机械设计基础课件!速度波动调节
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机械设计基础教程ppt第八章
✓例如：当max- min=5rad/s时，对于m =10 rad/s 和m =100rad/s的
机械，低速机械的速度波动要明显一些。
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。
(max min ) / m
速度波动程度的衡量指标
❖设计机械时，应满足： [ ]
❖ 最好将飞轮安装在高速轴上。
飞轮尺寸计算
Jf
G(D12
D22
)
/
8g
GD2 4g
关于飞轮调速的几个重要的结论：
1）如果过分追求机械运转速度的均匀性，
即[δ]取值很小，则飞轮的转动惯量就需很大，
将会使飞轮过于笨重。
2）安装飞轮后机械运转的速度仍有周期波 动，即其速度波动不可能达到消除，而只是波 动的幅度减小了而已。
停车阶段 输入机器的能量持续小于机器输出
的能量，机器的转速不断降低。
机器的自调性
机器的自调性？ 当外载荷发生变化时，机器 的主轴能够在新的速度下重 新稳定运转。
M d M r
产生周期性速度波动的原因
❖当等效构件回转过角时，
Wd ( ) a M ed ( )d
Wr ( ) a M e ( )d
Fb mbrb
m1r1F1
m2r2 F2
m3r3
mSrS F3
FS
图解法
mbrb
按: m1 r1 + m2 r2 + m3 r3 + mb rb = 0
方向 √
√
√
?
大小 √
√
√
?
m1r1 m2r2
m r =W 称 "质径积" .
机械零件设计 速度波动调节
Abc= ······ = -457p (N/m)
Adc= ······ = 307p (N/m)
c
由能量指示图可得：
Amax= Abc = -Acb = 457p (N/m)
(4)求 JF
JF=
900Amax
p2n2[d]
=
900·457p
p2 · 14402 · 0.05
= 1.263 (kgm3)
-50
-100
+125
-500
+25
-50
+550
0
0
c
2、用能量指示图求 Amax
e
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由能量指示图: Amax = Aeb = Acb + Adc + Aed = 550 + (-100) + 125 = 575
3、 JF = ———
Amax [d] wm2
2、运动周期(运动循环)
在周期性稳定运转阶段, 机器的位移、速度、加速度的某一值，经过一段时间，全部回复到原来的值，这一段时间, 称为一个运动周期。
周期性、非周期性
●
3、平均角速度wm和速度不均匀度系数d
wm =
wmax + wmin
2
d =
wmax - wmin
wm
d [d] （见 P97 表 7 – 1）
也就是说, Emax 和 Emin (对应ω的极值)发生在 Md= Mz 处,
也即在 Md 和 Mz 曲线的交点处.
f
w
wmax
wmin
a
b
JF≥———
Amax wm [d]
2
例一、
Adc= ······ = 307p (N/m)
c
由能量指示图可得：
Amax= Abc = -Acb = 457p (N/m)
(4)求 JF
JF=
900Amax
p2n2[d]
=
900·457p
p2 · 14402 · 0.05
= 1.263 (kgm3)
-50
-100
+125
-500
+25
-50
+550
0
0
c
2、用能量指示图求 Amax
e
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由能量指示图: Amax = Aeb = Acb + Adc + Aed = 550 + (-100) + 125 = 575
3、 JF = ———
Amax [d] wm2
2、运动周期(运动循环)
在周期性稳定运转阶段, 机器的位移、速度、加速度的某一值，经过一段时间，全部回复到原来的值，这一段时间, 称为一个运动周期。
周期性、非周期性
●
3、平均角速度wm和速度不均匀度系数d
wm =
wmax + wmin
2
d =
wmax - wmin
wm
d [d] （见 P97 表 7 – 1）
也就是说, Emax 和 Emin (对应ω的极值)发生在 Md= Mz 处,
也即在 Md 和 Mz 曲线的交点处.
f
w
wmax
wmin
a
b
JF≥———
Amax wm [d]
2
例一、
机械设计基础第7章 机械速度波动的调节
例如：
①惯性玩具小汽车： 阻力↓——储存能量 阻力↑——释放能量 ②冲压：
速度平稳
空回：阻力↓——储存能量
冲压：阻力↑——释放能量
③汽车新型节能研究：
制动时：阻力↓——储存能量 启动时：阻力↑——释放能量
2、非周期性速度波动：随机无规律的速度波动
①特征
长时间A驱＞A阻
长时间A驱＜A阻
速度 速度
超越极限
ωmax ωmin δ (7 ~ 3) ωm
☆ωm一定，δ↓，ωmax-ωmin↓ 机器运转愈平稳 ☆各种机器，δ因工作性质不同 而不同（见表7-1）。
机器运转的不均匀程度
☆ωm .δ是设计飞轮的重要指标。
二. 飞轮设计的基本原理
飞轮设计的基本问题： 根据ωm和许可δ确定 J飞
在一个运动周期内：
故：机械动能的增减形成机械运转速度的波动
三、速度波动的危害 1、周期性速度波动 危害： ①引起动压力，η ↓和可靠性↓ 。 ②可能在机器中引起振动，影响寿命、强度。 ③影响工艺，产品质量↓ 。 例如：①机床主轴速度波动—工件粗糙度↑、精度↓ ②电唱机转盘速度波动——音质下降 ③汽车发动机主轴速度波动—车厢振动乘客不适 2、非周期性速度波动 危害：机器因速度过高而毁坏，或被迫停车。
M
500Nm
M″
M′
100Nm
0
3 2 4
5 4
3 2
2π
φ
在一个运动循环中:驱动力矩所作的功=阻力矩所作的功
即：
解得:M'=200 Nm 由此可作出(M′-φ)水平直线如图。
②求Amax 将M'与M"交点标注a、b、c、d 则:M′与M″所围面积分为各区间 oa:盈功 标注“+” ab:亏功，标注“-” bc:盈功 标注“+” cd:亏功，标注“-” do:盈功 标注“+” 然后:据各区间盈亏值大小按比例作能量指示图 自o向上作oa：oa区间的盈功Aoa=100×π/2 向a向下作ab：ab区间的亏功Aab=300×π/4 依次类推直到最后一个封闭向量do
机械设计基础7机械运转速度波动的调节
在机械上加上一个转动惯量很大的回转件----飞轮。 当出现盈功时---飞轮的动能增加 当出现亏功时---飞轮的动能减小 飞轮的动能：
1 2 E J ( 2 0 ) 2
, 0 为 某 一 时 间 间 隔 内 的
末角速度与初角速度
飞轮的转动惯量J 越大，角速度的波动越小。虚线为 没安装飞轮时的主轴的速度波动，实线为安装飞轮时的主 轴的速度波动。
最大盈亏功Amax 的确定方法如下： 1.求出各盈亏功
在oa 区间输入输出功之差：
Aoa
a
o
( M M )d
a
o
M ( y y)dx
M [ S1 ]
由图可见S1为亏功，同理可得S2，S4为盈功，S3，S5为亏功。
2. 确定主轴各角位置的动能
§7-2．飞轮设计的近似方法
一、机械运转的平均速度和不均匀系数
设：机械主轴的角速度随时间的变化规律为 一个周期角速度的实际平均值
f (t )
m
1 T
T
dt
0
----称为额定转速
实际计算时是以算术平均值作为实际 平均值：
m
max min
2
max ,
min 分 别 为 最 大 角 速 度
J Amax
2 m
多数飞轮安装在机器的主轴上，如果安装在其他 轴上，必须保证该轴上安装的飞轮与主轴上安装 的飞轮具有相等的动能，即：
m 2 J J( ' ) m
1 1 '2 2 J m J m 2 2
' m 为 任 选 飞 轮 轴 的 平 均速 角度
J 为 安 装 在 该 轴 上 的 飞转 轮动 惯 量
1 2 E J ( 2 0 ) 2
, 0 为 某 一 时 间 间 隔 内 的
末角速度与初角速度
飞轮的转动惯量J 越大，角速度的波动越小。虚线为 没安装飞轮时的主轴的速度波动，实线为安装飞轮时的主 轴的速度波动。
最大盈亏功Amax 的确定方法如下： 1.求出各盈亏功
在oa 区间输入输出功之差：
Aoa
a
o
( M M )d
a
o
M ( y y)dx
M [ S1 ]
由图可见S1为亏功，同理可得S2，S4为盈功，S3，S5为亏功。
2. 确定主轴各角位置的动能
§7-2．飞轮设计的近似方法
一、机械运转的平均速度和不均匀系数
设：机械主轴的角速度随时间的变化规律为 一个周期角速度的实际平均值
f (t )
m
1 T
T
dt
0
----称为额定转速
实际计算时是以算术平均值作为实际 平均值：
m
max min
2
max ,
min 分 别 为 最 大 角 速 度
J Amax
2 m
多数飞轮安装在机器的主轴上，如果安装在其他 轴上，必须保证该轴上安装的飞轮与主轴上安装 的飞轮具有相等的动能，即：
m 2 J J( ' ) m
1 1 '2 2 J m J m 2 2
' m 为 任 选 飞 轮 轴 的 平 均速 角度
J 为 安 装 在 该 轴 上 的 飞转 轮动 惯 量
第07章机械运转速度波动调节ppt课件
1. 研究在外力作用下机械的真实运动规律，目的是 为运动分析作准备。 前述运动分析曾假定是常数，
2但. 研实究际机上械是运变转化速的度的波动及其调节方法，目的是使 机械的转速在允许范围内波动，而保证正常工作。
设计新的机械，或者分析现有机械的工作性能时，往往想知道机械运转的稳定性、构件 的惯性力以及在运动副中产生的反力的大小、Vmax amax的大小，因此要对机械进行运动分析。 而前面所介绍的运动分析时，都假定运动件作匀速运动(ω＝const)。但在大多数情况下， ω≠const，而是力、力矩、机构位置、构件质量、转动惯量等参数的函数：ω＝F(P、M、φ、 m、J)。只有确定了的原动件运动ω的变化规律之后，才能进行运动分析和力分析，从而为设 计新机械提供依据。这就是研究机器运转的目的。
计。由于机械运转速度不均匀系
铸铁飞轮： vmax≤ 36 m/s 铸钢飞轮： vmax≤ 50 m/s
数δ容许有一个变化范围，所以 这种近似设计可以满足一般的使 用要求。
例题
例10-5 在电机驱动剪床的机组中，阻力矩M"变化曲线如图， 驱动力矩M'=常数，n=1500r/min，[ ]=0.05，Jv、JC忽略不计， 求安装在电机轴上的飞轮转动惯量JF。
为了减小这些不良影响，就必须对速度波动范围进行调节。
§7－1 机械运转速度波动调节的目的和方
二法、产生周期性波动的原因
M'
作用在机械上的驱动力矩M,(φ)和阻力
矩M"(φ)往往是原动机转角的周期性函
数。 分别绘出在一个运动循环内的变化曲线。
a
φ
在一个运动循环内，驱动力矩和阻力矩所 M"
作的功分别为：
§7－1 机械运转速度波动调节的目的和方
机械设计第7章机械速度波动与调节
二、机械运转的平均速度和不均匀系数
若已知机械主轴角速度随时间变
化 的 规 律 =f(t) 时 ， 一 个 周 期 角 速 度
的实际平均值m可由下式求出
m
1 T
T
dt
o
（20-1）
这个值称为机器的“额定转速” 。
由于的变化规律很复杂，故在工程计算中都以算术平均值近似代替实际平
均值，即
m
max
min
2
（速度和最小角速度。
机械速度波动的相对程度用不均匀系数表示：
max min m
（20-3）
三、飞轮设计方法
1．转动惯量的计算
动能的最大变化量即最大剩余功为：
Amax
Emax
E m in
1 2
J
2 max
2 min
J 2m
式中Amax为最大剩余功，或最大盈亏功。
图20-4飞轮结构示意图
因此，有
J Amax 900 Amax
m2 2 n 2
（20-4）
图20-3 转动惯量与 不均匀系数的关系
2．飞轮尺寸确定
般飞轮的轮毂和轮辐的质量很小，近似计算时认为飞轮质量m集中于平均直 径为Dm轮缘上。因此，转动惯量可以写成
J
m
Dm
2
mDm2
2 4
（20-6）
当按照机器的结构和空间位置选定轮缘的平均直径Dm之后，由式（20-6）便 可求出飞轮的质量m。选定飞轮的材料与高宽比H/B后，按轮缘为矩形端面求出 轮缘截面尺寸，见图20-4。
若已知机械主轴角速度随时间变
化 的 规 律 =f(t) 时 ， 一 个 周 期 角 速 度
的实际平均值m可由下式求出
m
1 T
T
dt
o
（20-1）
这个值称为机器的“额定转速” 。
由于的变化规律很复杂，故在工程计算中都以算术平均值近似代替实际平
均值，即
m
max
min
2
（速度和最小角速度。
机械速度波动的相对程度用不均匀系数表示：
max min m
（20-3）
三、飞轮设计方法
1．转动惯量的计算
动能的最大变化量即最大剩余功为：
Amax
Emax
E m in
1 2
J
2 max
2 min
J 2m
式中Amax为最大剩余功，或最大盈亏功。
图20-4飞轮结构示意图
因此，有
J Amax 900 Amax
m2 2 n 2
（20-4）
图20-3 转动惯量与 不均匀系数的关系
2．飞轮尺寸确定
般飞轮的轮毂和轮辐的质量很小，近似计算时认为飞轮质量m集中于平均直 径为Dm轮缘上。因此，转动惯量可以写成
J
m
Dm
2
mDm2
2 4
（20-6）
当按照机器的结构和空间位置选定轮缘的平均直径Dm之后，由式（20-6）便 可求出飞轮的质量m。选定飞轮的材料与高宽比H/B后，按轮缘为矩形端面求出 轮缘截面尺寸，见图20-4。
【机械加工】机械运转及速度波动调节48页PPT
统做功在一个波动周期内为零(Wd-Wr=0)。
系 速统度在也一相个等周（期如始图末9的－动1中能A相、等B（两E点A ）= ，EB但）在，一原个动周件期的 内的任一区间，驱动功和阻抗功不一定相等，机械的动 能将增加或减少，瞬时速度产生波动。
上述这种稳定运转称为周期性变速稳定运转。许多机械 如牛头刨床、冲床等的运动就属于此类。还有一些机械， 其原动件的运动速度是恒定的，称其为匀速稳定运转， 如鼓风机、提升机等。
等效转化的原则是：
等效构件的等效质量或等效转动惯量具有的动能等于原 机械系统的总动能；
等效构件上作用的等效力或力矩产生的瞬时功率等于原 机械系统所有外力产生的瞬时功率之和。
把这种具有等效质量或等效转动惯量，其上作用有等效 力或等效力矩的等效构件称为原机械系统的等效动力学 模型。
对于单自由度机械系统，只要确定了一个构件的运动， 其他构件的运动就随之确定，因此，通过研究等效构件
5
3、停车阶段：
通常此时驱动力为零，机械系统由正常工作 速度逐渐减速，直到停止。此阶段内功能关
系为 Wr=E。
很多机械，为了缩短停车时间，安装了制动 装置来增加阻力。此时，上式中的Wr除了摩 擦力所消耗的功外，主要是制动力所作的功。
6
三、作用在机械上的驱动力和生产阻力
驱动力由原动机产生， 它通常是机械运动参数 （位移、速度或时间） 的函数，称为原动机的 机械特性。
工序1：在车床上车外圆、车端面、 镗孔和 内孔倒 角；
工序2：在钻床上钻6个小孔。
在同一道工序中，工件可能要经过几次 安装。 工件在 一次装 夹中所 完成的 那部分 工序， 称为安 装。在 工序1中，有 两次安 装。第 一次安 装：用 三爪卡 盘夹住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒 角，车 外圆。 第二次 安装： 调头用 三爪盘 夹住外 圆，车 端面A和 B，内 孔倒角 。
系 速统度在也一相个等周（期如始图末9的－动1中能A相、等B（两E点A ）= ，EB但）在，一原个动周件期的 内的任一区间，驱动功和阻抗功不一定相等，机械的动 能将增加或减少，瞬时速度产生波动。
上述这种稳定运转称为周期性变速稳定运转。许多机械 如牛头刨床、冲床等的运动就属于此类。还有一些机械， 其原动件的运动速度是恒定的，称其为匀速稳定运转， 如鼓风机、提升机等。
等效转化的原则是：
等效构件的等效质量或等效转动惯量具有的动能等于原 机械系统的总动能；
等效构件上作用的等效力或力矩产生的瞬时功率等于原 机械系统所有外力产生的瞬时功率之和。
把这种具有等效质量或等效转动惯量，其上作用有等效 力或等效力矩的等效构件称为原机械系统的等效动力学 模型。
对于单自由度机械系统，只要确定了一个构件的运动， 其他构件的运动就随之确定，因此，通过研究等效构件
5
3、停车阶段：
通常此时驱动力为零，机械系统由正常工作 速度逐渐减速，直到停止。此阶段内功能关
系为 Wr=E。
很多机械，为了缩短停车时间，安装了制动 装置来增加阻力。此时，上式中的Wr除了摩 擦力所消耗的功外，主要是制动力所作的功。
6
三、作用在机械上的驱动力和生产阻力
驱动力由原动机产生， 它通常是机械运动参数 （位移、速度或时间） 的函数，称为原动机的 机械特性。
工序1：在车床上车外圆、车端面、 镗孔和 内孔倒 角；
工序2：在钻床上钻6个小孔。
在同一道工序中，工件可能要经过几次 安装。 工件在 一次装 夹中所 完成的 那部分 工序， 称为安 装。在 工序1中，有 两次安 装。第 一次安 装：用 三爪卡 盘夹住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒 角，车 外圆。 第二次 安装： 调头用 三爪盘 夹住外 圆，车 端面A和 B，内 孔倒角 。
机械设计基础 第7章 机械运转速度波动的调节
J=
说明:
A max
2 ωmδ
...............飞轮的转动惯量
1, Amax, ωm一定,J与δ成等边双曲线关系.如图:当δ 很小时,要略微减小δ,J激增,使飞轮笨重,成本增加; 2,J, ωm一定, Amax, δ成正比,即盈亏功越大,机 械的运转速度越不均匀; 3, J与ω2m成反比,即主轴平 均转速越高,所需飞轮转动惯量 越小.
二,机械的周期性速度波动 机械在稳定运转阶段,外力做周期性变化,其原动件的角速 度ω在其恒定的平均角速度ωm上下瞬时的变化(即出现波动), 但在一个周期T的始末,其角速度是相等的,这时机械具有的动 能是相等的,即机械输入功和输出功相等.这种速度波动就称为 机械的周期性速度波动.如图中虚线所示. 机械的周期性波动调节的 方法就是在机械中安装飞轮— —具有很大转动惯量的回转构 件. 飞轮的调速是利用它的储 能作用,达到调节作用.
ω x ↑→ J x ↓
∴飞轮装在速度高的轴上.
三,最大盈亏功Amax的确定 M'----驱动力矩 Aoa=μMμφs1
J=
A max
2 ωmδ
...............飞轮ห้องสมุดไป่ตู้转动惯量
M"----阻力矩
设转角0时,动能为E0 Ea=E0- Aoa =E0-μMμφs1 Eb=Ea+ Aab =Ea+ μMμφs2 ………. E0=Ed- Ad0 =Ed- μMμφs5 Emax- Emin = Amax d 也可用能量图表示 b o c a Amax = Aab - Abc +Acd o Amax
由安装空间确定Dm,求出m. 根据轮缘的断面形状,材料的密度ρ,求出体积V,厚度 H,宽度B 1,轮缘断面为矩形:m=Vρ=πDmHBρ,选定H/B , ρ ,可定尺寸. 2 1 D mD 2 选定D,求出m. 2,实心圆盘:J = m = 2 2 8 由:m=V ρ=π D2B ρ/4,选定ρ,可求出B 注意:飞轮轮缘速度越高,其轮缘材质产生的离心力越大, 当离心力超过材料所能承受的强度极限时,轮缘会爆裂. 为了安全,选择Dm和D(外圆直径)时,应使飞轮外圆 的圆周速度小于以下安全数值: 铸铁飞轮:Vmax36m/s 铸钢飞轮: Vmax50m/s
机械设计基础7机械运转速度波动的调节.ppt
＊平均角速度: ωm≈ (ωmax＋ ωmin)/2 (7-2) （算术平均角速度）→名义速度
＊运转速度不均匀系数:δ＝(ωmax－ωmin)/ωm (7-3)
由(7-2)(7-3)可得:ωmax＝ωm(1＋δ/2) ωmin ＝ωm(1－δ/2)
由式可见,δ↓→主轴越接近匀速转动
(7-4) (7-5)
O
δ
３.当Ａmax、δ一定时,Ｊ与ωm2成反
(图7－3)
比→速度↑,所需Ｊ↓→宜将飞轮安装在高速轴上。
力∴的飞Ａ功轮m率应ax变可具化按的曲机转线器来动在定一惯。个量而运Ｊδ动、＝循ωＡ环m则m中a按x的/（机驱器ω动m具力2·体δ和）阻
工作要求来选定。
→∴可选功率较小的原动机。
ω
T
t
图7-1 周期性速度波动
2.非周期速度波动 P.97
现象: 当外力突然发生不规
则的较大变化→机器速度不 规则的变化、或间歇性的变 化→非周期速度波动
→不能利用飞轮来调节。
工作机 原动机
方法: 调速器→主要调节驱动力。
例:离心式调速器
节流阀
蒸汽
图7-2 离心调速气
（二）机器主轴的平均角速度和运转速度不均匀系数
第七章 机械运转速度波动的调节
§7-1 机器运转速度波动调节的目的和方法
(一)调节机器速度波动的目的和方法
ห้องสมุดไป่ตู้一.目的: 如果机械驱动力所作的功=阻力所作的功
A驱＝A阻→机械主轴匀速运转(风扇)
但许多机器，每一瞬间A驱≠A阻
A驱(二＞A)机阻→器盈主功轴→的机平械动均能角↑速度 A驱＜和A运阻→转亏速功度→不机械均动匀能系↓数
→不同机器允许的δ不同→表(7-1) P.99
机械设计基础课件：机械运转速度波动及其调节 -
M
設 在T內，Md與Mr變化規律如圖示，Je為常數
Md
Mr
– + –+
–
①當 Md> Mr 時外力對系統作正功，(盈 功)動能，速度
T
②Md<Mr 時外力對系統作負功，
(虧功) 動能 ，速度
③ Md=Mr時=0，出現min 和 max(如圖示) min min(b) max max(e)
④在b到e區間外力對系統作的功稱為最大
7.1.1機械運轉過程
1 、 機械的起動階段(0 m) 特點：Wd>Wr =m
2、 機械的穩定運轉階段(m) 特點：Wd=Wr =m 勻速穩定運轉: m =C 變速穩定運轉：週期性的速度波動, m≠C 非週期性波動: m≠C
3、 機械的停車階段(m 0) 特點： Wd<Wr m=0
帶動圓筒N上升，並通過套環和連杆將節流閥關
小，使汽油輸入量減少；反之，若負荷突然增
加，原動機及調速器主軸轉速下降，飛球下落，
節流閥開大，促使供油量增加。
7.3 飛輪主要尺寸的確定
確定飛輪的直徑、寬Байду номын сангаас、輪緣厚度等有關尺寸。
JF
m( Dm )2 2
mD
2 m
4
①輪緣的平均直徑Dm根據機器的結構和空間位置 選定之後，便可求出飛輪品質m。
160
3
160
M d 80 Nm
②畫能量指示圖，確定最大盈虧功
[W ] Wbc
160
3
Nm 167.5Nm
③求飛輪轉動慣量
JF
[W ]
m2 [ ]
167 .5 90 2 0.06
0.34kg m2
能量指示圖
机械设计基础第六章 机械的调速与平衡
第二节 机械的平衡
一、机械平衡的目的
1．回转件 回转件（转子）：绕固定轴线回转的构件。 刚性转子：工作转速低于n＜（0.6～0.75）nc1的转子。 挠性转子：工作转速n≥（0.6～0.75）nc1的转子弹性变 形的挠度较大，不能忽略。
2．回转件产生不平衡的原因： 原因：回转件结构不对称、材质的不均匀以及制造和 装配中的偏差，导致其质量中心和回转轴线的不重合，使 回转件在回转时产生离心惯性力（F=mω2e ）。
2．非周期性速度波动及其调节方法
（1）非周期性速度波动
机械在运转过程中，在很长一段时间内出现 Wd＞Wc， 将使机械运转速度不断升高，直至超过强度所允许的极限转 速导致机械损坏；反之，出现在很长一段时间内出现Wd＜ Wc ，将使机械运转的速度不断下降，直至停车。 这种速度 波动是不规则的，没有一定的周期，因此，称为非周期性速 度波动。
非周期性速度波动的产生原因是Wd一直大于或小于Wc， 故这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，而必须采用调速 器使Wd与Wc保持平衡，以达到新的稳定运转状态。
（2）调节方法 机械式离心调速器
原动机
工作原理： 当负载减小时，调速器主 工作机 轴转速升高，离心力使重球上 升，通过连杆机构关小节流阀， 降低机械转速。
机械的速度波动可分为周期性速度波动和非周期性 速度波动两种。
二、机械速度波动的调节方法 1．周期性速度波动及其调节方法
在整个周期中Wd＝Wc；但 是，在周期中的某段时间间隔内， Wd≠Wc，因此，出现速度的波动。 机械的这种有规律的速度波动称 为周期性速度波动。
调节周期性速度波动的方法，是在机械的转动构件上加装 一个大转动惯量的回转件（飞轮）。当Wd ＞ Wc 出现盈功时， 飞轮的转速略增，将多余的能量储存起来；反之，当 Wd ＜ Wc 出现亏功时，飞轮的转速略降，把储存的能量释放出来，补偿 亏功，以减少机械的速度波动，达到调速的目的。
《机械设计基础》第7章 机械的运转及其速度波动的调节
对于不同类型的机械，其允许速度波动的程度是不同的。几种 常用机械的速度不均匀系数[δ]见P99表7-1 ，供设计时参考。
二、飞轮设计的基本原理
飞轮设计的基本问题是：已知作用在主轴上的驱动力 矩M′和阻力矩M″的变化规律，要求在机械的速度不均匀 系数δ的容许范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯 量J。
2、非周期性速度波动 机械运转中随机的、不规则的、没有一定周期的速
度变化称为非周期性速度波动。 这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，需要采用
专用装置——调速器来进行调节。
§7—2 飞轮设计的近似方法 一、平均角速度ωm和速度不均匀系数δ
图7-1所示为机械主轴角速度 随时间的变化规律ω=f (t)。
Aab= 400（Nm） （-） Abc=750（Nm） （+） Acd= 450（Nm） （-） Ade= 400（Nm）（+） Aea ′ =300（Nm） （-）
取比例尺μA=20Nm/mm，作能量指示图。 Amax =Lmax μA=37.5 ×20= 750（Nm）
J =900Amax/(π2n2 δ) =900 × 750/(π2× 1202 ×0.06) =79.2（kgm 2 ）
在一般机械中，其他构件所具有的动能与飞轮相比， 其值甚小，因此，近似设计中可以认为飞轮的动能就是整 个机械的动能，即其他构件的转动惯量可忽略不计。
如图所示为作用在某机械主轴 上的驱动力矩M′和阻力矩M″的变 化曲线及机械功能E的变化情况。 由图可见：
当E=Emax时，即c点处，ω=ωmax； 当E=Emin时，即b 点处，ω=ωmin。
二、速度波动调节的目的
由于速度波动会导致在运动副中产生附加的作用力， 从而降低机械效率和工作可靠性；并引起机械的振动，影 响零件的强度和寿命；还会降低机械的精度和工艺性能， 使产品质量下降。因此，对机械运转速度的波动必须进行 调节，以便使波动程度限制在许可的范围内，从而来减轻 所产生的上述不良影响。 三、速度波动调节的方法
二、飞轮设计的基本原理
飞轮设计的基本问题是：已知作用在主轴上的驱动力 矩M′和阻力矩M″的变化规律，要求在机械的速度不均匀 系数δ的容许范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯 量J。
2、非周期性速度波动 机械运转中随机的、不规则的、没有一定周期的速
度变化称为非周期性速度波动。 这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，需要采用
专用装置——调速器来进行调节。
§7—2 飞轮设计的近似方法 一、平均角速度ωm和速度不均匀系数δ
图7-1所示为机械主轴角速度 随时间的变化规律ω=f (t)。
Aab= 400（Nm） （-） Abc=750（Nm） （+） Acd= 450（Nm） （-） Ade= 400（Nm）（+） Aea ′ =300（Nm） （-）
取比例尺μA=20Nm/mm，作能量指示图。 Amax =Lmax μA=37.5 ×20= 750（Nm）
J =900Amax/(π2n2 δ) =900 × 750/(π2× 1202 ×0.06) =79.2（kgm 2 ）
在一般机械中，其他构件所具有的动能与飞轮相比， 其值甚小，因此，近似设计中可以认为飞轮的动能就是整 个机械的动能，即其他构件的转动惯量可忽略不计。
如图所示为作用在某机械主轴 上的驱动力矩M′和阻力矩M″的变 化曲线及机械功能E的变化情况。 由图可见：
当E=Emax时，即c点处，ω=ωmax； 当E=Emin时，即b 点处，ω=ωmin。
二、速度波动调节的目的
由于速度波动会导致在运动副中产生附加的作用力， 从而降低机械效率和工作可靠性；并引起机械的振动，影 响零件的强度和寿命；还会降低机械的精度和工艺性能， 使产品质量下降。因此，对机械运转速度的波动必须进行 调节，以便使波动程度限制在许可的范围内，从而来减轻 所产生的上述不良影响。 三、速度波动调节的方法
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二.分类与方法:
1. 周期性的速度波动: 图7-1 周期性的速度波动 驱动力和阻力)作周期性变化 现象: 当外力(驱动力和阻力 作周期性变化→机器 现象 当外力 驱动力和阻力 作周期性变化 机器 主轴ω周期性变化 由图可知, 在经过一个运动周 周期性变化→由图可知 主轴 周期性变化 由图可知 ω在经过一个运动周 之后又变到初始状态→ 期T之后又变到初始状态 动能无增减。 之后又变到初始状态 动能无增减。 整个周期中A驱＝ A阻→某一瞬间 驱≠ A阻 某一瞬间A 整个周期中 某一瞬间 →引起速度波动。 引起速度波动。 引起速度波动 调节方法: 加上转动惯量很大的回转件－飞轮。 调节方法 加上转动惯量很大的回转件－飞轮。 T ω 盈功使飞轮动能↑ 盈功使飞轮动能 亏功使飞轮动能↓ 亏功使飞轮动能 2.非周期速度波动 非周期速度波动
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§7-2飞轮设计的近似方法
设计的基本问题: 在机器运转不均匀系数δ 设计的基本问题 在机器运转不均匀系数 范围内→确定飞轮 确定飞轮Ｊ 的容许 范围内 确定飞轮Ｊ。 在一般机器中， 在一般机器中，由于飞轮质量 其它构件 →∴飞轮的动能 其它构件动能。 其它构件动能。 ∴ 可近似认为飞轮的动能 飞轮的动能＝ ∴可近似认为飞轮的动能＝整个机器所具的动能 →∴飞轮动能的最大变化值△Ｅmax ∴飞轮动能的最大变化值△ 机器最大盈亏功Ａ ＝机器最大盈亏功Ａmax Ａmax＝△Ｅmax＝Ｅmax－Ｅmin ＝Ｊ·ω ＝1/2·Ｊ(ωmax2－ωmin2)＝Ｊ m2·δ Ｊ ＝Ｊ ∴飞轮应具的转动惯量: 飞轮应具的转动惯量 Ｊ＝Ａmax/(ωm2·δ)＝900Ａmax／(π2·n2·δ) ＝ Ａ
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2.非周期速度波动 2.非周期速度波动
现象: 现象 当外力突然发生不规 则的较大变化→机器速度不 则的较大变化 机器速度不 规则的变化、 规则的变化、或间歇性的变 化→非周期速度波动 非周期速度波动 →不能利用飞轮来调节 不能利用飞轮来调节。 不能利用飞轮来调节 方法: 调速器→主要调节驱动力 方法 调速器 主要调节驱动力。 主要调节驱动力。 例:离心式调速器 离心式调速器 图7-2 p.96
节流阀 蒸汽 工作机 原动机
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（二）机器主轴的平均角速度 和运转速度不均匀系数
(7-2) ＊平均角速度: ωm≈ (ωmax＋ ωmin)/2 平均角速度 算术平均角速度） 名义速度 （算术平均角速度）→名义速度
＊运转速度不均匀系数:δ＝(ωmax－ωmin)/ωm 运转速度不均匀系数 ＝
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飞轮动能变化： 飞轮动能变化 △Ｅ＝1/2·Ｊ(ω ２－ ω02) Ｅ＝ Ｊ Ｊ－飞轮的转动惯量 Ｊ－飞轮的转动惯量 由式可见,飞轮Ｊ越大 使速度波动 实线) 使速度波动(实线 由式可见 飞轮Ｊ越大→使速度波动 实线 ↓ 飞轮 →同时，飞轮能利用储备的能量克服短时过载 同时， 同时 →∴可选功率较小的原动机。 ∴可选功率较小的原动机。 ω T
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§ 1－1连杆机构及其传动特点
定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成， 定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低 副机构。 副机构。 共同特点： 原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件 的运动经过不与机架直接相连的中间构件2 共同特点： 原动件 的运动经过不与机架直接相连的中间构件 传递到从动件3上 中间构件称为连杆。 传递到从动件 上。中间构件称为连杆。 构件多呈杆 状——简称 简称 为杆 动画 根据杆数命 例如： 名，例如： 四杆机构
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(7-6)
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1.当ωm、Ａmax一定时，Ｊ与δ的关系为一等 当 一定时， 的关系为一等 机器运动匀速性↑。 边双曲线。 Ｊ 边双曲线。δ↓Ｊ↑→机器运动匀速性 。但不 机器运动匀速性 宜过分追求机器运转的均匀性(δ较小 而使Ｊ 较小), 宜过分追求机器运转的均匀性 较小 而使Ｊ过 J 飞轮笨重→成本 大→飞轮笨重 成本 。 飞轮笨重 成本↑ 一定时，Ａ ２.当ωm、Ｊ一定时，Ａmax与δ成 当 、Ｊ一定时 成 正比→Ａ 机器运转愈不均匀。 正比 Ａmax↑机器运转愈不均匀。 机器运转愈不均匀 O
δ
小结：机器速度波动的原因、分类及调节的方法 小结：机器速度波动的原因、分类及调节的方法
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Hale Waihona Puke 二章§ 2－1 － § 2－2 － § 2－3 － § 2－4 －
平面连杆机构
连杆机构及其传动特点 铰链四杆机构的基本型式及其应用 平面四杆机构的演化 平面连杆机构的工作特性
分析: 分析
(图7－3) 一定时,Ｊ ３.当Ａmax、δ一定时 Ｊ与ωm2成反 当 一定时 速度↑,所需 宜将飞轮安装在高速轴上 比→速度 所需Ｊ↓→宜将飞轮安装在高速轴上。 速度 所需Ｊ 宜将飞轮安装在高速轴上。 Ａmax可按机器在一个运动循环中的驱动力和阻 ∴飞轮应具的转动惯量Ｊ＝Ａmax/（ωm2·δ） 力的功率变化曲线来定。 力的功率变化曲线来定。而δ、ωm则按机器具体 、 ＝900Ａmax／(π2·n2·δ) (7-6) 工作要求来选定。 工作要求来选定。
机械设计基础
主讲：吕亚清 机电工程学院 机械设计研究室
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第7 章
机械运转速度波动的调节
Motion of Mechanical Systems and Its Regulation
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§7-1 机器运转速度波动调节的目的和方法
(一)调节机器速度波动的目的和方法 一 调节机器速度波动的目的和方法 目的: 一.目的 如果机械驱动力所作的功 阻力所作的功 目的 如果机械驱动力所作的功=阻力所作的功 A驱＝A阻→机械主轴匀速运转 风扇 机械主轴匀速运转(风扇 机械主轴匀速运转 风扇) 但许多机器，每一瞬间A 但许多机器，每一瞬间 驱≠A阻 A驱＞A阻→盈功 机械动能 盈功→机械动能 盈功 机械动能↑ →机械速度的波动 机械速度的波动 A驱＜A阻→亏功 机械动能 亏功→机械动能 亏功 机械动能↓ 使运动副产生附加动压力→机械振动 质量↓ 使运动副产生附加动压力 机械振动↑η↓质量 机械振动 质量 →必须对机械速度波动进行调节 必须对机械速度波动进行调节 →这类机械容许的范围内 这类机械容许的范围内
(7-3)
可得:ω 由(7-2)(7-3)可得 max＝ωm(1＋δ/2) 可得 ＋ ωmin ＝ωm(1－δ/2) － 由式可见,δ↓→主轴越接近匀速转动 由式可见 主轴越接近匀速转动
(7-4) (7-5)
→不同机器允许的 不同 表(7-1) P.99 不同机器允许的δ不同 不同机器允许的 不同→
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二.分类与方法:
1. 周期性的速度波动: 图7-1 周期性的速度波动 驱动力和阻力)作周期性变化 现象: 当外力(驱动力和阻力 作周期性变化→机器 现象 当外力 驱动力和阻力 作周期性变化 机器 主轴ω周期性变化 由图可知, 在经过一个运动周 周期性变化→由图可知 主轴 周期性变化 由图可知 ω在经过一个运动周 之后又变到初始状态→ 期T之后又变到初始状态 动能无增减。 之后又变到初始状态 动能无增减。 整个周期中A驱＝ A阻→某一瞬间 驱≠ A阻 某一瞬间A 整个周期中 某一瞬间 →引起速度波动。 引起速度波动。 引起速度波动 调节方法: 加上转动惯量很大的回转件－飞轮。 调节方法 加上转动惯量很大的回转件－飞轮。 T ω 盈功使飞轮动能↑ 盈功使飞轮动能 亏功使飞轮动能↓ 亏功使飞轮动能 2.非周期速度波动 非周期速度波动
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§7-2飞轮设计的近似方法
设计的基本问题: 在机器运转不均匀系数δ 设计的基本问题 在机器运转不均匀系数 范围内→确定飞轮 确定飞轮Ｊ 的容许 范围内 确定飞轮Ｊ。 在一般机器中， 在一般机器中，由于飞轮质量 其它构件 →∴飞轮的动能 其它构件动能。 其它构件动能。 ∴ 可近似认为飞轮的动能 飞轮的动能＝ ∴可近似认为飞轮的动能＝整个机器所具的动能 →∴飞轮动能的最大变化值△Ｅmax ∴飞轮动能的最大变化值△ 机器最大盈亏功Ａ ＝机器最大盈亏功Ａmax Ａmax＝△Ｅmax＝Ｅmax－Ｅmin ＝Ｊ·ω ＝1/2·Ｊ(ωmax2－ωmin2)＝Ｊ m2·δ Ｊ ＝Ｊ ∴飞轮应具的转动惯量: 飞轮应具的转动惯量 Ｊ＝Ａmax/(ωm2·δ)＝900Ａmax／(π2·n2·δ) ＝ Ａ
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2.非周期速度波动 2.非周期速度波动
现象: 现象 当外力突然发生不规 则的较大变化→机器速度不 则的较大变化 机器速度不 规则的变化、 规则的变化、或间歇性的变 化→非周期速度波动 非周期速度波动 →不能利用飞轮来调节 不能利用飞轮来调节。 不能利用飞轮来调节 方法: 调速器→主要调节驱动力 方法 调速器 主要调节驱动力。 主要调节驱动力。 例:离心式调速器 离心式调速器 图7-2 p.96
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（二）机器主轴的平均角速度 和运转速度不均匀系数
(7-2) ＊平均角速度: ωm≈ (ωmax＋ ωmin)/2 平均角速度 算术平均角速度） 名义速度 （算术平均角速度）→名义速度
＊运转速度不均匀系数:δ＝(ωmax－ωmin)/ωm 运转速度不均匀系数 ＝
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飞轮动能变化： 飞轮动能变化 △Ｅ＝1/2·Ｊ(ω ２－ ω02) Ｅ＝ Ｊ Ｊ－飞轮的转动惯量 Ｊ－飞轮的转动惯量 由式可见,飞轮Ｊ越大 使速度波动 实线) 使速度波动(实线 由式可见 飞轮Ｊ越大→使速度波动 实线 ↓ 飞轮 →同时，飞轮能利用储备的能量克服短时过载 同时， 同时 →∴可选功率较小的原动机。 ∴可选功率较小的原动机。 ω T
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§ 1－1连杆机构及其传动特点
定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成， 定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低 副机构。 副机构。 共同特点： 原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件 的运动经过不与机架直接相连的中间构件2 共同特点： 原动件 的运动经过不与机架直接相连的中间构件 传递到从动件3上 中间构件称为连杆。 传递到从动件 上。中间构件称为连杆。 构件多呈杆 状——简称 简称 为杆 动画 根据杆数命 例如： 名，例如： 四杆机构
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1.当ωm、Ａmax一定时，Ｊ与δ的关系为一等 当 一定时， 的关系为一等 机器运动匀速性↑。 边双曲线。 Ｊ 边双曲线。δ↓Ｊ↑→机器运动匀速性 。但不 机器运动匀速性 宜过分追求机器运转的均匀性(δ较小 而使Ｊ 较小), 宜过分追求机器运转的均匀性 较小 而使Ｊ过 J 飞轮笨重→成本 大→飞轮笨重 成本 。 飞轮笨重 成本↑ 一定时，Ａ ２.当ωm、Ｊ一定时，Ａmax与δ成 当 、Ｊ一定时 成 正比→Ａ 机器运转愈不均匀。 正比 Ａmax↑机器运转愈不均匀。 机器运转愈不均匀 O
δ
小结：机器速度波动的原因、分类及调节的方法 小结：机器速度波动的原因、分类及调节的方法
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Hale Waihona Puke 二章§ 2－1 － § 2－2 － § 2－3 － § 2－4 －
平面连杆机构
连杆机构及其传动特点 铰链四杆机构的基本型式及其应用 平面四杆机构的演化 平面连杆机构的工作特性
分析: 分析
(图7－3) 一定时,Ｊ ３.当Ａmax、δ一定时 Ｊ与ωm2成反 当 一定时 速度↑,所需 宜将飞轮安装在高速轴上 比→速度 所需Ｊ↓→宜将飞轮安装在高速轴上。 速度 所需Ｊ 宜将飞轮安装在高速轴上。 Ａmax可按机器在一个运动循环中的驱动力和阻 ∴飞轮应具的转动惯量Ｊ＝Ａmax/（ωm2·δ） 力的功率变化曲线来定。 力的功率变化曲线来定。而δ、ωm则按机器具体 、 ＝900Ａmax／(π2·n2·δ) (7-6) 工作要求来选定。 工作要求来选定。
机械设计基础
主讲：吕亚清 机电工程学院 机械设计研究室
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第7 章
机械运转速度波动的调节
Motion of Mechanical Systems and Its Regulation
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§7-1 机器运转速度波动调节的目的和方法
(一)调节机器速度波动的目的和方法 一 调节机器速度波动的目的和方法 目的: 一.目的 如果机械驱动力所作的功 阻力所作的功 目的 如果机械驱动力所作的功=阻力所作的功 A驱＝A阻→机械主轴匀速运转 风扇 机械主轴匀速运转(风扇 机械主轴匀速运转 风扇) 但许多机器，每一瞬间A 但许多机器，每一瞬间 驱≠A阻 A驱＞A阻→盈功 机械动能 盈功→机械动能 盈功 机械动能↑ →机械速度的波动 机械速度的波动 A驱＜A阻→亏功 机械动能 亏功→机械动能 亏功 机械动能↓ 使运动副产生附加动压力→机械振动 质量↓ 使运动副产生附加动压力 机械振动↑η↓质量 机械振动 质量 →必须对机械速度波动进行调节 必须对机械速度波动进行调节 →这类机械容许的范围内 这类机械容许的范围内
(7-3)
可得:ω 由(7-2)(7-3)可得 max＝ωm(1＋δ/2) 可得 ＋ ωmin ＝ωm(1－δ/2) － 由式可见,δ↓→主轴越接近匀速转动 由式可见 主轴越接近匀速转动
(7-4) (7-5)
→不同机器允许的 不同 表(7-1) P.99 不同机器允许的δ不同 不同机器允许的 不同→