机械效率与自锁核算 vGF 理论机械装置 η0 理想驱动力矩 vF 理想驱动力 = 即 η = 实际驱动力矩 实际驱动力 第 1 页 / 共 17 页 机构效率 (2/10) 2. 机械效率测定 0 (1) 机械效率的估算 实际机械装置的确定 η1) 以功表示的估算公式 η=Wr/Wd=1-Wf/Wd2) 以功率表示的估算公式 η=Pr/Pd=GvG/FvFη=Pr /Pd=1－Pf/Pdη0=GvG/F0vF=13) 以力或扭矩表示的估算公式 η=F0/F=M0/Mη=F0/F=tanα/tan(α－φ)'' 第 2 页 /A共17页 机构的效率(3/10) 例1 斜面机构已知正向行程F=Gtan(α+φ)，反向行程F'=Gtan(α+φ) 现求η 和 η' 的解，因为正行程的实际驱动力为 F =Gtan(α+φ)，理想驱动力为 F0=Gtanα，所以 η=F0/F=tanα/tan(α+φ)，正确的？ 因为反向行程的实际驱动力为G=F'/tan(α-φ)，理想驱动力为G0=F'/tanα，所以η'=G0/G=tan(α-φ)/tanα / 机构效率共17页(4/10) 例2 已知螺丝机构拧紧时，M = (α + φv) / 2 拧松时，M' = (α - φv) /2 现在利用上述类似的技巧求出 η 和 η' 的解，可得当拧紧时 η = M0/M = tanα/tan(α + φv) 松开时 η' = G0/G = tan(α-φv) )/tanα 转子 平衡杆 链轮 电机 绕线制动器 轮平衡电机 定子齿轮 衬套 皮带 卡尺 重量 弹性梁 第 4/17 页 机构效率 (5/10) (2) 机械效率的实验测定 机械效率的测定不仅由下式决定估计法，也可采用实验法。 许多机械尤其是动力机械制造出来后功 功率 机械效率公式，往往需要进行效率测试。
现以齿轮传动效率的实验测量为例进行说明。 1）实验装置第5/17页的机构效率（6/10） 2）在实验方法中，可以通过地磅测量转子平衡杆的压力F，以确定驱动器上的扭矩M轴，即M = Fl 同时根据弹性梁上的卡尺读数（代表Q力），确定制动轮上的圆周力Ft = QG，从而确定从动轴上的扭矩M从动，M从机 = FtR=(Q－G)R 该档传动机构的效率公式为 η=P从机/P主机=ω从机M从机/(ω主机M主机)=M从机/(iM主机)其中i是齿轮传动的传动比。 对于正在设计制造的机械来说，虽然其机械效率无法通过实验方法直接测量，而且由于各类机械都只是由一些常用机构组成，而此类常用机构的效率可以通过实验积累数据。来预先评估（CH05/3D/Table 5-1.exe如表CH05/3D/Table 5-1.exe5-1CH05/3D/Table 5-1.exe简单传动机构和运动副的效率）。 由此，可以通过估算来确定整个机器的效率。 Pk=-1Pk-η1η2η...=-1η=Pd 第6页/共17页 机构效率（7/10） 3.单元机械效率估算 由多台机器组成的机械系统。
机组 当机组内各机器的机械效率已知时，可以估算出该机器的总效率。 (1)串联串联机组功率传输的特点是前机的输出功率为后机的输入功率。 串联机组的机械总效率=η1η2...ηk，即串联机组的总效率等于组成该机组的各机器效率的连续乘积。 Pdη1η2ηη1P2η2P2ηη1+P2η2+...+PkηkΣPri=η=P1+P2+...+PkΣPdi 第 7/17 页 第 7 页 机构效率 (8/10) 只要串联单元中任意机器的效率非常高低的话，就会使整个机组的效率极低； 串联的机器越多，机械效率越低。 推论(2)并联 并联机组的特点是机组的输入功率为各机输入功率之和，输出功率为各机输出功率之和。 也就是说，并联机组的总效率与每台机器的效率及其锁传动功率有关，且ηmin<η<ηmax； 机组的总效率主要取决于传输功率大的机器的效率。 为了提高并联机组的效率，应注意提高传输功率较大的路线的效率。 推导第8页/共17页(9/10)机构的效率 (3) 估计混合单元机械效率的步骤是 1) 现在明确从输入功到输出功的路径； 2）然后估算总输入功率ΣPd和总输出功率ΣPr； 3) 最后，通过以下公式估算总机械效率。
ρ=ΣPr/ΣPd0.960.96''''Pd=Pr/(η1η2η3η4)0.980.980.940.940.42"""""Pd=Pr/(η1η2η3η4η5) 机构效率 (10/ 10) 假设效率和已知某机械传动装置机构的输出功率，求该机械传动装置的机械效率=5kW=0.2kW 求解机构1、2、3'、4'串联部分=5kW/ (0.982×0.962)=5.649kW 机构1、2、3"、4"、5"串联=0.2kW/(0.982×0.942×0.42)=0.561kW，故机器总效率为 η=ΣPr /ΣPd＝(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837 第10/17页 §5-2 机械自锁 1.机构自锁 (1)自锁现象 个别机构，仅此而已就机构而言，是可以移动的，但由于摩擦力的存在，会出现无论如何减小驱动力，机器都无法移动的现象。 （2）自锁的意义在设计机器时，为了使机器能够实现预期的运动，必须防止机器在期望的运动方向上自锁； 有些机器需要具有自锁的特性，例如手摇螺旋千斤顶。 (3)自锁条件 机器的自锁本质上是机器内运动副的自锁。
FFRφ第11/17页共自锁（2/7）示例为中国联通示例，其中驱动力为F，传动角为β，摩擦角为φ。 则Ft=Fsinβ=FntanβFfmax=Fntanφ当β≤φ时，有Ft≤Ffmax，即β≤φ，此时，无论驱动力F如何减小，其有效分力Ft始终大于最大摩擦力由于驱动力F book 造成的，所以滑块的移动并不总是容易的。 即自锁现象。 由此推论，联通副自锁的条件是：联通副中，如果作用在滑块上的驱动力作用在其摩擦角内（即β≤φ），则发生自锁。 FaρFR=FFR=F 第12/17页的机构自锁（3/7）示例共a，旋转副力臂长度为a，驱动力为F，直径摩擦圆的面积为ρ。 当F作用在摩擦圈内时（即a≤ρ），则Ma=aF≤Mf=FRρ=Fρ，即F任意减小（a不变），轴颈不能转动功 功率 机械效率公式，即发生自锁现象。 由此推导出旋转副自锁的条件是：作用在轴颈上的驱动力为单一力F，且作用在摩擦角内，即a≤ρ。 GG重量 4颗螺钉 5个托盘 3个支撑件 1个螺钉副 螺钉螺钉 2F手柄 6页13/共17页 自锁机构（4/7） 2.机械自锁条件的确定（1）从运动副条件对于自锁要确定原因机械自锁的本质是运动副具有自锁性。 例1CH05/3D/jack.exe 当手动螺旋千斤顶α≤φv时，螺旋副会自锁，因此如果自锁条件为α≤φv，则机器也必须自锁。 (2)从生产阻力G≤0的条件来判断，当机器自锁时，无论怎样减小驱动力，机器都不能移动； 这就是可以克服的生产阻力G≤0。
GG重物4'阻力矩为M，则螺杆5M''托盘3M=(α-φv)/2支撑1螺旋分螺杆2F手柄6自锁机构(5/7)G≤0表示只有在驱动力反转为驱动力，机器即可移动，此时机器已自锁。 例如手推螺旋千斤顶反向行程：驱动力为G，自锁要求M′≤0，即tan(α-φv)≤0甚至千斤顶自锁条件α≤φv0，故 η=1-Wf/Wd≤0 Ft≤Ffmax 第 15 页 / 自锁机构共 17 页 (6/7) (3) 由效率 η≤0 的条件可知：确定了当机械自锁发生时，无论驱动力如何减小，驱动力所做的功Wd始终不足以克服其造成的最大损失功Wf。 例如，手推螺旋千斤顶反向行程的效率为：η'=G0/G=tan(α-φv)/tanα，使得η'≤0，则该自锁条件为α≤φv( 4）从自锁的概念或含义确定。 当生产率一定时，驱动力P可以任意减小，即P→∞，或者驱动力F的有效分力Ft总是大于其所能引起的最大摩擦力。 此时，机器会自行锁定。 ′M/G=d2tan(α-φv)/2 第16页/共17页手推螺旋千斤顶自锁(7/7)实例，反行程驱动力与阻力矩的关系为当M′为常数，且G→无穷大时，则tan(α-φv)=0，即α=φv，且由于机械自锁，摩擦力应小于或等于驱动力，故自锁条件为α≤φv。例2CH05/Flash/倾斜拔出器.swf倾斜拔出器例3CH05/Flash/偏心夹具.swf偏心夹具例4CH05/Flash/曲轴机构推杆.swf曲轴机构推杆