机械原理自锁

定义

    有些机械，就其机构情况分析是可以运动的，但由于摩擦的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使其运动的现象，这种现象称为机械的自锁。

   机械的自锁的实质是作用力在构件上的驱动力的有效分力总是小于由其所引起的同方向上的最大摩擦力。

如图所示构件1在构件2上,作用于构件1上的外力为F,其与接触面法线之间夹角为β。若两构件之间的摩擦系数为f,则有f=tgφ.

由外力F而产生的摩擦阻力为

Ff21=fFcosβ=Fcosβtgφ

F在水平方向上的分力为:Fsinβ

当 Fsinβ≤<Ff21时,无论F如何增大,也不会是构件2运动,这种现象就叫做自锁.

这时有,β≤φ.

判断机械自锁的方法

  根据具体情况，可选择以下方法判断机械自锁：

  1）根据机构中运动副的自锁条件来确定。对于单自由度的机构，当机构中某一运动副发生自锁，那么该机构也必发生自锁。运动副的自锁条件为：

  (a)移动副的自锁条件为驱动力作用于摩擦角之内，即β≤φ，其中β为传动角；

  (b)转动副的自锁条件为驱动力作用于摩擦圆之内，即a≤ρ，其中a为驱动力臂长；

  (c)螺旋副的自锁条件为螺旋升角α小于或等于螺旋副的摩擦角或当量摩擦角，即α≤φ。

  2) 根据机械效率小于或等于零来确定，即η≤0，但此时η已没有一般效率的意义，而只表明机械自锁的程度。

  3) 根据生产阻力Q小于或等于零来确定，Q≤0意味着只有当生产阻力反向变为驱动力后，才可使机械运动，实际上此时机械已发生自锁。

  4) 根据自锁的实质来确定，即根据作用在构件上的驱动力的有效分力总是小于或等于由其所引起的同方向上的最大摩擦力来确定。

例题1

图示为一焊接用楔形夹具，利用这个夹具把要焊接的工件1和1＇预先夹妥，以便焊接。图中2为夹具，3为楔块，若已知各接触面间的摩擦系数均为f,试确定此夹具的自锁条件。

此题是判定机构的自锁条件，下面选用多种方法求解。

解法1  根据反行程时η＇≤0的条件来确定。

    反行程时（楔块3退出）取楔块3为分离体，其受工件1（及1＇）和夹具2作用的反作用力R13和R23 以及支持力P ,各力方向如图a所示，根据楔块3的平衡条件，作封闭三角形如图c所示。

反行程时R23为驱动力,由正弦定理可得

当φ=0(不考虑摩擦)时，得理想驱动力为:

于是得此机构反行程的机械效率为

即:

令，可得自锁条件为。

解法2 根据反行程时生产阻力小于或等于零的条件来确定。

  根据楔块3的力三角形（图c），由正弦定理有

若楔块3不自动松脱，则应使P≤0，即得自锁条件为α≤2φ。

解法3 根据运动副的自锁条件确定。

    由于工件被夹紧后P力就被撤消，故楔块3的受力如图b所示，楔块3就如同一个受到R23（此时为驱动力）作用而沿水平面移动的滑块。故只要R23作用在摩擦角φ之内，楔块3即发生自锁。

R23与垂直方向之间的夹角是α-φ,要使R23作用在摩擦角φ之内,即

         α-φ≤φ     

所以,楔块3发生自锁的条件是:

    α≤2φ

   例题2:

图示为一平底直动推杆盘形凸轮机构,设不计凸轮1与推杆2之间的摩擦,凸轮给推杆的力F垂直于平底. 已知:F与推杆导路之间偏距 e,推杆2与导槽3之间摩擦系数f.

问:为保持推杆2不自锁,导槽3长度应满足何种条件?

解:推杆2受驱动力F作用使其逆时针方向偏转,且有向上运动的趋势;导槽3给推杆2的反力R32"和R32'如图所示.本题欲求推杆2不自锁的条件,即η>0,应用公式:

假设作用于推杆2上的阻力为Q,根据力的平衡条件可得下列方程组:

将代入并解上述方程组得:

当不考虑摩擦时,f=0,理想驱动力为

机构的机械效率为:

机构不发生自锁的条件是:

即: