第5章机械的效率和自锁.pptx

徐州工程学院第五章第五章 机械的效率和自锁机械的效率和自锁 (Efficiency and Self-lock of Machinery)徐州工程学院51 机械的效率机械的效率 一、功一、功(work)的概念的概念 作用在机械上的力可分为：驱动力、生产阻力和有害阻力。这些力所作的功分别称为驱动功、有效功、损失功。驱动功驱动功（输入功输入功）Wd：机械运转时，作用在机械上的驱动力所作的功。有效功有效功（输出功输出功）Wr：克服生产阻力所作的功。损失功损失功Wf：克服有害阻力所作的功。机械在稳定运转时，有：Wd=Wr+Wf徐州工程学院二、机械效率的计算方法二、机械效率的计算方法 输出功和输入功的比值，称为机械效率，它反映了输入功在机械中有效利用有效利用的程度，用表示。1、用功的比值功的比值表示：=Wr/Wd=（Wd-Wf）/Wd=1-Wf/Wd2、用功率的比值功率的比值表示：=Nr/Nd=1-Nf/Nd（Nd、Nr、Nf分别为输入、输出、损失功率）机械的损失功（率）与输入功（率）的比值，称为机机械损失系数械损失系数（损失率损失率），用表示。=Wf/Wd=Nf /Nd=1-即：徐州工程学院 在实际机械中，Wf、Nf0=Wf/Wd=Nf /Nd=1-0，1且随Wf、Nf 、在设计机械时，为了提高，应尽量减少摩擦损失。为此，应设法减少运动副中的摩擦，可采取：滚动代替滑动、选用适当的润滑剂、合理选用运动副元素及其材料。3、用力的比值力的比值表示：如图5-1所示为一机械传动装置的示意图。设F为驱动力，G为生产阻力，VF、VG分别为F、G的作用点沿力作用线方向的分速度。图5-1徐州工程学院图5-1根据效率计算式，可得：=Nr/Nd=GVG/(FVF)设想在该机械中不存在摩擦，这样的机械称为理想机械。这时为了克服同样的生产阻力G，其所需的驱动力为F0（称为理想驱动力），显然就不再需要像F那么大了。因为对理想机械来说，其效率应：0=1。故得：0=GVG/(F0VF)=1 GVG=F0VF代入上式，得：=F0VF/FVF=F0/F=理想驱动力/实际驱动力此式说明：机械效率等于在克服同样生产阻力G的情况下，理想驱动力F0与实际驱动力F的比值。徐州工程学院4、用力矩的比值力矩的比值表示：=M0/M=理想驱动力矩/实际驱动力矩 式中：M0、M分别表示克服同样生产阻力所需的理想驱动力矩、实际驱动力矩。机械效率的确定，除了用计算方法之外，更常用实验方法来测定。有关机构和运动副的机械效率见P69表5-1。徐州工程学院例题分析：例题分析：例1、图4-3、4-4所示的斜面机构中，求其正、反行程的机械效率。图4-3图4-4解：正行程（滑块沿斜面上升）时：F=G tan(+)实际驱动力为：不考虑摩擦时，理想驱动力为：F0=G tan=F0/F=tan/tan(+)反行程（滑块沿斜面下降），注意注意此时载荷G为驱动力：F =G tan(-)G=F cot(-)G0=F cot =G0/G=tan(-)/tan 徐州工程学院例2、图4-5所示的螺旋机构中，求拧紧螺母和放松螺母时，机械的效率。图4-5解：拧紧螺母拧紧螺母（即螺母逆着载荷向上运动）时：实际驱动力矩为：不考虑摩擦时，理想驱动力矩为：=M0/M=tan/tan(+)放松螺母放松螺母（即螺母顺着载荷向下运动）时，注意此时载荷G为驱动力:M=G d2 tan(-)/2 G=2 M/d2 cot(-)G0=2 M/d2 cot=G0/G=tan(-)/tanM=G d2 tan(+)/2M0=G d2 tan/2徐州工程学院三、机械系统的效率三、机械系统的效率 上述机械效率及计算是指一个机构或一台机器的效率。对于由许多机构或机器组成的机械系统的效率，可根据机械系统的联接方式（串联、并联、混联）来计算。1、串联、串联如图5-2所示为k个机器串联组成的机械系统。图5-2 设各机器的机械效率分别为1、2、k，该机械系统的输入功率为Pd，输出功率为Pk。功率在传递过程中，前一台机器的输出功率为后一台机器的输入功率。徐州工程学院则该机械系统的机械效率为：=Pk/Pd=P1/PdP2/P1P3/P2Pk/Pk-1=123k 串联机械系统的总效率等于该系统中各台机器效率的连乘积。由此可见，只要串联机械系统中有一台机器的效率很低，就会使整个机械系统的效率极低；且串联机器的数目越多，系统的效率也越低。图5-2徐州工程学院2、并联、并联 如图5-3所示为k个机器并联组成的机械系统。设各台机器的输入功率分别为P1、P2、Pk，输出功率分别为P1、P2、Pk。则：图5-3总输入功率总输入功率：总输出功率总输出功率：Pr=P1+P2+Pk=P11+P22+PkkPd=P1+P2+Pk徐州工程学院 总效率：如各台机器输入功率均相等，则=(1+2+k)/k；如各台机器机械效率均相等，则=i（i=1、2、k）。上式表明：并联机械系统的总效率不仅与各机器的效率有关，而且也与各机器所传递的功率大小有关。由此可见，要提高并联机械系统的效率，应着重提高传递功率大的机器的效率。=Pr/Pd=（P11+P22+Pkk）/（P1+P2+Pk）图5-3徐州工程学院由串联和并联组成的混联式机械系统。由串联和并联组成的混联式机械系统。其总效率的求法按其具体组合方式而定。其总效率的求法按其具体组合方式而定。设串联部分效率为设串联部分效率为 并联部分效率为并联部分效率为系统的总效率：系统的总效率：3、混联、混联（自学）徐州工程学院52 机械的自锁机械的自锁 一、机械自锁的概念一、机械自锁的概念 在实际机械中，由于摩擦的存在以及驱动力作用方向的问题，有时会出现驱动力无论多大都无法使机械运动的现象，这种现象就是机械的自锁。在设计机械时，有时为使机械实现预期的运动，当然必须避免该机械在所需的运动方向发生自锁；但有时有些机械的工作又需要自锁的特性。徐州工程学院 如图5-5所示的螺旋千斤顶，在举起重物时不应发生自锁，而在举起重物后，无论被举起的重物有多重，都不能驱动螺母反转，致使物体自行下降，即要求千斤顶在物体的重力作用下，必须具有自锁性具有自锁性。图5-5 在牛头刨床中，工作台的升降机构及进给机构都必须具有自锁性。徐州工程学院二、机械自锁的原因及条件二、机械自锁的原因及条件一）运动副产生自锁的原因和条件一）运动副产生自锁的原因和条件1、移动副、移动副 如图5-6，滑块1与平台2组成的移动副。驱动力F作用于滑块1上，为F和法线nn之间的夹角（称为传动角），而为摩擦角。图5-6F分解：Ft=Fsin=FntanFn：产生摩擦力的有害分力Ft ：推动滑块1运动的有效分力徐州工程学院图5-6Ft=Fsin=Fntan Fn将使滑块和平台接触面之间产生摩擦力，其所能引起的最大摩擦力为：Ftmax=Fntan 当（即驱动力作用在摩擦角之内）时，有：Ft Ftmax此式说明：在（即驱动力作用在摩擦角之内）时，不管驱动力F如何增大（方向不变），驱动力的有效分力总是小于驱动力本身所可能引起的最大摩擦力，因而滑块总不会运动，即发生自锁自锁。徐州工程学院2、转动副、转动副 如图5-7所示的轴颈和轴承组成的转动副中，设作用在轴颈1上的外载荷为一单力F，F的力臂为a。图5-7则当a（即力F作用在摩擦圆之内）时：Md=Fa F=R21=Mf即：力F对轴颈中心的驱动力矩Md始终小于它本身所能引起的最大摩擦力矩Mf。力F的任意增大（力臂a不变），也不能驱使轴颈转动，即出现自锁现象自锁现象。徐州工程学院 运动副自锁的原因及条件为运动副自锁的原因及条件为：1）单移动副单移动副：驱动力作用在摩擦角之内，即；2）单转动副单转动副：作用在轴颈上的驱动力为一单力F，且作用在摩擦圆之内，即a 。徐州工程学院二）机械自锁的条件二）机械自锁的条件 当机械出现自锁时，无论驱动力多么大都不能超过由它所产生的摩擦力，即此时：驱动力所作的功总小于或等于由它所产生的摩擦力所作的功，即WdWf。=Wr/Wd=1-Wf/Wd 即：当驱动力任意增大，而机械效率恒小于或等于时，机械将发生自锁自锁。说明：机械自锁时已根本不能作功，所以此时的已没有一般通常效率的意义，它只表示机械自锁的程度。当0，其绝对值越大，表明自锁越可靠；=0是有条件的自锁，即机械原来就静止不动。1、从效率的观点来判断、从效率的观点来判断自锁条件徐州工程学院2、从生产阻力方面来判断、从生产阻力方面来判断 由于当自锁时，机械已不能运动，所以这时所求得的生产阻抗力G将小于或等于零，即：G说明：G0，意味着只有当该阻抗力反向反向而变为驱动力后，才能使机械运动。自锁条件徐州工程学院2）自锁机械在正行程中的一般都较低（0、0（正、反行程都能运动）；0、0，而反行程的则根据使用场合既可使其大于0，也可使其小于0。我们把反行程能自锁的机械称为自锁机械（从机构角度来看，它本应是能运动的）。常应用于夹具、起重装置、压榨机、蜗轮蜗杆等机械中。徐州工程学院判断机械是否会自锁的方法有四种判断机械是否会自锁的方法有四种：1）根据单移动副、转动副的自锁条件，分析驱动力是否作用在摩擦角（或摩擦圆）之内；2）分析机械效率是否小于等于0（即）；3）分析驱动力所能克服的生产阻抗力G是否小于等于0（即G）；4）根据机械自锁的概念，分析驱动力的有效分力是否小于等于由其所能引起的最大摩擦力。徐州工程学院三、例题分析三、例题分析例、在图4-3、图4-4斜面机构中，求正行程不自锁的条件、反行程自锁的条件。图4-3图4-41）正行程滑块等速上升=F0/F=tan/tan(+)正行程不自锁的条件：0（或G0）tan(+)0+/2F1+F2=f N1+f N2=2f N1=2fFL/l l 2fL本章结束本章结束