機械原理第四章平面機構的力分析§4－1概述§4－2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析§4－3機械的效率和運動副中的摩擦及自鎖概述機構力分析的目的1機構力分析的目的：確定運動副反力。計算平衡力。概述機構力分析的目的1機構力分析的目的：確定運動副反力。在機構進行強度設計時需要已知各運動副中的約束反力，且運動副眾反力的大小和性質對于計算機構各個零件的強度、決定機構中的摩擦力和機械效率、以及計算運動副中的磨損和確定軸承類型等，都是有用的已知條件。概述機構力分析的目的1機構力分析的目的：計算平衡力所謂平衡力是指與作用在機械上的已知外力以及當該機械按給定規律運動時其各構件的慣性力相平衡的未知外力。已知生產阻力時，求出的平衡力即為原動力，據此可確定所需原動機的功率已知原動力時，求出的平衡力即為生產阻力，據此可確定機械所能克服的生產負荷。概述機構力分析原理和方法1對低速機械，由于慣性力的影響不大，可忽略不計。在不計慣性力的條件下，對機械進行的力分析稱為機構的靜力分析對高速及重型機械，由于某些構件的慣性力往往很大，有時甚至比機械所受的外力還大得多，所以，在進行力分析時就必須考慮慣性力的影響。根據達朗伯原理，如將慣性力視作一般外力加于產生該慣性力的構件上，就可將該機械視為處于靜力平衡狀態，這樣的力分析稱為動態靜力分析。概述機構力分析原理和方法1機構力分析的方法圖解法解析法概述作用在機構上的力1機構運動時，作用在構件上的力可分為兩大類：給定力----外加力和慣性力約束反力----法向反力和切向反力概述作用在機構上的力1在外加力中，包括驅動力、阻抗力和重力：在平面運動構件上，凡是力的作用方向與構件運動速度方向相同或成銳角的力稱為驅動力，而與構件角速度方向一致的力矩稱為驅動力矩。原動機發出的力（矩）是驅動力（矩），它所做的功稱為輸入功。在平面運動構件上，凡是力的作用方向與構件運動速度方向相反或成鈍角的力成為阻抗力，而與構件角速度方向相反的力矩稱為阻抗力矩。概述作用在機構上的力1在外加力中，包括驅動力、阻抗力和重力：阻力（矩）又可分為工作阻力（矩）和有害阻力（矩）?？朔ぷ髯枇λ瓿傻墓ΨQ為輸出功或有益功?？朔泻ψ枇λ龅墓ΨQ為損耗功。概述作用在機構上的力1在外加力中，包括驅動力、阻抗力和重力：重力是指作用在構件質心上的地球應力一個運動循環中重力所做的功為零。重力通常比其他力小得多，多數情況下忽略不計。概述作用在機構上的力1慣性力（矩）是力學中一種虛擬加在變速運動的構件上的力（矩）高速機械中的慣性力（矩）很大，需要考慮。當機構構件的運動、質量及尺寸已知時，則其慣性力（矩）就可以求出。運動副中的約束反力是當機構受到外力作用時，在運動副兩元素接觸處所產生的反作用力。約束反力對機構而言是內力，對構件而言是外力。不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構慣性力的確定2在機械運動的過程中，各構件產生的慣性力，不僅與各構件的質量mi，繞質心軸的轉動慣量JSi，質心Si的加速度aSi及構件的角加速度αi等有關，而且與構件的運動形式有關。現以曲柄滑塊機構為例，來說明慣性力的確定。1234ABC不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構慣性力的確定2作平面運動的構件：23BCS2α2其慣性力系可簡化為一個加在質心S2的慣性力FI2和一個慣性力偶矩MI2：FI2=-m2as2MI2=-Js2α2as2MI2FI2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構慣性力的確定2作平面運動的構件：23BCS2α2其慣性力系可簡化為一個加在質心S2的慣性力FI2和一個慣性力偶矩MI2：也可以將其再簡化為一個總慣性力F`I2，且F`I2=FI2，而其作用線偏離質心S2的距離為lh2，即lh2

=MI2/FI2as2MI2FI2MS2（F`I2）的方向與α2方向相反lh2FI2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構慣性力的確定2作平面移動的構件：當滑塊做變速移動時僅有一個加在質心S3上的慣性力：FI3=-m3aS334Cas3FI3不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構慣性力的確定2繞定軸轉動的構件：S1若曲柄軸線不通過質心S1，當其為變速轉動時：as1α1MI1FI1或簡化為一個總慣性力F`I1。lh1F`I1FI1=-m1as1MI1=-Js1α1若其軸線通過質心S1，則只有。MI1=-Js1α11AB不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析構件組的靜定條件2在不考慮摩擦時，平面運動副中的反力FR的作用線、方向及大小未知要素如下：轉動副：FR通過轉動副中心，大小和方向未知。移動副：FR沿導路法線方向，作用點位置和大小未知。平面高副：FR作用在高副兩元素接觸點的公法線上，僅大小未知。nnFRFRFR不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析構件組的靜定條件2設構件組中共有n個構件，共有pl個低副和ph個高副。因每個構件都可列出3個獨立的力平衡方程式，共有3n個獨立的力方程式，2Pl+Ph個力的未知數。故此構件組的靜定條件為：3n=2Pl+Ph由此可知，基本桿組都滿足靜定條件。不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法：2先確定各構件的慣性力，并虛擬加在相應構件上，列出力平衡方程，最后用矢量方程圖解法進行求解。不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析設已知各構件的尺寸，連桿的重量G2、轉動慣量JS2及質心S2的位置；滑塊5的重量G5及質心S5的位置；其余構件的重量和轉動慣量忽略不計；原動件1以ω1等速回轉；作用于滑塊5上的生產阻力Fr。試求在圖示位置時，各運動副中的反力，以及需加在構件1上G點沿xx方向的平衡力Fb。ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxx不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：做機構運動分析。選定比例尺μl、μv、μa，做出機構圖、速度圖及加速度圖ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxpbcfP’c”’b’c’c”e’f’f”不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：確定慣性力。連桿2：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxP’c”’b’c’c”e’f’f”S’2aS2FI2=-maS2=(G2/g)μap’s’2FI2MI2=-JS2α2=JS2atCB/l2=JS2

μac’’’c’/l2MI2α2總慣性力F`I2=FI2，離S2的距離為lh2=MI2/FI2，其矩與α2方向相反。lh2F’I2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：確定慣性力。滑塊5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxP’c”’b’c’c”e’f’f”S’2aS2FI5=-maS5=(G2/g)μap’f’α1與aF相反。lh2F’I2aS5FI5不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析桿組4、5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2因桿4為二力桿α1FR54=-FR34lh2F’I2aS5FI5取5為分離體G5FrFI5FR45FR65不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析桿組4、5：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2列平衡方程：α1G5+Fr+FI5+FR45+FR65=0lh2F’I2aS5FI5選定比例尺μF（N/mm）作力多邊形G5FrFI5FR45FR65G5FI5FrFR65FR45abcdeFR65=μFdeFR45=μFea不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2分別以2、3為考察對象，由ΣMc=0：α1lh2F’I2aS5FI5FtR12=（G2h’2-F’I2h’1）/l2FtR63=FR43h’3/lCDG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1lh2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2根據力的平衡條件：α1FtR12+FnR12+G2+F’I2+FR43+FtR63+FnR63=0lh2F’I2aS5FI5按μF（N/mm）作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFR12=μFhfFR63=μFfaG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1FR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’F`I2不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析桿組2、3：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2對構件2：α1FR12+G2+F’I2+FR32=0lh2F’I2aS5FI5作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFR32=μFfeG2S2F’I2C3DEB2FnR12FtR12FtR63FnR63FR43h’3h’2h’1FR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’F`I2FR32不考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析機構力分析的圖解法2用圖解法作平面六桿機構的動態靜力分析解：動態靜力分析構件1：ABCDEF123456S2S5G2G5ω1FrGxxaS2平衡條件：α1FR21+Fb+FR61=0lh2F’I2aS5FI5作力多邊形G5FI5FrFR65FR45abcdeFb=μFifFR43FnR12FtR12G2FtR63FnR63ghff’f’’FR43FR32xxGFR21FR61FbiFR61FbFR61=μFhi機械的效率機械效率的概念3機械的輸出功(Wr)與輸入功（Wd）之比稱為機械效率η。機械的損耗功（Wf）與輸入功（Wd）之比稱為機械損失系數或損失率。η=Wr/Wd=1-Wf/Wd=1-ξ在設計機械時，一方面應盡量簡化機械傳動系統，使功率傳遞通過的運動副數目越少越好；另一方面，應設法減少運動副中的摩擦，如采用滾動摩擦代替滑動軸承，選用適當的潤滑劑及潤滑裝置進行潤滑。機械的效率機械效率的計算3用功的形式表示的效率計算公式：η=Wr/Wd=1-Wf/Wd用功率的形式表示的效率計算公式：η=Pr/Pd=1-Pf/Pd用力或力矩的形式表示的效率計算公式：η=F0/F=M0/MFvF