机械的效率和自锁机械原理

第五章机械的效率和自锁

研究内容：

1 机械的效率

2 机械的自锁

第1讲机械的效率

5.1.1 机械效率的概念

5.1.２机械效率的计算

5.1.３机组效率的计算

机械效率的概念及意义：

(1) 概念： 机械效率 η 机械损失率 ξ η=W r W d 摩擦损失是不可避免的，总有 ξ >0 和 η < 1；

机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度。

(2) 意义: 降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。 机械效率的高低是机械中的一个主要性能指标。

—— 机械的输出功(W r )与输入功(W d )之比

—— 机械的损失功(W f )与输入功(W d )之比

=1−W

f W d =1−ξ

机械效率的计算：

1) 以功表示的计算公式 η=W r W d =1−W f W d

2) 以功率表示的计算公式 η=P r P d =1−P f P d 3) 以力或力矩表示的计算公式

η=F 0F =M 0M

实际机械装置 η

F 0

v F

机械传动装置 G

v G

η=P r P d =Gv G Fv F η0=Gv G F 0v F ＝１

即 η=理想驱动力实际驱动力=理想驱动力矩

实际驱动力矩

机组 ——由若干个机器组成的机械系统

整机 ——由若干个机构组成的整台机器 已知机组各机器的效率，便可计算该机组的总效率。

1. 串联机组

1) 功率传动特点： 前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率。 2) 总机械效率：

η=P r P d =P 1P d P 2P 1…P k P k−1

=η1η2…ηn

⋯

1 2

k

P d

P 1

P 2

P k -1

P k

串联机组模型

结论：串联机组中任一机器效率很低，整个机械效率就会极低；且串联机器的数目越多，

机械效率也越低。

2.并联机组

1)传动功率特点：机组的输入功率为各机器的输入功率之和，而输出功率为各机器的输出功率之和。

2) 总机械效率：

η=P ri

P di

=

P1η1+P2η2+⋯+P kηk

P1 +P2 +⋯+P k

η1 η

2 ηk

P1η1

P1 P2 P k

P d

P２η２Pｋηｋ

结论：

⏹并联机组的总效率与各机器的效率和传动功率大小均有关；

⏹其总效率主要取决于传动功率大的机器的效率；

⏹要提高并联机组的总效率，应着重提高传动功率大的路线的效率。

并联机组模型

3. 混联

混联机组的机械效率计算的步骤：

1）将输入功至输出功的路线弄清楚；

2）分别计算出总的输入功率P d和总的输出功率P r；

3）按下式计算其总机械效率：

η=P r P d

第2讲机械的自锁

5.2.1 什么是机械的自锁

5.2.2 机械自锁条件的确定

5.2.3 机械自锁条件的确定举例

1. 自锁概念

—— 某些机械，就其结构而言是能够运动的，但由于摩擦的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。

2. 自锁意义

设计机械时，要确保机械能实现预期的运动，而须避免在其所需运动方向发生自锁 有些机械的工作需要具有自锁的特性。

3. 自锁条件

机械发生自锁实质上是机械中的运动副发生了自锁。

机械的自锁

(1) 移动副的自锁条件

设驱动力F （传动角β）对滑块作用的有效分力

即移动副发生自锁。

移动副发生自锁的条件：作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角之内, 即β≤φ。

F fmax =F n tanφ

当 β≤φ 时，总有

F t ≤F fmax

F n （ =Fcosβ ） F t （ =Fsinβ ）和法向反力

F n 产生最大的摩擦力为

(2) 转动副的自锁条件

设驱动力F （其力臂长a ）对轴颈产生的力矩 M （=aF ）， 当F 作用在摩擦圆之内时（即a ≤ρ），则

驱动力F 任意增大（a 不变），也不能使轴颈转动， 即发生自锁。

转动副发生自锁的条件：作用在轴颈上的驱动力为单F ，且作用于摩擦圆之内，即a ≤ρ。

1

2

F a

ρ

F R =F

5.2.1 什么是机械的自锁

M ≤M f = F R ρ=Fρ

1. 从生产阻力G≤0的条件来确定

阻抗力观点：当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，机械不能运动，这时能克服的生产阻力G≤0。

G≤0意味着只有阻抗力反向变为驱动力后，才能使机械运动。

例手摇螺旋千斤顶

千斤顶反行程：驱动力为G，阻抗力矩为M（F′）

千斤顶自锁要求：M′≤0，即

故其自锁条件：α≤φV

F G

1

2

3 3'

4

M′=Gd2tan (α−φV)/2

tan (α−φV)≤0

2. 从运动副发生自锁的条件来确定

运动副观点：机械自锁实质就是其中的运动副发生了自锁。

例 手摇螺旋千斤顶

当千斤顶的螺旋副α≤φV 时，其螺旋副将发生自锁，则千斤顶也必将发生自锁 故其自锁条件：α≤φV 推论：运动副观点实质是摩擦力观点；

G

转动副（轴端）

支座1 螺杆2 托盘3

重物4 螺母5 螺旋副

手把6

F

单自由度的机械系统，只要其中的一个运动副发生了自锁，该机械也就发生自锁； 其机械的自锁条件就可从其中的某一运动副的自锁条件来确定。