重庆大学机械原理本科用书-7-8章.pdfVIP

第七章 机械动力学 第一节 概述 一、机械动力学的研究内容及意义 按预期要求实现一定运动规律和对外作有用功是机械的基本功能。机构在传递和变换运 动的同时必然伴随着力的传递和变换。机械在工作过程中受到各种性质的力，这些力影响着 机械的运动状态，而同时机械的运动也影响着机械的受力，机械系统中力和运动的相互作用 决定了机械的工作状态。机械动力学就是研究机械在运动中的力及在各种力作用下的机械运 动，分析和评价动力学性能，研究提高机械动力学性能的措施。这是机械系统分析与设计的 一个十分重要的内容。 机械运动中存在摩擦。机械在主动力作用下运动时，摩擦将以阻碍相对运动的摩擦力体 现出来，消耗输入功，甚至在某些情况下使机械根本不能运动，影响机械工作效率，是机械 动力学分析的一个重要内容。 高速、重载的机械系统中，构件周期运动产生的惯性力和惯性力矩，是造成系统主轴速 度波动，也是造成系统振动、产生噪音和增大运动副中附加动反力的直接原因。因此，对于 高速、重载的机械系统，研究计及构件惯性力和惯性力矩的真实受力状况，合理分配各构件 的质量与质心位置，进行机械的平衡，提高机械的工作性能与平稳性也是十分必要的。 机械系统通常由原动机、传动系统、工作执行系统等组成。一般来说，原动件的运动不 是匀速的，原动件的运动规律取决于各运动构件的质量、转动惯量以及作用在机械上的各种 外力。前面章节中对平面机构进行运动分析和受力分析，都是在假定机构原动件作匀速运动， 这种假定对于低速、轻载的机械是允许的。但对于高速、重载、大质量的机械，这种分析误 差可能会直接影响到设计的安全性、可靠性。实际上在机械运转时绝大多数机械系统主轴的 速度都是波动变化的，过大的速度波动会影响机器的正常工作，增大运动副中的动负荷，加 剧运动副的磨损，降低机器的工作精度和传动效率，缩短机器的使用寿命，激发机器振动， 产生噪音等。 综上所述，本章将主要对以下问题进行讨论： 1）机构的摩擦与效率 2 ）机械的平衡； 3 ）机械的真实运动规律分析与速度波动的调节。 二、机械中作用的力 机械是在各种力的作用（或约束）下进行工作的。力的性质及其作用规律对机械的工作 与运动状态有着直接的影响。因此，为了研究机械系统的真实运动规律、机械的动力学问题 以及机械中的摩擦与效率问题，以深入了解机械的工作状态，必须了解作用在机械中的力， 了解力的种类和作用性质。 按力对运动的影响分，作用在机构上的力可分为驱动力和阻力两大类。 平面运动构件上凡是与构件运动速度方向夹锐角的力称为驱动力，与运动角速度方向一 299 致的力矩称为驱动力矩。原动机发出的力是驱动力，构件质心位置下降时的重力及构件作减 速运动时的惯性力（矩）以及摩擦传动中的摩擦力都起到驱动力的作用。 必须指出来的是，原动机所产生的力并不总是恒定的，其变化规律取决于原动机的机械 特性。例如内燃机、蒸汽机所输出的驱动力是位置的函数，而电动机的驱动力是其角速度的 函数，惯性力也是机构位置的函数。 平面运动构件上凡是与构件运动速度方向夹钝角的力称为阻力，与构件角速度方向相反 的力矩称为阻力矩。阻力（矩）分为工作阻力和有害阻力。如冲床在冲压金属时，金属材料 对冲头的阻力，吊车在起吊重物时的重力等都是工作阻力。由于克服了这些阻力，机器作出 了有益功，故工作阻力（矩）又称为有益阻力（矩）。阻碍作有益功的力（矩）称为有害阻力 （矩），运动副中的摩擦力（矩）是机械运动的一种主要有害阻力。 工作阻力一般也是变化的。例如冲压机械的阻力是执行构件位移的函数，离心式水泵、 鼓风机等是执行构件速度的函数，球磨机等生产阻力则是时间的函数，起重机、金属切削机 床、轧钢机等生产阻力一般可以认为是常数。 作用在运动副元素上的力称为约束力（或约束反力）。对机构而言，约束力是内力；对构 件而言，它们是外力。单独由惯性力（矩）引起的约束反力部份称为附加动压力。约束反力 可分为沿运动副元素接触点的法向力和切向力，法向力是唯一在运动中不作功的力；切向力 即运动副中的摩擦力，计入摩擦力的约束反力称为运动副中的总反力。摩擦除了使运动副磨 损造成运动精度降低缩短机械的使用寿命外，还是影响机械传动效率的主要因素。因此，了 解这些力的作用性质与变化规律对机构的设计分析是必要的。