）求使滑块1沿斜面沿斜面2等速等速上行时所需的水平驱动上行时所需的水平驱动力力F正行程正行程根据力的平衡条件

16、根据力的平衡条件021GFFRV1212GFFN21Ff2190+FR21V1212FFN21Ff21 FR21 GFFR21+G 如果如果，F为负值，成为驱动力的一部分，作用为促为负值，成为驱动力的一部分，作用为促使滑块使滑块1沿斜面等速下滑。沿斜面等速下滑。2）求保持滑块）求保持滑块1 1沿斜面沿斜面2 2等速下滑等速下滑所需的水平力所需的水平力 F 反行程反行程根据力的平衡条件根据力的平衡条件注意注意 当滑块当滑块1下滑时，下滑时，G为驱动力，为驱动力，F为阻抗力，其作用为为阻抗力，其作用为阻止滑块阻止滑块1 加速下滑。加速下滑。V1212FFN21Ff21 FR21 GFFR21-G0

17、21 GFFR)(tgGFv 将螺纹沿中径将螺纹沿中径d2 圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜面，该斜面圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜面，该斜面的升角的升角 等于螺旋在其中径等于螺旋在其中径d2上的螺纹升角上的螺纹升角。22dzpdltg 三、螺旋副中的摩擦三、螺旋副中的摩擦l-导程导程z-螺纹头数螺纹头数 p-螺距螺距1.矩形螺纹螺旋副中的摩擦矩形螺纹螺旋副中的摩擦1 1）矩形螺纹螺旋副的简化）矩形螺纹螺旋副的简化v 螺旋副可以化为斜面机构进行力分析螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。12G/2G/2)(tgGF)(2222 tgGddFM2 2）拧紧和放松力矩拧紧和放松力矩v拧紧拧紧螺母在力

18、矩螺母在力矩M作用下作用下逆着逆着G力等速向上运动力等速向上运动，相当于在相当于在滑块滑块2 2上加上加一水平力一水平力F，使滑块使滑块2 2沿着斜面等速向上滑动沿着斜面等速向上滑动。v 放松放松螺母螺母顺着顺着G力的方向等力的方向等速向下运动，相速向下运动，相当于滑块当于滑块 2 2 沿着沿着斜面等速向下滑斜面等速向下滑。)(tgGF12G/2G/2当)000同驱动力（与运动方向相时，时，反）阻力矩（与运动方向相时，MMM)(2222 tgGddFM矩形螺纹：矩形螺纹：GFN 三角形螺纹：三角形螺纹：cosGFN 2.三角形螺纹螺旋副中的摩擦三角形螺纹螺旋副中的摩擦 1 1）三角形螺纹与矩形

19、螺纹的异同点三角形螺纹与矩形螺纹的异同点v运动副元素的几何形状不同运动副元素的几何形状不同在轴向载荷完全相同的情在轴向载荷完全相同的情况下，两者在运动副元素间的法向反力不同况下，两者在运动副元素间的法向反力不同接触面间产接触面间产生的摩擦力不同。生的摩擦力不同。v螺母和螺旋的相对运动关系完全螺母和螺旋的相对运动关系完全相同相同两者受力分析的方法一致。两者受力分析的方法一致。GFN FN GFNcos2 2）当量摩擦系数和当量摩擦角）当量摩擦系数和当量摩擦角 cosffv vvfarctg 3 3）拧紧和放松力矩）拧紧和放松力矩)(2222vtgGddFM )(2222vtgGddFM GfGf

20、FfFNf coscos 三角形螺纹宜用于联接紧固；矩形螺纹宜用于传递动力。三角形螺纹宜用于联接紧固；矩形螺纹宜用于传递动力。ffvMMffv cosffvGFN FN 当量摩擦系数当量摩擦系数当量摩擦角当量摩擦角1.轴颈摩擦轴颈摩擦四、转动副中的摩擦四、转动副中的摩擦轴颈轴颈轴放在轴承中的部分轴放在轴承中的部分当轴当轴颈颈在轴在轴承承中转动时，转动副两元素中转动时，转动副两元素间产生的摩擦力将阻止轴间产生的摩擦力将阻止轴颈颈相对于轴承运动。相对于轴承运动。2Md 121rOG总摩擦力：总摩擦力：FN21 Ff21GfFfFfFFvNNff 02102102121对于新轴颈：压力分布均匀，对于

21、新轴颈：压力分布均匀，fffv57.12 对于跑合轴颈：点、线接触，对于跑合轴颈：点、线接触，ffv 2Md 121rOG FR21FN21Ff21用总反力用总反力FR21来表示来表示FN21及及Ff211 1）摩擦力矩和摩擦圆）摩擦力矩和摩擦圆摩擦力摩擦力Ff21对轴颈形成的摩擦力矩对轴颈形成的摩擦力矩 2121RRvvfFrFfGrfM rfFMvRf 21 摩擦圆摩擦圆：以：以 为半径所作的圆。为半径所作的圆。GrfrFMvff 21由由 fRdRMFMGF 2121由力平衡条件由力平衡条件2 2）转动副中总反力转动副中总反力FR21的确定的确定（1 1）根据力平衡条件，根据力平衡条件，

22、FR21G（2 2）总反力总反力FR21必切于摩擦圆。必切于摩擦圆。（3 3）总反力总反力FR21对轴颈轴心对轴颈轴心O之之矩的方向必与轴颈矩的方向必与轴颈1相对于轴承相对于轴承2的角速度的角速度 1212的方向的方向相反相反。注意注意2Md 121rOG FR21FN21Ff21 FR21是构件是构件2作用到构件作用到构件1上的力，是构件上的力，是构件1所受的力。所受的力。12是构件是构件1相对于构件相对于构件2的角速度。的角速度。方向相反。方向相反。1221 ROFM例例:图示为一四杆机构，构件图示为一四杆机构，构件1 1为主动件，为主动件，不计构件的重量和惯不计构件的重量和惯性力。性力。

23、求转动副求转动副B B及及C C中作用力的方向线的位置。中作用力的方向线的位置。构件构件2 2为二力构件为二力构件受拉状态受拉状态M1 1BCDA1234 21 23 FR12 FR322.轴端摩擦轴端摩擦环面正压力环面正压力环面摩擦力环面摩擦力环形微面积上产生的摩擦力环形微面积上产生的摩擦力dFf对回转轴线的摩擦力矩对回转轴线的摩擦力矩dMf为为:轴端所受的总摩擦力矩轴端所受的总摩擦力矩Mf为为 RrRrfdpfdsfpM 2222 dds2 dfpdfpdsfpdFdMff 222G 从从轴端取环形微面积轴端取环形微面积ds并设并设ds上上的压强的压强p为常数，则有为常数，则有pdsdFN

24、 dspfdFfdFNf RrRrfdpfdsfpM 2222上式的求解可分两种情况来讨论：上式的求解可分两种情况来讨论：（1）新轴端新轴端假定整个轴端接触面上的压强假定整个轴端接触面上的压强p处处相等，处处相等，即即p=常数，则常数，则 RrfrRfpdsfpM332322 ）22(/rRGp 222rRfpdfpMRrf ）rRPdspGRr (2 2233/32rRrRfGMf （2）跑合轴端跑合轴端整个轴端接触面上的压强整个轴端接触面上的压强p已不再处处相等，已不再处处相等，而满足而满足p =常数，则常数，则 2/rRfGMf 五、高副中的摩擦五、高副中的摩擦12 12Ff21FN21

25、FR21 12V12FN21FR21 Ff21对于纯滑动状态：对于纯滑动状态：总反力的分析方法同平面移动副；总反力的分析方法同平面移动副；对于纯滚动状态：对于纯滚动状态：总反力分析见下图。总反力分析见下图。纯滑动状态纯滑动状态纯滚动状态纯滚动状态小结小结移动副中移动副中的 摩 擦的 摩 擦GffFFvNfijij 90,jiijRVF转动副中转动副中的 摩 擦的 摩 擦rfv 2233/32rRrRfGMf 2/rRfGMf 移动副中的摩擦力移动副中的摩擦力移动副中总反力方向移动副中总反力方向斜面滑块驱动力的确定斜面滑块驱动力的确定轴颈摩擦轴颈摩擦轴端摩擦轴端摩擦摩擦力矩摩擦力矩摩擦圆摩擦圆

26、21RfFM 方向相反方向相反1221 ROFM新轴端新轴端跑合轴端跑合轴端总反力总反力FR21切于切于摩擦圆摩擦圆4-4 不计摩擦时机构的受力分析不计摩擦时机构的受力分析根据机构所受根据机构所受已知外力已知外力（包括惯性力）来确定（包括惯性力）来确定运动副中的反运动副中的反力力和需加于该机构上的和需加于该机构上的平衡力平衡力。由于运动副反力对机构来说是内。由于运动副反力对机构来说是内力，必须将机构分解为若干个杆组，然后依次分析。力，必须将机构分解为若干个杆组，然后依次分析。平衡力（矩）平衡力（矩）与作用于机构构件上的已知外力和惯性力与作用于机构构件上的已知外力和惯性力相平衡的未知外力（矩）相

27、平衡的未知外力（矩）已知生产阻力已知生产阻力平衡力（矩）平衡力（矩）求解保证原动件按预定运动规律运动时所需要的驱动力（矩）求解保证原动件按预定运动规律运动时所需要的驱动力（矩）已知驱动力（矩）已知驱动力（矩）平衡力（矩）平衡力（矩）求解机构所能克服的生产阻力求解机构所能克服的生产阻力一一.构件组的静定条件构件组的静定条件该构件组所能列出的该构件组所能列出的独立的独立的力平衡方程式的数目，力平衡方程式的数目，应等于构件组中所有力的未知要素的数目。应等于构件组中所有力的未知要素的数目。独立的力平衡方程式的数目独立的力平衡方程式的数目=所有力的未知要素的数目。所有力的未知要素的数目。1.1.运动副中

28、反力的未知要素运动副中反力的未知要素1）转动副）转动副OFR方向方向？大小大小？作用点作用点转动副中心转动副中心RF（2个）个）FRK2）移动副）移动副方向方向垂直移动导路垂直移动导路大小大小？作用点作用点？RFFRCnn3）平面高副）平面高副方向方向公法线公法线大小大小？作用点作用点接触点接触点RF（1个）个）（2个）个）2.2.构件组的静定条件构件组的静定条件 3n=2Pl+Ph 而当构件组仅有低副时，则为：而当构件组仅有低副时，则为：3n=2Pl设某构件组共有设某构件组共有n个构件、个构件、pl个低副、个低副、ph个高副个高副一一个构件可以列出个构件可以列出3个个独立的独立的力平衡方程，

29、力平衡方程，n个构件共有个构件共有3n个力平衡方程个力平衡方程 一一个平面低副引入个平面低副引入2个力的未知数，个力的未知数，pl个低副共引入个低副共引入2pl个力个力的未知数的未知数一一个平面高副引入个平面高副引入1个力的未知数，个力的未知数，ph个低副共引入个低副共引入 ph个力个力的未知数的未知数 构件组的静定条件构件组的静定条件 ：结论：结论：基本杆组都满足静定条件基本杆组都满足静定条件二二用图解法作机构的动态静力分析用图解法作机构的动态静力分析 步骤：步骤：1)对机构进行运动分析，求出个构件的对机构进行运动分析，求出个构件的 及其质心的及其质心的as；2)求出各构件的惯性力，并把它们

30、视为外力加于构件上；求出各构件的惯性力，并把它们视为外力加于构件上；3)根据静定条件将机构分解为若干个构件组根据静定条件将机构分解为若干个构件组 和平衡力作用和平衡力作用的构件；的构件；4)对机构进行力分析，从有已知力的构件开始对机构进行力分析，从有已知力的构件开始，对各构件，对各构件组进行力分析；组进行力分析；5)对平衡力作用的构件作力分析。对平衡力作用的构件作力分析。小结小结基本要求：基本要求：了解机构中作用的各种力及机构力分析的方法；了解机构中作用的各种力及机构力分析的方法；会确定各运动副中的反力及需加于机械上的平衡力或平衡会确定各运动副中的反力及需加于机械上的平衡力或平衡力偶矩；力偶矩；了解一般平面机构进行力分析的过程。了解一般平面机构进行力分析的过程。重重 点：点：作用在机械上的力及机构力分析的目的和方法；作用在机械上的力及机构力分析的目的和方法；构件惯性力的确定；构件惯性力的确定；考虑摩擦时运动副总反力的确定。考虑摩擦时运动副总反力的确定。难难 点：点：考虑摩擦时运动副总反力的确定。考虑摩擦时运动副总反力的确定。