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1、第三章平面机构的运动分析第1页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授ACBED31 机构运动分析的目的与方法机构运动分析的目的与方法设计任何新的机械，都必须进行运动分析工作。以确定机械是否满足工作要求。1.位置分析位置分析研研究究内内容容：位位置置分分析析、速速度度分分析析和和加加速度分析。速度分析。确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件确定构件(活塞活塞)行程，行程，找出上下极限位置。找出上下极限位置。从构件从构件点的轨迹点的轨迹构件位置构件位置速度速度
2、加速度加速度原动件的原动件的运动规律运动规律内涵：内涵：确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊。确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊。HEHD第2页，共38页，编辑于2022年，星期二2.2.速度分析速度分析 通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足 工作要求。如牛头刨工作要求。如牛头刨为加速度分析作准备。为加速度分析作准备。3.加速度分析加速度分析的目的是为确定惯性力作准备。的目的是为确定惯性力作准备。方法：方法：图解法图解法简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。解析法解析法正好与以上相反。正好与以上相反。实验法实验
3、法试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决 实现预定轨迹问题。实现预定轨迹问题。第3页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授12A2(A1)B2(B1)32 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用速度瞬心及其在机构速度分析中的应用机机构构速速度度分分析析的的图图解解法法有有：速速度度瞬瞬心心法法、相相对对运运动动法法、线线图图法法。瞬瞬心心法法尤尤其其适适合合于于简单机构的运动分析。简单机构的运动分析。一、一、速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法绝对瞬心绝对瞬心重合点绝对速度为零。重合点绝对速度为零。P21相对瞬心相对瞬心重合点绝对速度不为零。重合点绝对速度不
4、为零。VA2A1VB2B1Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0两两个个作作平平面面运运动动构构件件上上速速度度相相同同的的一一对对重重合合点点，在在某某一一瞬瞬时时两两构构件件相相对对于于该该点点作作相相对对转转动动，该该点点称称瞬瞬时时速速度度中中心心。求法？1)1)速度瞬心的定义速度瞬心的定义第4页，共38页，编辑于2022年，星期二特点：特点：该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。2）瞬心数目）瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有根据排列组合有P12P23P13构件数构件数 4 5 6 8瞬心数瞬心数 6 10 15 281 2 3若机构中有若机构中有n个
5、构件，则个构件，则N Nn(n-1)/2n(n-1)/2 绝对速度相同，相对速度为零。绝对速度相同，相对速度为零。相对回转中心。相对回转中心。第5页，共38页，编辑于2022年，星期二121212tt123）机构瞬心位置的确定）机构瞬心位置的确定1.直接观察法直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。nnP12P12P122.三心定律三心定律V12定定义义：三三个个彼彼此此作作平平面面运运动动的的构构件件共共有有三三个个瞬瞬心心，且且它它们们位位于于同同一一条条直直线线上上。此此法法特特别别适适用用于于两两构构件不直接相联的场合。件不直
6、接相联的场合。第6页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授123P21P31E3D3VE3VD3A2VA2VB2A2E3P32结论：结论：P21、P 31、P 32 位于同一条直线上。位于同一条直线上。B2第7页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授3214举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。P13P24解：瞬心数为：解：瞬心数为：1.直接观察求瞬心直接观察求瞬心2.三心定律求瞬心三心定律求瞬心N Nn(n-1)/2n(n-1)/26 n=46 n=4第8页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授123465P
7、24P13P15P25P26P35举例：举例：求图示六杆机构的速度瞬心。求图示六杆机构的速度瞬心。解：瞬心数为：解：瞬心数为：N Nn(n-1)/2n(n-1)/215 n=615 n=61.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心三心定律求瞬心P46P36123456P14P23P12P16P34P56P45第9页，共38页，编辑于2022年，星期二1 1123四、速度瞬心在机构速度分析中的应用四、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度求线速度已知凸轮转速已知凸轮转速1 1，求推杆的速度。，求推杆的速度。P23解：解：直接观察求瞬心直接观察求瞬心P1
8、3、P23。V2求瞬心求瞬心P12的速度的速度。V2V P12l(P13P12)1 1长度长度P13P12直接从图上量取。直接从图上量取。P13 根据三心定律和公法线根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置求瞬心的位置P12。nnP12第10页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授P24P132 22.求角速度求角速度解：解：瞬心数为瞬心数为6个个直接观察能求出直接观察能求出4个个余下的余下的2个用三心定律求出。个用三心定律求出。求瞬心求瞬心P24的速度的速度。VP24l(P24P14)4 4 2(P24P12)/P24P14 a)铰链机构铰链机构已知构件已知构件2的转速的转速2
9、2，求构件，求构件4的角速度的角速度4 4。VP24l(P24P12)2P12P23P34P14方向方向:CW,与与2 2相同。相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同VP2423414 4第11页，共38页，编辑于2022年，星期二312b)高副机构高副机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件3的角速度的角速度3 3。2 2解解:用三心定律求出用三心定律求出P P2323。求瞬心求瞬心P P2323的速度的速度:VP23l(P23P13)3 3 3 32 2(P13P23/P12P23)P P1212P P1313方向方向:CCW,与与2 2相反。相反。VP23V
10、P23l(P23P12)2 2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。n nn nP P23233 3第12页，共38页，编辑于2022年，星期二312P P2323P P1313P P12123.求传动比求传动比定义：两构件角速度之比传动比。定义：两构件角速度之比传动比。3 3/2 2 P12P23/P13P23推广到一般：推广到一般：i i/j j P1jPij/P1iPij结论结论:两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的距离之反比瞬心的距离之反比。角速度的方向为：角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧同一侧时，两
11、构件时，两构件转向相同转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心相对瞬心位于两绝对瞬心之间之间时，两构件时，两构件转向相反。转向相反。2 23 3第13页，共38页，编辑于2022年，星期二4.4.用瞬心法解题步骤用瞬心法解题步骤绘制机构运动简图；绘制机构运动简图；求瞬心的位置；求瞬心的位置；求出相对瞬心的速度求出相对瞬心的速度;瞬心法的优缺点：瞬心法的优缺点：适合于求简单机构的速度，机构复杂时因适合于求简单机构的速度，机构复杂时因 瞬心数急剧增加而求解过程复杂。瞬心数急剧增加而求解过程复杂。有时瞬心点落在纸面外。有时瞬心点落在纸面外。仅适于仅适于求速度求速度V V,使应用有一定局限性。使应用有一定局限
12、性。求构件绝对速度求构件绝对速度V V或角速度或角速度。第14页，共38页，编辑于2022年，星期二CD33 用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析一、基本原理和方法一、基本原理和方法1.矢量方程图解法矢量方程图解法 因因每每一一个个矢矢量量具具有有大大小小和和方方向向两两个个参参数数，根根据据已已知知条条件的不同，上述方程有以下四种情况：件的不同，上述方程有以下四种情况：设有矢量方程：设有矢量方程：D A+B+C D A+B+C大小：大小：？方向：方向：DABCAB D A+B+C 大小：？大小：？方向：？方向：？第15页，共38页，编辑于2022年，星
13、期二BCB D A+B+C 大小：大小：方向：方向：？D A+B+C大小：大小：？方向：方向：？DACDA第16页，共38页，编辑于2022年，星期二2.同一构件上两点速度和加速度之间的关系同一构件上两点速度和加速度之间的关系 1)速度之间的关系速度之间的关系选速度比例尺选速度比例尺v m/s/mm，在任意点在任意点p作图使作图使VAvpa，ab同理有：同理有：VCVA+VCA 大小：大小：?方向：方向：?CA?CA相对速度为：相对速度为：VBAvabVBVA+VBA按图解法得：按图解法得：VBvpb,不可解！不可解！p设已知大小：设已知大小：方向：方向：BABA?方向：方向：p c方向：方向
14、：a c BAC第17页，共38页，编辑于2022年，星期二abpc同理有：同理有：VCVB+VCB大小：大小：?方向：方向：?CB?CBVCVA+VCA VB+VCB不可解！不可解！联立方程有：联立方程有：作图得：作图得：VCv pcVCAv acVCBv bc方向：方向：p c方向：方向：a c 方向：方向：b c 大小：大小：?方向：方向：?CA CB?CA CBACB第18页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授ACBcabpVBA/L/LBABAvab/l AB 同理：同理：vca/l CA称称pabc为为速度多边形速度多边形（或速度图解（或速度图解)p p为为极点。极
15、点。得：得：ab/ABbc/BCca/CA abcABC abcABC 方向：方向：CW强调用相对速度求vcb/l CBcabp第19页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授cabpACB速度多边形速度多边形的性质的性质:联接联接p点和任一点的向量代表该点和任一点的向量代表该 点在机构图中同名点的绝对速点在机构图中同名点的绝对速 度，指向为度，指向为p该点。该点。联接任意两点的向量代表该两点联接任意两点的向量代表该两点 在在机构图中同名点的相对速度，机构图中同名点的相对速度，指向与速度的下标相反。如指向与速度的下标相反。如bc代代 表表VCB而不是而不是VBC，常
16、用相对速，常用相对速 度来求构件的角速度。度来求构件的角速度。abcABCabcABC，称，称abcabc为为ABCABC的速的速 度影象，两者相似且字母顺序一致。度影象，两者相似且字母顺序一致。前者沿前者沿方向转过方向转过9090。称。称pabcpabc为为 PABC PABC的速度影象。的速度影象。特别注意：影象与构件相似而不是与机构位形相似！特别注意：影象与构件相似而不是与机构位形相似！P极点极点p代表机构中所有速度为零的点的影象。代表机构中所有速度为零的点的影象。绝对瞬心D第20页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授cabp作者：潘存云教授ACB速度多边形的用途：速度多
17、边形的用途：由两点的速度可求任意点的速度由两点的速度可求任意点的速度。例例如如，求求BCBC中中间间点点E E的的速速度度V VE E时时，bcbc上上中中间间点点e e为为E E点点的的影影象象，联联接接pepe就是就是V VE EEe思考题：思考题：连架杆连架杆AD的速度影像在何处的速度影像在何处？D第21页，共38页，编辑于2022年，星期二b作者：潘存云教授BAC2)加速度关系加速度关系求得：求得：aBapb选加速度比例尺选加速度比例尺a m/s2/mm，在任意点在任意点p作图使作图使aAapab”设已知角速度设已知角速度，A点加速度和点加速度和aB的方向的方向A B两点间加速度之间的
18、关系有：两点间加速度之间的关系有：aBaA+anBA+atBAatBAab”b方向方向:b”baBAab a方向方向:a bb 大小：大小：方向：方向：?BABA?BABA2 2lABaAaBap第22页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授aCaA+anCA+atCA aB+anCB+atCB 又：又：aC aB+anCB+atCB不可解！不可解！联立方程：联立方程：同理：同理：aCaA+anCA+atCA 不可解！不可解！作图求解得作图求解得:atCAac”c atCBacc”方向：方向：c”c 方向：方向：c”c 方向：方向：p c?BAC大小：大小：?方向：方向：?2 2
19、lCACACA?CACA大小：大小：?方向：方向：?2 2lCBCBCB?CBCBbb”apc”c”caCapc第23页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授角加速度：角加速度：atBA/lAB得：得：ab/lABbc/lBC a c/lCA称称pabcpabc为为加速度多边形加速度多边形（或速度图解），（或速度图解），p p极点极点 abcABC 加速度多边形的特性：加速度多边形的特性：联接联接p点和任一点的向量代表该点和任一点的向量代表该 点在机构图中同名点的绝对加速点在机构图中同名点的绝对加速 度，指向为度，指向为p该点。该点。aBA(atBA)2 2+(a
20、nBA)2 2aCA(atCA)2 2+(anCA)2 2aCB(atCB)2 2+(anCB)2 2方向：方向：CWa b”b/l ABbb”apc”c”cBAClCA 2 2+4 4lCB 2 2+4 4lAB 2 2+4 4aaba aca bc第24页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授BAC联接任意两点的向量代表该两点在联接任意两点的向量代表该两点在机构图中同名点机构图中同名点 的相对加速度，指向与速度的下标相反。如的相对加速度，指向与速度的下标相反。如ab代代 表表aBA而不是而不是aAB，bc aCB，ca aAC。abcABCabcABC，称称a
21、bcabc为为ABCABC的的 加加速速度度影影象象，称称pabcpabc为为PABCPABC的的加加速速 度影象，两者相似且字母顺序一致。度影象，两者相似且字母顺序一致。极点极点pp代表机构中所有代表机构中所有加加速度为零的点速度为零的点 的影象的影象。特特别别注注意意：影影象象与与构构件件相相似似而而不不是是与与机构位形相似！机构位形相似！用用途途：根根据据相相似似性性原原理理由由两两点点的的加加速度求任意点的速度求任意点的加加速度。速度。例如例如:求求BCBC中间点中间点E E的的加加速度速度a aE Ebc上中间点e为E点的影象，联接pe就是aE。bb”apc”c”cE 常用相对切向加
22、速度来求构件的角加速度。常用相对切向加速度来求构件的角加速度。e第25页，共38页，编辑于2022年，星期二B1 13 32 2AC12BB122.两构件重合点的速度及加速度的关系两构件重合点的速度及加速度的关系 1)回转副回转副速度关系速度关系 VB1=VB2 aB1=aB2 VB1VB2 aB1aB2具体情况由其他已知条件决定具体情况由其他已知条件决定仅考虑移动副2)高副和移动副高副和移动副 VB3VB2+VB3B2pb2b3 VB3B2 的方向的方向:b2 bb3 3 3 3=vpb3/lCB3 31 1大小：大小：方向：方向：?BCBC公共点公共点第26页，共38页，编辑于2022年，
23、星期二作者：潘存云教授3 3B1 13 32 2AC1 1pb2b3ak B3B2 加速度关系加速度关系aB3 apb3,结结论论：当当两两构构件件构构成成移移动动副副时时，重重合合点点的的加加速速度度不不相相等等，且且移移动动副副有有转转动动分分量量时，必然存在哥氏加速度分量。时，必然存在哥氏加速度分量。+akB3B2 大小：大小：方向：方向：b2kb 33akB3B2的方向：的方向：VB3B2 顺顺3 3 转过转过9090 3 3atB3/lBCBCab3b3/lBCarB3B2 akb3 B C?2 23 3l lBCBC BCBC?l1 12 21 1BABA?BCBC2 2VB3B2
24、3 3 aB3=anB3+atB3=aB2+arB3B2此方程对吗？b”3p图解得：图解得：第27页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授c二、用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析二、用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析已知摆式运输机运动简图、各构件尺寸、已知摆式运输机运动简图、各构件尺寸、2 2，求：，求：解：解：1)速度分析速度分析 VBLAB2 2，VVB/pb VC VB+VCB ABCDEF123456bV VF F、aF F、3 3、4 4、5 5、3 3、4 4、5 5构件构件3、4、5中任一速度为中任一速度为Vx的点的点X3、X4、X5的位置的位置构件构件3、
25、5上速度为零的点上速度为零的点I3、I5构件构件3、5上加速度为零的点上加速度为零的点Q3、Q5点点I3、I5的加速度的加速度 Q3、Q52 2大小：大小：?方向：方向：CD CD p?BCBC第28页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授e从图解上量得：从图解上量得：VCB Vbc VCVpc 方向：方向：bc方向：方向：CW4 4 VC/lCDCD方向：方向：CCWABCDEF1234562 23 34 4VC VB+VCB cb利利用用速速度度影影象象与与构构件件相相似似的的原原理理，可可求得影象点求得影象点e。图解上式得图解上式得pef：VFVE+VFE
26、求构件求构件6的速度：的速度：VFE v ef e f 方向：方向：pf 5 5VFE/lFEFE方向：方向：CW 大小：大小：?方向：方向：/DFcb3 3 VCB/lCBCB方向：方向：pcf?EFEFVF v pf p5 5第29页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授ec”bcc”ABCDEF123456加速度分析：加速度分析：?24 lCDCD?CD23 lCB CB?BC2 23 34 4aC=anC+atC Pcbfp作图求解得作图求解得:4 4=atC/lCD CD 3 3=atCB/lCB CB 方向：方向：CCW CCW 方向：
27、方向：CCW CCW aC=a pc=aB+anCB+atCB 不可解，再以B点为牵连点，列出C点的方程利用影象法求得利用影象法求得e点的象点的象e4 43 3aBC=a bc 方向：方向：bc方向：方向：pc c得：得：aE=a pe 5 5第30页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授c”bcc”ABCDEF123456求构件求构件6的加速度：的加速度：?/DF2 25 5 lFEFE FE?BC2 23 34 4Pcbfp作图求解得作图求解得:5 5=atFE/lFE FE 方向：方向：CCW CCW aF=a pf 4 43 35 5atFE=a f”f
28、方向：方向：f”f方向：方向：pf aF=aE +anFE+atFE eff”5 5第31页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授I I5 5I I3 3I I3 3x x3 3ABCDEF1234562 2cbfpx x4 4利利用用速速度度影影象象和和加加速速度度影影象象求求特特殊殊点的速度和加速度：点的速度和加速度：求构件求构件3、4、5中任一速度为中任一速度为Vx的的X3、X4、X5点的位置。点的位置。x x5 5x利利用用影影象象法法求求特特殊殊点点的的运运动动参参数：数：求作求作bcxBCXBCX3 3 得得X X3 3构件构件3、5上速度为零的点上速
29、度为零的点I3、I5 cexCEXCEX4 4 得得X X4 4 efxEFXEFX5 5 得得X X5 5求作求作bcpBCIBCI3 3 得得I I3 3efpEFIEFI5 5 得得I I5 5x x3 3x x4 4x x5 5I I5 5第32页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授i5Q3c”bcc”Peff”构件构件3、5上加速度为零的点上加速度为零的点Q3、Q5点点I3、I5的加速度的加速度aI3、aQ5CQ5i3求得：求得：aI3=a pi3aI5=a pi5求作求作bcpBCQBCQ3 3 得得Q Q3 3 efpEFQEFQ5 5 得得Q Q
30、5 5求作求作bci3BCIBCI3 3 求作求作efpEFQEFQ5 5 ABCDEF1234562 2I I3 3I I5 5Q3Q5i3i5第33页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授ABCDGH解题关键：解题关键：1.以作平面运动的构件为突破口，以作平面运动的构件为突破口，基准点和基准点和 重合点都应选取该构件上重合点都应选取该构件上的铰接点的铰接点，否，否 则已知条件不足而则已知条件不足而使无法求解。使无法求解。EF如：如：VE=VF+VEF 如选取铰链点作为基点时，所列方程仍不能求解，如选取铰链点作为基点时，所列方程仍不能求解，则此时应联立方程求解。则此时应联立方程
31、求解。如：如：VG=VB+VGB 大小：大小：?方向：方向：?VC=VB+VCB?VC+VGC=VG?大小大小:?方向：方向：?第34页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABCD4321ABCD1234重重合合点点的的选选取取原原则则，选选已已知知参参数数较较多多的点（一般为铰链点）的点（一般为铰链点）应将构件扩大至包含应将构件扩大至包含B B点点！如选如选B点：点：VB4=VB3+VB4B3如选如选C点：点：VC3=VC4+VC3C4图图(b)(b)中取中取C C为重合点，为重合点，有有:VC3=VC4+VC3C4大小：大小：?？?方向：方向：?tt不可解！
32、不可解！不可解！不可解！可解！可解！大小：大小：?方向：方向：?大小：大小：?方向：方向：?(a)(a)(b)(b)第35页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授1ABC234ABCD4321tt(b)(b)图图(C)(C)所示机构，重合点应选在何处？所示机构，重合点应选在何处？B B点点!当取当取B B点为重合点时点为重合点时:VB4=VB3+VB4B3 ABCD1234tt(a)(a)构件构件3上上C、B的关系：的关系：VC3=VB3+VC3B3大小：大小：?方向：方向：?不可解！不可解！大小：大小：?方向：方向：方程可解方程可解?第36页，共
33、38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授2 2.正确判哥式加速度的存在及其方向正确判哥式加速度的存在及其方向无无ak 无无ak 有有ak 有有ak 有有ak 有有ak 有有ak 有有ak 动坐标平动时，无动坐标平动时，无ak。判断下列几种情况取判断下列几种情况取B点为重合点时有无点为重合点时有无ak 当两构件构成移动副：当两构件构成移动副：且动坐标含有转动分量时，存在且动坐标含有转动分量时，存在ak；B123B123B1231B23B123B123B123B123 第37页，共38页，编辑于2022年，星期二作者：潘存云教授A B C D E F G 1 2 3 4 5 6 34综合运
34、用瞬心法和矢量方程图解法综合运用瞬心法和矢量方程图解法 对复杂机构进行速度分析对复杂机构进行速度分析 对于某些复杂机构，单独运用瞬心法或矢量方程图解法解题时，都很困难，但将两者结合起来用，将使问题的到简化。如如图图示示级级机机构构中中，已已知知机机构尺寸和构尺寸和2 2，进行运动分析。，进行运动分析。不可解！不可解！VC=VB+VCB大小：大小：?方向：方向：?用瞬心法确定构件用瞬心法确定构件4 4的瞬心，的瞬心，I4tt VC=VB+VCB大小：大小：?方向：方向：可解！可解！此方法常用于此方法常用于级机构的运动分析。级机构的运动分析。确定确定C C点的方向后，则有：点的方向后，则有：第38页，共38页，编辑于2022年，星期二