機械原理第五章機械的效率和自鎖

1、第五章第五章 機械的效率及自鎖機械的效率及自鎖5-1 機械的效率機械的效率5-2 機械的自鎖機械的自鎖 因摩擦損失是不可避免的，故必因摩擦損失是不可避免的，故必有有 0和和 1。 機械的損失功機械的損失功(Wf)與輸入功與輸入功(Wd)的比值，的比值，5-1 機械的效率機械的效率1. 1. 機械效率的概念及意義機械效率的概念及意義（1 1）機械效率）機械效率 機械的輸出功機械的輸出功( (WWr r) )與輸入功與輸入功( (WWd d) )的比值，的比值，以以 表示。表示。機械損失系數(shù)或損失率機械損失系數(shù)或損失率，以以 表示。表示。Wr/Wd1 1Wf/Wd（2）機械效率的意義）機械效率的意

2、義 它是它是機械中的一個主要性能指標(biāo)，機械中的一個主要性能指標(biāo)，機械效率反映了輸入功在機械中的有效利用的程度，機械效率反映了輸入功在機械中的有效利用的程度，降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。2. 2. 機械效率的確定機械效率的確定（1）機械效率的計算確定）機械效率的計算確定1）以功表示的計算公式）以功表示的計算公式Wr/Wd1Wf/Wd2）以功率表示的計算公式）以功率表示的計算公式Pr/Pd1Pf/Pd3）以力或力矩表示的計算公式）以力或力矩表示的計算公式F0/FM0/M即即 理想驅(qū)動力理想驅(qū)動力實際驅(qū)動力實際驅(qū)動力理想驅(qū)動力矩理想驅(qū)動力矩

3、實際驅(qū)動力矩實際驅(qū)動力矩G實際機械裝置實際機械裝置 理論機械裝理論機械裝置置 0 = Pr /Pd=GvG /FvF00 = GvG /F0vF =1vGvFF 因其正行程實際驅(qū)動力為因其正行程實際驅(qū)動力為FGtan()，理想驅(qū)動力為，理想驅(qū)動力為F0Gtan，故，故例例1 1 斜面機構(gòu)斜面機構(gòu)：見圖：見圖4-3已知已知 正行程正行程 F Gtan()反行程反行程 FGtan(-)現(xiàn)求現(xiàn)求 及及 解解 F0/Ftan/ tan() 因其反行程實際驅(qū)動力為因其反行程實際驅(qū)動力為GF/tan()，理想驅(qū)動力為，理想驅(qū)動力為G0 F/tan，故，故G0/G tan()/ tanF例例2 2 螺旋機構(gòu)

4、：見圖螺旋機構(gòu)：見圖4-5已知已知 擰緊時擰緊時 M Gd2tan(v)/2放松時放松時 MGd2tan(v)/2現(xiàn)求現(xiàn)求 及及 解解采用上述類似的方法，可得采用上述類似的方法，可得擰緊時擰緊時 M0/M tan/ tan(v)放松時放松時 G0/G tan(v)/ tan F（2）機械效率的實驗測定）機械效率的實驗測定機械效率的確定除了用計算法外，更常用實驗法來測定，機械效率的確定除了用計算法外，更常用實驗法來測定，許多機械尤其是動力機械在制成后，往往都需作效率實驗。許多機械尤其是動力機械在制成后，往往都需作效率實驗。現(xiàn)以蝸桿傳動效率實驗測定為例加以說明現(xiàn)以蝸桿傳動效率實驗測定為例加以說明1

5、）實驗裝置）實驗裝置GF2RQ定子平衡定子平衡桿桿電機轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)子電機定子電機定子磅秤磅秤千分表千分表彈性梁彈性梁砝碼砝碼皮帶皮帶蝸桿蝸桿制動輪制動輪蝸輪蝸輪聯(lián)軸器聯(lián)軸器 同時，根據(jù)彈性梁上的千分表讀數(shù)（即代表同時，根據(jù)彈性梁上的千分表讀數(shù)（即代表Q力），來確定力），來確定出制動輪上的圓周力出制動輪上的圓周力FtQG，從而確定出從動軸上的力矩從而確定出從動軸上的力矩M從從，M從從FtR(QG)R該蝸桿的傳動機構(gòu)的效率公式為該蝸桿的傳動機構(gòu)的效率公式為 P從從/P主主從從M從從/(主主M主主)M從從/(iM主主)式中式中 i為蝸桿傳動的傳動比。為蝸桿傳動的傳動比。 對于正在設(shè)計和制造的機械，雖然

6、不能直接用實驗法測定其對于正在設(shè)計和制造的機械，雖然不能直接用實驗法測定其機械效率，機械效率， 但是由于各種機械都不過是由一些常用機構(gòu)組合而成但是由于各種機械都不過是由一些常用機構(gòu)組合而成的，而這些常用機構(gòu)的效率又是可通過實驗積累的資料來預(yù)先估的，而這些常用機構(gòu)的效率又是可通過實驗積累的資料來預(yù)先估定的（如表定的（如表5-1 簡單傳動機構(gòu)和運動副的效率）。簡單傳動機構(gòu)和運動副的效率）。 據(jù)此，可通過據(jù)此，可通過計算確定出整個機械的效率。計算確定出整個機械的效率。2）實驗方法）實驗方法 實驗時，可借助于磅秤測定出定子平衡桿的壓力實驗時，可借助于磅秤測定出定子平衡桿的壓力F來確定出來確定出主動軸上

7、的力矩主動軸上的力矩M主主， 即即 M主主Fl表表5-1 簡單傳動機械和運動副的效率簡單傳動機械和運動副的效率名名 稱稱傳傳 動動 形形 式式效率值效率值備備 注注圓柱齒圓柱齒輪傳動輪傳動67級精度齒輪傳動級精度齒輪傳動 0.980.99 良好跑合、稀油潤滑良好跑合、稀油潤滑 8級精度齒輪傳動級精度齒輪傳動 0.97 稀油潤滑稀油潤滑 9級精度齒輪傳動級精度齒輪傳動 0.96 稀油潤滑稀油潤滑 切制齒、開式齒輪傳動切制齒、開式齒輪傳動 0.940.96 干油潤滑干油潤滑 鑄造齒、開式齒輪傳動鑄造齒、開式齒輪傳動 0.90.93圓錐齒圓錐齒輪傳動輪傳動67級精度齒輪傳動級精度齒輪傳動 0.970

8、.98 良好跑合、稀油潤滑良好跑合、稀油潤滑 8級精度齒輪傳動級精度齒輪傳動 0.940.97 稀油潤滑稀油潤滑 切制齒、開式齒輪傳動切制齒、開式齒輪傳動 0.920.95 干油潤滑干油潤滑 鑄造齒、開式齒輪傳動鑄造齒、開式齒輪傳動 0.880.92蝸桿傳動蝸桿傳動自鎖蝸桿自鎖蝸桿 0.400.45單頭蝸桿單頭蝸桿 0.700.75雙頭蝸桿雙頭蝸桿 0.750.82 潤滑良好潤滑良好 三頭、四頭蝸桿三頭、四頭蝸桿 0.800.92圓弧面蝸桿圓弧面蝸桿 0.850.95續(xù)表續(xù)表5-1 簡單傳動機械和運動副的效率簡單傳動機械和運動副的效率名名 稱稱傳傳 動動 形形 式式效率值效率值備備 注注帶傳動

9、帶傳動平型帶傳動平型帶傳動 0.900.98滑動軸承滑動軸承球軸承球軸承 0.99 稀油潤滑稀油潤滑 滾子軸承滾子軸承 0.98 稀油潤滑稀油潤滑 滑動螺旋滑動螺旋 0.300.80滾動螺旋滾動螺旋 0.850.95V型帶傳動型帶傳動 0.940.96套筒滾子鏈套筒滾子鏈 0.96無聲鏈無聲鏈 0.97鏈傳動鏈傳動平摩擦輪傳動平摩擦輪傳動 0.850.92摩擦輪摩擦輪傳動傳動潤滑良好潤滑良好槽摩擦輪傳動槽摩擦輪傳動 0.880.900.94 潤滑不良潤滑不良0.97 潤滑正常潤滑正常0.99 液體潤滑液體潤滑滾動軸承滾動軸承螺旋傳動螺旋傳動3. 3. 機組的機械效率計算機組的機械效率計算機組機

10、組 由若干個機器組成的機械系統(tǒng)。由若干個機器組成的機械系統(tǒng)。 當(dāng)已知機組各臺機器的機械效率時，則該機械的總效率可當(dāng)已知機組各臺機器的機械效率時，則該機械的總效率可由計算求得。由計算求得。（1）串聯(lián)）串聯(lián) 串聯(lián)機組功率傳動的特點是前一機器的輸出功率即為后一機串聯(lián)機組功率傳動的特點是前一機器的輸出功率即為后一機器的輸入功率。器的輸入功率。串聯(lián)機組的總機械效率為串聯(lián)機組的總機械效率為PrPd P1P2PdP1PkPk-1 12k 即串聯(lián)機組總效率等于組成該機組的各個機器效率的連乘積。即串聯(lián)機組總效率等于組成該機組的各個機器效率的連乘積。1k212kPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr

11、只要串聯(lián)機組中任一機器的效率很低，就會使整個機只要串聯(lián)機組中任一機器的效率很低，就會使整個機組的效率極低；且串聯(lián)機器數(shù)目越多，機械效率也越低。組的效率極低；且串聯(lián)機器數(shù)目越多，機械效率也越低。 要提高并聯(lián)機組的效率，應(yīng)著重提高傳動功率大的路要提高并聯(lián)機組的效率，應(yīng)著重提高傳動功率大的路線的效率。線的效率。結(jié)論結(jié)論（2）并聯(lián)）并聯(lián) 并聯(lián)機組的特點是機組的輸入功并聯(lián)機組的特點是機組的輸入功率為各機器的輸入功率之和，而輸出率為各機器的輸入功率之和，而輸出功率為各機器的輸出功率之和。功率為各機器的輸出功率之和。 PriPdiP11+P22+PkkP1+P2+Pk 即并聯(lián)機組的總效率與各機器的效率及其所

12、傳動的功率的大即并聯(lián)機組的總效率與各機器的效率及其所傳動的功率的大小有關(guān)，且小有關(guān)，且min max； 機組的總效率主要取決于傳動功率大機組的總效率主要取決于傳動功率大的機器的效率。的機器的效率。結(jié)論結(jié)論12k12kP11P22P22P1P2PkPd（3）混聯(lián)）混聯(lián)混聯(lián)機組的機械效率計算步驟為混聯(lián)機組的機械效率計算步驟為1）先將輸入功至輸出功的路線弄清楚；）先將輸入功至輸出功的路線弄清楚；2）然后分別計算出總的輸入功率）然后分別計算出總的輸入功率Pd和總的輸出功率和總的輸出功率Pr；3）最后按下式計算其總機械效率。）最后按下式計算其總機械效率。 Pr /Pd 例例 設(shè)已知某機械傳動裝置的機構(gòu)的

13、效率和輸出功率，求該設(shè)已知某機械傳動裝置的機構(gòu)的效率和輸出功率，求該機械傳動裝置的機械效率。機械傳動裝置的機械效率。解解 機構(gòu)機構(gòu)1、2、3 及及4串聯(lián)的部分串聯(lián)的部分PdPr /(123 4 )5kW/(0.9820.962)5.649 kW機構(gòu)機構(gòu)1、2、3 、4及及5串聯(lián)的部分串聯(lián)的部分0.2kW/(0.9820.9420.42)0.561kW故該機械的總效率為故該機械的總效率為 Pr /Pd(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837Pd Pr /(123 4 5 ) PPPPPPP1243534dPPPPPPPPPP1234534dPPP=5kW0.980.980.

14、960.960.940.940.42=0.2kW1. 1. 機構(gòu)的自鎖機構(gòu)的自鎖5-2 機械的自鎖機械的自鎖（1） 自鎖現(xiàn)象自鎖現(xiàn)象某些機構(gòu)，就其機構(gòu)而言是能夠運動的，但由于摩擦的存在，某些機構(gòu)，就其機構(gòu)而言是能夠運動的，但由于摩擦的存在，卻會出現(xiàn)無論驅(qū)動力如何增大，也無法使機械運動的現(xiàn)象。卻會出現(xiàn)無論驅(qū)動力如何增大，也無法使機械運動的現(xiàn)象。（2）自鎖意義）自鎖意義 設(shè)計機械時，為使機械能實現(xiàn)預(yù)期的運動，必須避免機械在設(shè)計機械時，為使機械能實現(xiàn)預(yù)期的運動，必須避免機械在所需的運動方向發(fā)生自鎖；有些機械的工作需要具有自鎖的特性，所需的運動方向發(fā)生自鎖；有些機械的工作需要具有自鎖的特性，（3）自鎖

15、條件）自鎖條件機械發(fā)生自鎖實質(zhì)上是機械中的運動副發(fā)生的自鎖。機械發(fā)生自鎖實質(zhì)上是機械中的運動副發(fā)生的自鎖。如手搖螺旋千斤頂如手搖螺旋千斤頂F例例 移動副移動副摩擦角摩擦角。則。則Ft=Fsin=FntanFfmax=Fntan當(dāng)當(dāng)時，有時，有FtFfmax設(shè)驅(qū)動力為設(shè)驅(qū)動力為F，傳動角為傳動角為，nnFtFnFRFfmax 即即當(dāng)時，無論驅(qū)動力當(dāng)時，無論驅(qū)動力F如何增大，其有效分力如何增大，其有效分力Ft總小于總小于驅(qū)動力驅(qū)動力F 本身所引起的最大摩擦本身所引起的最大摩擦力，因而總不能推動滑塊運動。即自鎖現(xiàn)力，因而總不能推動滑塊運動。即自鎖現(xiàn)象。象。 結(jié)論結(jié)論 移動副發(fā)生自鎖的條件為：在移動副

16、移動副發(fā)生自鎖的條件為：在移動副中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動力作用在其摩擦角中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動力作用在其摩擦角之內(nèi)（即之內(nèi)（即 ），則發(fā)生自鎖。），則發(fā)生自鎖。例例 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副設(shè)驅(qū)動力為設(shè)驅(qū)動力為F， 力臂長為力臂長為a, 當(dāng)當(dāng)F作用在摩作用在摩擦圓之內(nèi)時（即擦圓之內(nèi)時（即a ），則），則M0=Fa Mf=FR =F 摩擦圓半徑為摩擦圓半徑為，1212FaFR=F即F 任意增大（a不變），也不能使軸頸轉(zhuǎn)動， 即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。 結(jié)論 轉(zhuǎn)動副發(fā)生自鎖的條件為：作用在軸頸上的驅(qū)動力為單力F，且作用于摩擦圓之內(nèi)，即a 。 故其自故其自鎖條件為鎖條件為v2. 2. 機械自鎖條件的確定機械自鎖條

17、件的確定(1)從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定原因原因 機械的自鎖實質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。機械的自鎖實質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。例例1 1 手搖螺旋千斤頂手搖螺旋千斤頂當(dāng)當(dāng)v時，時， 其螺旋副發(fā)生自鎖，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，(2)從生產(chǎn)阻力從生產(chǎn)阻力G0的條件來確定的條件來確定 當(dāng)機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力當(dāng)機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，機械不能運動；這時能克如何增大，機械不能運動；這時能克服的生產(chǎn)阻力服的生產(chǎn)阻力G0。支座支座1螺桿螺桿2托盤托盤3重物重物4螺母螺母5螺旋副螺旋副手把手把6FG G螺旋副螺旋

18、副例例 手搖螺旋千斤頂手搖螺旋千斤頂自鎖要求自鎖要求M 0，即，即 tan(v) 0故此千斤頂自鎖條件為故此千斤頂自鎖條件為v G0意味著，只有阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才能使機械運意味著，只有阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動力后，才能使機械運動，此時機械已發(fā)生自鎖。動，此時機械已發(fā)生自鎖。支座支座1螺桿螺桿2托盤托盤3重物重物4螺母螺母5螺旋副螺旋副手把手把6FG GM反行程：反行程：驅(qū)動力為驅(qū)動力為G，阻抗力矩為阻抗力矩為M ，機構(gòu)的自鎖機構(gòu)的自鎖(5/7)M Gd2tan(v)/2則則（3）從效率）從效率 0的條件來確定的條件來確定 當(dāng)機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，其驅(qū)動力所作的當(dāng)機械發(fā)生自鎖時，無論驅(qū)動力如何增大，其驅(qū)動力所作的功功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，1Wf /Wd 0故故例例 手搖螺旋千斤頂手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為：其反行程的效率為： G0/G= tan(v) /tan令令0，則得此自鎖條件為則得此自鎖條件為v例例2：如圖：如圖所示，為一所示，為一斜面壓榨機斜面壓榨機，求在，求在G 作作 用下的自鎖條件。用下的自鎖條件。0000231333212