機械效率及自鎖

機械效率及自鎖第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一因摩擦損失是不可避免的，故必有ξ>0和η<1。機械的損失功(Wf)與輸入功(Wd)的比值，§5-1機械的效率1.機械效率的概念及意義（1）機械效率機械的輸出功(Wr)與輸入功(Wd)的比值，以η表示。機械損失系數(shù)或損失率以ξ表示。η＝Wr/Wd＝1－ξ＝1－Wf/Wd（2）機械效率的意義它是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。降耗節(jié)能是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)之一。第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一2.機械效率的確定（1）機械效率的計算確定1）以功表示的計算公式η＝Wr/Wd＝1－Wf/Wd2）以功率表示的計算公式η＝Pr/Pd＝1－Pf/Pd3）以力或力矩表示的計算公式η＝F0/F＝M0/M即η＝理想驅(qū)動力實際驅(qū)動力理想驅(qū)動力矩實際驅(qū)動力矩＝實際機械裝置

η理論機械裝置

η0η=Pr/Pd=GvG/FvF0η0=GvG/F0vF=1vGvFF機械的效率(2/10)第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一因其正行程實際驅(qū)動力為F＝Gtan(α＋φ)，理想驅(qū)動力為F0＝Gtanα，故例5-1

斜面機構(gòu)已知：正行程F＝Gtan(α＋φ)反行程F′＝Gtan(α－φ)現(xiàn)求：η及η′解η＝F0/F＝tanα/tan(α＋φ)η＝F0/F＝tanα/tan(α－φ)′′因其反行程實際驅(qū)動力為G＝F′/tan(α－φ)，理想驅(qū)動力為G0＝F′/tanα，故η′＝G0/G＝tan(α－φ)/tanα機械的效率(3/10)對嗎？錯誤！第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一例5-2螺旋機構(gòu)已知：擰緊時M＝Gd2tan(α＋φv)/2放松時M′＝Gd2tan(α－φv)/2現(xiàn)求：η及η′解采用上述類似的方法，可得擰緊時η＝M0/M＝tanα/tan(α＋φv)此時M、M0

分別為實際驅(qū)動力矩、理想驅(qū)動力矩機械的效率(4/10)放松時η′＝G0/G＝tan(α－φv)/tanα

此時G、G0分別為實際驅(qū)動力、理想驅(qū)動力第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一（2）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，許多機械尤其是動力機械在制成后，往往都需做效率實驗。機械的效率(5/10)據(jù)此，可通過計算確定出整個機械的效率。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，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)先估定的（如表5-1簡單傳動機構(gòu)和運動副的效率）。第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一3.機組的機械效率計算機組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由計算求得。（1）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器的輸入功率。串聯(lián)機組的總機械效率為PrPdη＝P1P2PdP1…PkPk-1＝＝η1η2…ηk

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。1k2η1η2ηkPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr機械的效率(7/10)結(jié)論：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。第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一要提高并聯(lián)機組的效率，應(yīng)著重提高傳動功率大的路線的效率。（2）并聯(lián)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，而輸出功率為各機器的輸出功率之和。η＝∑Pri∑PdiP1η1+P2η2+…+PkηkP1+P2+…+Pk＝即并聯(lián)機組的總效率與各機器的效率及其傳動的功率的大小有關(guān)，且ηmin<η<ηmax；機組的總效率主要取決于傳動功率大的機器的效率。結(jié)論12kη1η2ηkP1η1P2η2PkηkP1P2PkPd機械的效率(8/10)第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一（3）混聯(lián)混聯(lián)機組的機械效率計算步驟為1）將輸入功至輸出功的路線弄清楚；2）分別計算出總的輸入功率∑Pd和總的輸出功率∑Pr；3）按下式計算其總機械效率η＝∑Pr/∑Pd機械的效率(9/10)PPPPPPP＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇＇1243534dPPP＇＇＇第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一

例5-3已知某機械傳動裝置機構(gòu)的效率和輸出功率，求該機械傳動裝置的機械效率。解機構(gòu)1、2、3′及4′串聯(lián)的部分Pd＝Pr/(η1η2η3η4)′′′′＝5kW/(0.982×0.962)＝5.649kW機構(gòu)1、2、3"、4"及5"串聯(lián)的部分＝0.2kW/(0.982×0.942×0.42)＝0.561kW故該機械的總效率為η＝∑Pr/∑Pd＝(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837Pd＝Pr

/(η1η2η3

η4

η5)"""""=5kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2kW機械的效率(10/10)第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一1.機械的自鎖§5-2機械的自鎖（1）自鎖現(xiàn)象某些機械，就其機械而言是能夠運動的，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。（2）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）自鎖條件機械發(fā)生自鎖實質(zhì)上是機械中的運動副發(fā)生了自鎖。如手搖螺旋千斤頂。第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一F例5-4移動副摩擦角為φ。則Ft=Fsinβ=FntanβFfmax=Fntanφ當(dāng)β≤φ時，有Ft≤Ffmax即當(dāng)β≤φ時，無論驅(qū)動力F如何增大，其有效分力Ft總小于驅(qū)動力F本身所引起的最大摩擦力Ffmax，因而總不能推動滑塊運動，即為自鎖現(xiàn)象。

結(jié)論移動副發(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之內(nèi)（即β≤φ），則發(fā)生自鎖。設(shè)驅(qū)動力為F，傳動角為β，φFtFnFRFfmax機械的自鎖(2/7)第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一例5-5轉(zhuǎn)動副設(shè)驅(qū)動力為F，力臂長為a,當(dāng)F作用在摩擦圓之內(nèi)時（即a≤ρ），則M=aF≤Mf=FR

ρ=F

ρ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≤ρ。摩擦圓半徑為ρ，F(xiàn)aρFR=FFR=F機械的自鎖(3/7)第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一故其自鎖條件為α≤φv。2.機械自鎖條件的確定(1)從運動副發(fā)生自鎖的條件來確定原因機械的自鎖實質(zhì)就是其中的運動副發(fā)生了自鎖。例5-6

手搖螺旋千斤頂當(dāng)α≤φv時，其螺旋副發(fā)生自鎖，則此機械也必將發(fā)生自鎖，(2)從生產(chǎn)阻力G≤0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，機械不能運動，這時能克服的生產(chǎn)阻力G≤0。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGG螺旋副機械的自鎖(4/7)第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一例5-7手搖螺旋千斤頂自鎖要求M′≤0，即tan(α－φv)≤0故此千斤頂自鎖條件為α≤φv。G≤0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。支座1螺桿2托盤3重物4螺母5螺旋副手把6FGGM′反行程：驅(qū)動力為G，阻抗力矩為M，′機構(gòu)的自鎖(5/7)M＝Gd2tan(α－φv)/2′則第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一舉例：機構(gòu)的自鎖(7/7)例5-10

斜面壓榨機例5-11

偏心夾具例5-12

凸輪機構(gòu)的推桿（3）從效率η≤0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)動力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，η＝1－Wf/Wd≤0故例5-8手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為η′＝G0/G=tan(α－φv)/tanα令η′≤0，則得此自鎖條件為α≤φv。第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一（3）從效率η≤0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)動力所作的功Wd總是不足以克服其引起的最大損失功Wf，η＝1－Wf/Wd≤0故例5-8手搖螺旋千斤頂其反行程的效率為η′＝G0/G=tan(α－φv)/tanα令η′≤0，則得此自鎖條件為α≤φv。（4）從自鎖的概念或定義的角度來確定當(dāng)生產(chǎn)阻力G一定時，驅(qū)動力F任意增大，即F→∞，或驅(qū)動力F的有效分力Ft總是小于等于其本身所能引起的最大摩擦力，即Ft≤Ffmax此時，機械將發(fā)生自鎖。機構(gòu)的自鎖(6/7)第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期一（2）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，許多機械尤其是動力機械在制成后，往往都需做效率實驗?，F(xiàn)以蝸桿傳動效率實驗測定為例加以說明。1）實驗裝置定子平