15机械的效率和自锁222rwn.pptx
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1、第五章机械的效率和自锁第五章机械的效率和自锁5-1 机械的效率机械的效率关于机械系统中,关于机械系统中,输入功输入功、输出功输出功、损失功损失功的解释:的解释:输入功输入功在一个机械系统中,驱动力(或驱动力矩)所作的功在一个机械系统中,驱动力(或驱动力矩)所作的功 称为输入功,用称为输入功,用Wd 表示表示;输出功输出功在一个机械系统中,克服工作阻力(或驱动力矩)所在一个机械系统中,克服工作阻力(或驱动力矩)所 作的功,称为输出功,用作的功,称为输出功,用Wr 表示表示;损失功损失功在一个机械系统中,克服有害阻力(如摩擦阻力、空)在一个机械系统中,克服有害阻力(如摩擦阻力、空)气阻力等)所作的
2、功,称为损失功,用气阻力等)所作的功,称为损失功,用Wf表示表示;机械在稳定运转时期,机械在稳定运转时期,输入功输入功等于等于输出功输出功与与损耗功损耗功之和,即:之和,即:以功率的形式表示,则有:以功率的形式表示,则有:将上式等号两边同除以输入功率将上式等号两边同除以输入功率Nd,得:得:令式中令式中:得到机械效率的表达式为:得到机械效率的表达式为:令:令:机械损失系数机械损失系数由于机械摩擦不可避免,故必有:由于机械摩擦不可避免,故必有:效率恒小于一效率恒小于一图图5-1为机械传动装置的示意图为机械传动装置的示意图设设F为驱动力,为驱动力,G为生产阻力,为生产阻力,VF、VG 分别为分别为
3、F、G作用点沿该作用点沿该力作用线方向的分速度,其效率力作用线方向的分速度,其效率为:为:为了将上式简化,引入为了将上式简化,引入理想机械理想机械的概念,即在理想机械中的概念,即在理想机械中不存在摩擦,当工作阻力为不存在摩擦,当工作阻力为G时,所需的驱动力为理想驱动力时,所需的驱动力为理想驱动力F0 由于理想机械不存在摩擦,显然理想驱动力由于理想机械不存在摩擦,显然理想驱动力F0小于实际驱动小于实际驱动力力F,此时机械的效率为:,此时机械的效率为:(a)(b)将(将(b)代入()代入(a)中)中(a)(b)如用力矩表示,则有:如用力矩表示,则有:(c)(d)综合(综合(c)、)、(d),可得到
4、:),可得到:理想驱动力理想驱动力实际驱动力实际驱动力=理想驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力矩实际驱动力矩效率也可用阻力或租力矩表示为:效率也可用阻力或租力矩表示为:理想工作阻力理想工作阻力实际工作阻力实际工作阻力=实际工作阻力矩实际工作阻力矩理想工作阻力矩理想工作阻力矩小结:小结:用驱动力或驱动力矩表示的效率公式为:用驱动力或驱动力矩表示的效率公式为:用工作阻力或工作阻力矩表示的效率公式为:用工作阻力或工作阻力矩表示的效率公式为:理想驱动力、理想驱动力矩;理想驱动力、理想驱动力矩;实际驱动力、实际驱动力矩;实际驱动力、实际驱动力矩;理想工作阻力、理想工作阻力矩;理想工作阻力、理想工作阻力矩;实
5、际工作阻力、实际工作阻力矩;实际工作阻力、实际工作阻力矩;以上为机械效率的计算法,但在实际设计中,更常用到的是以上为机械效率的计算法,但在实际设计中,更常用到的是实验法和经验法,即确定机械效率的三种方法分别为:实验法和经验法,即确定机械效率的三种方法分别为:计算法计算法经验法经验法实验法实验法适用于创新机器产品、无经验可循的效率确定;适用于创新机器产品、无经验可循的效率确定;适用于传统机械产品设计。适用于传统机械产品设计。三种不同机器组合的效率计算三种不同机器组合的效率计算(1)串联组合机器的效率计算)串联组合机器的效率计算(2)并联组合机器的效率计算)并联组合机器的效率计算(3)混联组合机器
6、的效率计算)混联组合机器的效率计算(1)串联组合机器的效率计算)串联组合机器的效率计算12K总效率总效率为各机器效率的连乘积。即:为各机器效率的连乘积。即:串联组合机器传递功率的特点:串联组合机器传递功率的特点:前一机器的输出功率为后一机器的输入功率。前一机器的输出功率为后一机器的输入功率。串联机器中任一机器的效率很低,都会使整部机器的效率很低;串联机器中任一机器的效率很低,都会使整部机器的效率很低;串联的机器数目越多,效率越低。串联的机器数目越多,效率越低。串联组合机器的总效率串联组合机器的总效率3(2)并联组合机器的效率计算)并联组合机器的效率计算各机器的输入功率为:各机器的输入功率为:P
7、1、P2 PK,并联机组的特点并联机组的特点:机组的输入功率为各机器输入功率之和;机组的输入功率为各机器输入功率之和;机组的输出功率为各机器输出功率之和;机组的输出功率为各机器输出功率之和;并联组合机器的总效率并联组合机器的总效率机器的输出功率机器的输出功率机器的输入功率机器的输入功率输出功率为:输出功率为:(3)混联组合机器的效率计算)混联组合机器的效率计算21混联组合机器的总效率混联组合机器的总效率串联机构的效率串联机构的效率并联机构的效率并联机构的效率Q122345例例1 在图示的电动卷扬机中,已知其每一对齿轮的效率在图示的电动卷扬机中,已知其每一对齿轮的效率12、2以及鼓轮的效率以及鼓
8、轮的效率4均为均为0.95,滑轮的效率,滑轮的效率5为为0.96,载荷,载荷Q=50000N。其上升的速度。其上升的速度V=12m/min,求电机的功率?求电机的功率?解:解:该机构为串联机构该机构为串联机构串联机构的总效率各级效串联机构的总效率各级效率的连乘积,故机构总效率:率的连乘积,故机构总效率:求机构的工作功率求机构的工作功率载荷上升的速度:载荷上升的速度:机构的工作功率为:机构的工作功率为:3.电机的功率为:电机的功率为:1234567891011121314例例2 减速箱如图所示,已知每一对圆柱齿轮和圆锥齿轮的效率分别减速箱如图所示,已知每一对圆柱齿轮和圆锥齿轮的效率分别为为0.9
9、5 和和 0.92,求其总效率求其总效率。解:解:1.分析传动路线。分析传动路线。减速箱分两路输出:减速箱分两路输出:电机电机齿轮齿轮1、23、45、67、8电机电机齿轮齿轮1、2、1011、1213、142.每一路的总效率分别为:每一路的总效率分别为:3.整个机构的总效率为:整个机构的总效率为:123456789101112131412345678910例例3 在图示的滚柱传动机构中,已知其局部效率在图示的滚柱传动机构中,已知其局部效率1-20.95,3-4=5-6=7-8=9-10=0.93,求该机构的效率求该机构的效率。解:解:1.分析机构分析机构该机构为混联机构该机构为混联机构串联部分
10、:圆柱齿轮串联部分:圆柱齿轮1、2并联部分:锥齿轮并联部分:锥齿轮3、4;5、6;7、8;9、10。2.分别计算效率分别计算效率(1)串联部分:)串联部分:(2)并联部分:)并联部分:3.总效率总效率例例5-1 在图在图5-4所示的机械传动中,设各传动机构的效率分别为所示的机械传动中,设各传动机构的效率分别为并已知输出的功率分别为并已知输出的功率分别为求该机械传动装置的机械效率。求该机械传动装置的机械效率。21图图5-4解:解:由于由于1、2、3、4 为串联,故:为串联,故:而机构而机构 1、2、3、4、5 也为串联,故:也为串联,故:机构的总效率为:机构的总效率为:/5-2 机械的自锁机械的
11、自锁自锁现象自锁现象无论物体上作用的驱动力有多大,在摩擦力的作用下,物体都无论物体上作用的驱动力有多大,在摩擦力的作用下,物体都不会沿着驱动力的方向运动,这种现象称作自锁。不会沿着驱动力的方向运动,这种现象称作自锁。发生自锁的条件发生自锁的条件1.平面移动副的自锁条件平面移动副的自锁条件将将 F 分解为两个分力分解为两个分力Ft 使物体具有向右水平滑动趋势使物体具有向右水平滑动趋势接触面给滑块的法向反力:接触面给滑块的法向反力:接触面给滑块的摩擦阻力:接触面给滑块的摩擦阻力:全反力全反力FR与法线与法线n-n的夹角为的夹角为,且有:且有:驱动力的作用角,也称传动角驱动力的作用角,也称传动角当极
12、限摩擦力当极限摩擦力Ffmax大于或等于水平大于或等于水平驱动力驱动力 Ft 时,滑块静止不动。即:时,滑块静止不动。即:由于:由于:得出:得出:由上述推导可知,平面移动副的自锁条件为:由上述推导可知,平面移动副的自锁条件为:或:或:结论结论:当:当,无论驱动力,无论驱动力 F 如何增大,水平驱动力如何增大,水平驱动力Ft总是小于驱动力总是小于驱动力 F 引起的极限摩擦力引起的极限摩擦力Ffmax,因而不能使滑块,因而不能使滑块运动运动,这就是自锁现象。这就是自锁现象。自锁条件:自锁条件:驱动力驱动力F 作用在摩擦角作用在摩擦角之内。之内。在在 F 作用下,滑块匀速滑动(或处于临界状态);作用
13、下,滑块匀速滑动(或处于临界状态);在在 F 作用下(作用下(F必须足够大),滑块将加速滑动;必须足够大),滑块将加速滑动;小结:小结:(1)移动副自锁条件:移动副自锁条件:(2)在下列三种情况下:在下列三种情况下:如果原来在运动,将减速直至静止不动如果原来在运动,将减速直至静止不动如果原来是静止的,则将仍然保持静止状态如果原来是静止的,则将仍然保持静止状态自锁状态自锁状态()下滑块的不能动,下滑块的不能动,前者为几何条件所致,后者为力不够大所致。前者为几何条件所致,后者为力不够大所致。非自锁状态下非自锁状态下()下滑块的不能动下滑块的不能动易混淆的概念点:易混淆的概念点:22.平面转动副的自
14、锁条件平面转动副的自锁条件当作用在轴颈当作用在轴颈 1 上的力上的力F的作用线的作用线在摩擦圆之内时,形成自锁条件:在摩擦圆之内时,形成自锁条件:无论无论F 怎样增大,都不能驱使轴颈怎样增大,都不能驱使轴颈转动,此即转动副的自锁现象。转动,此即转动副的自锁现象。小结小结:轴颈在轴颈在 F 力作用下,匀角速度顺时针转动;力作用下,匀角速度顺时针转动;轴颈在轴颈在 F 力作用下(力作用下(F足够大),顺时针加速转动。足够大),顺时针加速转动。如果原来在转动,将减速直至静止不动如果原来在转动,将减速直至静止不动如果原来是静止的,则将仍然保持静止状态如果原来是静止的,则将仍然保持静止状态易混淆的概念点
15、:易混淆的概念点:前者为几何条件所致,后者为力不够大所致。前者为几何条件所致,后者为力不够大所致。1FFF自锁状态自锁状态()下轴颈的不能转动下轴颈的不能转动非自锁状态下非自锁状态下()下轴颈的不能转动下轴颈的不能转动还可从下列角度描述自锁现象:还可从下列角度描述自锁现象:(1)从效率的角度描述自锁现象)从效率的角度描述自锁现象自锁也可以认为是摩擦力过大,克服摩擦消耗的功率大于自锁也可以认为是摩擦力过大,克服摩擦消耗的功率大于输入功率,即输入功率,即 NfNd,由效率公式:由效率公式:可知可知,当自锁发生时,当自锁发生时,即:用效率描述自锁的结论为:即:用效率描述自锁的结论为:(2)从工作阻力
16、的角度描述自锁现象)从工作阻力的角度描述自锁现象如果希望物体在驱动力下移动(或转动)如果希望物体在驱动力下移动(或转动)只有将阻力只有将阻力Q反方向反方向作用在物体上,否则,无论驱动力多大,物体都不会运动。作用在物体上,否则,无论驱动力多大,物体都不会运动。即:用工作阻力描述自锁的结论为:即:用工作阻力描述自锁的结论为:本章要点提示:本章要点提示:1.效率的一般表达式效率的一般表达式(1)用驱动力(或驱动力矩)表示用驱动力(或驱动力矩)表示理想驱动力理想驱动力实际驱动力实际驱动力=理想驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力矩实际驱动力矩(2)用阻力(或阻力矩)表示用阻力(或阻力矩)表示理想工作阻力理想
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