南京理工大学机械原理第10章课件

1、2021/8/61第十章 机械的效率本章重点：本章重点：机械效率的定义和计算，自锁机械效率的定义和计算，自锁现象和自锁条件，典型机械的现象和自锁条件，典型机械的效率计算及自锁条件。效率计算及自锁条件。本章难点：本章难点：一些机构自锁条件的确定。一些机构自锁条件的确定。10-1机器的运转及功能关系10-2机器的机器的机械效率和自锁10-310-3机械的效率计算与自锁分析 2021/8/6210-1 机器的运转及功能关系机器的运转及功能关系一、机器的动能方程一、机器的动能方程二、机器运转的三个阶段二、机器运转的三个阶段 2021/8/63一、机器的动能方程一、机器的动能方程由理论力学中的动能定理知

2、，在任一时间间隔内，机由理论力学中的动能定理知，在任一时间间隔内，机器动能的改变等于作用于机器上的全部外力和内力的器动能的改变等于作用于机器上的全部外力和内力的功之和。功之和。(若将内部运动副中的摩擦力或摩擦力矩作为外力或外力矩处若将内部运动副中的摩擦力或摩擦力矩作为外力或外力矩处理后，一般情况下，机器内力系的功为零。理后，一般情况下，机器内力系的功为零。)W=WdWrWfWG=E= EE0其中其中，Wd驱动力的动，即输入功；驱动力的动，即输入功； Wr生产阻力的功，即输出功；生产阻力的功，即输出功； Wf有害阻力的功，即损失功；有害阻力的功，即损失功； WG重力的功。重力的功。 W W 盈亏

3、功盈亏功 E E末动能，末动能，E E0 0初动能。初动能。2021/8/64二、机器运转的三个阶段二、机器运转的三个阶段起动mTp稳定运动停车nTpTpt1 1、起动时期、起动时期 0m EE0 00EEWWWWGfrd0W2 2、稳定运动时期、稳定运动时期 （时间长，机器真正工作的阶段）（时间长，机器真正工作的阶段） （1 1）变速稳定运动（）变速稳定运动（= (t)= (t+Tp)） T TP P为一个运动循环为一个运动循环 在在一个运动循环内一个运动循环内 :frdGWWWWE00，在在任一瞬时任一瞬时: 0E2021/8/65（2 2）匀速稳定运动（）匀速稳定运动（=const） 任

4、一时间间隔内：任一时间间隔内：frdWWWE 03 3 、停车时期停车时期0, 0EEWdfrdWWW机器的动能克服阻力而作功机器的动能克服阻力而作功,直至耗尽直至耗尽,使机器停止运转使机器停止运转2021/8/6610-2 10-2 机器的机械效率和自锁机器的机械效率和自锁 一、机器的机械效率一、机器的机械效率 0EEWWWWGfrd讨论稳定运动时期讨论稳定运动时期： frdWWW11dfdfddrWWWWWWW定义：定义：dfWW损失系数损失系数 机器的机械效率，效率机器的机械效率，效率 12021/8/67变速稳定运动变速稳定运动：在一个运动循环中讨论效率的：在一个运动循环中讨论效率的在

5、在T TP P内任一内任一瞬时瞬时:00EEWWWWGfrdfrdWWW此时此时 drWW瞬时效率瞬时效率( (变化变化) ) 在整个在整个T TP P内内: : frdWWWdrWW循环效率循环效率 机器真正的效率机器真正的效率 匀速稳定运动匀速稳定运动：真正的效率即每一瞬时的效率。真正的效率即每一瞬时的效率。 11dfdrpdprdrPPPPTWTWWWP Pd d、P Pr r、P Pf f分别一个运动循环中驱动力、有效阻力、有害阻力分别一个运动循环中驱动力、有效阻力、有害阻力的功率平均值的功率平均值 2021/8/68在一般情况下，机构中的驱动力和阻力为常数，有必要研究在一般情况下，机

6、构中的驱动力和阻力为常数，有必要研究效率能否用力（力矩）表示。效率能否用力（力矩）表示。 图示为一机械传动示意图图示为一机械传动示意图FQvQ机 器vFFQdrFvQvPP设该装置为不存在有害阻力的理想机器设该装置为不存在有害阻力的理想机器 F F0 0对应于对应于Q Q的理想驱动力；的理想驱动力； F0 F Q100FQFQFvvQvFQv00QFQFvvFQ)(0000力QQFFFQQFFQQFFvQvPPFQdr)00（力矩rrddMMMM为驱动力，为驱动力，Q为生产阻力为生产阻力或或2021/8/69二二、复杂机器或机组的效率计算复杂机器或机组的效率计算由单一机构组成的机器，它的效率数

7、据在一般设计手册中可由单一机构组成的机器，它的效率数据在一般设计手册中可以查到，对于由若干机构组成的复杂机器，整机的效率可由各个以查到，对于由若干机构组成的复杂机器，整机的效率可由各个机构的效率计算出来，具体的计算方法按联接方式的不同分为三机构的效率计算出来，具体的计算方法按联接方式的不同分为三种情况。种情况。1 1）串联）串联W2W1Wd21WkWk-1W3k3；dWW11；122WW1233kkWWWW dKKdKkWWWWWWWWWW121321321总效率：总效率：KdKWW321总2021/8/610W1W1W2W2W3W3WkWkWdk321（2 2）并联）并联总输入功：总输入功：

8、kdWWWWW321输出功：输出功： kkkrWWWWWWWWW332211321 总效率：总效率： kkkdrWWWWWWWWWW321332211（3 3）混联）混联由以上两种方法先分别求出后再根据具体路线计算由以上两种方法先分别求出后再根据具体路线计算 2021/8/611二、机器的自锁二、机器的自锁 1 1、机器的机器的自锁条件：自锁条件： 0fW0dfWW11（1）若若 dfWW 0（a）若机器原来就在运动，那它仍能运动，但此时，）若机器原来就在运动，那它仍能运动，但此时，机器机器不作任何有用的功，机器的这种运动称空转。不作任何有用的功，机器的这种运动称空转。 （b b）若机器原来就

9、不动，无论驱动力为多大，它所作的功）若机器原来就不动，无论驱动力为多大，它所作的功（输入功）总是刚好等于摩擦阻力所作的功，没有多余（输入功）总是刚好等于摩擦阻力所作的功，没有多余的功可以变成机器的的功可以变成机器的动动能。能。机器总机器总是是不能运动，即发不能运动，即发生生自锁自锁 2021/8/612若若 fdWW 0机器必定发生自锁。机器必定发生自锁。 综合两种情况，综合两种情况，机器自锁条件机器自锁条件： 00（有条件的自锁）（有条件的自锁） 2 2、机器的运动行程、机器的运动行程 正行程正行程：驱动力作用在原动件时，运动从原动件向从动件传递过程：驱动力作用在原动件时，运动从原动件向从动

10、件传递过程 反行程反行程: :将正行程的生产阻力作为驱动力，运动将正行程的生产阻力作为驱动力，运动从从从动件从动件原动件原动件 2021/8/613一般正行程一般正行程反行程反行程 0, 0表示正、反行程时机器都能运动表示正、反行程时机器都能运动 0,0反行程发生自锁反行程发生自锁 自锁机构自锁机构：凡使机器反行程自锁的机构：凡使机器反行程自锁的机构 2021/8/61410-3 10-3 机械效率计算及自锁分析示例机械效率计算及自锁分析示例 一、斜面传动一、斜面传动 AQFBRNvAFf=fN已知：已知：f,Q(f,Q(包括重力包括重力) ) 求：求：A A等速上升与等速下降时，水等速上升与

11、等速下降时，水平力平力F F的大小，该斜面的效率的大小，该斜面的效率及其自锁条件及其自锁条件解：解：1 1、滑块上升、滑块上升 F F为驱动力，为驱动力，Q Q为生产阻力为生产阻力 为摩擦角arctgf考虑考虑A A的平衡：的平衡： 0FRQBAQRF)( QtgF2021/8/615若若A、B无摩擦无摩擦 0理想驱动力理想驱动力 QtgF 0上升上升 : :)(0tgtgFF2 2、滑块下降、滑块下降 Ff=fNRNFABQvAQ Q为驱动力，为驱动力，F F为生产阻力为生产阻力 0FRQBAQFR)(QtgF若若A A、B B无摩擦无摩擦 理想生产阻力理想生产阻力: : QtgF 0202

12、1/8/616下滑时：下滑时： tgtgFF)(0斜面机构在应用时，一般上升斜面机构在应用时，一般上升正行程，下降正行程，下降反行程反行程 讨论讨论： 和和当当一定，一定，是是的函数，且的函数，且 正行程不应正行程不应自锁自锁 ： 反行程时，如：反行程时，如：0自锁自锁 2,2, 0)(, 0)(tgtgtg自锁自锁 20如果：如果：2021/8/617二、螺旋传动的效率二、螺旋传动的效率 研究螺旋传动时，假定螺杆螺母之间的正压力是作用在平均半研究螺旋传动时，假定螺杆螺母之间的正压力是作用在平均半径为径为r r0 0的螺旋线上。如果忽略各圆柱面上螺旋线升角的差异，的螺旋线上。如果忽略各圆柱面上

13、螺旋线升角的差异，当将螺旋的螺纹展开后，得连续斜面当将螺旋的螺纹展开后，得连续斜面 1.1.方方( (矩形矩形) )螺纹螺纹r0MRFABQ02 rparctgFQRABvA2r0p2021/8/618FQRABvA2r0p螺母螺母A A沿轴线移沿轴线移动方向与动方向与Q Q相反相反（拧紧螺母）（拧紧螺母） 螺旋传动相螺旋传动相当于滑块上当于滑块上升升 )( QtgF)(tgtg)(00tgQrFrM相反：当螺母相反：当螺母A A沿轴线移动方向与沿轴线移动方向与Q Q相同时（拧松螺母），螺旋相同时（拧松螺母），螺旋传动相当于滑块下降传动相当于滑块下降 )(QtgFtgtg)()(00tgQrr

14、FM自锁条件自锁条件：, 0螺母不会在螺母不会在Q力的作用下自动下滑力的作用下自动下滑2021/8/6192 2、三角螺纹、三角螺纹-相当于楔形滑块与楔形槽的作用相当于楔形滑块与楔形槽的作用 可用可用代替代替 )(:tgtg正行程时)(0tgQrMABNNABQ(a)(b)ABQPFfRvvABQNN(c) 90三角螺纹牙的半顶角三角螺纹牙的半顶角 cos)90sin(sinffff)cos(farctg2021/8/620,三角螺纹摩擦大，效率低，应用于联接的螺旋三角螺纹摩擦大，效率低，应用于联接的螺旋 方螺纹应用于传递运动和动力的螺旋方螺纹应用于传递运动和动力的螺旋 AB)(0tgQrMt

15、gtg)(反行程时：反行程时：2021/8/6213、混联图5-5所示为一混联机组。混联机组的效率可按下列步骤计算：（1）分清能量流有几个输出端，就有几条能量流。从每个输出端开始，依次逆向追踪流入能量的源头，以区分每条能量流。对图5-5所示的混联机组，共有3条能量流：能量流：1234；能量流：12345；能量流：1234。图5-52021/8/622(2)按串联方式，计算每条能量流的效率rrrrrrdrPPPPPPPP/ / / 各能量流组成一个并联系统，可按图5-6所示的并联形式，计算机组效率：图5-6能量流：=1234； 能量流：=12345；能量流：=1234。(3)按并联方式，计算机组

16、效率2021/8/623例如，对于图5-7所示的曲柄滑块机构，可定义：正行程：曲柄1为原动件，滑块3为输出从动件；运动传递：123；M1为驱动力矩，F3为生产阻力；如推土机机构。2021/8/624反行程：滑块3为原动件，曲柄1为输出从动件；运动传递：321；M1为生产阻力，F3为驱动力矩；如内燃发动机主机构。若表示正行程的机械效率，表示反行程的机械效率，则只有下列二种机器：(1) 0, 0；(2) 0, 0。2021/8/625例例1推导图所示偏心夹具的自锁条件。解解: : 要求在夹紧工件并撤去手柄力F后，保证偏心盘不能松转。显然，使偏心盘发生松转的力是FR23，而FR23是作用在轴颈O上的

17、主动外力。由轴颈的自锁条件知，应保证：a=ss1r2021/8/626由几何关系知：进而可得偏心夹具的自锁条件为：式中，e为偏心距，D为偏心圆盘的直径，d为楔紧角，为B处的摩擦角，r为轴颈的摩擦圆半径。sin21DACs)sin(deOEssin()sin2Dedr2021/8/627例例1 试推导图所示斜面压榨机的机械效率计算式和自锁条件。解解 1）正行程：压紧物体F驱动力；Q生产阻力。2021/8/628以滑块3为示力体，由力平衡条件可得：以滑块2为示力体，由力平衡条件可得：考虑到R23=R32，可得：（22）)2cos(cos)2(90sin)90sin(2323QRQR或3232cossin(2 )sin 90sin(2 )RFFR或)2tan(tan0FFF=Qtan(+2) （21）在上式中，令=0，可得理想驱动力F0=Qtan于是该机构的正行程效率为 2021/8/6292）反行程：