第四章平面机构的力-CAI

1、机械原理机械原理第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析 第一节第一节 平面机构的力分析概述平面机构的力分析概述第二节第二节 机构的动态静力分析机构的动态静力分析第三节第三节 考虑摩擦的机构力分析考虑摩擦的机构力分析第四节第四节 自锁机构的分析与设计自锁机构的分析与设计HIGH EDUCATION PRESS第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS第一节第一节 平面机构的力分析概述平面机构的力分析概述 一、一、作用在机构中的力作用在机构中的力二、二、机构力分析的目的机构力分析的目的 三、三、机构力分析的方法机构力分析的方法 第四章第四章 平面

2、机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 1. 外部施加于机械系统的力外部施加于机械系统的力 驱动力驱动力： 使机构运转的动力，由原动机提供。为机构提供使机构运转的动力，由原动机提供。为机构提供输入功。输入功。 生产阻力：生产阻力：机构克服生产阻力才能作有用功，其功为有用的机构克服生产阻力才能作有用功，其功为有用的输出功输出功 。 摩擦力：摩擦力： 一般情况下为有害阻力，其功为机械的损耗功。一般情况下为有害阻力，其功为机械的损耗功。当使用摩擦力作为主动力时，其作功为有用功。当使用摩擦力作为主动力时，其作功为有用功。 一、作用在机构中的力一、作用在机构中的力第四章第四

3、章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS重力：重力： 构件质心上移时为阻力；质心下降时为驱动构件质心上移时为阻力；质心下降时为驱动 力。在一个运动循环中重力功为零。力。在一个运动循环中重力功为零。 惯性力：惯性力：机械加速运动，惯性力为阻力；机械减速运机械加速运动，惯性力为阻力；机械减速运 动，惯性力为驱动力。在一个运动循环中惯动，惯性力为驱动力。在一个运动循环中惯 性力作功为零。性力作功为零。2. 2. 机械内部运动副的反作用力机械内部运动副的反作用力 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS1. 1. 根据机

4、构所受的已知外力确定各运动副中的根据机构所受的已知外力确定各运动副中的反力。反力。2. 2. 根据作用在机构上已知的外力及给定的原动根据作用在机构上已知的外力及给定的原动件运动规律，确定需要加在机构上的平衡力或平件运动规律，确定需要加在机构上的平衡力或平衡力矩。衡力矩。 二、机构力分析的目的二、机构力分析的目的 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS静力分析静力分析: : 一般机械低速运转一般机械低速运转，忽略惯性力。忽略惯性力。 动态静力分析：动态静力分析： 高速机械，考虑惯性力的作用，不计摩擦力的影高速机械，考虑惯性力的作用，不计摩擦力的影响

5、响. . 在考虑摩擦的力分析时则不计惯性力的影响。在考虑摩擦的力分析时则不计惯性力的影响。 三、机构力分析的方法三、机构力分析的方法 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS3. 3. 机构的受力分析是计算机械效率的理论基础。机构的受力分析是计算机械效率的理论基础。4. 4. 机构的受力分析还是设计自锁机构的理论基础。机构的受力分析还是设计自锁机构的理论基础。 二、机构力分析的目的二、机构力分析的目的 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS第二节第二节 机构的动态静力分析机构的动态静力分析一、一、构件

6、惯性力的确定构件惯性力的确定 二、二、机构的动态静力分析机构的动态静力分析 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS一、构件惯性力的确定一、构件惯性力的确定 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESSB C 2s2IF2sM2Gu 不考虑运动副不考虑运动副B B、C C的约束反力的约束反力222222JMamFSssI连杆连杆2 2质心处的惯性力和惯性力矩质心处的惯性力和惯性力矩第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESSB 2s2IF 2Sh C 2G 对于作平

7、面运动，且具有平行于运动平面的对对于作平面运动，且具有平行于运动平面的对称面的构件称面的构件BCBC，构件质心，构件质心S S2 2上的惯性力和惯性力矩上的惯性力和惯性力矩为为222ISFMh 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 机构运动状态机构运动状态惯性力惯性力 惯性力矩惯性力矩 定轴转动定轴转动回转轴线回转轴线通过质心通过质心 等速转动等速转动 00变速转动变速转动 0回转轴线回转轴线不通过质心不通过质心 等速转动等速转动 0变速转动变速转动 先求出质心点的总的加速度先求出质心点的总的加速度再计算惯性力和惯性力矩再计算惯性力和惯性力矩平

8、面移动平面移动 等速移动等速移动 00变速移动变速移动 0JMSIsnIamFsImaFaaaSnSS第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS二、机构的动态静力分析二、机构的动态静力分析 机构动态静力分析的步骤机构动态静力分析的步骤求出各构件的惯性力，并把它们视为外力加在产求出各构件的惯性力，并把它们视为外力加在产 生这些惯性力的构件上；生这些惯性力的构件上；将机构分解为若干个构件组，分别列出它们的力将机构分解为若干个构件组，分别列出它们的力 平衡方程；平衡方程；逐一求解未知的运动副反力及平衡力。逐一求解未知的运动副反力及平衡力。 第四章第四章 平

9、面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 如何按照适当的顺序将机构正确地划分为若干个如何按照适当的顺序将机构正确地划分为若干个构件组构件组 1. 1. 由二力杆开始，然后再考虑带有已知驱动力或由二力杆开始，然后再考虑带有已知驱动力或生产阻力作用的构件组。生产阻力作用的构件组。 2. 2. 构件组中所含未知力的数目应该等于所能列出构件组中所含未知力的数目应该等于所能列出的独立的力平衡方程的数目，以保证这些未知力能够的独立的力平衡方程的数目，以保证这些未知力能够顺利求解。顺利求解。机构动态静力分析的关键机构动态静力分析的关键第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分

10、析HIGH EDUCATION PRESS（一）用图解法进行机构的动态静力分析一）用图解法进行机构的动态静力分析 例：例：在牛头刨床机构中，各构件的尺寸在牛头刨床机构中，各构件的尺寸及原动件的角速度均为已知。求机构各及原动件的角速度均为已知。求机构各运动副中的反力及需要加在原动件上的运动副中的反力及需要加在原动件上的平衡力矩。平衡力矩。 ABC132645DEh65hqhrR65FrG5Fi i5第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 构件构件4 4为二力杆，在不为二力杆，在不考虑转动副摩擦的情况下，考虑转动副摩擦的情况下，作用在构件作用在构件D

11、EDE上的反力分别上的反力分别通过两个转动副的回转中心，通过两个转动副的回转中心，且大小相等，方向相反。且大小相等，方向相反。解解 ：（：（1 1）选构件选构件4 4为示力体为示力体DER54R34（2 2）选构件）选构件5 5为示力体为示力体0456555RRFGFirde65FRea45FRRhFhGhrrc65565R45FrR65Fi i545DEh65hqhrR65G5R45G5Fi i5Fr（3 3）选构件）选构件2 2、3 3为示力体为示力体0634323RRRBCLhRR434323R32R12R43R23R63CBCDh43h23R43R23R63第四章第四章 平面机构的力分

12、析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS（4 4）取构件）取构件1 1为示力体为示力体RRR3212212121hRMb2161RRh21MbR61R21AB第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS（二）用解析法进行机构的动态静力分析（二）用解析法进行机构的动态静力分析基本方法基本方法 在建立直角坐标系的基础上，分别以各构在建立直角坐标系的基础上，分别以各构件为示力体，将约束反力和其它作用力均分解件为示力体，将约束反力和其它作用力均分解为沿为沿x轴和轴和y轴的分力，列出各构件的平衡方程，轴的分力，列出各构件的平衡方程，然后再联立求

13、解，即可取得预期结果。然后再联立求解，即可取得预期结果。 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS例例 题题第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 以构件以构件1 1、2 2、3 3为示力体，为示力体，按力系平衡条件列出力的平衡方程：按力系平衡条件列出力的平衡方程： 0, 0, 0MFFyx0)(cos)(sin)(cossin001111111111112111211112141112141sysxsyxysyyxsxxJramramLFLFMamFFamFF对于图对于图b所示的构件所示的构件1第四

14、章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS对于图对于图c所示的构件所示的构件20)(cos)(sin)(cossin0)(0)(222222222222322232223212223212sysxsyxysyyxsxxJramramLFLFamFFamFF第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS对于图对于图d所示的构件所示的构件3 00)(3432333323yyyxcxxFFFamFF写成矩阵形式写成矩阵形式 1y43x43y41x41y23x23y12x1222221111MFFFFFFFF.000000

15、00001000100000000010000000cosLsinL000000010100000001011000000cosLsinL000100010000010001 0sinFcosFamJcosramsinramamamJcosramsinramamam.33x3c322s22y2s2222s2y2s2x2s211s11y1s111x1s1y1s1x1s1 矩阵简写为：矩阵简写为： BFAij.第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS一、一、运动副中的摩擦运动副中的摩擦第三节第三节 考虑摩擦的机构力分析考虑摩擦的机构力分析二、二、考虑到

16、摩擦力的力分析考虑到摩擦力的力分析 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS一、运动副中的摩擦一、运动副中的摩擦 ( (一一) ) 移动副中的摩擦移动副中的摩擦( (三三) ) 螺旋副中的摩擦螺旋副中的摩擦 ( (二二) ) 转动副中的摩擦转动副中的摩擦第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 图中滑块图中滑块1 1在总驱动力在总驱动力P P力的作用下，相对平力的作用下，相对平面面2 2以速度以速度 等速移动。平面等速移动。平面2 2给滑块给滑块1 1的作用力的作用力有法向反力有法向反力 和摩擦力和摩擦

17、力 ，二者的合力，二者的合力 为平面为平面2 2给滑块给滑块1 1的总反力，的总反力， 与法线方向的夹角与法线方向的夹角为为 。 1.1.平面移动副中的摩擦平面移动副中的摩擦12v21N21F21R21R12QF21N21PR2112V21212121tanfNFNFffNfNarctan tan21212212212212212211)1 (fNfNNFR第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS12V12QPR12PQR12+ + 2. 2. 斜面移动副中的摩擦斜面移动副中的摩擦( (上升上升) )第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析H

18、IGH EDUCATION PRESS12VQPPQR12R1212- - 2.2.斜面移动副中的摩擦斜面移动副中的摩擦( (下降下降) )第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESSQQQQ12N21N21PR21R21PN21N212vv3. 3. 槽面移动副的摩擦槽面移动副的摩擦第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS ( (二二) ) 转动副中的摩擦转动副中的摩擦QQQABBO1O21222O1O1O2O2N21MdMdR21F21R21111212第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HI

19、GH EDUCATION PRESS( (三三) ) 螺旋副中的摩擦螺旋副中的摩擦1.1.矩形牙螺旋副中的摩擦矩形牙螺旋副中的摩擦r rr rf f2rfFGR21第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS2. 2. 三角牙螺旋副中的摩擦三角牙螺旋副中的摩擦2 2( (三三) ) 螺旋副中的摩擦螺旋副中的摩擦第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS二、考虑到摩擦力的力分析二、考虑到摩擦力的力分析 当考虑到运动副中的摩擦时，移动副中的总当考虑到运动副中的摩擦时，移动副中的总反力与相对运动方向成反力与相对运动

20、方向成 角，转动副中的角，转动副中的总反力要切于摩擦圆。与静力分析相比，其总反总反力要切于摩擦圆。与静力分析相比，其总反力的方向发生了变化，但仍然符合力系的平衡条力的方向发生了变化，但仍然符合力系的平衡条件。所以在进行考虑摩擦的力分析时，只要正确件。所以在进行考虑摩擦的力分析时，只要正确判断出各构件运动副的受力方向，就可以应用理判断出各构件运动副的受力方向，就可以应用理论力学中的静力分析方法解决问题。论力学中的静力分析方法解决问题。 090第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS二、考虑到摩擦力的力分析二、考虑到摩擦力的力分析 例：例：图示的曲柄滑

21、块机构中，已知各构件图示的曲柄滑块机构中，已知各构件尺寸和原动件曲柄的位置，作用在滑块尺寸和原动件曲柄的位置，作用在滑块4 4上上的水平阻力的水平阻力 以及各运动副中的摩擦系以及各运动副中的摩擦系数数f f，忽略各构件质量和惯性力，求加在，忽略各构件质量和惯性力，求加在B B点与曲柄垂直的平衡力点与曲柄垂直的平衡力 。rFbF第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS解：解：根据轴径尺寸和摩擦系数，画出摩擦圆如图。根据轴径尺寸和摩擦系数，画出摩擦圆如图。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS第四章第四章

22、 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS求各运动副处的反作用力及作用在凸轮上的平衡力矩求各运动副处的反作用力及作用在凸轮上的平衡力矩bM例题例题 4-24-2第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS第四节第四节 自锁机构的分析与设计自锁机构的分析与设计一、一、运动副中自锁现象分析运动副中自锁现象分析二、二、自锁机构自锁机构三、三、自锁机构的分析与设计自锁机构的分析与设计 第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 运动副中存在两种力，使构件运动的驱动运动副中存在两种力，使构件运动的驱动力和阻碍构件运动的摩擦力。如果驱动力无力和阻碍构件运动的摩擦力。如果驱动力无论多么大，都不能使构件运动，称这种现象论多么大，都不能使构件运动，称这种现象为为自锁自锁。 一、运动副中自锁现象分析一、运动副中自锁现象分析第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析HIGH EDUCATION PRESS 对移动副而言，当外力合力作用在摩擦对移动副而言，当外力合力作用在摩擦锥之内，则移动副发生自锁；锥之内，则移动副发生自锁； 对于斜面移动副而言，经常用斜面倾角对于斜面移动副而言，经常用斜面倾角与摩擦角的关