第十章機械系統動力學掌握等效動力學模型建立方法；掌握機械系統速度波動的調節方法，包括周期性和非周期性速度波動調節；掌握飛輪調速原理與飛輪設計。第十章機械系統動力學機械系統一般由原動機、傳動機構和執行機構組成。研究機械系統動力學目的：1)構造系統力學參量和運動學參量之間的聯系。2)建立機械系統等效動力學模型。3)減小機械速度波動。

10.1作用在機械中的外力和機械的運轉過程10.1.1作用在機械上的力驅動力工作阻力1、驅動力：原動機發出的力(力矩)。常用原動機有：內燃機、直流電動機、交流電動機機械特性：機械的力學參數(力或力矩)與運動參數(位移、速度、加速度)之間的關系。例如：a、內燃機發出的驅動力是活塞位置的函數；b、電動機發出的驅動力矩是轉子角速度的函數。

1、驅動力：原動機發出的力(力矩)。下圖分別為直流并激電動機、直流串激電動機和交流異步電動機的機械特性曲線2、工作阻力：系統工作時需要克服的工作

負荷。（1）起重機、車床等：工作阻力是常數(在一段工作過程中)(2)往復式壓縮機、內燃機：工作阻力是原動件位置的函數（3）鼓風機葉輪所受空氣阻力：工作阻力是執行件速度的函數（4）球磨機、粉碎機：工作阻力是時間的函數10.1.2機械的運轉過程機械系統的運轉過程分為三個階段：啟動、穩定運轉和停止。10.1.2機械的運轉過程10.1.2機械的運轉過程10.1.2機械的運轉過程機械系統的動能方程：1、啟動階段：原動件的速度(或角速度)從零逐漸增加，直到開始穩定運轉。10.1.2機械械的運轉過過程2、穩定運運行階段：：原動件速度度保持常數數(稱勻速速穩定運轉轉)原動件圍繞繞某一恒定定的平均值值作周期性性速度波動動(稱變速速穩定運轉轉)。在一個周期期內任一時時間間隔中中，輸入功功與總耗功功不一定相相等。10.1.2機械械的運轉過過程停車階段：：原動件從正正常轉速下下降到0。。啟動階段和和停車階段段統稱為機機械系統的的過渡過程。。10.2機機械的的等效動力力學模型10.2.1等效效動力學模模型的建模模方法1、等效效動力學建建模原理：：動能不變原原則：等效構件件的質量或或轉動慣量量所具有的的動能等于于整個系統統的動能之之和。功(功率)不變原則則：作用在等等效構件的的等效力、、等效力矩矩所作的功功(或功率率)等于整整個系統的的所有力、、力矩所做做功(或功功率)之和和。10.2機機械的的等效動力力學模型2、等效效力矩求等效力矩矩遵循的原原則：作用用在各構件件上的外力力和外力矩矩所作功(功率)之之和等于作作用在等效效構件上的的等效力矩矩（或力））所作功(功率)。選轉動構件件為等效構構件，根據據功率等效效原則：等效力矩：：小結：1〕Me是等效力矩矩，是機構構位置的函函數；2〕等效力力矩Me為正時，為為等效驅動動力矩；為為負時，為等效效工作阻力力矩。2〕Me同各構件與與等效構件件的速比有有關；3〕Me與機構所受受到的外力力、外力矩矩直接相關關。4〕Me是假設的力力矩，實際際并不存在在，不是合合力矩。5〕若所受受外力不變變，定傳動動比機構的的等效力矩矩為常數。3、等效效轉動慣量量求等效轉動動慣量的原原則：等效效構件所具具有的動能能等于整個個系統的動動能之和。。根據動能等等效原則：：等效轉動慣慣量：小結（1）Je是機構位置置的函數；；（2）Je同各構件與與等效構件件速比的平平方有關；；（3）Je是假想的轉轉動慣量；；（4）定傳傳動比機構構的等效轉轉動慣量Je是常數。4、舉例例求曲柄滑塊塊機構中曲曲柄上的等等效力矩。。選曲曲柄柄為為等等效效構構件件，，利利用用功功率率等等效效原原則則：：等效效力力矩矩：：等效效轉轉動動慣慣量量：：10.3系系統統的的運運動動方方程程及及求求解解常用用的的機機械械運運動動方方程程有有兩兩種種形形式式：：能量量式式運運動動方方程程力、、力力矩矩式式運運動動方方程程10.3.1能能量量形形式式的的運運動動方方程程根據據動動能能定定理理：：以轉轉動動等等效效構構件件為為例例。。設等等效效構構件件由由位位置置1運運動到到位位置置2，，等等效效構構件件運動動方方程程的的能能量量形形式式：：或10.3.2力力矩矩形形式式的的運運動動方方程程將寫寫成成微微分分形形式式:式中中，，等效效構構件件運運動動方方程程式式的的力力矩矩形形式式：：如果果Je為常常數數，，10.3.3機機械械運運動動方方程程的的求求解解以等等效效構構件件為為轉轉動動構構件件，，等等效效力力矩矩和和等等效效轉轉動動慣慣量量為為機機構構位位置置函函數數的的情情況況為為例例。。已知知，，求求解解機機械械的的真真實實運運動動。。采用用機機械械系系統統運運動動方方程程的的能能量量形形式式。。1.等等效效構構件件的的角角速速度度2.等等效效構構件件的的角角加加速速度度3.系系統統的的運運動動時時間間10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法1.周周期期性性速速度度波波動動產產生生的的原原因因機械械系系統統在在穩穩定定運運動動工工作作狀狀態態下下運運轉轉時時，，由由于于等等效效力力矩矩和和等等效效轉轉動動慣慣量量的的周周期期性性變變化化引引起起的的速速度度波波動動。。產生生速速度度波波動動的的主要要原原因因有：：（1））作作用用在在各各構構件件上上的的外外力力（（包包括括驅驅動動力力和和工工作作阻阻力力））發發生生變變化化；；（2））各各構構件件的的m和J在不不同同位位置置對對原原動動件件所所產產生生的的慣慣性性影影響響不不同同。。10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法速度度波波動動的的危危害害：1)在機機器器各各運運動動副副中中引引起起附附加加動動壓壓力力，，降降低低機機器器效效率率和和工工作作的的可可靠靠性性。。2)在機機器器中中引引起起彈彈性性振振動動，，影影響響機機器器的的強強度度、、壽壽命命和和消消耗耗部部分分動動力力。。3)影影響響機機器器進進行行的的工工藝藝過過程程，，使使產產品品質質量量下下降降。2.速速度度波波動動程程度度的的衡衡量量指指標標在周周期期T內的的平平均均角角速速度度：：或為一一個個循循環環中中等等效效構構件件的的轉轉角角。。工程程計計算算中中常常用用算算術術平平均均角角速速度度來來近近似似地地代代替替實實際際的的平平均均角角速速度度：：10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法機械械的的絕絕對對不不均均勻勻度度：：機機械械系系統統的的等等效效構構件件的的最最大大角角速速度度與與最最小小角角速速度度之之差差：：能否否僅僅用用來來衡衡量量速速度度的的波波動動程程度度哪哪？？例如如：：10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法系統統運運轉轉的的不不均均勻勻系系數數(速速度度波波動動系系數數)：：設計計時時10.4機機械械系系統統的的周周期期性性速速度度波波動動及及其其調調節節方方法法3.周周期期性性速速度度波波動動的的調調節節方方法法為了了減減小小機機械械運運轉轉時時的的周周期期性性速速度度波波動動，，最最常常用用的的方方法法是是安安裝裝飛飛輪輪。。**飛飛輪輪設設計計的的基基本本問問題題:根據據機機器器實實際際需需要要的的平平均均角角速速度度和和許許可可的的不不均均勻勻系系數數(,)來來確確定定飛飛輪輪的的轉轉動動慣慣量量。。10.5飛飛輪輪的的設設計計飛輪輪設設計計等效效力力矩矩等效效轉轉動動慣慣量量平均均角角速速度度機械械運運轉轉速速度度不不均均勻勻系系數數的的許許用用值值飛輪輪轉轉動動慣慣量量飛輪輪尺尺寸寸10.5飛飛輪輪的的設設計計10.5.1飛飛輪輪設設計計的的基基本本原原理理10.5.1飛飛輪輪設設計計的的基基本本原原理理機械械在在b點處處具具有有最最小小的的動動能能增增量量―――――對對應應最最大大虧虧功功＝＝圖圖(a)中陰陰影影面面積積(-)；；在c點，，機機械械具具有有最最大大動動能能增增量量――――對對應應于于最最大大盈盈功功＝＝圖圖(a)中的的陰陰影影面面積積。。最大大盈盈虧虧功功：：10.5.1飛飛輪輪設設計計的的基基本本原原理理根據動能能定理，，安裝飛輪輪后，速速度波動動系數：：設計飛輪輪的轉動動慣量應應滿足：：當時時,小結:當與與n一定時，，如果加加大，，則則機械的的速度波波動系數數下降，，起到減減小機械械速度波波動的作作用，達達到調速速的目的的；但安安裝飛輪輪不能消消除速度度波動。。如果值值取得得很小，，飛輪的的轉動慣慣量就會會很大；；若，，而而實實際工程程中只只能是是有限值值。因此此，不能能過分地地追求機機械運轉轉速度的的均勻性性，否則則將會使使飛輪過過于笨重重。由于與與n的平方成成反比，，因此，，最好將將飛輪安安裝在機機械的高高速軸上上。一般把飛飛輪安裝裝在機器器的主軸軸上或與與機器主主軸有定定傳動比比的構件件上，保保證轉動動慣量為為常數。。運動構件件都能儲儲能和釋釋放能量量，可以以用較大大的皮帶帶輪或齒齒輪起飛飛輪作用用。10.5.2最最大盈盈虧功[W]的確定10.5.2最最大盈盈虧功[W]的確定10.5.3飛飛輪主主要尺寸寸的確定定如果將飛飛輪安裝裝在構件件x上，此時時飛輪的的轉動慣慣量為為：1)飛輪輪應安裝裝在高速速軸上2)應安安裝在主主軸或有有定比傳傳動的構構件上。。10.5.3飛飛輪主主要尺寸寸的確定定飛輪按構構造大體體可分輪輪形和盤盤形兩種種。1輪形形飛輪2盤盤形飛飛輪10.6非周周期性速速度波動動及其調調節1非周周期性速速度波動動產生原原因非周期性性速度波波動多是是由于工工作阻力力或驅動動力在機機械運轉轉過程中中發生突突變，使使輸入能能量與輸輸出能量量在一段段較長時時間內失失衡所造造成的。。危害：使使系統的的轉速持持續地上上升或下下降，嚴嚴重時，，將導致致“飛車車”或停停止運轉轉。非周期性性速度波波動調節節目的:防止非周期性性速度波波動所引起的的機器毀毀壞或者者停車。。10.6非周周期性速速度波動動及其調調節2非周周期性速速度波動動的調節節方法非周期性性速度波波動調節節問題可可分為兩兩種情況況:(1)穩定系統統的自動動調節：如果機機械系統統由于某某種干擾擾而偏離離了原來來的工作作狀態，，經過一一個過程程后，能能夠以足足夠的精精度回