機(jī)械原理第四章平面機(jī)構(gòu)的力分析

1、第四章第四章 平面機(jī)構(gòu)的力分析平面機(jī)構(gòu)的力分析n基本內(nèi)容基本內(nèi)容n基本要求基本要求基本內(nèi)容基本內(nèi)容n機(jī)構(gòu)力分析的目的機(jī)構(gòu)力分析的目的n機(jī)構(gòu)力分析的方法機(jī)構(gòu)力分析的方法n構(gòu)件的慣性力、慣性力偶矩構(gòu)件的慣性力、慣性力偶矩n運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力、總反力運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力、總反力n構(gòu)件組的靜定條件構(gòu)件組的靜定條件n平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析基本要求基本要求n掌握構(gòu)件中的慣性力、慣性力偶矩的確定掌握構(gòu)件中的慣性力、慣性力偶矩的確定的方法的方法n能夠確定運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力、總反力能夠確定運(yùn)動(dòng)副中的摩擦力、總反力n掌握并運(yùn)用構(gòu)件組的靜定條件進(jìn)行平面機(jī)掌握并運(yùn)用構(gòu)件組的靜定條件進(jìn)行平面機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析構(gòu)

2、動(dòng)態(tài)靜力分析第四章第四章 平面機(jī)構(gòu)的力分析平面機(jī)構(gòu)的力分析n4-1 機(jī)構(gòu)力分析的目的、任務(wù)和方法機(jī)構(gòu)力分析的目的、任務(wù)和方法n4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定n4-3 運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定n4-4 不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析n4-5 考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析4-1 機(jī)構(gòu)力分析的目的、任務(wù)和方法機(jī)構(gòu)力分析的目的、任務(wù)和方法n一、機(jī)構(gòu)力分析的目的：一、機(jī)構(gòu)力分析的目的：n確定運(yùn)動(dòng)副中的反力：運(yùn)動(dòng)副兩元素接觸處的作確定運(yùn)動(dòng)副中的反力：運(yùn)動(dòng)副兩元素接觸處的作用力。用力。n運(yùn)動(dòng)副反力的大小和變化規(guī)律，用于：運(yùn)動(dòng)副反力的大小和變化規(guī)

3、律，用于：n計(jì)算機(jī)構(gòu)中各零件的強(qiáng)度計(jì)算機(jī)構(gòu)中各零件的強(qiáng)度n決定運(yùn)動(dòng)副中的摩擦、磨損決定運(yùn)動(dòng)副中的摩擦、磨損n確定機(jī)構(gòu)的效率及其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的功率確定機(jī)構(gòu)的效率及其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的功率n一、機(jī)構(gòu)力分析的目的：一、機(jī)構(gòu)力分析的目的：n確定機(jī)構(gòu)原動(dòng)件按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)需加于機(jī)械上確定機(jī)構(gòu)原動(dòng)件按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)需加于機(jī)械上的平衡力的平衡力(或平衡力矩或平衡力矩)。n平衡力平衡力(或平衡力矩或平衡力矩):與作用在機(jī)械上的已知外力及與作用在機(jī)械上的已知外力及按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)與各構(gòu)件的慣性力按給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)與各構(gòu)件的慣性力(慣性力矩慣性力矩)相相平衡的未知外力平衡的未知外力(外力矩外力矩)。n求得機(jī)械的平衡力求得機(jī)

4、械的平衡力(或平衡力矩或平衡力矩)，對(duì)于確定原動(dòng)機(jī)，對(duì)于確定原動(dòng)機(jī)的功率，或根據(jù)原動(dòng)機(jī)的功率確定機(jī)械所能克服的的功率，或根據(jù)原動(dòng)機(jī)的功率確定機(jī)械所能克服的最大工作載荷等是必不可少的。最大工作載荷等是必不可少的。n二、機(jī)構(gòu)力分析的方法二、機(jī)構(gòu)力分析的方法n低速機(jī)械，慣性力小，只作靜力分析；低速機(jī)械，慣性力小，只作靜力分析；n高速、重型機(jī)械，慣性力大：高速、重型機(jī)械，慣性力大：n動(dòng)態(tài)靜力分析：動(dòng)態(tài)靜力分析：n將慣性力視為一般外力施加于產(chǎn)生該慣性力將慣性力視為一般外力施加于產(chǎn)生該慣性力的構(gòu)件上；的構(gòu)件上；n用靜力學(xué)方法對(duì)其分析；用靜力學(xué)方法對(duì)其分析；n方法：圖解法和解析法。方法：圖解法和解析法。n三

5、、作用在機(jī)械上的力三、作用在機(jī)械上的力n驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力。：驅(qū)使機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力。n與其作用點(diǎn)的速度方向相同或成銳角與其作用點(diǎn)的速度方向相同或成銳角；n所作的功為正功，稱為驅(qū)動(dòng)功或輸入功。所作的功為正功，稱為驅(qū)動(dòng)功或輸入功。n阻抗力阻抗力：阻止機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力。：阻止機(jī)械運(yùn)動(dòng)的力。n阻抗力與其作用點(diǎn)的速度方向相反或成鈍角阻抗力與其作用點(diǎn)的速度方向相反或成鈍角；n所作的功為負(fù)功，稱為阻抗功。所作的功為負(fù)功，稱為阻抗功。 有效阻力，即工作阻力有效阻力，即工作阻力。機(jī)械在生產(chǎn)過中為了改。機(jī)械在生產(chǎn)過中為了改變工作物的外形、位置或狀態(tài)等所受到的阻力，變工作物的外形、位置或狀態(tài)等所受到的阻力，克服

6、有效阻力所完成的功稱有效功或輸出功?？朔行ё枇λ瓿傻墓ΨQ有效功或輸出功。 有害阻力，即非生產(chǎn)阻力有害阻力，即非生產(chǎn)阻力?？朔@類阻力所作的?？朔@類阻力所作的功是一種純粹的浪費(fèi)，故稱為損失功。功是一種純粹的浪費(fèi)，故稱為損失功。n求與作用在機(jī)械上的求與作用在機(jī)械上的已知外力已知外力以及當(dāng)該機(jī)以及當(dāng)該機(jī)械按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)械按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件的慣性力各構(gòu)件的慣性力相平衡的未知外力相平衡的未知外力。n求求各構(gòu)件的慣性力各構(gòu)件的慣性力；n確定運(yùn)動(dòng)副中的反力。確定運(yùn)動(dòng)副中的反力。4-2 構(gòu)件慣性力的確定構(gòu)件慣性力的確定n一、一般力學(xué)方法一、一般力學(xué)方法n1、作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件、作平面復(fù)合

7、運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件n慣性力系簡(jiǎn)化為加在質(zhì)心慣性力系簡(jiǎn)化為加在質(zhì)心s上的慣性力上的慣性力PI和慣性力偶和慣性力偶矩矩MI sIsIJMmaPIIksIPMlmaPn2、作平面移動(dòng)的構(gòu)件、作平面移動(dòng)的構(gòu)件n構(gòu)件作平面勻速移動(dòng)，其慣性力和慣性力構(gòu)件作平面勻速移動(dòng)，其慣性力和慣性力偶矩都為零。偶矩都為零。n構(gòu)件作平面變速移動(dòng)，只有一個(gè)加在構(gòu)件構(gòu)件作平面變速移動(dòng)，只有一個(gè)加在構(gòu)件質(zhì)心質(zhì)心s上的慣性力。上的慣性力。sImaPn3、繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件、繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件n繞通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件（如齒輪、繞通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件（如齒輪、飛輪等）：飛輪等）：n質(zhì)心的加速度為零，慣性力為零。質(zhì)心的加速度為零，慣性力為

8、零。n當(dāng)構(gòu)件變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一慣性力偶矩當(dāng)構(gòu)件變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一慣性力偶矩sIJMn繞不通過質(zhì)心繞不通過質(zhì)心S的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件（如曲柄、的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件（如曲柄、凸輪等）：凸輪等）：n構(gòu)件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則僅有離心慣性力構(gòu)件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則僅有離心慣性力n構(gòu)件變速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生慣性力及慣性力偶矩，構(gòu)件變速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生慣性力及慣性力偶矩，sIsIJMmaPsImaP用一個(gè)不過質(zhì)心的總慣性力代替。用一個(gè)不過質(zhì)心的總慣性力代替。IIksIPMlmaPn二、質(zhì)量代換法二、質(zhì)量代換法n質(zhì)量代換法：按一定條件將構(gòu)件的質(zhì)量假想地用質(zhì)量代換法：按一定條件將構(gòu)件的質(zhì)量假想地用集中于若干選定點(diǎn)上的集中質(zhì)量來代換的方法。集中于

9、若干選定點(diǎn)上的集中質(zhì)量來代換的方法。n進(jìn)行質(zhì)量代換時(shí)必須滿足的三個(gè)條件：進(jìn)行質(zhì)量代換時(shí)必須滿足的三個(gè)條件： n1）代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變，）代換前后構(gòu)件的質(zhì)量不變，n2）代換前后構(gòu)件的質(zhì)心位置不變，）代換前后構(gòu)件的質(zhì)心位置不變，n3）代換前后構(gòu)件對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，）代換前后構(gòu)件對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，imm即00iiiiymxm即0)(22iiyxmi即n1、兩個(gè)代換質(zhì)量的、兩個(gè)代換質(zhì)量的動(dòng)代換動(dòng)代換sKBKBKBJkmbmkmbmmmm22)()()(kbmbmkbmkmmbJkKBs動(dòng)代換動(dòng)代換：1. 同時(shí)滿足三個(gè)代換條件同時(shí)滿足三個(gè)代換條件；2. 代換前后構(gòu)件慣性力、慣性力偶矩不變代換

10、前后構(gòu)件慣性力、慣性力偶矩不變；3. 選定選定B點(diǎn)后，點(diǎn)后，K點(diǎn)不能隨便選取點(diǎn)不能隨便選取。n2、兩個(gè)代換質(zhì)量的、兩個(gè)代換質(zhì)量的靜代換靜代換sKBKBKBJkmbmkmbmmmm22)()()(kbmbmkbmkmmbJkKBscmbmmmmCBCB)()(cbmbmcbmcmCB靜代換靜代換：1. 同時(shí)滿足前兩個(gè)代換條件同時(shí)滿足前兩個(gè)代換條件；2. 代換前后構(gòu)件慣性力不變、代換前后構(gòu)件慣性力不變、慣性力偶矩有誤差慣性力偶矩有誤差；3. 選定選定B點(diǎn)后，點(diǎn)后，C點(diǎn)可以隨便選取點(diǎn)可以隨便選取。4-3 運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定運(yùn)動(dòng)副中摩擦力的確定n一、移動(dòng)副中的摩擦力一、移動(dòng)副中的摩擦力n1、平面接觸

11、、平面接觸2121NffFFGFN21fGFf212121NffFFn一、移動(dòng)副中的摩擦力一、移動(dòng)副中的摩擦力n2、槽面接觸、槽面接觸 sin21GFNGffGFvf sin21 sinffv當(dāng)量摩擦系數(shù)2121NffFFn一、移動(dòng)副中的摩擦力一、移動(dòng)副中的摩擦力n3、柱面接觸、柱面接觸kGFN212121 kkkk其余半圓接觸時(shí)點(diǎn)、線接觸時(shí)為接觸系數(shù)：GffkGFvf21kffv當(dāng)量摩擦系數(shù)n一、移動(dòng)副中的摩擦力一、移動(dòng)副中的摩擦力n4、一般情況、一般情況2121NvfFfF摩擦錐摩擦錐GFN21GfFvf21稱為當(dāng)量摩擦角vvvtgf n一、移動(dòng)副中的摩擦力一、移動(dòng)副中的摩擦力n4、一般情

12、況、一般情況nFR21與與FN21間夾角為間夾角為vnFR21與與v12間夾角為間夾角為v90摩擦錐摩擦錐總反力總反力FR21與摩擦錐相切與摩擦錐相切212121fNRFFF總反力：G + FG + FR21R21 + F = 0 + F = 0 ： ？ ？： 12GFR21FN21Ff21nnvFFG F=Gtg(F=Gtg(+) ) +FR21例題例題; ;12GF21nnvFGF-FF=Gtg(=Gtg(-) )： ？ ？ ： ：G + FG + FR21R21 + F = 0 + F = 0 FR21FN21FR21例題例題d1d3d2Qd2lGF： tgvv=l /d2=zp /d2

13、 d1d3d2Qd2lGFvvF=Gtg(F=Gtg(+) ) FF=Gtg(=Gtg(-) )n二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力n1、軸頸軸頸摩擦摩擦軸頸軸頸軸承軸承摩擦圓摩擦圓rFMff21總反力總反力FR21的確定：的確定：nFR21與與G大小相等、方向相反大小相等、方向相反nFR21與摩擦圓相切與摩擦圓相切nFR21對(duì)回轉(zhuǎn)中心的力矩與對(duì)回轉(zhuǎn)中心的力矩與12反向反向GffkGfFFvNf2121GrfMvffRdRfNRMFMFGFFF 2121212121且又 21RvfFGrfMrfv摩擦圓半徑 dds2n二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力n2、軸端摩擦、軸端摩擦pds

14、dFNfpdsfdFdFNffpdsdFdMff RrRrfdpffpdsM 22常數(shù)新軸端p2222rRfGdfpdpfMRrRrf n二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力二、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力n2、軸端摩擦、軸端摩擦RrRrfdpffpdsM 222233223222rRrRfGdfpdpfMRrRrf 常數(shù)跑合軸端 pn三、平面高副中摩擦力的確定三、平面高副中摩擦力的確定n高副兩元素間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)：高副兩元素間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)：滾動(dòng)兼滑動(dòng)；滾動(dòng)兼滑動(dòng)；n存在滾動(dòng)摩擦力和滑動(dòng)摩存在滾動(dòng)摩擦力和滑動(dòng)摩擦力，滾動(dòng)摩擦力一般較擦力，滾動(dòng)摩擦力一般較小，通常只考慮滑動(dòng)摩擦小，通常只考慮滑動(dòng)摩擦力；力；n摩擦力和法向反力合成

15、摩擦力和法向反力合成總反力。總反力。n1）FR21的方向與法向的方向與法向反力偏斜一摩擦角；反力偏斜一摩擦角；n2）偏斜方向應(yīng)與構(gòu)件）偏斜方向應(yīng)與構(gòu)件1相對(duì)構(gòu)件相對(duì)構(gòu)件2的相對(duì)速的相對(duì)速度度v12的方向相反。的方向相反。12ttnnV1212MfFf21FN21FR214-4 不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析不考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的力分析n一、平面機(jī)構(gòu)中構(gòu)件組的靜定條件一、平面機(jī)構(gòu)中構(gòu)件組的靜定條件1.每個(gè)低副中的約束反力均含有兩個(gè)未知數(shù)。每個(gè)低副中的約束反力均含有兩個(gè)未知數(shù)。2.每個(gè)高副中的約束反力均含有一個(gè)未知數(shù)。每個(gè)高副中的約束反力均含有一個(gè)未知數(shù)。nFRn按構(gòu)件組進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力計(jì)算按構(gòu)件組進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力

16、計(jì)算：選用滿足約束反力：選用滿足約束反力靜定條件的構(gòu)件組作為隔離示力體。靜定條件的構(gòu)件組作為隔離示力體。n構(gòu)件組含有構(gòu)件組含有n個(gè)構(gòu)件和個(gè)構(gòu)件和PL個(gè)低副、個(gè)低副、 PH個(gè)高副：個(gè)高副：nn個(gè)構(gòu)件可列出個(gè)構(gòu)件可列出3n個(gè)獨(dú)立的平衡方程式；個(gè)獨(dú)立的平衡方程式；nPL個(gè)低副的低副反力中的未知參數(shù)為個(gè)低副的低副反力中的未知參數(shù)為2 PL ；nPH個(gè)低副的低副反力中的未知參數(shù)為個(gè)低副的低副反力中的未知參數(shù)為 PH ；n構(gòu)件組靜定的條件為：構(gòu)件組靜定的條件為：n所有基本桿組都是滿足靜定條件的運(yùn)動(dòng)鏈所有基本桿組都是滿足靜定條件的運(yùn)動(dòng)鏈。HLPPn 23n二、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的圖解法二、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析的圖

17、解法n一般平面機(jī)構(gòu)中，將基本桿組拆出后，只一般平面機(jī)構(gòu)中，將基本桿組拆出后，只剩下與機(jī)架組成一個(gè)低副的主動(dòng)件。剩下與機(jī)架組成一個(gè)低副的主動(dòng)件。n主動(dòng)件上有大小待定的平衡力主動(dòng)件上有大小待定的平衡力(或力矩或力矩)作用；作用；n力的未知參數(shù)的個(gè)數(shù)仍與平衡方程式的個(gè)數(shù)力的未知參數(shù)的個(gè)數(shù)仍與平衡方程式的個(gè)數(shù)相等；相等；n主動(dòng)件滿足動(dòng)態(tài)靜定條件。主動(dòng)件滿足動(dòng)態(tài)靜定條件。n把作用大小待定平衡力把作用大小待定平衡力(或力矩或力矩)的構(gòu)件統(tǒng)稱的構(gòu)件統(tǒng)稱力分析起始件。力分析起始件。n平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析步驟平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析步驟n1、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求出有關(guān)速度、角速度、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求出有關(guān)速度、角速度、加速度及角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)值；加速度及角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)值；n2、按力分析起始件及桿組進(jìn)行分解；、按力分析起始件及桿組進(jìn)行分解；n3、從遠(yuǎn)離力分析起始件的桿組開始，逐個(gè)、從遠(yuǎn)離力分析起始件的桿組開始，逐個(gè)對(duì)各桿組進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析，求出各運(yùn)動(dòng)副對(duì)各桿組進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析，求出各運(yùn)動(dòng)副中的反力；中的反力；n4、對(duì)力分析起始件進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析，求、對(duì)力分析起始件進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析，求出應(yīng)作用在