機(jī)械原理第七章章末總結(jié).doc
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《第七章 機(jī)械動力學(xué)》知識總結(jié) 小組成員：何春江 陳彥智 陳肯 第一節(jié) 概述 一、機(jī)械動力學(xué)的研究內(nèi)容及意義 本章將主要以研究機(jī)械動力學(xué)為主線討論下列問題： 1）機(jī)構(gòu)的摩擦與效率 2）機(jī)械的平衡； 3）機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律分析與速度波動的調(diào)節(jié)。 二、機(jī)械中作用的力 機(jī)械是在各種力的作用（或約束）下進(jìn)行工作的。力的性質(zhì)及其作用規(guī)律對機(jī)械的工作與運(yùn)動狀態(tài)有著直接的影響。 按力對運(yùn)動的影響分，作用在機(jī)構(gòu)上的力可分為驅(qū)動力和阻力兩大類。 平面運(yùn)動構(gòu)件上凡是與構(gòu)件運(yùn)動速度方向夾銳角的力稱為驅(qū)動力，與運(yùn)動角速度方向一致的力矩稱為驅(qū)動力矩。 平面運(yùn)動構(gòu)件上凡是與構(gòu)件運(yùn)動速度方向夾鈍角的力稱為阻力，與構(gòu)件角速度方向相反的力矩稱為阻力矩。阻力（矩）分為工作阻力和有害阻力。 第二節(jié) 機(jī)械中的摩擦與效率 一、機(jī)構(gòu)中的摩擦可分為 （一）移動副中的摩擦力和總反力 （二）轉(zhuǎn)動副中的摩擦力和總反力其中又包括（1）徑向軸頸中的摩擦；（2）止推軸頸中的摩擦 （三）考慮摩擦的機(jī)構(gòu)靜力分析 與前面力分析不同的是考慮摩擦?xí)r轉(zhuǎn)動副中的反力不是通過回轉(zhuǎn)中心，而是切于摩擦圓，移動副中的反力不是與移動方向垂直而是與接觸面的法向偏一個摩擦角。 二、機(jī)械的效率 （一）機(jī)械效率與自鎖的概念 工程中把克服工作阻力所作的有益功與輸入功的比值稱為機(jī)械效率。這是衡量機(jī)械對輸入功的有效利用程度的一個重要性能指標(biāo)。機(jī)械效率等于在工作阻力Q不變的條件下，同一機(jī)械計及摩擦?xí)r的驅(qū)動力P與不計摩擦?xí)r的驅(qū)動力P0的比值；或者說，在驅(qū)動力P不變的條件下，同一機(jī)械不計摩擦?xí)r能克服的生產(chǎn)阻力Q0與計及摩擦?xí)r能克服的生產(chǎn)阻力Q的比值。 當(dāng)h 0 時，機(jī)械的驅(qū)動功尚不足克服有害阻力所需的功，所以不論機(jī)械原來的運(yùn)動情況如何，最終必將減速直至運(yùn)動停止，機(jī)械出現(xiàn)上述狀態(tài)稱為機(jī)械自鎖。 （二）斜面及螺旋機(jī)構(gòu)中的摩擦與效率 1．斜面的摩擦與效率 斜面機(jī)構(gòu)具有兩個主要特征： 1） 當(dāng)斜角時，斜面機(jī)構(gòu)在垂直力的作用下將會單向（下滑行程）自鎖，而上升行程不自鎖。 2） 上升行程，，若很小則用較小的力P可克服較大的載荷Q，具有明顯的力增益。 a） b） c） 圖7-12 螺旋機(jī)構(gòu) a)矩形螺紋 b）受力分析圖 c) 三角形螺紋 2．螺旋機(jī)構(gòu)的摩擦與效率 圖7-12所示螺旋機(jī)構(gòu)（也稱為螺旋副）廣泛應(yīng)用于傳動和聯(lián)結(jié)中。它由螺桿和螺母組成，其摩擦與效率分析與斜面完全相同。 設(shè)螺旋的中徑為d，螺旋升角為： L為螺旋的導(dǎo)程，z為螺旋的頭（線）數(shù)，p為螺距。 螺旋機(jī)構(gòu)的主要特征： 1）當(dāng)螺旋升角時，正反行程均可實(shí)現(xiàn)，且需要施加一定的力矩； 2）若螺旋升角時，，反行程將自鎖。即在Q力作用下重物不會自動下落，連接不會自行松脫，要使其下降或松脫，還必須加一反向力矩Md。 對于圖7-12c）所示的三角形螺紋分析可得三角形螺紋的自鎖性能高于矩形螺紋。 第三節(jié) 機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 機(jī)構(gòu)受力分析的目的主要有：一是確定運(yùn)動副中的約束反力，這些力的大小和性質(zhì)決定了各構(gòu)件滿足設(shè)計要求應(yīng)具有的強(qiáng)度和剛度；決定了運(yùn)動副中摩擦與磨損，從而決定了機(jī)構(gòu)的壽命與傳動效率。二是確定在按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時需加在原動件上的平衡力(矩)，這是選擇維持機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需原動機(jī)的型號、功率的重要技術(shù)依據(jù)。 對于低速機(jī)械，慣性力對上述分析內(nèi)容的結(jié)果影響不大，故可以在不計慣性力的條件下對機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。中、高速運(yùn)動的機(jī)械其構(gòu)件在運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力往往很大，在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析時，如果機(jī)構(gòu)中的慣性力達(dá)到或超過驅(qū)動力或生產(chǎn)阻力的1/10就必須在分析中計入慣性力。在這種情況下進(jìn)行力分析時，可根據(jù)達(dá)朗貝爾原理將構(gòu)件運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力作為已知外力加在相應(yīng)的構(gòu)件上，將動態(tài)受力系統(tǒng)視為為瞬時靜力平衡系統(tǒng)，用靜力學(xué)的方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。這種將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題的分析方法稱為機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析。 機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析方法有圖解法和解析法兩種。圖解法概念清楚，也有一定的精度，但圖解過程比較繁瑣；解析法主要有：矢量方程解析法、基本桿組法和直角坐標(biāo)法。 一、動態(tài)靜力分析的圖解法 首先求出各構(gòu)件的慣性力，并把它們視為外力加于產(chǎn)生這些慣性力的構(gòu)件上。然后再根據(jù)靜定條件將機(jī)構(gòu)分解為若干個構(gòu)件組和平衡力作用的構(gòu)件。而進(jìn)行力分析的順序一般是先由離平衡力作用的構(gòu)件最遠(yuǎn)的構(gòu)件組(即外力全部為已知的構(gòu)件組)開始，逐步推算到平衡力作用的構(gòu)件。 1．構(gòu)件慣性力的確定 憑借經(jīng)驗(yàn)或?qū)C(jī)構(gòu)作簡單的靜力分析的基礎(chǔ)上對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和剖面尺寸作出初略的估算，由此定出各構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置，在此基礎(chǔ)上，假定機(jī)構(gòu)原動件按某種運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動（一般按勻速運(yùn)動規(guī)律），通過對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，計算質(zhì)心的加速度和構(gòu)件的角加速度，從而算出各構(gòu)件的慣性力和慣性力矩。 (1)作平面運(yùn)動的構(gòu)件 平面運(yùn)動的構(gòu)件慣性力系可簡化為一個加在質(zhì)心Si上的慣性力和一個慣性力矩：。或合成為一個大小為，作用線偏離質(zhì)心Si的總慣性力。 作用線偏離質(zhì)心S的距離：，對質(zhì)心Si的矩的方向與一致。 (2)作平面移動的構(gòu)件：有一個加在質(zhì)心上的慣性力： (3)繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件：若回轉(zhuǎn)軸線不通過質(zhì)心，當(dāng)構(gòu)件為變速轉(zhuǎn)動時，作用有慣性力和慣性力偶矩，如果回轉(zhuǎn)軸線通過構(gòu)件質(zhì)心．則只有慣性力矩。 圖解法是通過作基本桿組受力的力封閉多邊形來求未知力的大小和方向的。因此，必須先準(zhǔn)確地畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及各基本桿組圖并選擇合適的力比例尺。 二、機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力分析的解析法 首先在作受力分析的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中建立一平面直角坐標(biāo)系，分析出各構(gòu)件的力（或力矩）最后將各單元力平衡矩陣“組裝”成機(jī)構(gòu)力平衡矩陣用計算機(jī)求解。 三、考慮摩擦的動態(tài)靜力分析方法 考慮運(yùn)動副摩擦的受力分析常逼近法更為簡單和方便。其基本過程是： 1) 不計運(yùn)動副中的摩擦列出機(jī)構(gòu)力平衡矩陣方程。即令，求出理想機(jī)械中的運(yùn)動副反力。 2) 根據(jù)求出的約束反力計算運(yùn)動副中的摩擦力和摩擦力矩，將其作為已知力加在相應(yīng)的構(gòu)件上重新進(jìn)行受力分析，重新計算運(yùn)動副中的約束反力。比較相鄰兩次計算的結(jié)果，若兩次計算求出的約束反力誤差滿足分析精度要求，則以最后一次計算結(jié)果作為力分析的最終結(jié)果，否則應(yīng)重復(fù)上述過程直到滿足分析精度要求為止。 第四節(jié) 機(jī)械的平衡 為了完全或部份消除慣性力和慣性力矩對機(jī)械的不良影響而采取的技術(shù)措施稱為機(jī)械的平衡。由于多數(shù)機(jī)械都是由作回轉(zhuǎn)運(yùn)動、往復(fù)運(yùn)動或一般平面運(yùn)動的構(gòu)件組成，在討論平衡問題時常把作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的構(gòu)件稱為轉(zhuǎn)子，因此機(jī)械的平衡問題可以歸納為轉(zhuǎn)子的平衡和平面機(jī)構(gòu)的平衡兩方面內(nèi)容。 轉(zhuǎn)子的平衡可分為兩種不同的情況： 1) 轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，這類轉(zhuǎn)子的平衡稱為剛性轉(zhuǎn)子的平衡。 2）工作轉(zhuǎn)速較高，接近或要跨越轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，這類轉(zhuǎn)子的平衡又稱為撓性轉(zhuǎn)子的平衡。 本章主要討論剛性轉(zhuǎn)子的平衡問題。 一、剛性轉(zhuǎn)子的平衡 轉(zhuǎn)子的軸向?qū)挾萣與其直徑D的比值大小不同，采用的平衡方法也不同，工程中把剛性轉(zhuǎn)子的平衡分為靜平衡和動平衡。 1． 靜平衡設(shè)計 對于徑寬比D / b ＞5的轉(zhuǎn)子，用平衡配重使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心移近轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心，從而消除或減少靜不平衡轉(zhuǎn)子運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力的平衡措施稱為轉(zhuǎn)子的靜平衡設(shè)計。 轉(zhuǎn)子的靜平衡配重可以按平衡配重的質(zhì)徑積應(yīng)與轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量的質(zhì)徑積的向量和為零進(jìn)行計算。 2．動平衡設(shè)計 對于徑寬比D / b ＜5的轉(zhuǎn)子，使動不平衡轉(zhuǎn)子在運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力的主矢與主矩都趨于零的平衡措施稱為轉(zhuǎn)子的動平衡設(shè)計。為了簡化計算，在動平衡計算中常用兩個或三個質(zhì)量替代轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。替代條件： 1）替代質(zhì)量之和與原構(gòu)件的質(zhì)量相等； 2）替代質(zhì)量的總質(zhì)心與原構(gòu)件質(zhì)心重合； 3）替代質(zhì)量對過質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量與原構(gòu)件對過質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量相等， 最后需要指出：不論利用何種型式的平衡試驗(yàn)設(shè)備對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，總是會有殘余不平衡量的。 *二、平面機(jī)構(gòu)的平衡 平面機(jī)構(gòu)慣性力的平衡目的通?？煞譃閮深悾阂皇且心康牡販p輕某些運(yùn)動副中過大的動反力；二是減輕或消除由慣性力引、慣性力偶矩引起機(jī)架的振動（因機(jī)架通常是固定在機(jī)座上的，因此這種平衡也稱為機(jī)座上的平衡）。 1．平面機(jī)構(gòu)慣性力完全平衡的條件 如果平面機(jī)構(gòu)總質(zhì)心的位置坐標(biāo)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時始終為常量，即機(jī)構(gòu)總質(zhì)心保持不動，機(jī)構(gòu)的慣性力得到完全平衡。因此，保證平面機(jī)構(gòu)在運(yùn)動時機(jī)構(gòu)的總質(zhì)心不動，是平面機(jī)構(gòu)慣性力完全平衡的充要條件。 2．平面機(jī)構(gòu)慣性力的部份平衡 機(jī)構(gòu)的慣性力的完全平衡對于有些機(jī)構(gòu)是很難實(shí)現(xiàn)的或不經(jīng)濟(jì)等。因此，需要添加恰當(dāng)平衡質(zhì)量使機(jī)構(gòu)的慣性力最有效地減少，這就是所謂機(jī)構(gòu)慣性力部份平衡的問題。 第五節(jié) 機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及動力學(xué)模型 一、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的一般過程 作用在機(jī)械上的各種力都會影響機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了便于研究機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程主要考慮作用在機(jī)械上的兩類外力及其變化規(guī)律。一類是驅(qū)動力，另一類是生產(chǎn)阻力正是這兩類力的共同作用確定了機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程和運(yùn)動規(guī)律。 圖7–26示出了一般機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時主軸速度的變化過程，其中包括機(jī)械在起動、停車階段主軸速度變化的瞬態(tài)過程和機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的穩(wěn)態(tài)過程。 二、單自由度機(jī)械系統(tǒng)的等效動力學(xué)模型 單自由度機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析問題可以轉(zhuǎn)化為等效構(gòu)件的動力學(xué)分析問題，一般選用機(jī)構(gòu)中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的原動件或機(jī)器的主軸作為等效構(gòu)件。 其等效系統(tǒng)具有以下特性： 1）各等效量不僅與作用于機(jī)械系統(tǒng)中的力、力矩以及各活動構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，而且和各構(gòu)件與等效構(gòu)件的速比有關(guān)，但與系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動無關(guān)。 2）等效質(zhì)量、等效轉(zhuǎn)動慣量值恒為正值。 3）等效力、等效力矩可能是正值，也可能是負(fù)值。 三、機(jī)械運(yùn)動方程及其求解 為求解機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律，可利用的機(jī)械動力學(xué)方程（或機(jī)械運(yùn)動方程）求解。單自由度機(jī)械運(yùn)動方程，一般有以下兩種形式。 （一） 機(jī)械運(yùn)動方程的形式 1．力矩形式（微分形式） 2．能量形式的運(yùn)動方程 （二）機(jī)械運(yùn)動方程求解 機(jī)械運(yùn)動方程可采用圖解法、解析法和數(shù)值方法求解。圖解法計算精度低，不便于對機(jī)械全過程作運(yùn)動分析，故這種方法目前已很少采用。 運(yùn)動方程能否用解析法求解，用何種形式的運(yùn)動方程求解，取決于Jv、Mv能否用解析函數(shù)式表示，以及這些函數(shù)的性質(zhì)。 第六節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)速度波動及其調(diào)節(jié) 一、機(jī)械系統(tǒng)的盈虧功及速度波動 最大盈虧功決定了系統(tǒng)動能的最大增減量，也基本決定了系統(tǒng)運(yùn)動速度的波動的最大值。因此，對于非周期性速度波動的機(jī)械系統(tǒng)最簡單、最經(jīng)濟(jì)的辦法是增大系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量中的常量部份值。對于非周期性速度波動的機(jī)械系統(tǒng)，只能用專門的調(diào)速器來調(diào)節(jié)其過大的速度波動 二、機(jī)械運(yùn)動速度不均勻系數(shù)及其許用值 飛輪設(shè)計就是選擇合適的飛輪轉(zhuǎn)動慣量，使機(jī)器安裝了飛輪后，機(jī)器主軸的速度不均系數(shù)d[d]。 三、最大盈虧功與飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算 等效力矩作的最大盈虧功： 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的基本計算公式： 當(dāng)Jc<下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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