机械原理课件 第4章 平面机构的力分析 西工大版

西北工业大学【国家精品教程】机械原理（课件完整版）目录• 第一章 绪论 • 第二章 机构的结构分析 • 第三章 平面机构的运动分析 • 第四章 平面机构的力分析 • 第五章 机械的效率及自锁 • 第六章 机械的平衡目录• 第七章 机械的运转及其速度 波动的调节• 第八章 平面连杆机构及其设计 • 第九章 凸轮机构及其设计 • 第十章 齿轮机构及其设计目录• 第十一章 齿轮系及其设计 • 第十二章 其他常用机构 • 第十三章 工业机器人机构及其设计第一章 绪 论§1-1 本课程研究的对象及内容 §1-2 学习本课程的目的 §1-3 如何进行本课程的学习返回§1-1 本课程研究的对象及内容1．研究对象机械 是机构和机器的总称。

机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。

机器是指一种执行机械运动装置，操 作 机可用来变换和传递能量、物料和信息。

实例：示 教内燃机板工件自动装卸装置六自由度工业机器人2．研究内容 有关机械的基本理论控制系统§1-2 学习本课程的目的课程性质、任务及作用 机械未来发展§1-3 如何进行本课程的学习掌握本课程的特点 注重理论联系实际 逐步建立工程观点 认真对待每个教学环节机器和机构的概念（1）机构机构 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。

如常 见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、螺 旋机构等等。

这些机构一般被认为是由刚性件组成的。

而现代机构中除了 刚性件以外，还可能有弹性件和电、磁、液、气、声、光…等元 件。

故这类机构称为广义机构；而由刚性件组成的机构就称为狭 义机构。

（2）机器机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息。

例如： 电动机、内燃机用来变换能量；机器和机构的概念(2/3)机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。

由于各种机器的主要组成部分都是各种机构。

第四章 平面机构的力分析
§4-1 作用在机械上的力和力分析的方法
1、作用在机械上的力： 驱动力----驱动机械运动的力 阻抗力----阻止机械运动的力 有效阻力（工作阻力）----有效功，（输出功） 有害阻力（摩擦力、介质阻力），----损失功 2、分析的目的和方法 目的：①确定运动副中的反力（大小和性质） ②确定机械上的平衡力（或平衡力偶），（即确定驱动力） 步骤：①求出各构件的惯性力和力偶，视为外加的力 ②根据静定条件将机构分解为若干构件组和平衡力系 （从最远的构件组，即外力全部已知的构件组开始） ③逐步推算到平衡力作用的构件
M f = f v ⋅ G ⋅ r = FR21.ρ
其中：
ρ = f v .r
称为摩擦圆半径
摩擦圆的概念： 1）以轴颈中心O 为圆心，以ρ为半径的圆。 2）在转动副中，只要发生相对转动，总反力 就总是切于摩擦圆，即轴承对轴颈的总反力 FR21始终相切于摩擦圆。 3）FR21对铰联中心所形成的摩擦力矩的方向 总是与相对角速度的方向相反。的确切方向 须从该构件的其它力平衡条件中得到。
3、什么是静力分析和动态静力分析： 静力分析----不计惯性力对机械进行力分析 动态静力分析----计入惯性力，利用达朗伯 原理（动静法）作力分析 方法： 图解法 解析法：矢量方程式法 直角坐标法（矩阵法） 复数法
§4-2 构件惯性力的确定
FIi-----i构件质心上的惯心力 FIi’--- i构件偏离质心某一点上的惯心力 mi -----各构件的质量 Jsi-----绕过质心轴的转动惯量 asi-----质心Si的加速度 αi-----角加速度
需水平驱动力F，：F，=G tan (α - φ)
图4-5----矩形螺纹：
等速拧紧螺母所需力矩： M = Fd2 / 2 = Gd2 tan(α + ϕ) / 2 等速放松螺母所需力矩： M ′ = Gd tan(α −ϕ) / 2 2

G ωM12d
1 2
FR21 Mf
N21 F21
ρ
ω1M2 d
r G
FR21 Mf
2 1N21
F21
ρ
当G的方向改变时，FR21的方向也跟着改变，但ρ不变。 以ρ作圆称为摩擦圆，ρ－摩擦圆半径。且FR21恒切
于摩擦圆。
分析：由ρ= fv r 知，r↑→ρ↑→Mf↑ 对减小摩擦不利。
运动副总反力判定准则
∑△N＝G 三角形螺纹 ――∑△Ncosβ＝G， β－牙形半角
可得： ∑△N＝G /cosβ
摩擦力: Ｆf = ∑△N . f ＝ f . G /cosβ
引入当量摩擦系数: fv = f / cosβ
当量摩擦角: φv＝ arctan fv
可直接引用矩形螺纹的结论：
拧紧：Md22Gtan(v)
轴
拧松：M'd22Gtan(v)
= fv G
fv－称为当量摩擦系数
柱面接触：
矢量和：N21=Σ△N21 =-G 代数和：N’21= Σ|△N21|
=kG >|N21|
1
2
N21
△N21 G
理论分析和实验结果有： k =1~π/2
F21 = f N’21 = f k G = fv G
同理，称 fv为当量摩擦系数。 结论：不论何种运动副元素，有计算通式：
1. 由力平衡条件，初步确定总反力方向（不考虑摩擦时）
2. 对于转动副有： FR21恒切于摩擦圆。 于移动副有： FR21恒切于摩擦锥
3. 对于转动副有：Mf 的方向与ω12相反
对于移动副有：∠FR21 V12＝(90°+φ)
例1 ：图示机构中，已知驱动力F和阻力Mr和摩擦圆

放松：M′＝Gd2tan(α φv)/2
三、转动副中摩擦力的确定 1 径向轴颈中的摩擦 1）摩擦力矩的确定 转动副中摩擦力Ff21对轴颈的摩 擦力矩为 Mf = Ff21r = fv G r
ω12 Md
G ρ ρ
FR21 Mf FN21 Ff21
O
轴颈2 对轴颈1 的作用力也用 总反力FR21 来表示, 则 FR21 = - G , 故 Mf = f v G r =FR21ρ Ff21=fvG fv=(1～π/2) 式中 ρ = fv r , 具体轴颈其 ρ 为定值, 故可作摩擦圆, ρ 称 为摩擦圆半径。 2 转动副中总反力方向的确定方法 （1）根据力的平衡条件，确定总反力的大小； （2）总反力与摩擦圆相切； （3）总反力FR21 对轴心之矩的方向必与轴颈1相对轴承2的相 对角速度 12 的方向相反。
FI1 α1 1
B
S1 MI1 aS1
A
（3）作平面复合运动的构件（如连杆2）
FI2＝－m2aS2 ′ 可简化为总惯性力FI2 lh2＝MI2/FI2 FI2 偏离的方向与α2方向相反。 三、机构力分析的任务
α2
MI2＝－JS2α2
B
2
lh2
FI2 ′ FI2 MI2
aS2 m2 JS2
S2
C
确定运动副中的总反力(运动副元素上的正压力和摩擦力的合力)
2 轴端的摩擦 轴用以承受轴向力的部分称为轴端。当轴端1在止推轴承2上旋 转时，接触面间将产生摩擦力。其摩擦力矩的大小计算如下： G ω dρ ω M 1 r M
f
2
2r 2R
轴端接触面
取环形微面积 ds = 2πρdρ，设 ds 上的压强p为常数，则其正 压力dFN =pds ，摩擦力dFf = fdFN = fρds，故其摩擦力矩 dMf dMf = ρdFf = ρfpds