第1页：第4章 平面机构的力分析目录与本章重点
机构力分类及研究方法4-2构件惯性力的确定4-3运动副中摩擦力的确定4-4不考虑摩擦时机构的力分析4-5考虑摩擦时机构的力分析基本要求:·熟练分析和计算移动副的摩擦问题·掌握螺旋副及转动副中摩擦问题的分析和计算方法第4章平面机构的力分析
第2页：4-1 机构力分类及研究方法
4-1 机构力分类及研究方法
- 作用力：原动力、生产阻力、重力、摩擦力、惯性力、运动副反力等按力对机械运动影响不同分类：
- 驱动力：驱使机械运动的力
- 阻抗力：阻止机械运动的力–有效阻力–有害阻力
第3页：机构力分类及研究方法：机构力分析的目的
- 确定运动副的反力
- 确定机械上的平衡力（或平衡力偶）二、机构力分析的目的
第4页：机构力分类及研究方法：机构力分析的方法
- 静力分析Statical analysis：对低速机械，因惯性力小，常忽略不计–静力学平衡
- 动态静力分析Kinetostatical analysis：对高速及重型机械，因惯性力很大，必须计及惯性力（即将惯性力视为一般外力加于相应构件上，再按静力分析的方法进行分析）–先进行静力分析、静强度计算–确定各构件尺寸–进行动态静力分析及强度计算
- 图解法、解析法三、机构力分析的方法
第5页：动静法、达朗伯原理
- 达朗伯原理–假想地在运动的构件上加上惯性力，则构件在主动力、约束力及惯性力作用下处于平衡
- 动态静力分析——动静法：–根据达朗伯原理将构件运动时产生的惯性力作为已知外力加在相应的构件上，将动态受力系统转化为瞬时静力平衡系统，用静力学的方法对机构进行受力分析，即动态静力分析。
- 动静法将动力学问题转化为静力学问题，因而可运用全部静力学知识与解题技巧求解。
- 机构的动态静力分析从本质上讲，仍然是一种在假定条件下的受力分析，但它的分析结果较静力分析更接近机构的真实受力情况。这种受力分析方法是中、高速机械受力分析主要采用的方法。
动态静力法——动静法
第6页：4-2 构件惯性力的确定
4-2 构件惯性力的确定
第7页：构件惯性力的确定：一般力学方法
- 任何物体都将给予企图改变它运动状态的其它物体以阻力
- 当物体受到力的作用，其运动状态发生变化时，由于物体的惯性，对外界产生反作用，抵抗运动的变化。这种抵抗力称为惯性力
- 惯性力的大小等于质量乘加速度，方向与加速度相反，作用在使此物体产生加速度的其它物体上构件惯性力的确定：
- 作平面移动构件
- 绕定轴转动构件
- 作平面复合运动构件一、一般力学方法
惯性力Inertia force：
第8页：构件惯性力的确定：质量代换法、代换条件
- 设想把构件的质量按照一定条件集中于构件上某机构选定点的假象集中质量来代替，即只需求各集中质量的惯性力。这种惯性力简化方法称为质量代换法。
- 二、质量代换法
- 代换条件（动代换）
- 代换前后构件的质量不变；
- 代换前后构件的质心不变；
- 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变；静代换
第9页：4-3 运动副中摩擦力的确定
4-3 运动副中摩擦力的确定
- 一、摩擦概述二、移动副中的摩擦三、螺旋副中的摩擦四、转动副中的摩擦五、摩擦在机械中的应用
第10页：运动副中摩擦力的确定：摩擦概述
- 全世界约有1/3 ~ 1/2的能源以各种形式损耗在摩擦上
- 摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，约80%的零件损坏由各种形式的磨损引起
- 摩擦是通过运动副对整个机器工作性能发生影响的
- 摩擦是复杂的物理化学现象——有害、也有利
- 控制摩擦、减少磨损、改善滑润性能，成为节约能源、提高机械效率、缩短机械维修时间、提高机械产品质量的主要措施
- 措施：滚动代替滑动、选用优质润滑油、选用耐磨材料…
- 《摩擦学》是研究有关摩擦、磨损与润滑的一门新兴交叉学科一、摩擦概述
第11页：运动副中摩擦力的确定：移动副中的摩擦
- 移动副中的摩擦是运动副中摩擦的一种简单的形式，广泛存在于机械运动中。分三种情况介绍：
- 1平面摩擦
- 2斜面摩擦
- 3槽面摩擦21λ12二、移动副中的摩擦
第12页：平面摩擦力分析
- 摩擦力：
- 总反力：
- 摩擦角
- 总反力R21与相对移动速度v21之间的夹角为钝角(90O+ϕ
- 平衡条件：
- 自锁条件：当β≤ϕ时，滑块自锁v12FR21Ff21GFN21FRβ
平面摩擦力分析：
第13页：斜面摩擦分析
- 平衡条件：
- 驱动力：等速下滑：
- 平衡条件：
- 维持力：自锁条件：
- 当α≤ϕ时，F’≤0，原工作阻力F’反向作用，作为驱动力时，滑块才能移动
- 结论：当α≤ϕ时，滑块自锁ααFGR21α+ϕVGFFNFfvF’Gα–ϕFR21’FR21’GF’FN’Ff’ϕFR21ϕ
2斜面摩擦分析使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：
第14页：槽面摩擦力分析
- 摩擦力：
- 当量摩擦角：12G2ϕvGθ思考:与平面摩擦比较？结论：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力11PV121FR21FN21Ff11G
3槽面摩擦力分析：
第15页：运动副中摩擦力的确定：螺旋副中的摩擦
- 螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面。
- 螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力
- 1矩形螺纹
- 2三角形螺纹三、螺旋副中的摩擦
第16页：矩形螺纹
- 螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动↑滑块沿斜面运动
- 假设：1)载荷分布在中线上; 2)单面产生摩擦力
- 螺旋升角Gd2dd1αs =z pv12φFR21nnFGα拧紧力矩防松力矩自锁条件α≤ϕ效率
1矩形螺纹
第17页：三角形螺纹、反力
- 反力
- 摩擦力
- 当量摩擦角GFN/2FN/2GFN’FN’ββ900-β900-βββ
2三角形螺纹
第18页：三角形螺纹、拧紧力
- 拧紧力
- 拧紧力矩自锁条件α≤ϕv效率
- 防松力
- 防松力矩GFN/2FN/2GFN’FN’ββ900-β900-βββ
3三角形螺纹
第19页：运动副中摩擦力的确定：转动副中的摩擦
- 转动副按载荷作用情况的不同，可分为两种：
- 1轴颈的摩擦——径向轴颈与轴承
- 2轴端的摩擦——止推轴颈与轴承21四、转动副中的摩擦
第20页：轴颈的摩擦、当量摩擦
- 当量摩擦系数摩擦力矩12MdrGFR21轴承轴颈轴FN21Ff21总反力力平衡力矩平衡即对于具体的轴颈，ρ为定值，是摩擦圆半径ϖ摩擦圆
1轴颈的摩擦
第21页：转动副总反力
ω21FFR21ω21转动副总反力方位线的确定1）FR21与载荷F大小相等，方向相反；2）FR21的作用线必切于摩擦圆；
3）FR21产生的摩擦力矩与ω12转动方向相反。
第22页：轴颈的摩擦
- 总反力FR21与载荷G大小相等，方向相反
- FR21产生的摩擦力矩与轴转动角速度ω12的方向相反
- FR21的作用线必切于摩擦圆
- 若将驱动力矩Md用载荷G表示(即G’等效代替G、Md)
- 当e>ρ时，Md> Mf,则轴颈将加速运动→ω
- 当e=ρ时，Md= Mf,则轴颈保持平衡
- 当e<ρ时，Md< Mf,则轴颈将减速直至停止
- 自锁条件：当e≤ρ时，不论Q多大，也无法使轴转动12MdrGFR21FN21Ff21G’e
轴颈的摩擦小结
第23页：例题1：一四杆机构如图，曲柄1为主动件
- 各杆均视为二力杆；
- 2杆为拉杆；
- 摩擦力矩的作用与驱动力矩相反φαβγ4AD123ω1M1BCM3R32R12R41R23R21R43
例题1：一四杆机构如图，曲柄1为主动件，在力矩M1的作用下沿ω1方向转动。试求各转动副中作用力的方向线。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：
第24页：例题2：曲柄滑块机构如图。设各运动副摩擦
例题2：曲柄滑块机构如图。设各运动副摩擦系数f和转动副的半径r为已知。作用在滑块上的水平阻力Q为已知。不计各构件和重力及惯性力。
试对该机构在图示位置进行力分析，并确定加于B点与AB垂直平衡力Pb的大小。解：1.摩擦圆半径ρ=fr；2. 3为受压二力杆，总反力对相对转动中心的摩擦力矩与驱动力的作用相反；
构件为三力构件：B2ω14CQPb3AR23R43三力汇交于一点F。ϕ=arctgfFϕR14QR14R434.同理，2构件为三力构件；
三力汇交。
第25页：止推轴承、摩擦
- 摩擦力矩的计算设压强为p微环上正压力dFN=pds摩擦力dFf=fpds摩擦力矩dMf=ρdFf=ρfpds21G2r2RMdωωRr
- 总摩擦力矩
2轴端的摩擦——止推轴承
第26页：为什么止推轴承一般采
- 新轴端:P=常数=G/π(R2-r2)
- 跑合轴端：pρ=常数2轴端的摩擦——止推轴承
？为什么止推轴承一般采用空心轴端
第27页：运动副中摩擦力的确定：摩擦在机械中的应用
- 机械中的摩擦在某些情况下也有其有利的一面，工程实际中有不少机械是利用摩擦来工作的
- 有利应用：皮带传动、摩擦轮传动、摩擦离合器、制动器、夹具…1、摩擦传动2、摩擦离合器3、摩擦制动4、摩擦联接5、摩擦锁紧四、摩擦在机械中的应用
第28页：圆柱平摩擦传动
1摩擦传动12圆柱平摩擦传动圆柱槽摩擦传动r222a滚轮圆盘式摩擦传动1带传动
第29页：摩擦离合器``
2摩擦离合器``FaRf
第30页：摩擦制动、带式制动器
- 带式制动器FF1F2ω制动轮制动带钢圈刹车片
- 片式制动器
3摩擦制动
第31页：摩擦联接
4摩擦联接
第32页：摩擦锁紧、偏心夹具
- 偏心夹具
- 斜面压榨机空击夹具体1工件2偏心圆盘3FR23PFFQα
5摩擦锁紧
第33页：4-4 不考虑摩擦时机构的力分析
4-4 不考虑摩擦时机构的力分析
- 一、构件组的静定条件二、图解法进行机构的动态静力分析三、解析法进行机构的动态静力分析自学内容
第34页：构件组的静定条件杆组
- 低副：反力FR有2个未知数；
- 高副：反力FR有1个未知数；
- 每个构件：3个力平衡方程，3n。
- 静定条件：3n=2pl+ph一、构件组的静定条件杆组
第35页：不考虑摩擦时机构的力分析：用图解法作机构
- 二、用图解法作机构的动态静力分析三、用解析法作机构的动态静力分析自学内容
第36页：4-5 考虑摩擦时机构的力分析
4-5 考虑摩擦时机构的力分析
自学内容
第37页：作业：习题
作业:习题：4-13、4-14Homework
