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1、第第4 4章章 平面机构的力分析平面机构的力分析第一节第一节 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法第二节第二节 构件惯性力的确定构件惯性力的确定 第三节第三节 运动副中摩擦力的确定运动副中摩擦力的确定第四节第四节 不考虑摩擦时机构的力分析不考虑摩擦时机构的力分析第五节第五节 考虑摩擦力时机构的力分析考虑摩擦力时机构的力分析机械原理机械原理Northwest A&F University第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析第一节第一节 机构力分析的任务、目的和方法机构力分析的任务、目的和方法一、作用在机构上的力：一、作用在机构上的力：1.驱动力驱动力：驱使机械运动的
2、力。：驱使机械运动的力。其特征是其特征是该力与其作用点速度的方向相同或成锐角，所作该力与其作用点速度的方向相同或成锐角，所作的功为正功，称为的功为正功，称为驱动功或输入功驱动功或输入功。2.阻抗力阻抗力：阻止机械产生运动的力。：阻止机械产生运动的力。其特征是其特征是该力与其作用点速度的方向相反或成钝角，所作该力与其作用点速度的方向相反或成钝角，所作的功为负值，称为的功为负值，称为阻抗功阻抗功。v阻抗力又可分为阻抗力又可分为有效阻力有效阻力和和有害阻力有害阻力。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析一、作用在机构上的力：一、作用在机构上的力：（1）有效阻力（工作阻力、生产阻力有效阻力（工
3、作阻力、生产阻力）：机械在生产过程）：机械在生产过程中受到的因改变工作物的外形、位置或状态等所受到的阻力。中受到的因改变工作物的外形、位置或状态等所受到的阻力。比如车床的切削阻力、起重机所起吊重物的重力。比如车床的切削阻力、起重机所起吊重物的重力。有效功（输出功）：有效功（输出功）：克服有效阻力所作的功。克服有效阻力所作的功。（2）有害阻力有害阻力：是指机械在生产过程中所受到的非生产阻力，：是指机械在生产过程中所受到的非生产阻力，如有害摩擦力、介质阻力等。如有害摩擦力、介质阻力等。损失功（输出功）：损失功（输出功）：克服有害阻力所作的功。克服有害阻力所作的功。比如摩擦力、介质阻力等一般为有害阻
4、力。比如摩擦力、介质阻力等一般为有害阻力。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析注意注意摩擦力和介质阻力在某些情况下也可能是摩擦力和介质阻力在某些情况下也可能是有效阻力有效阻力，甚至为甚至为驱动力驱动力。比如磨床砂轮受到工件给与的摩擦力，。比如磨床砂轮受到工件给与的摩擦力，搅拌机叶轮所受到的被搅拌物质的阻力等等均为有效搅拌机叶轮所受到的被搅拌物质的阻力等等均为有效阻力。阻力。一、作用在机构上的力：一、作用在机构上的力：3.3.重力：重力：地心对构件的引力。地心对构件的引力。其特征其特征是机构的重心向下运动时重力为是机构的重心向下运动时重力为驱动力驱动力，重力所作，重力所作 的功是的功是
5、正功正功；机构的重心向上运动时重力为；机构的重心向上运动时重力为阻抗阻抗 力力，重力所作的功是，重力所作的功是负功负功；重力在物体的一个运动循环过程中所做的功的总和为零。重力在物体的一个运动循环过程中所做的功的总和为零。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析4.4.惯性力：惯性力：是研究机械中的构件在是研究机械中的构件在变速变速运动时所引进的运动时所引进的虚拟虚拟 力力，但是它起着与真实力同样的作用。，但是它起着与真实力同样的作用。其特征为：其特征为：当构件作加速运动时，惯性力是当构件作加速运动时，惯性力是阻抗力阻抗力，惯性，惯性力所作的功是力所作的功是负功负功；当构件作减速运动时，惯
6、性力是；当构件作减速运动时，惯性力是驱动力驱动力，惯性力所作的功是惯性力所作的功是正功正功。一、作用在机构上的力：一、作用在机构上的力：在机械正常工作的一个运动循环中惯性力作功为零。在机械正常工作的一个运动循环中惯性力作功为零。5.5.运动副反力运动副反力（约束反力）：约束反力）：当机构受到外力作用时，在运当机构受到外力作用时，在运 动副中产生的反作用力。动副中产生的反作用力。其特征是对于整个机构表现为内力，而对于单个构件则表现为其特征是对于整个机构表现为内力，而对于单个构件则表现为外力。外力。整个运动副反力可分解为沿着运动副两元素接触处的法向反力整个运动副反力可分解为沿着运动副两元素接触处的
7、法向反力（正压力）和切向反力（摩擦力）。（正压力）和切向反力（摩擦力）。它起着阻止运动副两元素作它起着阻止运动副两元素作相对运动作用。相对运动作用。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析一、作用在机构上的力：一、作用在机构上的力：6.6.附加动压力：附加动压力：在运动副反力中，由惯性力引起的部分，称为在运动副反力中，由惯性力引起的部分，称为 附加动压力。附加动压力。对于高速机械来讲，其值比较大。对于高速机械来讲，其值比较大。而机械在静态时对应的是静态附加动压力。而机械在静态时对应的是静态附加动压力。注意注意1、小型低速机械可以不考虑重力、惯性力的影响；、小型低速机械可以不考虑重力、惯性
8、力的影响；2、一般在进行力分析时，可以不考虑摩擦力，但对、一般在进行力分析时，可以不考虑摩擦力，但对于摩擦力影响比较大，特别是依靠摩擦力来作功时于摩擦力影响比较大，特别是依靠摩擦力来作功时则必须考虑；则必须考虑；3、高速、重载的情况下由于惯性力远大于重力，可、高速、重载的情况下由于惯性力远大于重力，可以不考虑重力。以不考虑重力。总的来说作用在机械上的力可以归并为两大类：总的来说作用在机械上的力可以归并为两大类：驱动力和阻抗力驱动力和阻抗力。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析二、机构力分析的目的和任务二、机构力分析的目的和任务1.确定运动副中的反力；确定运动副中的反力；作用在机械上的
9、力不仅影响机械的运动和动力性能，而且作用在机械上的力不仅影响机械的运动和动力性能，而且是进行机械设计决定结构和尺寸的重要依据，无论分析现有机是进行机械设计决定结构和尺寸的重要依据，无论分析现有机还是设计新机械，都必须进行力分析。还是设计新机械，都必须进行力分析。计算机构中各零件的强度；计算机构中各零件的强度；确定机构中的摩擦力和磨损；确定机构中的摩擦力和磨损；确定机构的效率和选定轴承的类型等。确定机构的效率和选定轴承的类型等。2.确定机械上的平衡力。确定机械上的平衡力。平衡力平衡力是指与作用在机械上的已知外力及当该机械按给定运是指与作用在机械上的已知外力及当该机械按给定运动规律运动时其各构件的
10、惯性力相平衡的未知外力。动规律运动时其各构件的惯性力相平衡的未知外力。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析三、机构力分析的方法三、机构力分析的方法1.静力分析静力分析：在低速度时，机构的惯性力小，故忽略不计。此：在低速度时，机构的惯性力小，故忽略不计。此 时采用静力分析方法；时采用静力分析方法；不考虑构件惯性力的受力分析。不考虑构件惯性力的受力分析。2.动力分析动力分析：在高速及重载的情况下，机构的惯性力很大，故：在高速及重载的情况下，机构的惯性力很大，故 必须计及惯性力。此时对机构进行动力分析法。必须计及惯性力。此时对机构进行动力分析法。考虑构件惯性力的受力分析。考虑构件惯性力的受
11、力分析。3.3.动态静力分析动态静力分析：是将惯性力根据达朗伯原理视为外力加于相：是将惯性力根据达朗伯原理视为外力加于相 应构件上，再按照静力学的方法进行力分析的方法。应构件上，再按照静力学的方法进行力分析的方法。质点的达郎伯原理质点的达郎伯原理当非自由质点运动时，作用于当非自由质点运动时，作用于质点的所有力和惯性力在形式上形成一平衡力系。质点的所有力和惯性力在形式上形成一平衡力系。机构的力分析法具体包括图解法和解析法，本章采用图解法。机构的力分析法具体包括图解法和解析法，本章采用图解法。第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析第二节第二节 构件惯性力的确定构件惯性力的确定构件惯性力的确
12、定有一般力学方法和质量代换法两种。构件惯性力的确定有一般力学方法和质量代换法两种。一、一、一般力学方法一般力学方法例：已知一曲柄滑快机构各构件的尺寸、质量、质心及例：已知一曲柄滑快机构各构件的尺寸、质量、质心及1、11 1p pc cb bP Pn n1 1C Cn n2 2b bS S2 2S S1 11IF1IFM MI1I12IFM MI2I22IF2 2第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析一、一、一般力学方法一般力学方法1.1.绕定轴旋转的构件（曲柄绕定轴旋转的构件（曲柄1 1）1 1）质心与轴不重合：）质心与轴不重合：相反。之矩的方向与对质心偏离质心的距离其中总惯性力的作用
13、线可转化为一个总惯性力将此惯性力和惯性力矩1111111111111111111111,)(SFulhFMlFFFJMuspmamFamFILhIIhIIIsIasIsI第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析一、一、一般力学方法一般力学方法2 2）质心与轴重合时：）质心与轴重合时：11110sIsJMa2.2.作平面复合运动的构件作平面复合运动的构件(连杆连杆2):2):相反。之矩的方向与对质心偏离质心的距离其中总惯性力的作用线222222222222222222222222,2SFulhFMlFFlcnJlaJMJMuspmamFamFIlhIIhIIBCasBCCBsIsIasIs
14、It第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析一、一、一般力学方法一般力学方法3.3.作平面移动的构件作平面移动的构件(滑快滑快3):3):aIIucpmFamF33333二、二、质量代换法质量代换法(课程设计中讲课程设计中讲)1.质量代换法质量代换法 按一定条件，按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个选把构件的质量假想地用集中于某几个选定的点上的集中质量来代替的方法。定的点上的集中质量来代替的方法。2.代换点和代换质量代换点和代换质量v代换点：代换点：上述的选定点上述的选定点。v代换质量：代换质量：集中于代换点上的假想质量集中于代换点上的假想质量。第四章第四章 平面机构的力分析平面
15、机构的力分析二、二、质量代换法质量代换法(课程设计中讲课程设计中讲)2）代换前后构件的质心位置不变；代换前后构件的质心位置不变；3）代换前后构件对质心的转动惯量不变。代换前后构件对质心的转动惯量不变。0011iniiiniiymxm siiniiJyxm 221v以原构件的质心为坐标原点时，应满足：以原构件的质心为坐标原点时，应满足：3.质量代换时必须满足的三个条件：质量代换时必须满足的三个条件：1）代换前后构件的质量不变；代换前后构件的质量不变；第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析 用集中在通过构件质心用集中在通过构件质心S 的直线上的的直线上的B、K 两点的代两点的代换质量换质量
16、mB 和和 mK 来代换作平面运动的构件的质量的代换来代换作平面运动的构件的质量的代换法。法。4.两个代换质量的代换法两个代换质量的代换法 sKBkBKBJkmbmkmbmmmm22 mbJkkbmbmkbmkmskB5.静代换和动代换静代换和动代换1）动代换：要求同时满足三个代换条件的代换方法。）动代换：要求同时满足三个代换条件的代换方法。二、二、质量代换法质量代换法(课程设计中讲课程设计中讲)第四章第四章 平面机构的力分析平面机构的力分析二、二、质量代换法质量代换法(课程设计中讲课程设计中讲)2）静代换：在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅）静代换：在一般工程计算中，为方便计算而进行的仅满足前两个代换条件的质量代换方法。满足前两个代换条件的质量代换方法。cmbmmmmCBCB cbbmmcbcmmCBv取通过构件质心取通过构件质心 S 的直线上的直线上的两点的两点B、C为代换点，有：为代换点，有：vB及及C可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；可同时任意选择，为工程计算提供了方便和条件；v代换前后转动惯量代换前后转动惯量 Js有误差，将产生惯性力偶矩的误差：有误差，将产生惯
