机械原理教学课件4

二、质量代换法1.质量代换法

按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个选定的点上的集中质量来代替的方法。2.代换点和代换质量代换点：上述的选定点。代换质量：集中于代换点上的假想质量。二、质量代换法（续）2）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。以原构件的质心为坐标原点时，应满足：3.质量代换时必须满足的三个条件：1）代换前后构件的质量不变；二、质量代换法（续）

用集中在通过构件质心S的直线上的B、K两点的代换质量mB和mK来代换作平面运动的构件的质量的代换法。4.两个代换质量的代换法5.静代换和动代换1）动代换：要求同时满足三个代换条件的代换方法。二、质量代换法（续）2）静代换：在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足前两个代换条件的质量代换方法。取通过构件质心S

的直线上的两点B、C为代换点，有：B及C可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；代换前后转动惯量Js有误差，将产生惯性力偶矩的误差：§9–3运动副中的摩擦一、研究摩擦的目的1.摩擦对机器的不利影响1）造成机器运转时的动力浪费机械效率

2）使运动副元素受到磨损零件的强度、机器的精度和工作可靠性机器的使用寿命3）使运动副元素发热膨胀导致运动副咬紧卡死机器运转不灵活；4）使机器的润滑情况恶化机器的磨损机器毁坏。2.摩擦的有用的方面：一、研究摩擦的目的（续）

有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦离合器和制动器等。二、移动副中的摩擦-21.移动副中摩擦力的确定F21=fN21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：1）两构件沿单一平面接触

N21=-QF21=fN21=fQ2）两构件沿一槽形角为2q

的槽面接触N21sinq=-Q二、移动副中的摩擦（续）-23）两构件沿圆柱面接触N21是沿整个接触面各处反力的总和。整个接触面各处法向反力在铅垂方向的分力的总和等于外载荷Q。

取N21=kQ（k≈1～1.57）ƒv------当量擦系数4）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擦力均可用通式：来计算。

二、移动副中的摩擦（续）-25）槽面接触效应

当运动副两元素为槽面或圆柱面接触时，均有ƒv＞ƒ

其它条件相同的情况下，沿槽面或圆柱面接触的运动副两元素之间所产生的滑动摩擦力＞平面接触运动副元素之间所产生的摩擦力。2.移动副中总反力的确定1）总反力和摩擦角总反力R21

：法向反力N21和摩擦力F21的合力。摩擦角：总反力和法向反力之间的夹角。2）总反力的方向二、移动副中的摩擦（续）-2R21与移动副两元素接触面的公法线偏斜一摩擦角；R21与公法线偏斜的方向与构件1相对于构件2的相对速度方向v12的方向相反3.斜面滑块驱动力的确定1）求使滑块1沿斜面2

等速上行时所需的水平驱动力P根据力的平衡条件（正行程）

如果，P’为负值，成为驱动力的一部分，作用为促使滑块1沿斜面等速下滑。二、移动副中的摩擦（续）2）求保持滑块1沿斜面2等速下滑所需的水平力

P’

根据力的平衡条件注意

当滑块1下滑时，Q为驱动力，P’为阻抗力，其作用为阻止滑块1加速下滑。（反行程）

将螺纹沿中径d2圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜面，该斜面的升角a等于螺旋在其中径d2上的螺纹升角。三、螺旋副中的摩擦l--导程，z--螺纹头数，

p--螺距1.矩形螺纹螺旋副中的摩擦1）矩形螺纹螺旋副的简化

螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。三、螺旋副中的摩擦（续）2）拧紧和放松力矩拧紧：螺母在力矩M作用下逆着Q力等速向上运动，相当于在滑块2上加一水平力P，使滑块2沿着斜面等速向上滑动。

放松：螺母顺着Q力的方向等速向下运动，相当于滑块2沿着斜面等速向下滑。矩形螺纹：三角形螺纹：三、螺旋副中的摩擦（续）2.三角形螺纹螺旋副中的摩擦

1）三角形螺纹与矩形螺纹的异同点运动副元素的几何形状不同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接触面间产生的摩擦力不同。螺母和螺旋的相对运动关系完全相同两者受力分析的方法一致。2）当量摩擦系数和当量摩擦角3）拧紧和放松力矩三、螺旋副中的摩擦（续）三角形螺纹宜用于联接紧固；矩形螺纹宜用于传递动力。1.轴颈摩擦四、转动副中的摩擦用总反力R21来表示N21及F21四、转动副中的摩擦（续）1）摩擦力矩和摩擦圆摩擦力F21对轴颈形成的摩擦力矩摩擦圆：以为半径所作的圆。由①②①由力平衡条件②四、转动副中的摩擦（续）2）转动副中总反力R21的确定（1）根据力平衡条件，R21Q（2）总反力R21必切于摩擦圆。（3）总反力R21对轴颈轴心O之矩的方向必与轴颈1相对于轴承2的角速度w12的方向相反。注意

R21是构件2作用到构件1上的力，是构件1所受的力。w12是构件1相对于构件2的角速度。构件1作用到构件2上的作用力R12对转动副中心之矩，与构件2相对于构件1的角速度w12方向相反。四、转动副中的摩擦（续）2.止推轴承（轴端）的摩擦ds=2ddF=fdN=fpdsdN=pds非跑合止推轴承摩擦：不经常旋转的轴端。如：圆盘摩擦离合器、螺母与被联接件端面之间的摩擦。跑合止推轴承摩擦：经常有相对转动的轴端。如止推轴颈和轴承之间的摩擦属于此类。四、转动副中的摩擦（续）2）跑合的止推轴承：轴端各处压强p不

相等，pr=常数1）非跑合的止推轴承：轴端各处压强p相等§9-4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）由离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。例：在如图所示的牛头刨床机构中,已知：各构件的尺寸、原动件的角速度w1、刨头的重量Q5，机构在图示位置时刨头的惯性力PI5，刀具此时所受的切削阻力(即生产阻力)Pr。试求：机构各运动副中的反力及需要施于原动件1上的平衡力偶矩(其他构件的重力和惯性力等忽略不计)。解：1、将该机构分解为构件5与4及构件3与2所组成的两个静定杆组，和平衡力作用的构件1。2、按上述次序进行分析。对E点取矩R65的作用线的位置例2（续）1）构件组5、4的受力分析大小：√√√？？方向：√√√√√R65lh652）构件组3、2的受力分析取构件3为研究对象，

R23的大小和方向：2为二力构件

R23=–R32=

R12R23作用于点C，且与导杆3垂直构件3对点B取矩由图解法例2（续）大小：可求出√？方向：√√√3）原动件1的受力分析对点A取矩：根据构件1的力平衡条件机架对该构件的反力：例2（续）R21=–R12=

R32

§9-5考虑摩擦时机构的受力分析考虑摩擦时，机构受力分析的步骤为：1）计算出摩擦角和摩擦圆半径，并画出摩擦圆；2）从二力杆着手分析，根据杆件受拉或受压及该杆相对于另一杆件的转动方向，求得作用在该构件上的二力方向；3）对有已知力作用的构件作力分析；4）对要求的力所在构件作力分析。例1:如图所示为一四杆机构。曲柄1为主动件，在力矩M1的作用下沿w1方向转动，试求转动副B及C中作用力的方向线的位置。（图中虚线小圆为摩擦圆。解题时不考虑构件的自重及惯性力。）解：1）在不计摩擦时，各转动副中的作用力应通过轴颈中心

构件2为二力杆此二力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，作用线与轴颈B、C的中心连线重合。分析：由机构的运动情况连杆2受拉力。B2）当计及摩擦时，作用力应切于摩擦圆。分析：转动副B处：构件2、1之间的夹角g逐渐减少w21为顺时针方向2受拉力作用力R12切于摩擦圆上方。在转动副C处：构件2、3之间的夹角b逐渐增大w23为顺时针方向。R32切于摩擦圆下方。构件2在R12、R32二力个作用下平衡R32和R12共线R32和R12的作用线切于B处摩擦圆上方和C处摩擦圆的下方。例1(续）w14为逆时针方向例2:

在上例所研究的四杆机构中,若驱动力矩M1的值为已知,试求在图示位置时各运动副中的作用力及构件3上所能承受的阻抗力矩(即平衡力矩)M3。（解题时仍不考虑构件的重量及惯性力）解：1）取曲柄1为分离体曲柄1在R21、R41及力矩M1的作用下平衡R41=-R21R21R41R21=-R12R41与R21的力偶矩与力矩M1平衡R41与R21平行且切于A处摩擦圆下方。

M1=R21L例2（续）2）取构件3为分离体根据力平衡条件R23=-R43R23=-R32w34（即w3）为逆时针方向R43切于D处摩擦圆上方R23R43构件3上所能承受的阻抗力矩M3为：M3=R23L’L’为R23与R43之间的力臂。例3如图所示为一曲柄滑块机构，设各构件的尺寸(包括转动副的半径)已知，各运动副中的摩擦系数均为f，作用在滑块上的水平阻力为Q，试对该机构在图示位置时进行力分析(设各构件的重力及惯性力均略而不计)，并确定加于点B与曲柄AB垂直的平衡力Pb的大小。解:1）根据已知条件作出各转动副处的摩擦圆(如图中虚线小圆所示)。2）取二力杆连杆3为研究对象构件3在B、C两运动副处分别受到R23及R43的作用R23和R43分别切于该两处的摩擦圆外，且R23=-R43。R23R43R23R43例3（续）滑块4在Q、R34及R14三个力的作用下平衡3）根据R23及R43的方向，定出R23及R43的方向。4）取滑块4为分离体R32R43且三力应汇于一点FjR145）取曲柄2为分离体曲柄2在Pb、R32和R12作用下平衡Pb＋R32＋R12＝0R12E6）用图解法求出各运动副的反力R14、R34(=-R43)、R32(=-R23=R43)、R12、及平衡力Pb的大小。Q＋R34＋R14＝0§9-6机械的效率或一、各种功及其相互关系驱动功Wd

（输入功）：作用在机械上的驱动力所作的功。有益功Wr

（输出功）：克服生产阻力所作的功。损耗功Wf：克服有害阻力所作的功Wd＝Wr

＋Wf二、机械效率h

机械效率是输出功和输入功的比值，它可以反映输入功在机械中有效利用的程度。将式Wd＝Wr

＋Wf

两边都除以t Nd、Nr

、Nf分别为输入功率、输出功率和损耗功率。二、机械效率（续）Nd＝Nr

＋Nf或：三、提高机械效率的方法1、尽量简化机械传动系统，使传递通过的运动副数目越少越好；2、减少运动副中的摩擦。理想驱动力P0

：理想机械中，克服同样的生产阻力Q，所需的驱动力。四、机械效率的计算1.一般公式:理想机械：不存在摩擦的机械。理想机械的效率

h0等于1，即：机械效率的统一形式：四、机械效率的计算（续）理想生产阻力Q0

：理想机械中，同样的驱动力P所能克服生产阻力。

不考虑摩擦（=0）：四、机械效率的计算（续）2.螺旋机构的效率计算实例1）当螺母逆着载荷Q向上运动时：

考虑摩擦：不考虑摩擦时：2）当螺母在载荷Q的作用下向下运动时：载荷Q为驱动力

考虑摩擦时：该机组的机械效率为：串联机组的总效率等于组成该机组的各个机器的效率的连乘积。四、机械效率的计算（续）3.机组效率的计算1）串联串联的级数越多，系统的总效率越低。总输出功率为:

总效率为：四、机械效率的计算（续）2）并联总输入功率为：Nd

=N1+

N2+…+NkNr

=N1’+

N2’

+…+Nk’=N1h1

+

N2h2

+…+Nkhkhmin<

h

<

hmax

N1=

N2=…=Nk时

h1=

h2=…=hk时则机组的总效率为:四、机械效率的计算（续）

设机组串联部分的效率为h’，并联部分的效率为h’’3）混联例1:解:如图所示为一输送辊道的传动简图。设已知一对圆柱齿轮传动的效率为0.95；一对圆锥齿轮传动的效率为0.92(均已包括轴承效率)。求该传动装置的总效率。此传动装置为一混联系统圆柱齿轮1、2、3、4为串联圆锥齿轮5-6、7-8、9-10、11-12为并联。此传动装置的总效率§9-7机械的自锁一、机械的自锁

由于摩擦力的存在，无论驱动如何增大也无法使机械运动的现象。二、自锁现象的意义1）设计机械时，为了使机械实现预期的运动，必须避免机械在所需的运动方向发生自锁；2）一些机械的工作需要其具有自锁特性。垂直分力Pn：所能引的最大摩擦力三、发生自锁的条件1.滑块实例

滑块1与平台2组成移动副。P为作用于滑块1上驱动力

，b为力P与滑块1和平台2接触面的法线nn之间的夹角，为摩擦角。

力P分解为水平分力Pt和垂直分力Pn，有效分力Pt：推动滑块1运动的分力。当bj

时，-----------自锁现象滑块1不会发生运动三、发生自锁的条件（续）2.转动副实例力P为作用在轴颈上的单一外载荷。当力P的作用线在摩擦圆之内（a<r）时力P对轴颈中心的力矩力P本身所能引起的最大摩擦力矩Mf=Rr

=Pra<r

M<Mf

不论力P如何增大，也不能驱使轴颈转动。M=Pa------自锁现象三、发生自锁的条件（续）3.一般条件

机械发生自锁时，无论驱动力多么大，都不能超过由它所产生的摩擦阻力。

h0

当h=0时，机械处于临界自锁状态；当h<0时，其绝对值越大，表明自锁越可靠。驱动力所作的功，总是小于或等于由它所产生的摩擦阻力所作的功。

该千斤顶在物体重力的驱动下运动时的机械效率为：

此即该千斤顶在物体重力作用下不致于自行反转的自锁条件。三、发生自锁的条件（续）4.实例1）螺旋千斤顶三、发生自锁的条件（续）2）斜面压榨机

该机构在当力P撤去后，在Ｑ的作用下应该具有自锁性。（1）求出当Ｑ为驱动力时，该机构的机械效率。（设各接触面的摩擦系数相同。）①根据各接触面间的相对运动及已知的摩擦角j，将两滑块所受的总反力作出。三、发生自锁的条件（续）②取滑块2为分离体，列出平衡方程式：P+R12+R32=0,作出力多边形，并由正弦定律求得：③取滑块3为分离体，列出平衡方程Q+R13+R23=0,可作出力多边形并由正弦定律求得：R32=-R23三、发生自锁的条件（续）④假想该机构中不存在摩擦理想驱动力：该机构的效率：

此即该斜面压榨机反行程自锁的条件。三、发生自锁的条件（续）3）偏心夹具的自锁条件应满足的条件：由几何关系得：（1）将s、s1的值带入(1)式可得偏心夹具的自锁条件为：三、发生自锁的条件（续）5.结论1）所谓机械具有自锁性，是说当它所受的驱动力作用于其某处或按某方向作用时是自锁的，而在另外的情况下却是能够运动的。2）判定机构是否会自锁和在什么条件下发生自锁，可根据具体情况，视方便运用分析驱动力是否作用于摩擦角之内、或驱动力所能克服的阻抗力等于小于零的方法来解决。第十章机械的运转及其速度波动的调节◆

机械的运动方程式◆机械运动方程式的求解◆稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节◆机械的非周期性速度波动及其调节◆了解机器运动和外力的定量关系◆了解机器运动速度波动的原因、特点、危害◆掌握机器运动速度波动的调节方法本章教学目的本章教学内容本章重点：等效质量、等效转动惯量、等效力、等效力矩的概念及其计算方法；机械运动产生速度波动的原因及其调节方法。§10-1概述一、作用在机械上的力

当忽略机械中各构件的重力以及运动副中的摩擦力时，作用在机械上的力可分为工作阻力和驱动力两大类：1.工作阻力工作阻力是指机械工作时需要克服的工作负荷，它决定于机械的工艺特性。

在机械的生产过程中，有些生产阻力为常数，有些是位置的函数，还有一些是速度的函数。一、作用在机械上的力2.驱动力驱动力是指驱使原动机运动的力，其变化规律取决于原动机的机械特性。

原动机的机械特性：指原动机发出的驱动力与运动参数之间的关系。额定转矩：特性曲线上N点所对应的转矩。同步转速：对应于C点的转矩。任一点的转矩为:交流异步电动机的机械特性曲线

原动件的速度从正常工作速度下降到零的阶段。二、机械运转的三个阶段1.起动阶段原动件的速度由零逐渐上升到开始稳定的过程。2.稳定运转阶段Wd=Wc1）周期变速稳定运转：角速度ω≠常数，但在一个运动循环的始末相等的稳定运转。2）等速运转：ω=常数的稳定运转。3.停车阶段

Wd=0;E=-WcWd=Wc+E§10-2机械的运动方程式对于如图之曲柄滑块机构：系统的运动方程式为：一、机械运动方程的一般表达式机械系统的运动方程式为：dE=dW

对于由n个活动构件组成的机构一、.机械运动方程的一般表达式若作用于构件i上的作用力为Fi，力矩为Mi，力Fi

作用点的速度为ui

，构件的角速度为ωi

，则其瞬时功率为：运动方程的一般表达式为：二、机械系统的等效动力学模型等效转动惯量等效力矩1.等效转动惯量和等效力矩（能力微分形式的运动方程式）说明：

对一个单自由度的机械系统的运动研究可简化为对该系统的一个具有等效转动惯量Je（），在其上作用有等效力矩Me（,,t）的假想构件的运动的研究。具有等效转动惯量，其上作用有等效力矩的等效构件等效构件原机械系统等效动力学模型选滑块为曲柄滑块机构的等效构件等效力：二、机械系统的等效动力学模型（续）（能力微分形式的运动方程式）等效质量：2.等效质量和等效力若取转动构件为等效构件，有：若取移动构件为等效构件，有：小结：三、其他形式表达的机械运动方程式1）力矩形式的机械运动方程式1.以回转构件为等效构件时2）动能形式的机械运动方程式：三、其他形式表达的机械运动方程式（续）2.以移动构件为等效构件时1）力矩形式的机械运动方程式2）动能形式的机械运动方程式：§10-3机械运动方程的求解=（）一、等效转动惯量和等效力矩均为位置的函数（Md=Md()，Mr=Mr()，Me=Me()，Je=Je()）1.等效构件的角速度

一、等效转动惯量和等效力矩均为位置的函数（续）=（t）

2.等效构件的角加速度以电动机驱动的鼓风机，搅拌机之类机械属于这种情况。用力矩形式的运动方程式求解比较方便。二、等效转动惯量是常数，等效力矩是速度的函数时=（t）

例1:如图为一齿轮驱动的正弦机构，已知：z1=20,转动惯量为J1；z2=60，转动惯量

为J2，曲柄长为l，滑块

3和4的质量分别为m3，

m4,其质心分别在C和D

点，轮1上作用有驱动力

矩M1,在滑块4上作用有

阻抗力F4，取曲柄为等

效构件，解：求：图示位置时的等效转动惯量Je及等效力矩Me。1）求Je

1）Je的前三项为常数，第四项为等效构件的位置参数2的函数，为变量。

2）工程上，为了简化计算，常将等效转动惯量中的变量部分用其平均值近似代替，或忽略不计。说明例1（续）2）求Me瞬时功率不变例2：已知：各齿轮齿数，齿轮3的分度圆半径r3，各齿轮的转动惯量，工作台重G，当取齿轮1为等效构件时，试求该机械系统的Je。解：§10-4稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节一、产生周期性速度波动的原因当等效构件回转过角时，机械动能的增量为：一、产生周期性速度波动的原因（续）盈功：E>0，用“+”号表示。亏功：E<0，用“-”号表示。在盈功区，等效构件的ω在亏功区，等效构件的ω在Me和Je的公共周期内，Wd=Wr，经过Me和Je的一个公共周期，机械的动能恢复到原来的值等效构件的角速度恢复到原来的数值。等效构件的角速度在稳定运转过程中呈现周期性波动。二、速度波动程度的衡量指标1.平均角速度m2.角速度的变化量max-min

例如：当max-min=5rad/s时，对于m=10rad/s

和m=100rad/s的机械，低速机械的速度波动要明显一些。

可反映机械速度波动的绝对量，但不能反映机械运转的不均匀程度。3.速度不均匀系数：角速度变化量和其平均角速度的比值。工程上用它来表示机械运转的速度波动程度。二、速度波动程度的衡量指标（续）m

一定时，越小，max与

min的差值越小，机器的运转越平稳。

设计机械时，应满足：常用机械运转不均匀系数的许用值[d]三、周期性速度波动的调节

为了减少机械运转时产生的周期性速度波动，常用的方法是在机械中安装具有较大转动惯量JF的飞轮来进行调节。

飞轮相当于一个储能器。当机械出现盈功时，它以动能的形式将多余的能量储存起来，使主轴角速度上升幅度减小；当出现亏功时，它释放其储存的能量，以弥补能量的不足，使主轴角速度下降的幅度减小。设在机械上安装的飞轮的等效转动惯量为JF三、周期性速度波动的调节（续）

指一个周期内，驱动功和阻抗功之差的最大值。或：一个周期内，机械速度由min上升到max（或由max下降到min

）时，外力对系统所作的盈功（或亏功）的最大值。1.最大盈亏功Wmax

：三、周期性速度波动的调节（续）

图(b)所示为某机械系统的动能E()在一个周期T内的变化曲线。b处：Emin

，c处：Emax

，

Wmax

：在b与c之间能量指示图：以a点为起点，按一定比例用向量线段依次表示相应位置Med和Mer之间所包围的面积Aab、Abc、Acd、Ade和Aea’的大小和正负的图形。Amax代表最大盈亏功

Wmax的大小三、周期性速度波动的调节（续）2.飞轮转动惯量JF的计算：

最好将飞轮安装在高速轴上。

§10-5机械的非周期性速度波动及其调节非周期性速度波动：机械运转过程中，等效力矩（Me=Med-Mer）非周期性变化时，机械出现的速度波动。

工作阻力或驱动力在机械运转过程中发生突变，从而使输入能量和输出能量在较长一段时间内失衡造成的。若长时间内Med>Mer

,系统的转速将持续上升，严重时会出现飞车现象；如果长时间Med>Mer

，会造成系统转速持续下降直至最后停止运转。一、非周期性速度波动产生的原因及危害1.当机械的原动机所发出的驱动力矩是速度的函数且具下降的趋势时，机械具有自动调节非周期性波动的能力。采用电动机作为原动机的机械属于此类。2.对于没有自调性的机械系统，需安装一种专门的调节装置-----调速器来调节机械出现的非周期性速度波动。如采用蒸汽机、内燃机或汽轮机为原动机的机械系统二、非周期性速度波动的调节方法分为两种情况：例4：已知:求：1)2)装在曲轴上的飞轮的转动惯量JF解：一个循环内驱动功应等于阻抗功，1)确定阻抗力矩Mr3）求2）求例4（续）MrED◆

刚性转子的平衡计算◆刚性转子的平衡实验◆转子的许用不平衡量◆平面机构的平衡◆

掌握刚性转子静、动平衡的原理和方法；◆

了解平面四杆机构的平衡原理。本章教学目的本章教学内容第十一章机械的平衡本讲重点：刚性转子静、动平衡的原理和方法§11-1机械平衡的目的及内容一、机械平衡的目的设法将构件的不平衡惯性力加以消除或减少。二、机械平衡的内容1.绕固定由回转的构件惯性力的平衡1）刚性转子的平衡（1）静平衡：只要求惯性力达到平衡；（2）动平衡：要求惯性力和惯性力矩都达到平衡。2）挠性转子的平衡：转子在工作过程中会产生较大的弯曲变形，从而使其惯性力显著增大。2.机构的平衡：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。§11-2刚性转子的平衡计算一、刚性转子的静平衡计算1.静不平衡

指质心不在回转轴线上轴向尺寸较小的盘状转子（b/D<0.2），在转动时其偏心质量就会产生离心惯性力，从而在运动副中引起附加动压力的不平衡现象。2.静平衡设计

指通过在转子上增加或除去一部分质量，使质心与回转轴心重合以消除惯性力的不利影响的平衡设计方法。一、刚性转子的静平衡计算（续）如图为一盘状转子。已知m1和m2和r1和r2为平衡这些离心惯性力，在转子上加一平衡质量mb，使Pb与Pi相平衡，即：矢径ri当转子以角速度w回转时，各偏心质量所产生的离心惯性力为：质径积miri

平衡质径积mbrb的大小和方位可根据上式用图解法求出。1）分析与计算（1）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。（2）对于静不平衡的转子，不论它有多少个平衡质量，都只需在同一平衡面内增加或除去一个平衡质量就可以获得平衡，---------单面平衡。求出mbrb后，可以根据转子的结构选定rb

，即可定出平衡质量mb

。

也可在rb的反方向rb’处除去一部分质量

mb’来使转子得到平衡，只要保证mbrb=mb’rb’

即可。一、刚性转子的静平衡计算（续）2）结论对于b/D0.2的转子，其质量不能再视为分布在同一平面内，即使质心在回转轴线上，由于各惯性力不在同一回转平面内，所形成惯性力偶仍使转子处于不平衡状态。二、刚性转子的动平衡计算1.动不平衡动不平衡：只有在转子运动的情况下才显现出来的不平衡。当转子以角速度w回转时，各偏心质量所产生的离心惯性力将形成一空间力系。二、刚性转子的动平衡计算（续）2.动平衡计算

如图为一长转子。已知m1，m2和m3以及r1，r2和r3。转子动平衡的条件是：P=0M=0

1）分析与计算（3）在平衡基面I及II内适当地各加一平衡质量，分别使两个基面内的惯性力之和分别为零，则转子达到动平衡。二、刚性转子的动平衡计算（续）（1）将力P分解为相互平行的两个分力：（2）选定两个回转平面I及II作为平衡基面，将各离心惯性力分别分解到平衡基面I及II内将P1,P2和P3分解为平衡基面I内的P1,P2

,P3和平衡基面II内的

P1,P2,P3空间力系转化为两个平面汇交力系。二、刚性转子的动平衡计算（续）平衡基面I及II内的平衡质

量的大小和方位的确定同静

平衡计算方法。分别列出基面I及II内的平衡条件；

（1）动平衡的条件：当转子转动时，转子分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力和合力矩均为零。选取适当的比例尺，用图解法求出mb

rb

和mb

II

rb

II；根据转子的结构选定rb

和rb

II

，定出平衡基面I及II内的平衡质量mb

和mb

II

。2）结论二、刚性转子的动平衡计算（续）（2）对于动不平衡的刚性转子，不论它有多少个偏心质量，以及分布在多少个回转平面内，都只需在选定的两个平衡基面内增加或除去一个适当的平衡质量，就可以使转子获得动平衡。---------双面平衡。（3）动平衡同时满足静平衡的条件经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的转子不一定动平衡。例1:已知：根据平衡条件有：作质径积多边形解:基面I：基面II：例1（续）三、转子的平衡精度

转子要完全平衡是不可能的，实际上，也不需要过高要求转子的平衡精度，而应以满足实际工作要求为度。为此，对不同工作要求的转子规定了不同的许用不平衡量，即转子残余不平衡量。许用不平衡量有两种表示方法：1.用质径积[mr]（单位g.mm）表示2.用偏心距[e](单位mm)表示

[e]=[mr]/m

§11-3刚性转子的平衡实验一、静平衡实验一、静平衡实验（续）二、动平衡实验§11-4平面机构的平衡

当机构中存在作往复运动和平面复合运动的构件时，这些构件在运动中产生的惯性力和惯性力矩不可能像转子那样在构件本身上予以平衡，必须对整个机构进行平衡。机构平衡的条件是：通过机构质心的总惯性力和总惯性力偶矩M分别为零，即：

P=0M=0一、平面机构惯性力的平衡条件对于活动构件的总质量为m、总质心S的加速度为as的机构，要使机架上的总惯性力P平衡，必须满足：as=0机构的总质心S匀速直线运动或静止不动。欲使as=0,就得设法使总质心S静止不动。设计机构时，可以通过构件的合理布置、加平衡质量或加平衡机构的方法使机构的总惯性力得到完全或部分平衡。二、机构惯性力的完全平衡1.利用对称机构平衡：平衡效果很好，但使机构的体积增大。

完全平衡：使机构的总惯性力恒为0。常用的方法有：二、机构惯性力的完全平衡（续）2.利用平衡质量平衡将构件2的m2用集中于

B、C两点的两个质量代换；在构件1和3的延长线上各加一平衡质量，使其质心分别移到固定轴A和D处：m’=(m2BlAB+m1lAS’1)/r’m’’=(m2ClDC+m3lDS’3)/r’’m2B=

m2lCS’2/lBCm2C=

m2lBS’2/lBC1）四杆机构的完全平衡二、机构惯性力的完全平衡（续）2.利用平衡质量平衡加上m’和m’’后，可以认为在A和D处分别集中了两个质量mA和mD:机构的总质心S’静止不动，as=0机构的惯性力得到完全平衡。2）曲柄滑块机构的完全平衡二、机构惯性力的完全平衡（续）

进行质量代换，得到A、B、C三点的集中质量mA、mB和mC；

在构件2的延长线上加平衡质量m’，使m’和mC的总质心移至B点；

在构件1的延长线上加平衡质量m’’，使机构的总质心移至固定点A。整个机构的惯性力达到完全平衡。

上述方法由于加装了若干个平衡质量，大大增加机构的质量，尤其是把平衡质量装在连杆上时更为不利。3）缺点：三、机构惯性力的部分平衡1.利用非完全对称机构平衡

只平衡机构中总惯性力的一部分。常用的方法有：三、机构惯性力的部分平衡（续）2.利用平衡质量平衡1）将连杆的质量m2用集中于B点和C点的质量m2B和m2C来代替，将曲柄的质量用集中于点B和点A的质量m1B和m1A来代替。2）PB的平衡：在AB的延长线上加一平衡质量m’

三、机构惯性力的部分平衡（续）m’’所产生的惯性力在水平和铅垂方向的分力分别为：P’’h=-m’’w2rcosj=-mCw2lAB

cosjP’’v=-m’’w2rsinj=-mCw2lAB

sinjP’’h

=-PCP’’h可以将mc产生的往复惯性力PC平衡掉。在曲柄的延长线上离

A点为r的地方再加一质量m’’,使：3）PC的平衡：PC的大小随曲柄的转角的不同而不同。三、机构惯性力的部分平衡（续）P’’v=-m’’w2rsinj=-mCw2lABcosj新的不平衡力P’’v，对机构也会产生不利影响。减少P’’v不利影响的方法：只平衡部分往复惯性力。在减小往复惯性力PC的同时，使P’’v不至于太大。对机械的工作较为有利，结构设计也较为简便。农业机械的设计中，常采用这种平衡方法。三、机构惯性力的部分平衡（续）3.利用弹簧平衡

通过合理选择弹簧的刚度系数k和弹簧的安装位置，可以使连杆BC的惯性力得到部分平衡。◆了解产品设计过程和机械总体方案设计的内容；◆了解机械执行系统方案设计的过程和内容◆了解常用原动机的类型和特点及其选取原则；◆了解拟定简单机械传动系统方案的过程。本章教学目标第十二章机械总体方案的设计12-1机械总体方案设计概述12-2机械执行系统的方案设计12-3原动机的选择12-4机械传动系统的方案设计本章教学内容第十二章机械总体方案的设计一、机械产品的设计过程◆初期规划设计阶段◆总体方案设计阶段◆结构技术设计阶段◆生产施工设计阶段机械产品设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。§12-1机械总体方案设计概述机械新产品的开发设计过程一般可以分为四个阶段：1.初期规划设计阶段◆选题◆调研和预测◆可行性论证◆确定设计任务阶段成果：调研报告设计任务书产品开发可行性论证报告2.总体方案设计阶段◆目标分析◆创新构思◆方案拟定◆方案评价◆方案决策总体方案示意图机械系统运动简图方案设计计算说明书阶段成果：一、机械产品的设计过程（续）3.结构技术设计阶段◆结构方案拟定◆造型设计◆结构设计◆材料选择与尺寸设计◆设计图绘制

阶段成果全套设计图纸设计计算说明书4.生产施工设计阶段◆工艺设计◆工装设计◆施工设计

阶段成果工艺流程卡片、工装设计图基础安装图、技术文件使用说明书、备件明细表一、机械产品的设计过程（续）1.功能：功能是代表一个系统的输入输出之间，以完成任务为目的的总的相互关系。基本概念功能的描述方式：动名词对（Verb-NounPair，VNP）：功能是技术系统对能量、物料和信息等功能对象的作用，采用动词+名词的表示方法。例如“传递能量”，“固定物体”。基本概念功能基中标准功能动词和名称的建立类（一级）二级三级物料611能量124信号27类（一级）二级三级补足物物料人手，脚，头气体同质的液体不可压缩的，可压缩的，同质的固体物体刚体，弹性体，小配件微粒合成物等离子体………………信号状态听觉音调，话嗅觉控制模拟振荡的………………能量人声学生物学………………类（一级）二级三级补足物分开分离隔离，分隔，分开划分拆开，隔离，释放，分类，分裂，断开，减去吸取精炼，过滤，提纯，渗滤，滤，清除去除切割，钻，车，磨光，沙磨散布扩散，驱散，消散，发散，散播，分散，散射引导输入形成入口，允许，输入，捕获输出处理，逐出，喷射，发射，腾空，去除，毁坏，消除传递携带，递送引导指引，驱动，驾驶，变直，转换平移移动，重新安置旋转（持续）旋转，（绕一个点）转动允许自由度强迫，解开，开锁，打开连接结合联合，连接接合装配，固定连接连接混和加入，混合，连接，聚合，结合，包装，填装1.产品生命周期需求分析1.制定产品定义的过程需求分析1.制定设计需求表需求分析方案设计的进程功能分析建立功能结构寻求作用原理寻求作用原理的进程汽车油箱储量测定传感器的抽象化过程实例建立功能结构功能分解补充辅助功能：“转变信号”补充辅助功能：“调整信号”补充辅助功能：“校正信号”补充辅助功能：“引入外来能量”确定系统边界：电信号确定系统边界：其他信号作用原理组合的具体化实例：汽车油箱油位测量仪器的作用变型的具体化

——对采用测定液体重量来确定油位的原理进行具体化操作

作用原理组合的具体化第一步：根据重力和惯性力进行估算作用原理组合的具体化第二步：通过将力变换为路程的方法，可以测量出液位高度值。但是为抑制有加速度力引起的路程，必须配备强阻尼。第三步：从大体上按比例画出原理解的结构草图，进行具体评价。评价结论：成本太高，淘汰方案设计实例设计实例：家用单手把混水器步骤1：阐明任务书：依据用户提出的基本要求表，根据管道连接关系、适用的国家、国际标准以及人机工程关系等分析，建立详细的设计任务书。步骤2：抽象化，建立总功能关于节流孔流通量和同类物质流量混合的物理关系步骤3：建立功能结构步骤4：寻求原理解以分功能“流量和温度的配定”为例，将其具体化为“用一个运动使两个截面做同义改变，同时或接着用第二个运动使其做反义改变”。用编排表对作用原理进行汇总步骤5：挑选合适的作用原理分析三种作用原理，均满足设计需求和设计成本的要求，因此在下一步工作中将对所有三种作用原理进行具体化工作。步骤6：具体化原理解原理变型A：平面解，用偏向片和提转把手原理变型B：圆柱面解，用操纵杆原理变型C：圆柱面解，用单面阻流和附近密封原理变型D：球面解5.9方案设计实例步骤7：原理解变型的评价保留对变型D的进一步研究评价结果：变型B为首选方案，二、机械总体方案设计的目的

总体方案设计阶段的工作是实现机械产品初期规划阶段所提出的设计目标的关键。产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。

机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。三、机械系统的组成四、机械总体方案设计的内容★执行系统的方案设计。主要包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。★原动机类型的选择和传动系统的方案设计。其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。★控制系统的方案设计.★其它辅助系统的设计。主要包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等的设计。一、执行系统方案设计的过程§12-2机械执行系统的方案设计★功能原理设计：就是根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。★运动规律设计：是指为实现上述工作原理而决定选择何种运动规律。★执行机构型式设计：是指究竟选择何种机构来实现上述运动规律。框图表示二、执行系统方案设计的内容★执行机构的协调设计：就是根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调和配合，设计出协调配合图。★机构尺度设计：是指对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图。★运动和动力分析：即对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验其是否满足运动要求和动力性能方面的要求。★方案评价与决策：方案评价包括定性评价和定量评价。前者是指对结构的繁简、尺寸的大小、加工的难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的具体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较，从而对设计方案作出评价。二、执行系统方案设计的内容（续）实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理；实现同一种工作原理，可以选择不同的运动规律；实现同一种运动规律，可以选择不同型式的机构。二、执行系统方案设计的内容（续）获得多种不同的方案给定某种预期功能要求机械执行系统方案设计所要研究的问题，就是如何合理地利用设计者地专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能地方案并从中选出最佳方案。机械预期实现的功能功能原理摩擦传动原理流体传动原理电磁传动原理机械推拉原理材料变形原理光电原理其它原理运动规律二、执行系统方案设计的内容（续）机械执行系统方案设计流程图工艺动作分解方法1工艺动作分解方法2工艺动作分解方法3机构型式工艺动作分解方法n……连杆机构凸轮机构其它机构机构组合结构变异一、原动机的类型和特点§12-3原动机的选择

电动机的类型很多，不同类型的电动机具有不同的结构型式和特性，可满足不同的工作环境和机械不同的负载特性要求。主要优点为：驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启动、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为一般传动，电动机的功率范围很广。主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。根据使用电源的不同，又分为交流电动机和直流电动机两大类。1.动力电动机

伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。特点：它体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调节特性均为直线。应用；伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系统中。2.控制电动机（伺服电动机）一、原动机的类型和特点（续）（1）分类按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机按工作循环中的冲程数分:四冲程和二冲程内燃机按汽缸数目分:单缸和多缸内燃机按主要机构的运动形式分:往复活塞式和旋转活塞式（2）特点及应用

优点是功率范围宽、操作简便、启动迅速；适用于工作环境无电源的场合，多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。缺点为对燃油的要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。3.内燃机一、原动机的类型和特点（续）

液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能的动力装置。其主要优点是可获得很大的动力或转矩，可通过改变油量来调节执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工艺过程的动作要求。缺点是要求有高压油的供给系统，液压系统的制造装配要求高，否则易影响效率和运动精度。4.液压马达

气动马达是以压缩空气为动力‘，将气压能转变为机械能的动力装置。常用的有叶片式和活塞式。其主要优点为：工作介质为空气，故容易获取且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作迅速、反应快。缺点为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适用于小型轻载的工作机械。5.气动马达一、原动机的类型和特点（续）1.选择原则二、原动机的选择★考虑工作机械的负载特性、工作制度、启动和制动的频繁程度。★考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特性(包括功率、转矩、转速等)相匹配，能否与工作机械的调速范围、工作的平稳性等相适应。★考虑机械系统整体结构布置的需要。★考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。★考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。2.原动机类型的选择★若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度，应选用电动机。电动机的类型和型号较多，并具有各种特性，可满足不同类型工作机械的要求。★在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选用液压马达。★要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采用液压马达或气动马达。★要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采用气动马达。★要求对工作环境不造成污染，宜选用电动机或气动马达。★要求启动迅速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选用内燃机。★要求负载转矩大，转速低的工作机械或要求简化传动系统的减速装置，需要原动机与