機械原理與機械設計第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五一、作用在機械上的力1.按作用在機械系統的內外分：1）外力：如原動力、生產阻力、介質阻力和重力；2）

內力：運動副中的反力（也包括運動副中的摩擦力和慣性力引起的附加動壓力）2、按作功的正負分：1）

驅動力：驅使機械產生運動的力。2）阻抗力：阻止機械產生運動的力。特征：（M，同向），作正功。稱驅動功或輸入功。特征：（M，反向），作負功。§4-1機構力分析的目的和方法第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五阻抗力又可分為有益阻力和有害阻力。（1）有益阻力——生產阻力（工作阻力），如切削力。（2）有害阻力——非生產阻力，如摩擦力、介質阻力。注意摩擦力和重力既可作為作正功的驅動力，也可成為作負功的阻力。有效功（輸出功）：克服有效阻力所作的功。損耗功（輸出功）：克服有害阻力所作的功。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.機構力分析的任務1）確定運動副中的反力及各構件的受力；2）確定為了使機構原動件按給定規律運動時需加于機械上的平衡力。——設計構件的尺寸、形狀、強度及整機效率等。驅動力阻抗力確定機構所能克服的最大阻力（即機器的工作能力）。驅動力阻抗力確定原動機的功率。二、機構力分析的目的和方法第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.機構力分析的方法具體方法：利用達朗伯原理。有圖解法和解析法。靜力分析(staticforceanalysis)——用于低速，慣性力的影響不大。動態靜力分析(dynamicforceanalysis)——用于高速，重載，慣性力很大。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§4-2構件慣性力的確定一、一般力學方法1.作平面復合運動的構件作平面復合運動的構件上的慣性力系可簡化為：加于構件質心上S的慣性力FI和一個慣性力偶MI。Slh繞質心的轉動慣量用一個力簡化之第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.作平面移動的構件變速運動：等速運動：BCSasFIMI第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1）繞通過質心的定軸轉動的構件3.繞定軸轉動的構件2）繞不通過質心的定軸轉動等速轉動：等速轉動：產生離心慣性力變速轉動：可以用總慣性力FI’來代替FI和MI

，FI’=FI，作用線由質心S

偏移lh變速運動：只有慣性力偶第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、質量代換法1.質量代換法按一定條件，把構件的質量假想地用集中于某幾個選定的點上的集中質量來代替的方法。2.代換點和代換質量代換點：上述的選定點。代換質量：集中于代換點上的假想質量。在確定構件慣性力時，如用一般的力學方法，就需先求出構件質心的加速度和角加速度，如對一系列位置分析非常繁瑣，為簡化，可采用質量代換法。

第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）代換前后構件的質心位置不變；3）代換前后構件對質心的轉動慣量不變。以原構件的質心為坐標原點時，應滿足：3.質量代換條件1）代換前后構件的質量不變；靜代換動代換第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五BCbcS動代換：用集中在通過構件質心S的直線上的B、K

兩點的代換質量mB和mK來代換作平面運動的構件的質量。BCbSkKmBmk依據上述原則，有優點：代換精確。缺點：當其中一個代換點確定之后，另一個代換點亦隨之確定，不能任意選取。工程計算不便。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五代換后慣性力：由加速度影像得：代換后慣性力矩：aSBakBBCbSkKmBmk第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五BCbScBCbcS靜代換：在一般工程計算中，為方便計算而進行的僅滿足前兩個代換條件的質量代換方法。取通過構件質心S的直線上的兩已知點B、C為代換點，有：BCbSkKmBmk動代換mCmB靜代換第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五優點：B及C可同時任意選擇，為工程計算提供了方便和條件；缺點：代換前后轉動慣量Js有誤差，將產生慣性力偶矩的誤差。適用于角加速度較小的場合。這個誤差的影響，對于一般不是很精確的計算的情況是可以允許的，所以靜代換方法得到了較動代換更為廣泛的應用。

第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五§4–3運動副中的摩擦一、研究摩擦的目的1.摩擦對機器的不利影響1）造成機器運轉時的動力浪費機械效率

2）使運動副元素受到磨損零件的強度、機器的精度和工作可靠性機器的使用壽命3）使運動副元素發熱膨脹導致運動副咬緊卡死機器運轉不靈活；4）使機器的潤滑情況惡化機器的磨損機器毀壞。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.摩擦的有用的方面：有不少機器，是利用摩擦來工作的。如帶傳動、摩擦離合器和制動器等。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五二、移動副中的摩擦1.移動副中摩擦力的確定Ff21=fFN21當外載一定時，運動副兩元素間法向反力的大小與運動副兩元素的幾何形狀有關：1）兩構件沿單一平面接觸

FN21=-GFf21=fFN21=fG2）兩構件沿一槽形角為2q

的槽面接觸FN21sinq=-GV1212GFFN21Ff2112GFN21/2FN21/2第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五3）兩構件沿圓柱面接觸FN21是沿整個接觸面各處反力FN21的總和。（k≈1～1.57）?v------當量擦系數4）標準式

不論兩運動副元素的幾何形狀如何，兩元素間產生的滑動摩擦力均可用通式：來計算。12GFN21FN21設：第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五5）槽面接觸效應因為

fv

>f，所以在其它條件相同的情況下，槽面、圓柱面的摩擦力大于平面摩擦力。2.移動副中總反力方向的確定1）總反力和摩擦角總反力FR21：法向反力FN21和摩擦力Ff21的合力。摩擦角

：總反力和法向反力之間的夾角。V1212GFFN21Ff21FR21或：第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）總反力的方向FR21與移動副兩元素接觸面的公法線偏斜一摩擦角；FR21與公法線偏斜的方向與構件1相對于構件2的相對速度方向v12的方向相反3.斜面滑塊驅動力的確定1）求使滑塊1沿斜面2等速上行時所需的水平驅動力F——正行程根據力的平衡條件V1212GFFN21Ff2190o+FR21V1212FFN21Ff21FR21GFFR21+G第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

如果，F'為負值，成為驅動力的一部分，作用為促使滑塊1沿斜面等速下滑。2）求保持滑塊1沿斜面2等速下滑所需的水平力F'——反行程根據力的平衡條件注意當滑塊1下滑時，G為驅動力，F'為阻抗力，其作用為阻止滑塊1加速下滑。V1212F'FN21Ff21FR21GF'FR21-G第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

將螺紋沿中徑d2圓柱面展開，其螺紋將展成為一個斜面，該斜面的升角a等于螺旋在其中徑d2上的螺紋升角。三、螺旋副中的摩擦l--導程z--螺紋頭數p--螺距1.矩形螺紋螺旋副中的摩擦1）矩形螺紋螺旋副的簡化

螺旋副可以化為斜面機構進行力分析。12G/2G/2GGF第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）擰緊和放松力矩擰緊——螺母在力矩M作用下逆著G力等速向上運動，相當于在滑塊2上加一水平力F，使滑塊2沿著斜面等速向上滑動。

放松——螺母順著G力的方向等速向下運動，相當于滑塊2沿著斜面等速向下滑。12G/2G/2GGF第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五矩形螺紋：三角形螺紋：2.三角形螺紋螺旋副中的摩擦1）三角形螺紋與矩形螺紋的異同點運動副元素的幾何形狀不同在軸向載荷完全相同的情況下，兩者在運動副元素間的法向反力不同接觸面間產生的摩擦力不同。螺母和螺旋的相對運動關系完全相同兩者受力分析的方法一致。GFNFN第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）當量摩擦系數和當量摩擦角3）擰緊和放松力矩三角形螺紋宜用于聯接緊固；矩形螺紋宜用于傳遞動力。GFNFN當量摩擦系數當量摩擦角第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.軸頸摩擦四、轉動副中的摩擦軸頸——軸放在軸承中的部分當軸頸在軸承中轉動時，轉動副兩元素間產生的摩擦力將阻止軸頸相對于軸承運動。

2Md121rOG總摩擦力：FN21Ff21對于新軸頸：壓力分布均勻，對于跑合軸頸：點、線接觸，第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2Md121rOGFR21FN21Ff21用總反力FR21來表示FN21及Ff211）摩擦力矩和摩擦圓摩擦力Ff21對軸頸形成的摩擦力矩摩擦圓：以為半徑所作的圓。由①②①由力平衡條件②第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2）轉動副中總反力FR21的確定（1）根據力平衡條件，FR21G（2）總反力FR21必切于摩擦圓。（3）總反力FR21對軸頸軸心O之矩的方向必與軸頸1相對于軸承2的角速度w12的方向相反。注意2Md121rOGFR21FN21Ff21

FR21是構件2作用到構件1上的力，是構件1所受的力。w12是構件1相對于構件2的角速度。方向相反。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五例:

圖示為一四桿機構，構件1為主動件，不計構件的重量和慣性力。求轉動副B及C中作用力的方向線的位置。

構件2為二力構件——受拉狀態M11BCDA12342123

FR12

FR32第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.軸端摩擦環面正壓力環面摩擦力環形微面積上產生的摩擦力dFf對回轉軸線的摩擦力矩dMf為:

軸端所受的總摩擦力矩Mf為

G

從軸端取環形微面積ds并設ds上的壓強p為常數，則有第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五上式的求解可分兩種情況來討論：

（1）新軸端——假定整個軸端接觸面上的壓強p處處相等，即p=常數，則

（2）跑合軸端——整個軸端接觸面上的壓強p已不再處處相等，而滿足p=常數，則

第31頁，共33頁，2023年，