问答题 如下图所示的四构件斜面机构,已知摩擦角为φ,求力P为驱动力时的正行程不自锁而Q为驱动力时反行程自锁的条件,并求反行程的效率关系式。
【正确答案】
【答案解析】解:当P为驱动力时(设为正行程),各支承反力的作用线如下图所示。

滑块3的三力平衡方程式为P+R 23 +R 43 =0,作力三角形得

由式(a)可知,R 23 不可能为负值,即滑块3不会自锁。
滑块2的三力平衡方程式为R 32 +R 12 +R 42 =0,由相应的力三角形可得

由式(b)可以看出,当β+2φ>90°,即当β>90°-2φ时,阻力R 12 将为负值,此时滑2将处于自锁状态。
滑块1的三力平衡方程式为Q+R 41 +R 21 =0,作力三角形可得

由式(c)可见,当a<2φ时,Q为负值,此时滑块1处于自锁状态。
由以上分析可知,不论是β>90°-2φ还是α<2φ,二者只要有一个条件成立,整个机构就自锁。为了使正行程不自锁,则必须使β<90°-2φ和α>2φ同时得到满足。
当Q为驱动力时,为反行程。只要将式(a)、(b)、(c)中的摩擦角φ变号,即可导出相应力的关系式。
对于滑块3,由式(a)可得

当β<2φ时,阻力P变为负值,滑块3自锁。
对于滑块2,由式(b)可得

当a+2φ>90°时,即当α>90°-2φ时,阻力R 32 将为负值,滑块2将自锁。
对于滑块1,由式(c)可得
R 21 =Qcosφ/sin(α+2φ) (c")
此式不可能取得负值,因此当Q为驱动力时,滑块1不会自锁。
综合反行程的讨论可知,只要β<2φ或α>90°-2φ成立,反行程将自锁。
把正、反两行程的条件加以归纳:
(1)正行程不自锁,必须同时满足β<2φ和α>90°-2φ;
(2)反行程自锁,应当满足β<90°-2φ或α>2φ。
由此得知最后结果为:
当φ≤22.5°时,应满足β<2φ和α>90°-2φ;
当φ>22.5°时,应满足β<90°-2φ和α>2φ。
反行程的效率为η"=P/P 0 ,其中P为实际的工作阻力,P 0 为理想的工作阻力。因此,由式(a")、(b")和(c")逐步代入并化简,得