普通高等教育“十五”国家级规划教材

机械原理Theory of Machines and Mechanisms

第七版

西北工业大学机械原理及 编 机械零件教研室

主编

孙桓 陈作模 葛文杰

第5章

机械的效率和自锁学习要求

§5-1 机械的效率 §5-2 机械的自锁

作业解析

学习要求

基本要求

建立正确、全面的机械效率的概念。 掌握简单机械的机械效率和自锁条件的求解方法。

本章重点

机械效率的计算。 机械的自锁现象及自锁条件的确定。

§5-1 机械的效率1、机械功①驱动功(输入功): 作用在机械上的驱动力所作的功，记为Wd 。②有效功(输出功): 克服有效阻力(生产阻力)所作的功，记为Wr 。

③损失功: 克服有害阻力(非生产阻力)所作的功，记为Wf 。有效功(输出功)与损失功之和称为阻抗功，记为Wc 。 机械稳定运转时，它们之间的关系为： Wd = W r + Wf = W c 将各功除以时间 t 则得： Pd = Pr + Pf 式中 Pd 、Pr 、Pf 分别为输入功率、输出功率和损失功率。

§5-1 机械的效率2、机械效率的概念及意义以 (1)机械效率 机械的输出功(Wr )与输入功(Wd )的比值， 表示。

= Wr / Wd = 1- Wf / Wd(2)损失率 以 机械的损失功(Wf )与输入功(Wd )的比值， 表示。

= Wf / Wd(3)机械效率的意义

+ =1

机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度，它是 机械的一个主要性能指标。 因摩擦损失是不可避免的，故必有 > 0和 < 1。 降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。

§5-1 机械的效率3、机械效率的确定(1)机械效率的计算确定理想机械装置 实际机械装置 η0

F0 vF

1)以功表示的计算公式

= Wr / Wd = 1- Wf / Wd2)以功率表示的计算公式

G

vG

= Pr / Pd = 1- Pf / Pd3)以力或力矩表示的计算公式

= Pr / Pd = GvG / FvF 0 = GvG / F0vF = 1

= F0 / F = M0 / M理想驱动力 理想驱动力矩 = 即： = 实际驱动力 实际驱动力矩

§5-1 机械的效率(1)机械效率的计算确定(续)例1:斜面机构 已知： 正行程 反行程 现求： 及 ′ 解：因其正行程实际驱动力为F = Gtan( + φ ),理想驱动力 为F0 = Gtan ,故： F0 / F tan tan( ) F G tan( )

F G tan( )

F0 / F tan tan( ) 为 G0 F / tan ,故： G0 / G tan( ) tan

正确吗？

因其反行程实际驱动力为 G F / tan( ) ,理想驱动力

§5-1 机械的效率(1)机械效率的计算确定(续)

例2:螺旋机构已知： 拧紧时 放松时 现求： 及 ′ 解： 采用上述类似的方法，可得：

M = Gd2tan( + φ v ) / 2M′ = Gd2tan( - φ v ) /

2

拧紧时 M 0 / M tan tan( V )

放松时 G0 / G tan( V ) tan

§5-1 机械的效率3、机械效率的确定(续)(2)机械效率的试验测定

机械效率的确定除了用计算法外，更常用实验法来测定， 许多机械尤其是动力机械在制成后，往往都需作效率实验。对于正在设计和制造的机械，虽然不能直接用实验法测定 其机械效率，但由于各种机械一般都是由一些常用机构组合而 成的，而常用机构的效率又是可通过实验积累的资料来预先估 定的(见表5-1 简单传动机构和运动副的效率)。 据此，可通过 计算确定出整个机械的效率。 同理，对于由许多机器组成的机组，如果已知机组中各台 机器的效率，就可以计算出整个机组的总效率。

§5-1 机械的效率4、机组的机械效率计算机组 由若干个机器组成的机械系统。 (1)串联 Pd P1 11 22 P2 Pk-1 Pkr = Pr kk

串联机组功率传动的特点是前一机器的输出功率即为后一 机器的输入功率。 串联机组的总机械效率为： Pr Pk P2 … Pk = = 1 2 … k = 1 Pd P1 Pd Pk-1 d 即串联机组的总效率等于组成机组的各个机器效率的连乘积。 结论：只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机 组的效率极低；且串联机器数目越多，机械效率就越低。

§5-1 机械的效率例5-1:P74 习题 5-6

2 解： 1 2 3 0.95 (0.97) 2 0.92 0.822

N F v / 5500 1.2 / 0.822 8029 W 8.029 kW

§5-1 机械的效率4、机组的机械效率计算(续)(2)并联 并联机组的特点是机组的输入功 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。 P1 1 + P2 2 +… + Pk k ∑Pri = = P1 + P2 + … + Pk ∑Pdi P1 P1 1 P2 P2 2 Pd

1 1

2 2

k k

Pk

Pk k

即并联机组的总效率与各机器的效率及其所传动的功率 的大小有关，且 min< < max; 机组的总效率主要取决于传动 功率大的机器的效率。 结论：要提高并联机组的效率，应着重提高传动功率大的 路线的效率。

§5-1 机械的效率4、机组的机械效率计算(续)(3)混联

混联机组的机械效率计算步骤为：1)首先将输入功至输出功的路线弄清楚； 2)然后分别计算出总的输入功率∑Pd和总的输出功率∑Pr;

3)最后按下式计算其总机械效率： =∑Pr /∑Pd

§5-1 机械的效率例5-2:设已知某机械传动装置的机构的效率和输出功率，求 该机械传动装置的机械效率。 P' P' P'=5kW ' η' η' 44 33

Pd

η1 1

P

η2 20.98

P

0.96

0.96

0.98

' ' ' ' P' P' P' P' 0.2kW = ' ' η5 η' 4' 5' 3' η4 30.94 0.94 0.42

解：机构 1、2

、3′及 4′串联的部分 P′ =P′r /( 1 2 ′3 ′4 ) =5kW/(0.982×0.962)=5.649 kW d 机构1、2、3" 、4" 及5" 串联的部分 "" " P" =P"/( 1 2 3 4 5 ) =0.2kW/(0.982×0.942×0.42)=0.561kW d r

故该机械的总效率为： =∑Pr /∑Pd =(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837

§5-2 机械的自锁1、机械的自锁 ① 自锁现象

某些机构，就其结构情况而言 是能够运动的，但由于摩擦的存在， 托盘3 却会出现无论驱动力如何增大，也 无法使机械运动的现象。螺杆2

G

重物4 螺母5

② 自锁意义手把6 设计机械时，为使机械能实现 支座1 预期的运动，必须避免机械在所需 的运动方向发生自锁；有些机械的 手摇螺旋千斤顶 工作又需要具有自锁的特性。

F

§5-2 机械的自锁2、机械自锁条件的确定 分析机械中所包含的运动副的自锁情况来判断机械是否 发生自锁。从生产阻力方面来判断机械是否发生自锁。当驱动力任 意增大时，计算所得的机械的生产阻力(矩)恒≤0,该机械 将发生自锁。 从效率的观点来分析机械是否发生自锁。当驱动力任意 增大时，若机械的效率恒≤0,该机械将发生自锁。 根据作用在构件上的有效驱动力是否始终小于或等于由 其所引起的同方向上的最大摩擦力来判断机械是否发生 自锁。