作业（二）单自由度机械系统动力学等效转动惯量等效力矩
1．如题图1所示的六杆机构中，已知滑块５的质量为m 5=20kg ，l AB =l ED =100mm ，l BC =l CD =l EF =200mm ，φ1=φ2=φ3=90o ，作用在滑块５上的力Ｐ＝500N ．当取曲柄AB 为等效构件时，求机构在图示位置的等效转动惯量和力Ｐ的等效力矩．
图1
答案：解此题的思路是：①运动分析求出机构处在该位置时，质心点的速度及各构件的角速度．
②根据等效转动惯量，等效力矩的公式求出．
做出机构的位置图，用图解法进行运动分析．
V C =V B =ω1×l AB ω2=0
V D =V C =ω1×l AB 且ω3=V C /l CD =ω1
V F =V D =ω1×l AB (方向水平向右) ω4=0
由等效转动惯量的公式：
e J =m 5(V F /ω1)2=20kg ×(ω1×l AB ／ω1)2=0．2kgm 2
由等效力矩的定义： e M =500×ω1×l AB ×cos180o
／ω1＝－50Nm （因为ＶF 的方向与Ｐ方向相反，所以α＝180o ）
2．题图2所示的轮系中，已知各轮齿数：z 1=z 2’=20，z 2=z 3=40，J 1=J 2’=0．01kg ·m 2，J 2=J 3=0．04kg ·m 2．作用在轴Ｏ3上的阻力矩Ｍ3＝40N ·m ．当取齿轮１为等效构件时，求机构的等效转动惯量和阻力矩Ｍ3的等效力矩．
图2
答案：该轮系为定轴轮系．
i 12=ω1/ω2=(-1)1z 2/z 1
∴ ω2=－ω1/2=－0．5×ω1
ω2’=ω2=－0．5×ω1
i 2’3=ω2’/ω3=(-1)1z 3/z 2’ ∴ ω3=0．25×ω1
根据等效转动惯量公式
e J = J 1×(ω1/ω1)2＋J 2×(ω2/ω1)2＋J 2’×(ω2’/ω1)2＋J 3×(ω3/ω1)2 ∑=+=n i i Si Si i e J v m J 12121](
)([ωωω∑=±=n i i i i i i e M v F M 11
1)]()(
cos [ωωωα∑=+=n i i Si Si i e J v m J 121
21]()([ωωω
＝J 1＋J 2／４＋J 2’／４ ＋J 3／16
＝0．01＋0．04／4+0．01／4+0．04／16
＝0．025 kg ·m 2
根据等效力矩的公式： e M =M 3×ω3/ω1=40×0．25ω1/ω1=10N ·m
3．在题图3所示减速器中，已知各轮的齿数：z 1=z 3=25，z 2=z 4=50，各轮的转动惯量J 1=J 3=0．04kg ·m 2，J 2=J 4=0．16kg ·m 2，（忽略各轴的转动惯量），作用在轴Ⅲ上的阻力矩M 3=100N ·m ．试求选取轴Ⅰ为等效构件时，该机构的等效转动惯量J 和M 3的等效阻力矩M r ．
图3
答案：i 12=ω1／ω2=z 2/z 1 ω2=ω1/2 ω3=ω2=ω1/2 i 34=ω3/ω4=z 4/z 3
ω4＝ω1/4
等效转动惯量：
J=J 1(ω1/ω1)2+J 2(ω2/ω1)2+J 3(ω3/ω1)2+J 4(ω4/ω1)2
=0．042+0．16×(1/2)2+0．04×(1/2)2+0．16×(1/4)2
=0．04+0．04+0．01+0．01
=0．1 kg ·m 2
等效阻力矩：
M r =M 3×ω4/ω1=100/4=25(N ·m)
4．题图4所示为一简易机床的主传动系统，由一级带传动和两级齿轮传动组成．已知直流电动机的转速n 0＝1500r/min ，小带轮直径d =100mm ，转动惯量J d =0．1kg ·m 2，大带轮直径D ＝200mm ，转动惯量J D =0．3kg ·m 2．各齿轮的齿数和转动惯量分别为：z 1=32，J 1=0．1kg ·m 2，z 2=56，J 2=0．2kg ·m 2，z 2’=32，J 2’=0．4kg ·m 2，z 3=56，J 3=0．25kg ·m 2． 要求在切断电源后２秒，利用装在轴上的制动器将整个传动系统制动住．求所需的制动力矩M 1．
图4
∑=±=n i i i i i i e M v F M 111()(cos [ωω
ωα
答案：电机的转速n0＝1500r/min
其角速度ω0＝2π×1500/60=50π(rad/s)
三根轴的转速分别为：
ω1=d×ω0/D=25π(rad/s)
ω2=z1×ω1/z2=32×25π/56=1429π(rad/s)
ω3=z2’×ω2/z3=32×1429π/56=816π(rad/s)
轴的等效转动惯量：
J V=J d×(ω0/ω1)2+J D×(ω1/ω1)2+J1×(ω1/ω1)2+J2×(ω2/ω1)2+ J2’×(ω2/ω1)2+ J3×(ω3/ω1)2
∴J V=0．1×(50π/25π)2+0．3×12+0．1×12+(0．2+0．1)×(14．29π/25π)2+0．25×(8．16π/25π)2
=0．4+0．4+0．098+0．027
=0．925 (kg·m2)
轴制动前的初始角速度ω1＝２５π，制动阶段做减速运动，即可求出制动时的角加速度
∴ωt=ω0－εt即０＝25π－2ε
ε=12．5π
则在２秒内制动，其制动力矩Ｍ为：
M=J V×ε=0．925×12．5=36．31 (kg·m)
5．在题图5所示定轴轮系中，已知各轮齿数为：z1=z2’=20，z2=z3=40；各轮对其轮心的转动惯量分别为J1=J2’=0．01kg·m2，J2=J3=0．04kg·m2；作用在轮１上的驱动力矩M d=60N·m，作用在轮３上的阻力矩M r=120N·m．设该轮系原来静止，试求在M d和M r作用下，运转到t=15s时，轮１的角速度ω1和角加速度α1．
图5
答案：i12=ω1/ω2=(-1)1×z2/z1 ω2=－ω1/2
i13=ω1/ω3=(-1)2×z2×z3/z1×z2’ω3=20×20×ω1/40×40=ω1/4
轮１的等效力矩Ｍ为：
Ｍ＝M d×ω1/ω1+M r×ω3/ω1 =60×1－120/4=30 N·m
轮１的等效转动惯量Ｊ为：
Ｊ=J1(ω1/ω1)2+(J2’+J2)(ω2/ω1)2+J3(ω3/ω1)2=0．01×1+(0．01+0．04)/4+0．04/16=0．025 (kg·m2)
∵M=J ×ε∴角加速度ε＝Ｍ／Ｊ＝1200 (rad/s2)
初始角速度ω0=0 ∴ω1=ω0+ε×t
ω
=1200×1．5=1800(rad/s)。