单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 机械的效率和自锁,(Efficiency and Self-lock of,Machinery),51 机械的效率,(mechanical efficiency),一、功,(work),的概念,作用在机械上的力分为：,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,（,输入功,）,W,d,：机械运转时，作用在机械上的驱动力所作的功。,有效功,（,输出功,）,W,r,：克服生产阻力所作的功。,损失功,W,f,：克服有害阻力所作的功。,机械在稳定运转时，有：W,d,=W,r,+W,f,第五章 机械的效率和自锁 51 机械的效率(mech,1,损失率,(rate of loss)：,机械的,损失功,（,率,）与,输入功,（,率,）的比值。用,表示。,二、机械效率,机械效率,：机械能在机械中,有效利用,的程度，用,表示。,用,功的比值,表示：,=W,r,/W,d,=（W,d,-,W,f,）/W,d,=1,-,W,f,/W,d,用,功率的比值,表示：,=P,r,/P,d,=1,-,P,f,/P,d,（P,d,、P,r,、P,f,分别为,输入,、,输出,、,损失功率,）,=W,f,/W,d,=P,f,/P,d,=1,-,即：,在实际机械中，W,f,、P,f,0,0，,1,且随,W,f,、P,f,、,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,。,损失率(rate of loss)：机械的损失功（率）与输入,2,三、机械效率的,力（力矩）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，V,F,、V,G,分别为,F,、,G,的作用点沿力作用线方向的分速度。,图,5,-,1,根据效率计算式，可得：,=N,r,/N,d,=GV,G,/(FV,F,),假设该机械是一个不存在摩擦的,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,F,0,（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,=GV,G,/(F,0,V,F,)=1,GV,G,=F,0,V,F,代入上式，得：,=F,0,V,F,/,(FV,F,),=F,0,/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,F,0,与,实际驱动力,F的比值。,三、机械效率的力（力矩）的比值表示：如图5-,3,同理，用,力矩的比值,表示：,=M,0,/M=,理想驱动力矩,/,实际驱动力矩,式中：M,0,、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,P,69,表,5,-,1,。,同理，用力矩的比值表示：=M0/M=理想驱动力矩,4,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：,实际驱动力为：F=G tan(+,),不考虑摩擦时，理想驱动力为：,F,0,=G tan,=F,0,/F=,tan/,tan(+,),反行程（滑块沿斜面下降），,注意,此时,载荷G为驱动力,：,F=G tan(,-,),G=Fcot(,-,),G,0,=Fcot,=G,0,/G=,tan(,-,)/,tan,例题分析：例1、图4-3、4-4所示的斜面机构中，求其正、反,5,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,（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：,=M,0,/M=,tan,/,tan(,+,),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 d,2,tan(,-,)/2,G=2 Mcot(,-,)/d,2,G,0,=2 Mcot/d,2,=G,0,/G=tan(,-,)/tan,M=G d,2,tan(,+)/2,M,0,=G d,2,tan,/2,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,6,四、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,如图,5,-,2,所示为k个机器串联组成的机械系统。,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P,d,，输出功率为P,k,。,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,。则该机械系统的机械效率为：,=P,k,/P,d,=P,1,/P,d,P,2,/P,1,P,3,/P,2,P,k,/P,k,-,1,=,1,2,3,k,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,。,图,5,-,2,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。,四、机械系统的效率 上述机械效率及计算是指一个,7,2、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P,1,、P,2,、P,k,，输出功率分别为P,1,、P,2,、P,k,。,则：,图5-3,总输入功率,：,总输出功率,：,P,r,=P,1,+P,2,+P,k,=P,1,1,+P,2,2,+P,k,k,P,d,=P,1,+P,2,+P,k,2、并联 如图5-3所示为k个机器并联组成的机械系统。,8,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。,3、混联,（自学）,=P,r,/P,d,=（P,1,1,+P,2,2,+P,k,k,）/（P,1,+P,2,+P,k,）,图5,-,3,总效率：如各台机器输入功率均相等，则=(1+2+,9,52 机械的自锁,一、机械自锁的概念,当,驱动力,无论多大都,无法使机械运动,的现象，就是,机械的自锁,。,这种现象是由于在实际机械中存在,摩擦,以及,驱动力作用方向,的问题而出现的。,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。,图,5,-,5a,如图,5,-,5a,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,。,再如：,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。,52 机械的自锁 一、机械自锁的概念,10,二、机械自锁的原因及条件,一）运动副产生自锁的条件,1、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,-,6,F,分解：,F,t,=,Fsin,=,F,n,tan,F,n,：产生摩擦力的,有害,分力,F,t,：推动滑块1运动的,有效,分力,二、机械自锁的原因及条件一）运动副产生自锁的条件1、移动副,11,图5,-,6,F,t,=,Fsin,=,F,n,tan,F,n,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：,F,fmax,=F,n,tan,当,（即,驱动力作用在摩擦角之内,）时，有：,F,t,F,fmax,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,。,图5-6Ft=Fsin=Fntan Fn,12,2、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：,M,d,=F a,F,=R,21,=M,f,即：力F对轴颈中心的,驱动力矩,M,d,始终,小于,它本身所能引起的,最大摩擦力矩,M,f,。,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,。,2、转动副 如图5-7所示的轴颈和轴承组成的转动,13,运动副的自锁条件为,：,1）,单移动副,：驱动力,作用在摩擦角之内,，即,；,2）,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,。,运动副的自锁条件为：1）单移动副：驱动力作用在摩擦角之,14,二）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,W,d,W,f,。,=W,r,/W,d,=1,-,W,f,/W,d,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,。,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,自锁条件,二）机械自锁的条件 当机械出现自锁时，无论驱动,15,2、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,而,变为驱动力,后，才能使机械运动。,自锁条件,2、从生产阻力方面来判断 由于当自锁时，机械已,16,2）,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,（注意：从机构运动角度来看，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。,2）自锁机械在正行程中的一般都较低（0（,或,G0）,tan(+,)0,+,/2,F,1,+F,2,=f N,1,+f N,2,=2f N,1,=2f F L/,l,l,2 f L,例4、如图5-10所示的凸轮机构中，推杆1在凸轮推动力F的作,25,小 结：,1、求机构的机械效率方法一般为：,先求出实际驱动力（力矩）与阻抗力（力矩）的关系式,令,=0,求出理想驱动力（力矩）,用力之比、力矩之比来求机械效率。,2、确定机构发生自锁条件的方法有以下四种，可根据具体情况，视方便选择来求解：,1）根据移动副、转动副、螺旋副的自锁条件确定；,2）根据机械效率小于等于0来确定；,3）根据自锁时生产阻力G小于等于0来确定；,4）根据机械自锁的概念或定义来确定，即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。,小 结：1、求机构的机械效率方法一般为：先求,26,