機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課件

1、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程教研室唐克巖7/27/20221第七章 機(jī)械運(yùn)動速度波動的調(diào)節(jié)本章要求：掌握機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法，飛輪設(shè)計的近似方法和飛輪主要尺寸的確定。本章重點：1.機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動的分類和調(diào)節(jié)方法。2.能量指示圖的繪制本章難點：飛輪的設(shè)計,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算7/27/20222教學(xué)內(nèi)容：71 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)目的和方法72 飛輪設(shè)計的近似方法73飛輪主要尺寸的確定7/27/202237-1 研究機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)的目的 一、研究機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的目的 確定原動件真實運(yùn)動規(guī)律確定其它運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律，參數(shù) 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動的原因機(jī)械是在外力(驅(qū)動

2、力和阻力)作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的，驅(qū)動力所作的功是機(jī)械的輸入功，阻力所作的功是機(jī)械的輸出功。輸入功與輸出功之差形成機(jī)械動能的增減。如果輸入功在每段時間都等于輸出功，則機(jī)械的主軸保持勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)輸入功大于輸出功時，出現(xiàn)盈功。當(dāng)輸入功小于輸出功時，出現(xiàn)虧功。7/27/20224二、調(diào)節(jié)機(jī)器速度波動的目的 使上述不良影響限制在容許范圍之內(nèi)。1、周期性速度波動當(dāng)外力作周期性變化時，機(jī)械主軸的角速度也作周期性的變化，如圖7-1虛線所示。機(jī)械的這種有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為周期性速度波動。7/27/20225周期性速度波動的重要特征是：在一個整周期中，驅(qū)動力所作的輸入功與阻力所作的輸出功是相等的。但是在周期中的

3、某段時間內(nèi)，輸人功與輸出功卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度的波動。調(diào)節(jié)周期性速度波動的常用方法是在機(jī)械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)件飛輪。盈功時飛輪轉(zhuǎn)速略增并將多余的功以動能的形式儲存起來，使機(jī)械的速度上升較慢；虧功時飛輪轉(zhuǎn)速略減并將儲存的能量釋放出來以補(bǔ)充驅(qū)動力功的不足，使機(jī)械的速度下降較慢；從而把速度波動控制在允許的范圍內(nèi)。7/27/20226動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J越大，角速度的波動越小。由于飛輪能利用儲蓄的動能克服短時過載，故在確定原動機(jī)額定功率時只需考慮它的平均功率，而不必考慮高峰負(fù)荷所需的瞬時最大功率。因此，安裝飛輪不僅可避免機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生過大的波動，而且可以選擇功率較小的

4、原功機(jī)。 危害： 可能在機(jī)器中引起振動，影響壽命、強(qiáng)度。 影響工藝，產(chǎn)品質(zhì)量。 引起動壓力，和可靠性。 7/27/20227 二、非周期性速度波動在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于機(jī)械驅(qū)動力或阻力的不規(guī)則變化等原因使機(jī)械動能的平衡關(guān)系遭到破壞，因而使機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生不規(guī)則的隨機(jī)變化，稱為非周期性速度波動。如果輸入功在很長一段時間內(nèi)總是大于輸出功，則機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度將不斷升高，直至超越機(jī)械強(qiáng)度所容許的極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機(jī)械損壞；反之，如輸入功總是小于輸出功，則機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度將不斷下降，直至停車。7/27/20228非周期性速度波動不能依靠飛輪來迸行調(diào)節(jié)。只能采用特殊的裝置調(diào)速器，使驅(qū)動力作的功和阻力作的功趨于平衡，

5、以使機(jī)械重新恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖7-2所示為機(jī)械式離心調(diào)速器的工作原理圖。7/27/202297-2 飛輪設(shè)計的近似方法 一、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)一個周期內(nèi)角速度的實際平均值m可用下式計算 這個實際平均值稱為機(jī)器的“額定轉(zhuǎn)速”。常近似地以其算術(shù)平均值來代替，即7/27/202210機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動的程度用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)來表示，即若巳知m和，則由式(7-2)和(7-3)可得由上式可知，越小，主軸越接近勻速轉(zhuǎn)動，運(yùn)轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。 7/27/202211 二、飛輪設(shè)計的基本原理飛輪設(shè)計的基本問題：已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，要求在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的容許范圍內(nèi)，確定

6、安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。用飛輪的動能代替整個機(jī)械的動能。與最大角速度max、最小角速度min對應(yīng)的動能分別為最大動能Emax、最小動能Emin。Emax與Emin之差表示一個周期內(nèi)動能的最大變化量。它是由最大盈功或最大虧功轉(zhuǎn)化而來的。7/27/202212機(jī)械在一個周期內(nèi)動能的最大變化量稱為最大盈虧功Amax ，即由此得到安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量由上式可知：當(dāng)Amax與m一定時，J與成反比。當(dāng)取得很小時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就會很大。所以，過分追求機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的速度均勻性，將使飛輪過于笨重，增加成本。7/27/202213當(dāng)J與m一定時， Amax與成正比，表明機(jī)械只要有盈虧功，不論飛輪有多大，

7、都不等于零；最大盈虧功愈大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)愈不均勻。J與m的平方成反比，即主軸的平均轉(zhuǎn)速越高，所需安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量越小。飛輪也可以安裝在與主軸保持固定速比的其他軸上，但必須保證該軸上安裝的飛輪與主軸上安裝的飛輪具有相等的動能，即或7/27/202214 三、最大盈虧功Amax的確定確定飛輪轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)鍵是求最大盈虧功。為了確定最大盈虧功，需先確定max 和min的位置。常利用能量指示圖來解決。7/27/202215Aoa為oa區(qū)間的盈虧功，以絕對值表示。 oa區(qū)間阻力矩大于驅(qū)動力矩，出現(xiàn)虧功，機(jī)器動能減小，故標(biāo)注負(fù)號；而ab區(qū)間驅(qū)動力矩大于阻力矩，出現(xiàn)盈功，機(jī)器動能增加，故標(biāo)注正號。同理，

8、bc、do區(qū)間為負(fù)，cd區(qū)間為正。盈虧功等于機(jī)器動能的增減量。如圖b所示，按一定比例從o點出發(fā)，用矢量線段依 次表示相應(yīng)的盈虧功Aoa、 Aab、Abc、 Acd和Ado， 箭頭朝上表示盈功，箭 頭朝下表示虧功。在oa區(qū)間，輸入功與輸出功之差(盈虧功)為7/27/2022167/27/2022177-3 飛輪主要尺寸的確定圖7-6所示為帶有輪輻的飛輪。這種飛輪的輪轂和輪輻的質(zhì)量很小，回轉(zhuǎn)半徑也較小，近似計算時可以將它們的轉(zhuǎn)動慣量略去，而認(rèn)為飛輪質(zhì)量m集中于輪緣。設(shè)輪緣的平均直徑為Dm，則7/27/202218由式(7-8)便可求出飛輪的質(zhì)量m。設(shè)輪緣為矩形斷面，它的體積、厚度、寬度分別為V(m

9、3)、 H(m)、 B(m)，材料的密度為(kg/m3)，則 m=V= Dm H B (7-9)選定飛輪的材料與比值H /B之后，輪緣的截面尺寸便可求出。對于外徑為D的實心圓盤式飛輪，由理論力學(xué)知選定圓盤直徑D，便可求出飛輪的質(zhì)量m。選定材料之后，便可求出飛輪的寬度B。7/27/202219飛輪的轉(zhuǎn)速越高，其輪緣材質(zhì)產(chǎn)生的離心力越大，當(dāng)輪緣材料所受離心力超過其材料的強(qiáng)度極限時，輪緣便會爆裂。為了安全，在選擇平均直徑Dm和外圓直徑D時，應(yīng)使飛輪外圓的圓周速度不大于以下安全數(shù)值： 對于鑄鐵飛輪 vmax36 m/s 對于鑄鋼飛輪 vmax 50 m/s應(yīng)當(dāng)說明，飛輪不一定是外加的專門構(gòu)件。實際機(jī)械

10、中往往用增大帶輪（或齒輪）的尺寸和質(zhì)量的方法，使它們兼起飛輪的作用。這種帶輪（或齒輪）也就是機(jī)器中的飛輪。7/27/202220例：由電動機(jī)驅(qū)動的某機(jī)械系統(tǒng)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1440r/min，轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上的等效力矩Mvr變化情況如圖所示，且等效驅(qū)動力矩為常數(shù)，若不計機(jī)械中其它構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量,只考慮飛輪轉(zhuǎn)動慣量, 運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)=0.05,試計算飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J。Mv (N.m)MvroMvdW1(+)W2(-)W3(+)1800200500abca解:（1）根據(jù)一個周期的時間間隔,等效驅(qū)動力矩Mvd等于等效阻力矩Mvr的功，求出等效驅(qū)動力矩矩Mvd ；（2）畫能量指示圖，確定最大盈虧功Amax由左圖知，W1、W3為盈功，W2為虧功。W1=(500-200) /2=150 Nm 7/27/202221W2=-(1800-500) (3/4- /2)+1/2 (1800-500) (1800-500)/(1800-200