機(jī)械原理第五章機(jī)械的效率和自鎖

1、第五章第五章 機(jī)械的效率及自鎖機(jī)械的效率及自鎖5-1 機(jī)械的效率機(jī)械的效率5-2 機(jī)械的自鎖機(jī)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(jī)械的損失功機(jī)械的損失功(Wf)與輸入功與輸入功(Wd)的比值，的比值，5-1 機(jī)械的效率機(jī)械的效率1. 1. 機(jī)械效率的概念及意義機(jī)械效率的概念及意義（1 1）機(jī)械效率）機(jī)械效率 機(jī)械的輸出功機(jī)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(jī)械損失系數(shù)或損失率機(jī)械損失系數(shù)或損失率，以以 表示。表示。Wr/Wd1 1Wf/Wd（2）機(jī)械效率的意義）機(jī)械效率的意

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

3、實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩G實(shí)際機(jī)械裝置實(shí)際機(jī)械裝置 理論機(jī)械裝理論機(jī)械裝置置 0 = Pr /Pd=GvG /FvF00 = GvG /F0vF =1vGvFF 因其正行程實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為因其正行程實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為FGtan()，理想驅(qū)動(dòng)力為，理想驅(qū)動(dòng)力為F0Gtan，故，故例例1 1 斜面機(jī)構(gòu)斜面機(jī)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(shí)際驅(qū)動(dòng)力為因其反行程實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為GF/tan()，理想驅(qū)動(dòng)力為，理想驅(qū)動(dòng)力為G0 F/tan，故，故G0/G tan()/ tanF例例2 2 螺旋機(jī)構(gòu)

4、：見圖螺旋機(jī)構(gòu)：見圖4-5已知已知 擰緊時(shí)擰緊時(shí) M Gd2tan(v)/2放松時(shí)放松時(shí) 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(shí)擰緊時(shí) M0/M tan/ tan(v)放松時(shí)放松時(shí) G0/G tan(v)/ tan F（2）機(jī)械效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定）機(jī)械效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定機(jī)械效率的確定除了用計(jì)算法外，更常用實(shí)驗(yàn)法來測(cè)定，機(jī)械效率的確定除了用計(jì)算法外，更常用實(shí)驗(yàn)法來測(cè)定，許多機(jī)械尤其是動(dòng)力機(jī)械在制成后，往往都需作效率實(shí)驗(yàn)。許多機(jī)械尤其是動(dòng)力機(jī)械在制成后，往往都需作效率實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)以蝸桿傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)測(cè)定為例加以說明現(xiàn)以蝸桿傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)測(cè)定為例加以說明1

5、）實(shí)驗(yàn)裝置）實(shí)驗(yàn)裝置GF2RQ定子平衡定子平衡桿桿電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)定子電機(jī)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(dòng)輪制動(dòng)輪蝸輪蝸輪聯(lián)軸器聯(lián)軸器 同時(shí)，根據(jù)彈性梁上的千分表讀數(shù)（即代表同時(shí)，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(dòng)輪上的圓周力出制動(dòng)輪上的圓周力FtQG，從而確定出從動(dòng)軸上的力矩從而確定出從動(dòng)軸上的力矩M從從，M從從FtR(QG)R該蝸桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率公式為該蝸桿的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)的傳動(dòng)比。為蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比。 對(duì)于正在設(shè)計(jì)和制造的機(jī)械，雖然

6、不能直接用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定其對(duì)于正在設(shè)計(jì)和制造的機(jī)械，雖然不能直接用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定其機(jī)械效率，機(jī)械效率， 但是由于各種機(jī)械都不過是由一些常用機(jī)構(gòu)組合而成但是由于各種機(jī)械都不過是由一些常用機(jī)構(gòu)組合而成的，而這些常用機(jī)構(gòu)的效率又是可通過實(shí)驗(yàn)積累的資料來預(yù)先估的，而這些常用機(jī)構(gòu)的效率又是可通過實(shí)驗(yàn)積累的資料來預(yù)先估定的（如表定的（如表5-1 簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副的效率）。簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副的效率）。 據(jù)此，可通過據(jù)此，可通過計(jì)算確定出整個(gè)機(jī)械的效率。計(jì)算確定出整個(gè)機(jī)械的效率。2）實(shí)驗(yàn)方法）實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)時(shí)，可借助于磅秤測(cè)定出定子平衡桿的壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，可借助于磅秤測(cè)定出定子平衡桿的壓力F來確定出來確定出主動(dòng)軸上

7、的力矩主動(dòng)軸上的力矩M主主， 即即 M主主Fl表表5-1 簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率名名 稱稱傳傳 動(dòng)動(dòng) 形形 式式效率值效率值備備 注注圓柱齒圓柱齒輪傳動(dòng)輪傳動(dòng)67級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.980.99 良好跑合、稀油潤(rùn)滑良好跑合、稀油潤(rùn)滑 8級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.97 稀油潤(rùn)滑稀油潤(rùn)滑 9級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.96 稀油潤(rùn)滑稀油潤(rùn)滑 切制齒、開式齒輪傳動(dòng)切制齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.940.96 干油潤(rùn)滑干油潤(rùn)滑 鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng)鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.90.93圓錐齒圓錐齒輪傳動(dòng)輪傳動(dòng)67級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.970

8、.98 良好跑合、稀油潤(rùn)滑良好跑合、稀油潤(rùn)滑 8級(jí)精度齒輪傳動(dòng)級(jí)精度齒輪傳動(dòng) 0.940.97 稀油潤(rùn)滑稀油潤(rùn)滑 切制齒、開式齒輪傳動(dòng)切制齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.920.95 干油潤(rùn)滑干油潤(rùn)滑 鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng)鑄造齒、開式齒輪傳動(dòng) 0.880.92蝸桿傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)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(rùn)滑良好潤(rùn)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(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率簡(jiǎn)單傳動(dòng)機(jī)械和運(yùn)動(dòng)副的效率名名 稱稱傳傳 動(dòng)動(dòng) 形形 式式效率值效率值備備 注注帶傳動(dòng)

9、帶傳動(dòng)平型帶傳動(dòng)平型帶傳動(dòng) 0.900.98滑動(dòng)軸承滑動(dòng)軸承球軸承球軸承 0.99 稀油潤(rùn)滑稀油潤(rùn)滑 滾子軸承滾子軸承 0.98 稀油潤(rùn)滑稀油潤(rùn)滑 滑動(dòng)螺旋滑動(dòng)螺旋 0.300.80滾動(dòng)螺旋滾動(dòng)螺旋 0.850.95V型帶傳動(dòng)型帶傳動(dòng) 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(dòng)鏈傳動(dòng)平摩擦輪傳動(dòng)平摩擦輪傳動(dòng) 0.850.92摩擦輪摩擦輪傳動(dòng)傳動(dòng)潤(rùn)滑良好潤(rùn)滑良好槽摩擦輪傳動(dòng)槽摩擦輪傳動(dòng) 0.880.900.94 潤(rùn)滑不良潤(rùn)滑不良0.97 潤(rùn)滑正常潤(rùn)滑正常0.99 液體潤(rùn)滑液體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)3. 3. 機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)算機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)算機(jī)組機(jī)

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

11、只要串聯(lián)機(jī)組中任一機(jī)器的效率很低，就會(huì)使整個(gè)機(jī)只要串聯(lián)機(jī)組中任一機(jī)器的效率很低，就會(huì)使整個(gè)機(jī)組的效率極低；且串聯(lián)機(jī)器數(shù)目越多，機(jī)械效率也越低。組的效率極低；且串聯(lián)機(jī)器數(shù)目越多，機(jī)械效率也越低。 要提高并聯(lián)機(jī)組的效率，應(yīng)著重提高傳動(dòng)功率大的路要提高并聯(lián)機(jī)組的效率，應(yīng)著重提高傳動(dòng)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(jī)組的特點(diǎn)是機(jī)組的輸入功并聯(lián)機(jī)組的特點(diǎn)是機(jī)組的輸入功率為各機(jī)器的輸入功率之和，而輸出率為各機(jī)器的輸入功率之和，而輸出功率為各機(jī)器的輸出功率之和。功率為各機(jī)器的輸出功率之和。 PriPdiP11+P22+PkkP1+P2+Pk 即并聯(lián)機(jī)組的總效率與各機(jī)器的效率及其所

12、傳動(dòng)的功率的大即并聯(lián)機(jī)組的總效率與各機(jī)器的效率及其所傳動(dòng)的功率的大小有關(guān)，且小有關(guān)，且min max； 機(jī)組的總效率主要取決于傳動(dòng)功率大機(jī)組的總效率主要取決于傳動(dòng)功率大的機(jī)器的效率。的機(jī)器的效率。結(jié)論結(jié)論12k12kP11P22P22P1P2PkPd（3）混聯(lián)）混聯(lián)混聯(lián)機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)算步驟為混聯(lián)機(jī)組的機(jī)械效率計(jì)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(jì)算出總的輸入功率）然后分別計(jì)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(jì)算其總機(jī)械效率。）最后按下式計(jì)算其總機(jī)械效率。 Pr /Pd 例例 設(shè)已知某機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)的

13、效率和輸出功率，求該設(shè)已知某機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)的效率和輸出功率，求該機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。機(jī)械傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。解解 機(jī)構(gòu)機(jī)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(jī)構(gòu)機(jī)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(jī)械的總效率為故該機(jī)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(jī)構(gòu)的自鎖機(jī)構(gòu)的自鎖5-2 機(jī)械的自鎖機(jī)械的自鎖（1） 自鎖現(xiàn)象自鎖現(xiàn)象某些機(jī)構(gòu)，就其機(jī)構(gòu)而言是能夠運(yùn)動(dòng)的，但由于摩擦的存在，某些機(jī)構(gòu)，就其機(jī)構(gòu)而言是能夠運(yùn)動(dòng)的，但由于摩擦的存在，卻會(huì)出現(xiàn)無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，也無法使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。卻會(huì)出現(xiàn)無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，也無法使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。（2）自鎖意義）自鎖意義 設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，為使機(jī)械能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，必須避免機(jī)械在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，為使機(jī)械能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，必須避免機(jī)械在所需的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生自鎖；有些機(jī)械的工作需要具有自鎖的特性，所需的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生自鎖；有些機(jī)械的工作需要具有自鎖的特性，（3）自鎖

15、條件）自鎖條件機(jī)械發(fā)生自鎖實(shí)質(zhì)上是機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)副發(fā)生的自鎖。機(jī)械發(fā)生自鎖實(shí)質(zhì)上是機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)副移動(dòng)副摩擦角摩擦角。則。則Ft=Fsin=FntanFfmax=Fntan當(dāng)當(dāng)時(shí)，有時(shí)，有FtFfmax設(shè)驅(qū)動(dòng)力為設(shè)驅(qū)動(dòng)力為F，傳動(dòng)角為傳動(dòng)角為，nnFtFnFRFfmax 即即當(dāng)時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力當(dāng)時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。即自鎖現(xiàn)力，因而總不能推動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。即自鎖現(xiàn)象。象。 結(jié)論結(jié)論 移動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件為：在移動(dòng)副

16、移動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件為：在移動(dòng)副中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動(dòng)力作用在其摩擦角中，如果作用于滑塊上的驅(qū)動(dòng)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(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)驅(qū)動(dòng)力為設(shè)驅(qū)動(dòng)力為F， 力臂長(zhǎng)為力臂長(zhǎng)為a, 當(dāng)當(dāng)F作用在摩作用在摩擦圓之內(nèi)時(shí)（即擦圓之內(nèi)時(shí)（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(dòng)， 即發(fā)生了自鎖現(xiàn)象。 結(jié)論 轉(zhuǎn)動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件為：作用在軸頸上的驅(qū)動(dòng)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(jī)械自鎖條件的確定機(jī)械自鎖條

17、件的確定(1)從運(yùn)動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件來確定從運(yùn)動(dòng)副發(fā)生自鎖的條件來確定原因原因 機(jī)械的自鎖實(shí)質(zhì)就是其中的運(yùn)動(dòng)副發(fā)生了自鎖。機(jī)械的自鎖實(shí)質(zhì)就是其中的運(yùn)動(dòng)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(shí)，時(shí)， 其螺旋副發(fā)生自鎖，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機(jī)械也必將發(fā)生自鎖，則此機(jī)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(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，機(jī)械不能運(yùn)動(dòng)；這時(shí)能克如何增大，機(jī)械不能運(yùn)動(dòng)；這時(shí)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(dòng)力后，才能使機(jī)械運(yùn)意味著，只有阻抗力反向變?yōu)轵?qū)動(dòng)力后，才能使機(jī)械運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)械已發(fā)生自鎖。動(dòng)，此時(shí)機(jī)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(dòng)力為驅(qū)動(dòng)力為G，阻抗力矩為阻抗力矩為M ，機(jī)構(gòu)的自鎖機(jī)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(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，其驅(qū)動(dòng)力所作的當(dāng)機(jī)械發(fā)生自鎖時(shí)，無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，其驅(qū)動(dòng)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(jī)斜面壓榨機(jī)，求在，求在G 作作 用下的自鎖條件。用下的自鎖條件。0000231333212