湖南理工学院：《机械原理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 平面机构的力分析

第四章平面机构的力分析 §4-1机构力分析的任务、目的与方法 §4-2构件惯性力的确定 §4-3运动副中摩擦力的确定 §4-4机构力分析实例

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 第四章 平面机构的力分析 §4－1机构力分析的任务、目的与方法 §4－2构件惯性力的确定 §4－3运动副中摩擦力的确定 §4－4机构力分析实例

§4-1机构力分析的任务、目的与方法 力分析的必要性: ▲作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能 的主要因素; ▲是决定构件尺寸和结构形状的重要依据 1.作用在机械上的力 原动力 生产阻力 重力 力的类型〈摩擦力 介质阻力 惯性力 运动副反力

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 §4－1机构力分析的任务、目的与方法 ▲作用在机械上的力是影响机械运动和动力性能 的主要因素； ▲是决定构件尺寸和结构形状的重要依据。 力分析的必要性： 1.作用在机械上的力 力的类型 原动力 生产阻力 重力 摩擦力 介质阻力 惯性力 运动副反力

驱动力 按作用分为 阻抗力∫有效阻力 L有害阻力 驱动力-驱使机械运动,其方向与力的作用点速 度之间的夹角为锐角,所作功为正功。 阻抗力—-阻碍机械运动,其方向与力的作用点速 度之间的夹角为钝角,所作功为负功。 有效(工作)阻力机械在生产过程中为了改变工 作物的外形、位置或状态所受到的阻力,克服了阻 力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等 有害(工作)阻力—机械运转过程受到的非生产阻 力,克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量。如 摩擦力、介质阻力等

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 按作用分为 阻抗力 驱动力 有效阻力 有害阻力 驱动力----驱使机械运动，其方向与力的作用点速 度之间的夹角为锐角，所作功为正功。 阻抗力----阻碍机械运动，其方向与力的作用点速 度之间的夹角为钝角，所作功为负功。 有效(工作)阻力----机械在生产过程中为了改变工 作物的外形、位置或状态所受到的阻力，克服了阻 力就完成了有效的工作。如车削阻力、起重力等。 有害(工作)阻力----机械运转过程受到的非生产阻 力，克服了这类阻力所作的功纯粹是浪费能量。如 摩擦力、介质阻力等

2机械力分析的任务和目的 ▲确定运动副中的反力为进一步研究构件强度 运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能 等作准备 反力--—运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力 ▲确定机械平衡力(或力偶)一-目的是已知生产负 荷确定原动机的最小功率;或由原动机的功率来确 定所能克服的最大生产阻力。 平衡力-—机械在已知外力作用下,为了使机械按 给定的运动规律运动所必需添加的未知外力。 图解法 3机械力分析的方法 解析法

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 ▲确定运动副中的反力----为进一步研究构件强度、 运动副中的摩擦、磨损、机械效率、机械动力性能 等作准备。 2.机械力分析的任务和目的 ▲确定机械平衡力（或力偶）---目的是已知生产负 荷确定原动机的最小功率；或由原动机的功率来确 定所能克服的最大生产阻力。 反力----运动副元素接触处的正压力与摩擦力的合力 平衡力----机械在已知外力作用下，为了使机械按 给定的运动规律运动所必需添加的未知外力。 3.机械力分析的方法 图解法 解析法

机械力分析的理论依据: 静力分析-适用于低速机械,惯性力可忽略不计; 动态静力分析—适用于高速重型机械,惯性力往往比 外力要大,不能忽略。 般情况下,需要对机械做动态静力分析时,可 忽略重力和摩擦力,通常可满足工程要求

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 机械力分析的理论依据 ： 静力分析----适用于低速机械，惯性力可忽略不计； 动态静力分析----适用于高速重型机械，惯性力往往比 外力要大，不能忽略。 一般情况下，需要对机械做动态静力分析时，可 忽略重力和摩擦力，通常可满足工程要求

§4-2构件惯性力的确定 1.一般的力学方法 B 3 1潘存云教 3 2 惯性力:F=F1(m;,Ji,aba;) 惯性力偶:M=M1(m,Js;as) 其中:m--构件质量; J--绕质心的转动惯量; 质心的加速度 a1;--构件的角加速度

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 §4－2 构件惯性力的确定 1.一般的力学方法 惯性力： FI=FI (mi , Jsi，asi, αi ) 惯性力偶： MI=MI (mi , Jsi，asi, αi ) 其中：mi ----构件质量; Jsi ----绕质心的转动惯量; asi ----质心的加速度; αi ----构件的角加速度。 作者：潘存云教授 C B A 3 2 1 S3 S1 S2 as1 as2 as3 α2 α1

构件运动形式不同,惯性力的表达形式不一样。 1)作平面运动的构件 F12=m2a2M1n2=J3202 合力:F12=F 12 112/F 12 I2 2)作平移运动的构件F11 IB F I2 3)作平定轴转动的构件408人出3 F I--mi asi 3 般情况:F1=m2an 合力:F1=F1, MI/F 若质心位于回转中心:M1=Ja1

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 C B A 3 2 1 S3 S1 S2 as1 as2 as3 α2 α1 构件运动形式不同，惯性力的表达形式不一样。 1) 作平面运动的构件： FI2 =-m2 as2 MI2 =- Js2α2 2) 作平移运动的构件 FI =-mi asi 3) 作平定轴转动的构件 合力：F’I 2=FI 2 lh 2= MI2 / FI 2 一般情况： FI1 =-m1 as1 MI1 =- Js1α1 合力：F’I 1=FI 1 , lh 1= MI1 / FI 1 FI 2 MI 2 lh 2 lh 1 F’I 2 F’I 1 FI 3 FI 1 MI 1 若质心位于回转中心： MI1 =- Js1α1

2质量代换法 般力学方法的缺陷: ▲质心位置难以精确测定; ▲求解各构件质心加速度较繁琐。③mB 质量代换法的思路: B 将各构件的质量,按 S 定条件用集中于某些特 只需求集中质量的惯91 定点的假象质量来替代 力,而无需求惯性力偶 矩。从而将问题简化。 质量代换的条件: 1)代换前后各构件质量不变; 2)质心位置不变; 3)对质心轴的转动惯量不便

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 C B A 3 2 1 S3 S1 S2 as1 as2 as3 2.质量代换法 一般力学方法的缺陷： ▲质心位置难以精确测定； 质量代换法的思路： 将各构件的质量，按一 定条件用集中于某些特 定点的假象质量来替代， 只需求集中质量的惯性 力，而无需求惯性力偶 矩。从而将问题简化。 质量代换的条件： 1）代换前后各构件质量不变； 2）质心位置不变； 3）对质心轴的转动惯量不便。 ▲求解各构件质心加速度较繁琐。 B C mB mC S2

代换质量的计算: B k 若替换质量集中在B、K两点, 则由三个条件分别得 b K malt Fm B m B lB b2+mkk=J 3 只有三个方程,故 四个未知量 (b, k, mg, mk 可以先选定一个。例如选定b,则解得: k=Js2/(m2 b, 满足此三个条件称为动代 mB=m2 k/(b+k 换,代换前后构件的惯性 mk=m2 b/(b+k) 力和惯性力偶矩不变。但 K点位置不能任选

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 C B A 3 2 1 m2 S3 S1 S2 代换质量的计算： 若替换质量集中在B、K两点， 则 由三个条件分别得： mB + mk =m2 只有三个方程，故 四个未知量: （b, k, mB , mk ） 可以先选定一个。例如选定 b，则解得： b k mB b = mk k mB b 2+ mk k 2 =JS2 k = JS2 /(m2 b) mB = m2 k /(b+k) mk = m2 b /(b+k) 满足此三个条件称为动代 换，代换前后构件的惯性 力和惯性力偶矩不变。但 K点位置不能任选。 B K C mB mk S2

mpt m=m B k B b=m k mp b2+mk= B b K S2 为了计算方便,工程上常采用B 静代换,只满足前两个条件 作者: 此时可同时选定B、C 3 两点作为质量代换点 有 mB=m2 c/(b+c mc=m, b/(b+c 因为不满足第三个条件,故构件的惯性力偶会 产生一定误差,但不会超过允许值,所以这种简化 处理方法为工程上所采用

湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授 C B A 3 2 1 m2 S3 S1 S2 为了计算方便，工程上常采用 静代换，只满足前两个条件。 mB + mk =m2 此时可同时选定B、C 两点作为质量代换点。 则有： b c B k K C mB mk mB b = mk k mB b 2+ mk k 2 =JS2 mB = m2 c /(b+c) mC = m2 b /(b+c) B C S2 S2 因为不满足第三个条件，故构件的惯性力偶会 产生一定误差，但不会超过允许值，所以这种简化 处理方法为工程上所采用