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主要研究内容:
1)了解机构中作用的各种力的分类及机构力分析的目的和方法。2)能对几种最常见的运动副中的摩擦力进行分析和计算。 3)能对Ⅱ级机构进行动态静力分析。
学时分配:7~8学时
§4-1机构力分析的目的与方法
§4-2不考虑摩擦时机构的动态静力分析
§4-3机械的效率和运动副中的摩擦及自锁
第三章平面机构的力分析
在机械设计中,不仅要进行运动分析,而且还要对其机构的力学性能进行分析,作用在机械上的力,不仅影响机械的运动和动力性能,而且还是机械设计中强度计算、效率计算的基础和对运动副中的摩擦与润滑研究的前提条件。
1、作用在机械上的力
在机械工作的过程中,运动的机构中每个构件都受到各种力的作用,如原动力、生产阻力、重力、介质阻力、惯性力以及在运动副中引起的反力等,但就其力对运动的影响,通常将作用在机械上的力分为驱动力和阻力两大类。
驱动力:凡是驱使机械运动的力,统称为驱动力(如原动机推动机构的原动力)。
阻力:凡是阻碍机械运动的力,统称为阻力。
有益阻力和有害阻力。
有益阻力:是为了完成有益工作而必须克服的生产阻力,例如金属切削机床的切削阻力、起重机提起重物的重力等。
有害阻力:是指机械在运转过程中所受到的非生产性无用阻力,如有害摩擦力、介质阻力等。
§4-1机构力分析的目的和方法
2、机构力分析的目的
1)确定机构运动副中的约束反力。约束反力的大小和性质决定各零件的强度以及机构运动副的摩擦、磨损和机械效率。
2)为了保证原动件按给定运动规律运动时需加在机械上的平衡力(或平衡力矩)。
3、机构力分析的方法:
静力分析:
动态静力分析:
对于低速轻型的机械,惯性力影响不大。
但对于高速及重型机械,惯性力的影响很大。
4、机构动态静力分析可按以下步骤进行:
1)机构结构及各构件的尺寸、质量、转动惯量以及质心的位置。
2)根据运动分析求出运动副和质心等点的位置、速度和加速度以及各构件的角速度和角加速度。
3)计算出各构件的惯性力和运动副的约束反力。若计摩擦时,还应分析计算出各运动副中考虑摩擦时的约束反力。
4)根据机构或构件的力系平衡原理,在已知以上各力的基础上,可求出机构所需的平衡力(或力矩)。
确定构件的惯性力,可以采用一般力学方法,也可以采用所谓质量代换法。
一、作一般平面运动的构件
由理论力学知、对于作平面运动而且具有平行于运动平面的对称面的构件,其全部惯性力可以简化为加于构件质心S上的惯性力Fi和力矩为Mi的惯性力偶。
αs——构件质心S的加速度;
Js——构件对过其质心轴的转动惯量;
惯性力Fi和惯性力偶矩Mi可以合成为总惯性力F/i,其大小和方向与相同,两力作用线间距离:
且F/i对S之矩方向应与Mi方向一致。
§4-2不考虑摩擦时平面机构的动态静力分析
二、绕定轴转动的构件
1、转动轴线不通过质心
构件的全部惯性力简化为加于质心S上的惯性力和力矩为Mi的惯性力偶,
进而合成为总惯性力F/i
2、转动轴线通过质心
这是特例,
仅可能存在Mi。
三、作平动的构件
,
仅可能存在Fi。
四、用图解法作机构的动态静力分析
例:如图所示的曲柄滑块机构,给定:曲柄1和连杆2的长度L1和L2、质量m1和m2、质心S1和S2的位置及对质心轴的转动惯量J1和J2,滑块3质量m3及其质心S3的位置,原动曲柄1以等角速度ω1顺时针方向转动,滑块3受到工作阻力F3。设不计各构件的重力与运动副中摩擦力,试确定该机构在图示位置各运动副中的约束反力及作用与原动件1上的平衡力偶矩M1。
解:1)选取长度比例尺,绘制机构运动简图;选取速度比例尺画速度图;选取加速度比例尺画加速度图。由此确定
2、确定各构件的惯性力
p
b
c
s1
s3
P/
b/
s1/
c/
s2/
3)作杆组2—3的受力图
P/
s1/
c/
s2/
h2
大小:
方向:
√
√
√
√
?
√
√
√
?
?
对B点取矩得:
则:
求得R43为正,表明假定方向正确;如为负值,应与假定方向相反
选取力比例尺:
画力多边形
R12
b
a
d
列矢量平衡方程:
R43
Fi3
Fi2/
R43
Fi3
R12
Fi2/
F3
4)取原动曲柄1为分离体,按力平衡条件有
大小:
方向:
?
?
√
√
√
√
R43
Fi3
Fi2/
F3
R12
R41
R21
Fi1
作矢量多边形:
5)求平衡力偶M1
e
R21
Fi1
1研究机械中摩擦的目的
2运动副的中摩擦
3机械的效率
4机械的自锁
§4-3机械中摩擦和机械效率