第五章 机械的效率和自锁 1.本章的教学目的及教学要求 能确定简单机械的效率和自锁条件。 ?2.本章教学内容的重点 机械的机械效率和自锁现象及自锁条件。 ?3.本章教学工作的组织及学时分配 本章理论教学时数为2学时。 3.1第1讲（1学时） 1)教学内容 介绍机械效率的概念及其计算方法。 2)教学方法 首先介绍机械效率的基本概念及其一般的计算公式η=[(有益功Wr)/(驱动功Wd-损耗功WT)/Wd]=1-Wf/Wd。说明由于Wf >0，所以η<1。然后可以斜面机构正行程为例，利用此公式计算其机械效率。 提出在应用上述基本公式计算机械效率时，有时需计算驱动力和有益阻抗力的位移，比较麻烦，下面介绍一种比较简单的力比形式的机械效率计算公式。引出公式η=P0/P 或η=M0/M，并强调说明此公式是在有益阻抗不变，驱动力(或驱动力矩)作用方向也不变的条件下推出的，而且式中的P0及P都是驱动力，M0及M都是驱动力矩。仍以斜面机构的正行程为例以此公式计算其效率，得出与以机械效率基本公式所求得的完全相同的结果。再以斜面机构的反行程为例计算其机械效率，这里主要说明此时的驱动力为Q，故其机械效率应为η‘＝Q0/Q。同时也说明，同一机构正、反行程的机械效率可以是不相同的。 为了节约学时，关于机组的效率可只介绍串联机组的效率求法，而将并联机组和混联机组的效率计算问题留给学生自己去推导。机组效率计算的例题也可以留给学生自学。 提出根据以上的分析可知，为了提高机械的效率，应设法减小损耗功，为此，一是要设法减小运动副中的摩擦；二是在能够满足运动及工作要求的前提下应尽可能减短机械的传动系统，使机械的功率传递通过的运动副数目尽可能少。 3)教学手段 本讲主要是利用多媒体进行分析讲解。边讲、边画、边讨论。 4)注意事项 在利用力比公式计算机械效率时，一定要使学生记住P0及P都是驱动力，M0及M都是驱动力矩，要注意力或力矩的性质，而不要被其代表符号所迷惑。 要使学生十分明确机械效率的基本概念。根据机械效率的基本概念，学生应能自己推出并联机组和混联机组效率的计算公式。 ?3.2第2讲(1学时) 1)教学内容 本讲的教学内容是机械的自锁现象及自锁条件。 2)教学方法 本讲的讲授可以先提两个问题：即什么是机械的自锁现象？及机械发生自锁现象的条件是什么？或者说机械在何条件下才会发生自锁？ 下面先介绍第1个问题：何谓机械的自锁？ 所谓机械自锁，是指有些机械，就其结构情况分析自由度大于零，因此只要加上足够大的驱动力，按理就应该能够沿着有效驱动力作用的方向运动，而实际上由于摩擦的存在，却会出现无论这个驱动力如何增大即使增大到无穷大，也无法使它运动的现象，就叫做机械的自锁。这里有三点必须讲清楚：第一，就机构的结构而言它本应是能够运动的(即其自由度F>0)；第二，在驱动力任意增加的情况下都不能使其产生运动。所以不能误认为机构运动不起来就是自锁了。第三，自锁的实质是驱动力的有效分力小于由驱动力本身所产生的摩擦阻力。 在讲清了“自锁”的概念后，可举几个在机械工程中应用“自锁”的例子，如千斤顶、螺旋传动、蜗杆传动等。而且最好利用模型或实物进行演示。 通过举例演示后，尚需指出，所谓机构具有自锁性，只是指该机构在某个方向的驱动力作用下，或在某一构件为主动件的情况下是自锁的，而并非在任何情况下都不能运动，否则就不成其为机构了。至于是否需要使机构具有自锁性，要视工作需要而定，例如上面所举的例子便都需要具有自锁性；而在一般情况下，如无自锁性要求，应避免机构具有自锁性，因为具有自锁性的机构其机械效率一般都比较低，这就是研究自锁的必要性。 下面再介绍第2个问题：机械的自锁条件，这里又可分为两点来研究： i)分析运动副发生自锁的条件。因为机构的运动是通过运动副进行传递的，所以如果构成运动副的两构件间发生了自锁，显然机构也就不能运动了，即机构也就自锁了。然后分别就移动副和转动副分析其自锁条件并得出结论：对移动副来说，如果驱动力作用于摩擦锥之内将自锁；对转动副来说，如果驱动力为一单一外力而且作用于摩擦圆之内也将自锁。 ii)就整个机构讨论其自锁条件。如果机构中有一个运动副自锁了。整个机构也就自锁了(对单自由度机构而言)。所以要知道机构是否会自锁，应对该机构中的所有运动副逐个进行分析，这显然有时是很麻烦的，有时甚至是难于做到的。下面引出由其机械效率η 小于等于零来判定机构的自锁条件，并说明具体的作法。同时还应说明此时η已无一般机械效率的意义，而只表明机械自锁的程度。机械自锁的确定也可以令生产阻力小于零来确定。 下面举例机械自锁条件的确定。 ①螺旋千斤顶(即斜面机构反行程)。根据η’ 小于等于零得出其自锁条件为螺旋升角小于等于当量摩擦角 。并说明此时驱动力(Q)是作用在摩擦锥内的，所以也符合移动副自锁的条件。 ②斜面压力机。此题在正确确定各移动副中总反力作用线的基础上，用图解法进行力分析，求得驱动力P与载荷Q的关系，并进而求得其机械效率和反行程的自锁条件。 3)教学手段 在介绍自锁现象在机械工程中的应用时使用合适的模型或实物进行演示。而本讲的主要内容是利用黑板进行作图、分析和讲解，特别是总反力的方向的确定，应边讲边画图。 4)注意事项 ①本讲要着重讲清机械自锁的概念，讲明自锁的实质和自锁的方向性问题及自锁条件的确定，并说明自锁现象在机械工程中的重要。 ②在进行摩擦分析时，要强调分析的是哪个行程。因为正反两个行程的摩擦力方向正好相反。