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1、LOGO第第3章章平面机构的运动分析平面机构的运动分析 机械工程学院机械工程学院 2021/9/第三章第三章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析基本要求：基本要求：明明确确机机构构运运动动分分析析的的目目的的和和方法；方法；理理解解速速度度瞬瞬心心（绝绝对对瞬瞬心心和和相相对对瞬瞬心心）的的概概念念，并并能能运运用用“三三心心定定理理”确确定定一一般般平平面面机机构各瞬心的位置；构各瞬心的位置；能能用用瞬瞬心心法法对对简简单单高高、低低副副进行速度分析。进行速度分析。能能用用图图解解法法和和解解析析法法对对平平面面二级机构进行运动分析。二级机构进行运动分析。本章重点本章重点：速速度度瞬瞬心心
2、的的概概念念和和“三三心心定定理理”的应用；的应用；通通过过机机构构位位置置矢矢量量多多边边形形建建立立机构的位置矢量方程；机构的位置矢量方程；应应用用相相对对运运动动图图解解法法原原理理求求二二级级机机构构构构件件上上任任意意点点和和构构件件的的运运动参数。动参数。本章难点本章难点：对对有有共共同同转转动动且且有有相相对对移移动动的的两两构件重合点间的运动参数的求解。构件重合点间的运动参数的求解。2021/9/1.机构运动分析的任务机构运动分析的任务在已知机构尺寸和原动件运动规律的情况下，确定机构中其它构件上某些点的轨轨迹迹、位位移移、速速度度及及加加速速度度和某些构件的角位移、角速度及角加
3、速度。3-1 3-1 机构运动分析的任务、目的及方法机构运动分析的任务、目的及方法2.机构运动分析的目的机构运动分析的目的v位移、轨迹分析位移、轨迹分析ACBEDHEHD 确定机构的位置（位形），绘制确定机构的位置（位形），绘制 机构位置图。机构位置图。确确定定构构件件的的运运动动空空间间，判判断断是是否否发发生生 干涉。干涉。确确定定构构件件(活活塞塞)行行程程，找找出出上上下下极极限限 位置。位置。确定点的轨迹（连杆曲线）。确定点的轨迹（连杆曲线）。2021/9/v速度分析速度分析 通通过过分分析析，了了解解从从动动件件的的速速度度变变化化规规律是否满足工作要求。如牛头刨床；律是否满足工作
4、要求。如牛头刨床；为加速度分析作准备。为加速度分析作准备。v加速度分析加速度分析 确定各构件及其上某些点的加速度；确定各构件及其上某些点的加速度；了解机构加速度的变化规律；了解机构加速度的变化规律；为机构的力分析打基础。为机构的力分析打基础。3.机构运动分析的方法机构运动分析的方法图解法图解法解析法解析法速度瞬心法速度瞬心法矢量方程图解法矢量方程图解法2021/9/3-2 3-2 用速度瞬心作平面机构的速度分析用速度瞬心作平面机构的速度分析速度瞬心速度瞬心(瞬心瞬心):两两个个互互相相作作平平面面相相对对运运动动的的刚刚体体（构件）上绝对速度相等的重合点。（构件）上绝对速度相等的重合点。两构件
5、的两构件的瞬时等速重合点瞬时等速重合点一、速度瞬心一、速度瞬心(Instantaneous Center of VelocityICV)12A2(A1)B2(B1)P21VA2A1VB2B1相对瞬心相对瞬心重合点绝对速度不为零。重合点绝对速度不为零。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。瞬心的表示瞬心的表示构件构件i 和和j 的瞬心用的瞬心用Pij表示。表示。特点：特点：该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。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。2021/9/二、机构中瞬心的数目二、机构中瞬心的数目每两个构件就有一个瞬心每两个构件就
6、有一个瞬心根据排列组合有根据排列组合有若机构中有若机构中有N个个构件构件（包括机架）（包括机架），则，则三、机构中瞬心位置的确定三、机构中瞬心位置的确定1）以）以转动副转动副相联相联的两构件的瞬心的两构件的瞬心12P12转动副的中心。转动副的中心。转动副的中心。转动副的中心。2）以）以移动副移动副相联的相联的两构件的瞬心两构件的瞬心移动副导路的移动副导路的移动副导路的移动副导路的垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷远处。远处。远处。远处。12P121.通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置确定通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置确定2021/9/二、机构中瞬心的数目二
7、、机构中瞬心的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若机构中有若机构中有N个个构件构件（包括机架）（包括机架），则，则三、机构中瞬心位置的确定三、机构中瞬心位置的确定1.通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置确定通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置确定1）以）以转动副转动副相联相联的两构件的瞬心的两构件的瞬心12P12转动副的中心。转动副的中心。转动副的中心。转动副的中心。2）以）以移动副移动副相联的相联的两构件的瞬心两构件的瞬心移动副导路的移动副导路的移动副导路的移动副导路的垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷垂直方向上的无穷远处。远处。远处。
8、远处。12P122021/9/3）以以平面高副平面高副相联的两构件的瞬心相联的两构件的瞬心 当两高副元素作当两高副元素作纯滚动纯滚动时时瞬心在接触点上。瞬心在接触点上。瞬心在接触点上。瞬心在接触点上。t12nnt当当两两高高副副元元素素之之间间既既有有相相对对滚滚动动，又有相对滑动又有相对滑动时时瞬瞬瞬瞬心心心心在在在在过过过过接接接接触触触触点点点点的的的的公公公公法法法法线线线线 n n n n-n n n n 上上上上，具体位置需要根据其它条件确定。具体位置需要根据其它条件确定。具体位置需要根据其它条件确定。具体位置需要根据其它条件确定。V1212P122021/9/2.不直接相联两构件
9、的瞬心位置确定不直接相联两构件的瞬心位置确定三心定理三心定理三心定理三心定理三心定理三心定理(Kennedys theory)(Kennedys theory)三个彼此作平面平行运动三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于的构件的三个瞬心必位于同一直线上。同一直线上。其中一个瞬其中一个瞬其中一个瞬其中一个瞬心将另外两个瞬心的联线心将另外两个瞬心的联线心将另外两个瞬心的联线心将另外两个瞬心的联线分成与各自角速度成反比分成与各自角速度成反比分成与各自角速度成反比分成与各自角速度成反比的两条线段的两条线段的两条线段的两条线段。32 2 31VK2VK1P12P13证明：证明：(1)2321P12
10、P13P23VP23 3(2)K(K2,K3)2021/9/四、用瞬心法进行机构速度分析四、用瞬心法进行机构速度分析例例1 1 如如图图所所示示为为一一平平面面四四杆杆机机构构，（1 1）试试确确定定该该机机构构在在图图示示位位置置时时其其全全部部瞬瞬心心的的位位置置。（2 2）原原动动件件2 2以以角角速速度度2 2顺顺时时针针方方向向旋转时，求图示位置时其他从动件的角速度旋转时，求图示位置时其他从动件的角速度3 3、4 4。解解 1 1、首先确定该机构所有瞬心的数目、首先确定该机构所有瞬心的数目 K=N（N1）/2=4（41）/2=62 2、求出全部瞬心、求出全部瞬心两种方法：两种方法：三
11、心定理。三心定理。瞬心多边形法：构件用点代替，瞬心用线段来代替。瞬心多边形法：构件用点代替，瞬心用线段来代替。2021/9/瞬瞬 心心 P13、P24用用三三 心心 定定 理理 来来 求求P24P133241421234P12P34P14P232021/9/P24P13324142P12P34P14P23P P2424为构件为构件2 2、4 4等速重合点等速重合点 构件构件2 2：构件构件4 4：同理可以求得同理可以求得2021/9/21344123例例2：图示为一曲柄滑块机构，设各构件尺寸为已知，原动件图示为一曲柄滑块机构，设各构件尺寸为已知，原动件1 1以角速度以角速度 1 1转动，现确定
12、图示位置时从动件转动，现确定图示位置时从动件3 3的移动速度的移动速度V V3 3。P34P34解解 1 1、首首先先确确定定该该机机构构所所有瞬心的数目有瞬心的数目 K=N（N1）/2=4（41）/2=62 2、求出全部瞬心、求出全部瞬心2021/9/VP13P13为构件1、3等速重合点 2134P34P343 3、求出、求出3 3的速度的速度2021/9/123K例例3 图图示示为为一一凸凸轮轮机机构构，设设各各构构件件尺尺寸寸为为已已知知，又又知知原原动动件件 2 2的的角角速速度度 2 2，现现需需确确定定图图示示位位置置时时从从动动件件 3 3的的移移动动速速度度 V3 3。解解：先
13、求出构件先求出构件2 2、3 3的瞬心的瞬心P2323 P13nn123P12P13P232021/9/3-3 3-3 机构运动分析的矢量方程图解法机构运动分析的矢量方程图解法一、矢量方程图解法的基本原理和作法一、矢量方程图解法的基本原理和作法 基本原理基本原理(1)(1)矢量加减法；矢量加减法；(2)(2)理论力学理论力学运动合成原理。运动合成原理。因每一个矢量具有大小和方向两个参数，根据已知条件的不同，上述方程有以下四种情况：设有矢量方程：DA+B+C(1)(1)矢量加减法矢量加减法大小：？方向：？ABDC2021/9/33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
14、加速度分析大小：?方向：CD大小：方向：?大小：?方向：?ABADCBCDAB特特别别注注意意矢矢量箭头方向！量箭头方向！2021/9/ 作法：作法：1）根据运动合成原理）根据运动合成原理列出矢量方程式。列出矢量方程式。2）根据矢量方程式）根据矢量方程式作图求解。作图求解。构件间的相对运动问题可分为两类：构件间的相对运动问题可分为两类：绝对运动绝对运动绝对运动绝对运动 =牵连运动牵连运动牵连运动牵连运动 +相对运动相对运动相对运动相对运动 (2)(2)理论力学运动合成原理理论力学运动合成原理同一构件上的两点间的运动关系两构件重合点间的运动关系AB1A(A1,A2)22021/9/二、同一构件上
15、两点间的速度及加速度的关系二、同一构件上两点间的速度及加速度的关系 现现以以图图示示曲曲柄柄滑滑块块机机构构为为例例，说说明明用用矢矢量量方方程程图图解解法法作作机机构构的速度分析和加速度分析的具体步骤。的速度分析和加速度分析的具体步骤。已已知知图图示示曲曲柄柄滑滑块块机机构构原原动动件件ABAB的运动规律和各构件尺寸。求：的运动规律和各构件尺寸。求：图图示示位位置置连连杆杆BCBC的的角角速速度度和和其其上各点速度。上各点速度。连连杆杆BCBC的的角角加加速速度度和和其其上上C C点点加加速度。速度。2021/9/（1）速度关系：速度关系：根据运动合成原理，列出速度矢量方程式：根据运动合成原
16、理，列出速度矢量方程式：大小：大小：方向：方向：?1lAB?xxABBC确定速度图解比例尺确定速度图解比例尺v(m/s)/mm)cb速度多边形速度多边形作图求解未知量：作图求解未知量：p极点极点（逆时针方向）（逆时针方向）2021/9/如果还需求出该构件上如果还需求出该构件上E点的速度点的速度VE大小：大小：方向：方向：?ABEBxxECcbp极点极点e?bce BCE,叫做BCE 的速度影像速度影像，字母的顺序方向一致。速度影像原理：速度影像原理：同同一一构构件件上上若若干干点点形形成成的的几几何何图图形形与与其其速速度度矢矢量量多多边边形形中中对对应应点点构构成成的的多多边边形形相相似似，
17、其其位位置置为为构构件件上上的的几几何何图图形形沿沿该该构构件的件的 方向转过方向转过90。2021/9/v 速度多边形的特性：速度多边形的特性：速度多边形的特性：速度多边形的特性：3）在速度多边形中，极点）在速度多边形中，极点p 代表机构中速度为零的点。代表机构中速度为零的点。1）在在速速度度多多边边形形中中，由由极极点点p 向向外外放放射射的的矢矢量量代代表表构构件件上上相相应应点点的的绝对速度，方向由极点绝对速度，方向由极点p 指向该点。指向该点。4）已已知知某某构构件件上上两两点点的的速速度度，可可用用速速度度影影象象法法求求该该构构件件上上第第三三点的速度。点的速度。2）在速度多边形
18、中，联接绝对速度矢端两点的矢量，代表构）在速度多边形中，联接绝对速度矢端两点的矢量，代表构件上相应两点的相对速度，例如件上相应两点的相对速度，例如:代表代表cb速度多边形速度多边形p极点极点2021/9/(2)加速度关系：加速度关系：a)根据运动合成原理，列出加速度矢量方程式：方向：方向：CBBC大小：大小：？22lBC？作矢量多边形。b)根据矢量方程式，取加速度比例尺图示尺寸实际加速度,/mms2ma=mb ncbp极点极点ecp 2021/9/由加速度多边形得：b ncp acbtacbn同样，如果还需求出该构件上E点的加速度 aE，则方向：方向：？EBBE大小：大小：？2 2 lBE 2
19、 lCE同理，按照上述方法作出矢量多边形，2021/9/则代表n e b ncp 由加速度多边形得：方向：方向：？EBBE大小：大小：？2 2 lBE 2 lCEbce BCE,叫叫做做BCE的的加加速度影像速度影像，字母的顺序方向一致。，字母的顺序方向一致。2021/9/加加速度影像原理：速度影像原理：同同一一构构件件上上若若干干点点形形成成的的几几何何图图形形与与其其加加速速度度矢矢量量多多边边形形中中对对应应点点构构成成的的多多边边形形相相似似；其其位位置置为为构构件件上上的的几几何何图形沿图形沿该构件该构件的的 方向转过方向转过(180-)。n e b ncp(-)acbtacbn20
20、21/9/v 加速度多边形的特性：加速度多边形的特性：加速度多边形的特性：加速度多边形的特性：b ncp acbtacbn1）在在加加速速度度多多边边形形中中，由由极极点点p 向向外外放放射射的的矢矢量量代代表表构构件件上上相相应应点点的的绝绝对对加加速速度度，方方向向由极点由极点p 指向该点。指向该点。2）在在加加速速度度多多边边形形中中，联联接接绝绝对对加加速速度度矢矢端端两两点点的的矢矢量量，代代表构件上相应两点的相对加速度，例如表构件上相应两点的相对加速度，例如:代表代表。3）在加速度多边形中，极点）在加速度多边形中，极点p 代表机构中加速度为零的点。代表机构中加速度为零的点。4）已已
21、知知某某构构件件上上两两点点的的加加速速度度，可可用用加加速速度度影影象象法法求求该该构构件件上上第三点的加速度。第三点的加速度。2021/9/1ADC1432B 1三、两构件三、两构件重合点重合点重合点重合点间的速度和加速度的关系间的速度和加速度的关系已知图示机构尺寸和原动件已知图示机构尺寸和原动件1 1的运动。求重合点的运动。求重合点C C的运动。的运动。4原原原原理理理理构构件件2 2的的运运动动可可以以认认为为是是随随同同构构件件1 1的的牵牵连连运运动动和和构构件件2 2相相对于构件对于构件1 1的的相对运动相对运动的合成。的合成。C分分分分析析析析构构件件1和和2组组成成移移动动副
22、副，点点C为为两两个个构构件件的的一一个个重重合合点点。Vc2、ac2根根据据两两构构件件重重合合点点间间的的关关系系可可由由vc1、ac1求出，而构件求出，而构件2和和3在在C点的速度和加速度相等。点的速度和加速度相等。2021/9/1ADC1432B41)1)依据原理列矢量方程式依据原理列矢量方程式将构件将构件1 1扩大至与扩大至与C C2 2点重合。点重合。1大小：大小：方向：方向：？?CDvC22)取取速速度度比比例例尺尺 v,作作速速度度多多边边形形，由由速速度度多多边边形得：形得：c2(c3)(顺时针顺时针）c1PvC1ACACABC1.1.1.1.速度分析：速度分析：速度分析：速
23、度分析：2021/9/1)1)依据原理列矢量方程式依据原理列矢量方程式c2(c3)c1P1ADC1432B4 1CakC2C1科氏加速度方向科氏加速度方向将将vC2C1沿沿牵连角速度牵连角速度 1转过转过90o。2.2.2.2.加速度分析：加速度分析：加速度分析：加速度分析：aC2aC2C1+aC1=科氏加速度科氏加速度科氏加速度科氏加速度当当当当牵牵牵牵连连连连点点点点系系系系（动动动动参参参参照照照照系系系系）为为为为转动时，存在科氏加速度。转动时，存在科氏加速度。转动时，存在科氏加速度。转动时，存在科氏加速度。动系转动速度动系转动速度动系转动速度动系转动速度相对速度相对速度相对速度相对速
24、度分析：分析：2021/9/？Cc2(c3)c1PA441D132B 1方向：方向：？AB大小：大小：？已知已知？akC2C1由由于于上上式式中中有有三三个个未未知知数数，故无法求解。故无法求解。可可根根据据3 3构构件件上上的的C C3 3点点进进一一步减少未知数的个数。步减少未知数的个数。arC2C1aC1naC1t大小：大小：方向：方向：CDCDAB？C2021/9/c2(c3)c1PCA441D132B 1akC2C1arC2C1aC1naC1tC？大小：大小：方向：方向：CDCDAB？c1 n c2(c3)k p2)取取速速度度比比例例尺尺 a,作作加速度多边形。加速度多边形。202
25、1/9/由加速度多边形可得：（顺时针）（顺时针）c2(c3)c1PCA441D132B 1akC2C1arC2C1aC1naC1tC c1 n c2(c3)k patC3arC2C12021/9/B123B123B123B1231B23B123B123B123无无ak无无ak有有ak有有ak有有ak 有有ak 有有ak有有ak 哥氏加速度存在的条件：哥氏加速度存在的条件：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ak2 2）两构件要有相对移动。）两构件要有相对移动。1 1）牵连构件要有转动；）牵连构件要有转动；2021/9/如如图图所所示示为为一一偏偏心心轮轮机机构
26、构。设设已已知知机机构构各各构构件件的的尺尺寸寸，并并知知原原动动件件2以以角速度角速度 2等速度转动。现需求机构在图示位置时，等速度转动。现需求机构在图示位置时，滑块滑块5移动的速度移动的速度vF、加速度、加速度aF构件构件3、4、5的角速度的角速度 3、4、5和角速度和角速度 3、a4、5。典型例题分析典型例题分析典型例题分析典型例题分析解：解：1.画机构运动简图画机构运动简图E(E5,E6)a33a663DB2256C44xxA2021/9/2.速度分析：速度分析：(1)求求vB:E(E5,E6)a33a663DB2256C44xxA(2)求求vC:ce3(e5)be6P(a、d、f)（
27、3）求求vE3:用速度影像求解用速度影像求解（4）求求vE6:大小：大小：方向：方向：？?EFxx（5）求求 3、4、5;/3sradBCbclvlvBCCBmmw=2021/9/3.加速度分析加速度分析(1)求求aB:E(E5,E6)a33a663DB2256C44xxA(2)求求aC及及 3、4大小：大小：方向：方向：？CDCDBACBCD其方向与(3)求求aE：利用影像法求解利用影像法求解2021/9/(4)求求aE6和和 6EFEFxx xx大小：大小：方向：方向：？E(E5,E6)a33a663DB2256C44xxAn 6k e6 akE6E5=2 5 vrE6E52021/9/例
28、例3-2 齿轮连杆组合机构齿轮连杆组合机构,齿轮齿轮2角速度角速度2，求求62021/9/矢量方程图解法小结矢量方程图解法小结1.列矢量方程式列矢量方程式第一步：判明机构的级别第一步：判明机构的级别适用二级机构适用二级机构 第二步：分清基本原理中的两种类型第二步：分清基本原理中的两种类型 第三步：矢量方程式图解求解条件第三步：矢量方程式图解求解条件只能有两个未只能有两个未知数知数2.做好速度多边形和加速度多边形做好速度多边形和加速度多边形（1）分清）分清绝对矢量绝对矢量和和相对矢量相对矢量的作法，并掌握判别指的作法，并掌握判别指向的规律向的规律（2）比例尺的选取及单位。）比例尺的选取及单位。3.注意速度影像法和加速度影像法的应用原则和方向注意速度影像法和加速度影像法的应用原则和方向4.构件的角速度和角加速度的求法构件的角速度和角加速度的求法5.科氏加速度存在条件、大小、方向的确定。科氏加速度存在条件、大小、方向的确定。2021/9/