机械原理 第2版 教学课件 ppt 作者 黄茂林 主编 秦伟副 主编 第七章

1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/第七章机械动力学第一节概述第二节机械中的摩擦与效率第三节机构的动态静力分析第四节机械的平衡第五节机械的运转及动力学模型第六节机械系统速度波动及其调节本章研究在外力作用下本章研究在外力作用下机械运动速度的调节机械运动速度的调节 机构原动件的运动规律往往是随机构原动件的运动规律往往是随 时间而变化的时间而变化的(t)第一节第一节 概概 述述t 0启动阶段启动阶段(starting (star

2、ting period of machinery)period of machinery)启动启动驱动功驱动功-Wd阻抗功阻抗功-WrWd WrWd = Wr+ EK 动能动能 一、机械运转过程的三个阶段t TT m0稳定运转阶段稳定运转阶段(steady motion period of machinery)： m=常值常值abT a= = b启动启动稳定运转稳定运转一个运动循中一个运动循中 Wd = Wr称为周期变速稳定运转称为周期变速稳定运转* *一个运动循环中一个运动循环中动能动能 EK=0t TT m0启动启动稳定运转稳定运转停车停车停车阶段停车阶段(stopping period

3、of machineryWr= EK 角速下降直到角速下降直到 =0为加速停车而安装制动装置（如虚线所示）为加速停车而安装制动装置（如虚线所示）t TT m0启动启动稳定运转稳定运转停停车车t TT m0启动启动稳定运转稳定运转停停车车过渡阶段 起动与制动频繁的机械起动与制动频繁的机械大都在过渡阶段运行大都在过渡阶段运行一般可忽略不计作用在机械上的力生产阻力驱动力重力惯性力运动副中的摩擦力取决于机械的工艺特点一般可忽略不计Md=f(s) （蒸汽机，内燃机）Md=f() (电动机）二、作用在机械上的力oM电动机特性曲线直流并激电动机电动机发出的驱动力矩与其运动参数间的函数关系曲线转速、角速度oM

4、oM直流并激电动机直流串激电动机电动机特性曲线oMoMoM直流并激电动机交流异步电动机直流串激电动机电动机特性曲线oMCANBMN0N交流异步电动机特性曲线交流异步电动机特性曲线AB段非稳定运转段r, 使机器在某一速度下稳定运转r,易发生停车BC段稳定运转段oMCANBMN0N交流异步电动机特性曲线交流异步电动机特性曲线MLL同步角速度0额定角速度N极限角速度L额定力矩MN极限力矩MLoMCANBMN0N交流异步电动机特性曲线交流异步电动机特性曲线机器在N附近运转，特性曲线可用直线NC代替MdoMCANBMN0NMdMd/（ 0 -）=MN/（0- N ）Md = MN （ 0 -） /（0-

5、 N ）oMC(0,0)AN(N, MN)B(L, ML)oMC(0,0)AN(N, MN)B(L, ML)机器在整个稳定段运转，用通过B、N、C三点的二次曲线(, Md)Md=a+b +c 2OMC(0,0)AN(N, MN)B(L, ML)MdMd=a+b +c 2用边界条件B(L, ML),N(N, MN),C(0,0),代入上式，可求到式中常数a、b、coMC(0,0)AN(N, MN)B(L, ML)MdMd=a+b +c 2电机产品目录中可查出：N、MN、0,B点的L、ML可由下式求到12n00LnLMM过载系数过载系数oMC(0,0)AN(N, MN)B(L, ML)(, Md)

6、Md=a+b +c 2 cMMMbMcacb LLnLnL0LLnL2n2LLL2L20200200201 1）平面摩擦）平面摩擦1 1 移动副中的摩擦移动副中的摩擦 滑块与平面构成的移动滑块与平面构成的移动副，滑块在自重和驱动力的副，滑块在自重和驱动力的作用下向右移动。作用下向右移动。效率是衡量机械性能的重要指标效率是衡量机械性能的重要指标研究机械中摩擦的主要目的在于寻研究机械中摩擦的主要目的在于寻找提高机械效率的途径找提高机械效率的途径第二节机械中的摩擦与效率2 2）斜面摩擦）斜面摩擦沿斜面等速上升沿斜面等速上升沿斜面等速下滑沿斜面等速下滑3 3）槽面摩擦）槽面摩擦当量摩擦系数：当量摩擦系

7、数：sinffe当量摩擦角：当量摩擦角： eefarctan2 螺旋副中的摩擦1). 矩形螺纹螺旋副中的摩擦矩形螺纹螺旋副中的摩擦 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拧紧力矩：拧紧力矩：)tan(22eQddFM防松力矩：防松力矩：)tan(22eQddFM3 转动副中的摩擦1).径向轴颈的摩擦径向轴颈的摩擦2). 止推轴颈的摩止推轴颈的摩擦擦2 机械效率与自锁1 )机械效率的表达形式作用在机械上的力：作用在机械上的力：驱动力驱动力生产阻力生产阻力有害阻力有害阻力通常把驱动力所做的功称为驱动功通常把驱动力所做的功称为驱动功（输入功）（输入功）Wd克服生产阻力所做的功称为输

8、出功克服生产阻力所做的功称为输出功 Wr克服有害阻力所做之功称为损耗功克服有害阻力所做之功称为损耗功 Wf frdWWW机械稳定运转时机械稳定运转时: :机械效率机械效率: :drWW1.1.效率以功或功率的形式表达效率以功或功率的形式表达 dfdrPPPP1 机械效率等于理想驱动力与实际驱动力的比，也等于理想驱机械效率等于理想驱动力与实际驱动力的比，也等于理想驱动力矩和实际驱动力矩之比。动力矩和实际驱动力矩之比。 2.2.效率以力或力矩的形式表达效率以力或力矩的形式表达1)1)克服同样生产的阻力克服同样生产的阻力Q QFFFvvFFvQvFFFQ00以力的形式表达以力的形式表达FFMM0以力

9、矩的形式表达以力矩的形式表达2.2.效率以力或力矩的形式表达效率以力或力矩的形式表达机械效率等于实际机械克服的生产机械效率等于实际机械克服的生产阻力阻力Q与与理想机械所能克服的生产阻理想机械所能克服的生产阻力力Q0 0之比，也等于机械所能克服的之比，也等于机械所能克服的实际生产阻力矩与理想生产阻力矩实际生产阻力矩与理想生产阻力矩之比。之比。 1)1)克服同样生产的阻力克服同样生产的阻力Q Q 00QQvQQvFvQvQQFQ以力的形式表达以力的形式表达0QQMM以力矩的形式表达以力矩的形式表达2)2)同样驱动力同样驱动力F F 2 )机械系统的机械效率1.串联串联 结论：串联系统的总效率等于各

10、机器的效率的连乘积。结论：串联系统的总效率等于各机器的效率的连乘积。串联的级数越多，机械系统的效率越低。串联的级数越多，机械系统的效率越低。系统的总效率：系统的总效率：kkkddkPPPPPPPPPP 321123121 结论：并联系统的总效率不仅与各组成机器的效率有关结论：并联系统的总效率不仅与各组成机器的效率有关, ,而且与各机器所传递的功率也有关。而且与各机器所传递的功率也有关。2.并联并联系统的总效率：系统的总效率：kkkrPPPPPPPPd 2122113.混联混联由串联和并联组成的混联式机械系统。由串联和并联组成的混联式机械系统。其总效率的求法按其具体组合方式而定。其总效率的求法按

11、其具体组合方式而定。设串联部分效率为设串联部分效率为 并联部分效率为并联部分效率为 系统的总效率：系统的总效率： 3) 机械的自锁 机械的自锁：在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱动力作用方机械的自锁：在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱动力作用方向的问题，有时会出现无论驱动力如何增大，机械向的问题，有时会出现无论驱动力如何增大，机械都无法运转的现象。都无法运转的现象。 此时无论此时无论F 多大，均无法使滑块运动，出现多大，均无法使滑块运动，出现自锁现象。此时驱动力作用在摩擦角内。自锁现象。此时驱动力作用在摩擦角内。tansinntFFF驱动力有效分力：驱动力有效分力：阻力为摩擦力：阻力为摩擦力：

12、tan21nFF21FFt当当 时有时有1)1)移动副移动副 由于驱动力矩总小于它产生的摩擦阻力矩，故无论由于驱动力矩总小于它产生的摩擦阻力矩，故无论Q如何如何增大，也不能使轴转动，即出现自锁现象。增大，也不能使轴转动，即出现自锁现象。作用在轴颈上的载荷为作用在轴颈上的载荷为Q ，当，当e2)2)转动副转动副即即Q作用在摩擦圆之内。作用在摩擦圆之内。此时此时fdMMQeMdQRMf21（ ， ）1. 机械是否发生自锁，与驱动力作用线的位置和方向有关。1）在移动副中，若驱动力作用在摩擦角之外，则不会发生自锁；2）在转动副中，若驱动力作用在摩擦圆之外，则不会发生自锁。总结总结 2. 2. 若一个机

13、械的某个环节发生自锁若一个机械的某个环节发生自锁, ,则该机械必发生自锁。则该机械必发生自锁。 自锁时自锁时, ,驱动力不超过它产生的摩擦阻力，即此时驱动力所做驱动力不超过它产生的摩擦阻力，即此时驱动力所做的功总小于或等于由它所产生的摩擦阻力所作的功。的功总小于或等于由它所产生的摩擦阻力所作的功。 此时此时机械的效率小于或等于零。机械的效率小于或等于零。 故一个机械是否会发生自锁，可以通过分析组成机械的各个故一个机械是否会发生自锁，可以通过分析组成机械的各个环节的自锁情况来判断。环节的自锁情况来判断。故可借机械效率的计算式来判断机械是否自锁和分析自锁产生的条件。故可借机械效率的计算式来判断机械

14、是否自锁和分析自锁产生的条件。 3. 3. 系统任意环节自锁则系统自锁，故在分析机械系统系统任意环节自锁则系统自锁，故在分析机械系统的自锁特性时应注意。的自锁特性时应注意。1)1)机械通常有正反两个行程，它们的机械效率一般并不相机械通常有正反两个行程，它们的机械效率一般并不相等，反行程的效率小于零的机械称为自锁机械。等，反行程的效率小于零的机械称为自锁机械。2)2)自锁机械常用于卡具、螺栓连接、起重装置和压榨机械自锁机械常用于卡具、螺栓连接、起重装置和压榨机械上。上。3)3)但自锁机械的正行程效率都较低但自锁机械的正行程效率都较低, ,因而在传递动力时因而在传递动力时, ,只只适用功率小的场合

15、。适用功率小的场合。 机械运转中影响其效率的主要因素为机械中的损耗，而损耗主要是由摩擦引起的。 要提高机械的效率必须采取措施减少摩擦。一般从设计、维护和使用三个方面来考虑。3 提高机械效率的途径提高机械效率的途径设计方面主要采取以下措施：设计方面主要采取以下措施：尽量简化机械系统尽量简化机械系统 选择合适运动副形式选择合适运动副形式 在满足强度在满足强度, ,刚度的条件下刚度的条件下, ,减小构件尺减小构件尺寸寸设法减小摩擦设法减小摩擦减小因惯性力引起的动载荷减小因惯性力引起的动载荷 1. 摩擦离合器12. 4 4 摩擦在机械中的应用摩擦在机械中的应用 主动轴靠近从动轴并紧密接触，两主动轴靠近

16、从动轴并紧密接触，两盘间的摩擦力带动从动轴转动。盘间的摩擦力带动从动轴转动。2. 2. 摩擦制动器摩擦制动器3. 3. 摩擦连结摩擦连结刹车时，刹车片靠紧钢片，摩刹车时，刹车片靠紧钢片，摩擦力使钢片停下来。擦力使钢片停下来。顶尖柄撞入顶尖座后，由于顶尖顶尖柄撞入顶尖座后，由于顶尖柄存在小锥度，在顶尖柄和顶尖柄存在小锥度，在顶尖柄和顶尖座之间产生摩擦力，锁紧顶尖。座之间产生摩擦力，锁紧顶尖。一、一、 等效动力学模型的建立等效动力学模型的建立目的：通过建立外力与运动参数间的函数表达式，研究机目的：通过建立外力与运动参数间的函数表达式，研究机 械系统的真实运动械系统的真实运动原则：使系统转化前后的动

17、力学效果保持不变原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变等效构件的动能，应等于整个系统的总动能等效构件的动能，应等于整个系统的总动能等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。第三节机构的动态静力分析等效动力学模型等效动力学模型等效力矩：等效力矩：Me 等效转动惯量：等效转动惯量：Je等效力：等效力：Fe 等效质量：等效质量：me 二、等效量的计算mjjjniiiiMvFP11cosmjjjniiiieMvFPM11cosmjjjniiiieMvFM11cosmjjjniiiievMvvFF11cos2. 等效转动惯量和等效质量等效转动惯量和等效

18、质量动能不变动能不变等效质量等效质量等效转动惯量等效转动惯量mjjsjnisiiJvmE121221mjjsjnisiieJvmJE121222121mjjsjnisiieJvmJ1212)()(mjjsjnisiievJvvmm1212)()(例例10-1 在图示轮系中，已知各轮齿数数分别为在图示轮系中，已知各轮齿数数分别为Z1、 Z Z2 2、 Z Z3 3各齿轮和系杆的质心均在其回转中心处，它们绕质各齿轮和系杆的质心均在其回转中心处，它们绕质心的转动惯量分别为心的转动惯量分别为J J1 1、J J2 2、J J3 3、 J JH H。有二个行星。有二个行星轮，每个行星轮的质量为轮，每个行

19、星轮的质量为m m2 2. .若齿轮若齿轮Z1Z1处设置等效构处设置等效构件，求其等效转动惯量件，求其等效转动惯量J Je e例例10-12112eEJ222211222211112()2222HHEJJm vJ222123112221313()2(2)()()eHHz zzzJJJm rJzzzzz例例10-2 在图示正弦机构中，已知曲柄在图示正弦机构中，已知曲柄1为为l1，绕，绕A轴的转动惯轴的转动惯量为量为J J1 1，构件，构件2 2、3 3的质量为的质量为m m2 2、m m3 3. .若等效构件在构件若等效构件在构件1 1处，求等效转处，求等效转动惯量质量，并求出阻抗力动惯量质量，

20、并求出阻抗力F F3 3的等效阻抗力矩。的等效阻抗力矩。例例10-22222112311112222eeBCJJm vm v22212 13 11coseJJm lm l1 1Bvl11111( sin)cosCvll例例10-213cos180erCMFv111111coscoserclMcl 一研究机械平衡的目的一研究机械平衡的目的 构件的不平衡惯性力构件的不平衡惯性力 运动副中的动压力运动副中的动压力 摩擦和内摩擦和内应力应力 机械的效率和使用寿命机械的效率和使用寿命 ，严重的会导致共振。，严重的会导致共振。1. 惯性力的不良影响：惯性力的不良影响： 2. 机械平衡的目的：机械平衡的目的

21、： 将构件的不平衡惯性力加以平衡以消除或减小惯性力的不将构件的不平衡惯性力加以平衡以消除或减小惯性力的不良影响。良影响。 有一些机械是利用不平衡惯性力来工作的，如：振实机、有一些机械是利用不平衡惯性力来工作的，如：振实机、按摩机、蛙式打夯机、振动打桩机、振动运输机等。按摩机、蛙式打夯机、振动打桩机、振动运输机等。第四节机械的平衡二机械平衡的种二机械平衡的种类类1）刚性转子的平衡）刚性转子的平衡2）挠性转子的平衡）挠性转子的平衡2. 机构的平衡机构的平衡刚性转子刚性转子刚性好、共振转速高、工作转速一般低于、刚性好、共振转速高、工作转速一般低于、弹性小弹性小。 挠性转子挠性转子质量很大、跨度很大、

22、径向尺寸小、共质量很大、跨度很大、径向尺寸小、共振转速低、产生的变形较大。振转速低、产生的变形较大。方法：基于弹性梁的横向振动理论。方法：基于弹性梁的横向振动理论。 对整个机构加以研究，设法使各运动构件惯性力的合力和合力偶达到对整个机构加以研究，设法使各运动构件惯性力的合力和合力偶达到完全地或部分的平衡。完全地或部分的平衡。 1 . 转子的平衡转子的平衡 通过重新调整转子上质量的分布，使其质心位于位于通过重新调整转子上质量的分布，使其质心位于位于旋转轴线上旋转轴线上。 转子平衡设计转子平衡设计 一一. 刚性转子平衡设计刚性转子平衡设计1. 静平衡设计静平衡设计 当转子当转子(回转件回转件)的宽

23、度与直径之比（宽径比）的宽度与直径之比（宽径比）D/b 5时，时，其所有的质量都可以看作分布在垂直于轴线的同一个平面内。其所有的质量都可以看作分布在垂直于轴线的同一个平面内。1) 根据转子结构定出偏心质量的大小和方位；根据转子结构定出偏心质量的大小和方位；2) 计算出为平衡偏心质量需添加的平衡质量的大小及方位；计算出为平衡偏心质量需添加的平衡质量的大小及方位；3) 在转子设计图上加上该平衡质量，以便使设计出来的转在转子设计图上加上该平衡质量，以便使设计出来的转子在理论上达到静平衡。子在理论上达到静平衡。1. 静平衡设计已知： 分布于同一回转平面内的偏心质量为m1, m2和m3 从回转中心到各偏

24、心质量中心的向径为r1，r2 和r3。 当转子以等角速度转动时，各偏心质量所产生的离心惯性力分别为：F1，F2，F3。 增加一个平衡质量mb，其向径为rb 所产生的离心惯性力为Fb。要求平衡时，要求平衡时，Fb, F1, F2, F3所形成所形成的合力的合力F应为零应为零： F=F1+F2+F3+Fb=0 023232221212bbmmmmmrrrre 质量与向径的乘积称为质量与向径的乘积称为质径积质径积，表示表示在同一转速下转子上各离心惯性力的在同一转速下转子上各离心惯性力的相对大小和方位。相对大小和方位。m和和e分别为转子的总质量和总质心的向径；分别为转子的总质量和总质心的向径；mi和和

25、ri分别为转子各个偏心质量及其质心的向径；分别为转子各个偏心质量及其质心的向径；mb和和 rb分别为所增加的平衡质量及其质心的向径分别为所增加的平衡质量及其质心的向径。 转子平衡后，其总质心将与回转转子平衡后，其总质心将与回转轴线相重合，即轴线相重合，即e e = 0= 0。 0332211bbmmmmmrrrre（2）对于静不平衡的转子，无论它有多少个偏心质量，都只需要适当地增加一个平衡质量即可获得平衡,即对于静不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为1。 结论：（1）静平衡的条件：分布于转子上的各个偏心质量的静平衡的条件：分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。

26、离心惯性力的合力为零或质径积的向量和为零。 根据质径积mbrb，确定rb和平衡质量大小。 安装方向：向量图上所指的方向。为了使设计出来的转子质量不致过大，一般应尽可能将为了使设计出来的转子质量不致过大，一般应尽可能将rb选选大些，这样可使大些，这样可使mb小些。小些。 在向径在向径rb的相反方向上去掉一部分质量的相反方向上去掉一部分质量来使转子得到平衡来使转子得到平衡！若转子的实际结构不允许在向径若转子的实际结构不允许在向径rb的方向上安装平衡的方向上安装平衡质量，质量，如何做？如何做？2.动平衡设计 径宽比径宽比D/b 0 0 稳定运行稳定运行原动件速度保持常数或在原动件速度保持常数或在正常

27、工作速度的平均值上正常工作速度的平均值上下作周期性的速度波动下作周期性的速度波动 W Wd d- -W Wc c= =E E2 2- -E E1 1=0=0停停 车车原动件速度从正常工作速原动件速度从正常工作速度值下降到零度值下降到零 W Wd d- -W Wc c= =E E2 2- -E E1 100三个运转阶段的特征：三个运转阶段的特征：1 等效动力学模型的建立等效动力学模型的建立机械的等效动力学模型机械的等效动力学模型目的：通过建立外力与运动参数间的函数表达式，研究机目的：通过建立外力与运动参数间的函数表达式，研究机 械系统的真实运动械系统的真实运动原则：使系统转化前后的动力学效果保持

28、不变原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变等效构件的动能，应等于整个系统的总动能等效构件的动能，应等于整个系统的总动能等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。等效动力学模型等效动力学模型等效力矩：等效力矩：Me 等效转动惯量：等效转动惯量：Je等效力：等效力：Fe 等效质量：等效质量：me2 等效量的计算等效量的计算功率和不变功率和不变等效力等效力等效力矩等效力矩mjjjniiiiMvFP11cosmjjjniiiieMvFPM11cosmjjjniiiieMvFM11cosmjjjniiiievMvvFF11cos等效力矩的特征：等效力矩的特征：等效力矩是一个假想力矩；等效力矩是一个假想力矩；等效力矩为正，是等效驱动力矩，反之，为等效阻力矩；等效力矩为正，是等效驱动力矩，反之，为等效阻力矩；等效力矩不仅与外力（矩）有关，而且与各构件相对于等效构件的等效力矩不仅与外力（矩）有关，而且与各构件相对于等效构件的速速度