机械原理全套课件 第3章平面机构的运动分析

机械原理全套课件湖南理工学院专用作者：潘存云教授第三章平面机构的运动§3－1机构运动分析的目的与方法§3－2速度瞬心及其在机构速度分析中的应用§3－3用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析§3－4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§3－5用解析法作机构的运动分析湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授§3－1机构运动分析的目的与方法任何新的机械，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.位置分析研究内容：位置分析、速度分析和加速度分析。①确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。②确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。③确定构件(活塞)行程，找出上下极限位置。内涵：④确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊。湖南理工学院专用作者：潘存云教授2.速度分析①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②为加速度分析作准备。3.加速度分析的目的是为确定惯性力作准备。方法：图解法－简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。解析法－正好与以上相反。实验法－试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决实现预定轨迹问题。湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授§3－2速度瞬心及其在机构速度分析中的应用机构速度分析的图解法有：速度瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析。一、速度瞬心及其求法绝对瞬心－重合点绝对速度为零。相对瞬心－重合点绝对速度不为零。两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。求法？1)速度瞬心的定义湖南理工学院专用作者：潘存云教授特点：①该点涉及两个构件。2）瞬心数目∵每两个构件就有一个瞬心∴根据排列组合有123若机构中有n个构件，则N＝n(n-1)/2②绝对速度相同，相对速度为零。③相对回转中心。湖南理工学院专用作者：潘存云教授*3）机构瞬心位置的确定1.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。2.三心定律定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。湖南理工学院专用作者：潘存云教授湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。解：瞬心数为：1.作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心N＝n(n-1)/2＝6n=4湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授举例：求图示六杆机构的速度瞬心。解：瞬心数为：N＝n(n-1)/2＝15n=61.作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心湖南理工学院专用作者：潘存云教授四、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度已知凸轮转速ω1，求推杆的速度。解：①直接观察求瞬心P13、P23。③求瞬心P12的速度。V2＝VP12＝μl(P13P12)·ω1长度P13P12直接从图上量取。②根据三心定律和公法线n－n求瞬心的位置P12。湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授2.求角速度解：①瞬心数为6个②直接观察能求出4个余下的2个用三心定律求出。③求瞬心P24的速度。VP24＝μl(P24P14)·ω4ω4＝ω2·(P24P12)/P24P14a)铰链机构已知构件2的转速ω2，求构件4的角速度ω4。VP24＝μl(P24P12)·ω2方向:CW,与ω2相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同湖南理工学院专用作者：潘存云教授b)高副机构已知构件2的转速ω2，求构件3的角速度ω3。解:用三心定律求出P23。求瞬心P23的速度:VP23＝μl(P23P13)·ω3∴ω3＝ω2·(P13P23/P12P23)方向:CCW,与ω2相反。VP23＝μl(P23P12)·ω2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。湖南理工学院专用作者：潘存云教授3.求传动比定义：两构件角速度之比传动比。ω3/ω2＝P12P23/P13P23推广到一般：ωi/ωj＝P1jPij/P1iPij结论:①两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。②角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧时，两构件转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心之间时，两构件转向相反。湖南理工学院专用作者：潘存云教授4.用瞬心法解题步骤①绘制机构运动简图；②求瞬心的位置；③求出相对瞬心的速度;瞬心法的优缺点：①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。②有时瞬心点落在纸面外。③仅适于求速度V,使应用有一定局限性。④求构件绝对速度V或角速度ω。湖南理工学院专用作者：潘存云教授§3－3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1.矢量方程图解法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：湖南理工学院专用作者：潘存云教授湖南理工学院专用作者：潘存云教授*2.同一构件上两点速度和加速度之间的关系1)速度之间的关系选速度比例尺μvm/s/mm，在任意点p作图使VA＝μvpa，相对速度为：VBA＝μvab按图解法得：VB＝μvpb,不可解！设已知大小：方向：⊥BA√√?√?方向：p→c方向：a→c湖南理工学院专用作者：潘存云教授不可解！联立方程有：作图得：VC＝μvpcVCA＝μvacVCB＝μvbc方向：p→c方向：a→c方向：b→c大小：?√?√?方向：?√⊥CA√⊥CB湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授ω＝VBA/LBA＝μvab/μlAB同理：ω＝μvca/μlCA称pabc为速度多边形（或速度图解)p为极点。得：ab/AB＝bc/BC＝ca/CA∴△abc∽△ABC方向：CW强调用相对速度求ω＝μvcb/μlCB湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授速度多边形的性质:①联接p点和任一点的向量代该点在机构图中同名点的绝对速度，指向为p→该点。②联接任意两点的向量代表该两点在机构图中同名点的相对速度，指向与速度的下标相反。如bc代表VCB而不是VBC，常用相对速度来求构件的角速度。③∵△abc∽△ABC，称abc为ABC的速度影象，两者相似且字母顺序一致。前者沿ω方向转过90°。称pabc为PABC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！④极点p代表机构中所有速度为零的点的影象。绝对瞬心湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授速度多边形的用途：由两点的速度可求任意点的速度。例如，求BC中间点E的速度VE时，bc上中间点e为E点的影象，联接pe就是VE思考题：连架杆AD的速度影像在何处？湖南理工学院专用作者：潘存云教授2)加速度关系求得：aB＝μap’b’选加速度比例尺μam/s2/mm，在任意点p’作图使aA＝μap’a’设已知角速度ω，A点加速度和aB的方向atBA＝μab”b’方向:b”→b’aBA＝μab’a’方向:a’→b’大小：方向：?⊥BA?√√√B→Aω2lAB湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授不可解！联立方程：不可解！作图求解得:atCA＝μac”’c’atCB＝μac’c”方向：c”’→c’方向：c”→c’方向：p’→c’??√√?√√?√√√√√√大小：?方向：?√√ω2lCAC→A?⊥CA大小：?方向：?√√ω2lCBC→B?⊥CBaC＝μap’c’湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授角加速度：α＝atBA/lAB得：a’b’/lAB＝b’c’/lBC＝a’c’/lCA称p’a’b’c’为加速度多边形（或速度图解），p’－极点∴△a’b’c’∽△ABC加速度多边形的特性：①联接p’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度，指向为p’→该点。方向：CW＝μab”b’/μlAB＝μaa’b’＝μaa’c’＝μab’c’湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授②联接任意两点的向量代表该两点在机构图中同名点的相对加速度，指向与速度的下标相反。如a’b’代表aBA而不是aAB，b’c’→aCB，c’a’→aAC。③∵△a’b’c’∽△ABC，称a’b’c’为ABC的加速度影象，称p’a’b’c’为PABC的加速度影象，两者相似且字母顺序一致。④极点p’代表机构中所有加速度为零的点的影象。特别注意：影象与构件相似而不是与机构位形相似！用途：根据相似性原理由两点的加速度求任意点的加速度。例如:求BC中间点E的加速度aEb’c’上中间点e’为E点的影象，联接p’e’就是aE。常用相对切向加速度来求构件的角加速度。湖南理工学院专用作者：潘存云教授2.两构件重合点的速度及加速度的关系1)回转副①速度关系2)高副和移动副VB3B2的方向:b2→b3ω3=μvpb3/lCB大小：方向：?√√√?∥BC湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授②加速度关系aB3＝μap’b3’,结论：当两构件构成移动副时，重合点的加速度不相等，且移动副有转动分量时，必然存在哥氏加速度分量。大小：方向：akB3B2的方向：VB3B2顺ω3转过90°α3＝atB3/lBC＝μab3’’b3’/lBCarB3B2＝μak’b3’B→C??ω23lBCB→C?√l1ω21B→A?∥BC2VB3B2ω3√此方程对吗？图解得：湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授二、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、ω2，求：解：1)速度分析VB＝LABω2，μV＝VB/pb①VF、aF、ω3、ω4、ω5、α3、α4、α5②构件3、4、5中任一速度为Vx的点X3、X4、X5的位置③构件3、5上速度为零的点I3、I5④构件3、5上加速度为零的点Q3、Q5⑤点I3、I5的加速度Q3、Q5大小：?方向：⊥CD√√?⊥BC湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授从图解上量得：VCB＝μVbcVC＝μVpc方向：b→c方向：CWω4＝VC/lCD方向：CCW利用速度影象与构件相似的原理，可求得影象点e。图解上式得pef：求构件6的速度：VFE＝μvefe→f方向：p→fω5＝VFE/lFE方向：CW大小：?方向：//DFω3＝VCB/lCB方向：p→c√√?⊥EFVF＝μvpf湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授加速度分析：??ω24lCDC→D?⊥CD√√ω23lCBC→B?⊥BC作图求解得:α4=atC/lCDα3=atCB/lCB方向：CCW方向：CCWaC=μap’c’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e点的象e’aBC=μab’c’方向：b’→c’方向：p’→c’得：aE=μap’e’湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授c”’求构件6的加速度：?//DFω25lFEF→E√√?⊥BC作图求解得:α5=atFE/lFE方向：CCWaF=μap’f’atFE=μaf”f’方向：f”→f’方向：p’→f’e’f”湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授利用速度影象和加速度影象求特殊点的速度和加速度：②求构件3、4、5中任一速度为Vx的X3、X4、X5点的位置。利用影象法求特殊点的运动参数：求作△bcx∽△BCX3得X3③构件3、5上速度为零的点I3、I5△cex∽△CEX4得X4△efx∽△EFX5得X5求作△bcp∽△BCI3得I3△efp∽△EFI5得I5湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授④构件3、5上加速度为零的点Q3、Q5⑤点I3、I5的加速度aI3、aQ5C求得：aI3=μap’i3’aI5=μap’i5’求作△b’c’p’∽△BCQ3得Q3△e’f’p’∽△EFQ5得Q5求作△b’c’i3’∽△BCI3求作△e’f’p’∽△EFQ5湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授解题关键：1.以作平面运动的构件为突破口，基准点和重合点都应选取该构件上的铰接点，否则已知条件不足而使无法求解。如：VE=VF+VEF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。如：VG=VB+VGB大小：?√?方向：?√√VC=VB+VCB?√?√√√VC+VGC=VG√??√√?大小:???方向：??√湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授重合点的选取原则，选已知参数较多的点（一般为铰链点）应将构件扩大至包含B点！→不可解！→不可解！→可解！大小：?方向：??√?√大小：?方向：√√√?√(a)(b)湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授(b)图(C)所示机构，重合点应选在何处？B点!→不可解！大小：?方向：√→方程可解√√?√湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授2.正确判哥式加速度的存在及其方向无ak无ak有ak有ak有ak有ak有ak有ak▲动坐标平动时，无ak。判断下列几种情况取B点为重合点时有无ak当两构件构成移动副：▲且动坐标含有转动分量时，存在ak；湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授§3－4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。如图示Ⅲ级机构中，已知机构尺寸和ω2，进行运动分析。不可解！用瞬心法确定构件4的瞬心，此方法常用于Ⅲ级机构的运动分析。确定C点的方向后，则有：湖南理工学院专用作者：潘存云教授§3－5用解析法作机构的运动分析图解法的缺点：▲分析结果精度低；随着计算机应用的普及，解析法得到了广泛的应用。▲作图繁琐、费时，不适用于一个运动周期的分析。解析法：复数矢量法、矩阵法、杆组法等。▲不便于把机构分析与综合问题联系起来。思路：由机构的几何条件，建立机构的位置方程，然后就位置方程对时间求一阶导数，得速度方程，求二阶导数得到机构的加速度方程。湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授一、矢量方程解析法1.矢量分析基本知识其中：l－矢量的模，θ－幅角，各幺矢量为：则任意平面矢量的可表示为：幺矢量----单位矢量湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授幺矢量的点积运算：＝ej＝sinθ＝-cos(θ2－θ1)＝cos(θ2－θ1)＝1＝ei＝cosθ＝-sin(θ2－θ1)湖南理工学院专用作者：潘存云教授求一阶导数有：求二阶导数有：湖南理工学院专用作者：潘存云教授对同一个构件，l为常数,有：湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授2.平面机构的运动分析一、位置分析将各构件用杆矢量表示，则有：已知:图示四杆机构的各构件尺寸和ω1,求θ2、θ3、ω2、ω3、α2、α2。化成直角坐标形式有：l2cosθ2＝l3cosθ3+l4cosθ4－l1cosθ1(2)大小：√√√√方向√θ2?θ3?√l2sinθ2＝l3sinθ3+l4sinθ4－l1sinθ1(3)湖南理工学院专用作者：潘存云教授(2)、(3)平方后相加得：l22＝l23+l24+l21＋2l3l4cosθ3―2l1l3(cosθ3cosθ1-sinθ3sinθ1)―2l1l4cosθ1整理后得：Asinθ3+Bcosθ3+C=0(4)其中：A=2l1l3sinθ1B=2l3(l1cosθ1-l4)C=l22－l23－l24－l21＋2l1l4cosθ1解三角方程得：tg(θ3/2)=[A±sqrt(A2+B2－C2)]/(B－C)由连续性确定同理，为了求解θ2，可将矢量方程写成如下形式：湖南理工学院专用作者：潘存云教授化成直角坐标形式：l3cosθ3＝l1cosθ1+l2cosθ2－l4(6)(6)、(7)平方后相加得：l23＝l21+l22+l24＋2l1l2cosθ1―2l1l4(cosθ1cosθ2-sinθ1sinθ2)―2l1l2cosθ1整理后得：Dsinθ2+Ecosθ2+F=0(8)其中：D=2l1l2sinθ1E=2l2(l1cosθ1-l4)F=l21+l22+l24－l23-2l1l4cosθ1解三角方程得：tg(θ2/2)=[D±sqrt(D2+E2－F2)]/(E－F)l3sinθ3＝l1sinθ1+l2sinθ2－0(7)湖南理工学院专用作者：潘存云教授二、速度分析ω3l3sin(θ3－θ2)=ω1l1sin(θ1－θ2)ω3=ω1l1sin(θ1－θ2)/l3sin(θ3－θ2)-ω2l2sin(θ2－θ3)=ω1l1sin(θ1－θ3)ω2=-ω1l1sin(θ1－θ3)/l2sin(θ2－θ3)湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授三、加速度分析将（9）式对时间求导得：上式中只有两个未知量-ω32l3cos(θ3－θ2)-α3l3sin(θ3－θ2)=-ω12l1cos(θ1－θ2)-ω22l2α3=ω12l1cos(θ1-θ2)+ω22l2-ω32l3cos(θ3-θ2)/l3sin(θ3－θ2)α2=ω12l1cos(θ1-θ3)+ω32l3-ω22l2cos(θ2-θ3)/l2sin(θ2－θ3)湖南理工学院专用作者：潘存云教授二、矩阵法思路：在直角坐标系中建立机构的位置方程，然后将位置方程对时间求一阶导数，得到机构的速度方程。求二阶导数便得到机构加速度方程。1.位置分析改写成直角坐标的形式：已知图示四杆机构的各构件尺寸和ω1,求:θ2、θ3、ω2、ω3、α2、α2、xp、yp、vp、ap。湖南理工学院专用作者：潘存云教授连杆上P点的坐标为：2.速度分析对时间求导得速度方程：重写位置方程组将以下位置方程：湖南理工学院专用作者：潘存云教授写成矩阵形式：[A]{ω}=ω1{B}对以下P点的位置方程求导：得P点的速度方程：湖南理工学院专用作者：潘存云教授3.加速度分析将（15）式对时间求导得以下矩阵方程：重写速度方程组{α}={ω}[A]+ω1对速度方程求导：湖南理工学院专用作者：潘存云教授对P点的速度方程求导：得以下矩阵方程：湖南理工学院专用作者：潘存云教授解析法运动分析的关键：正确建立机构的位置方程。至于速度分析和加速度分析只不过是对位置方程作进一步的运算而已。本例所采用的分析方法同样适用复杂机构。速度方程的一般表达式：其中[A]－－机构从动件的位置参数矩阵；{ω}－－机构从动件的角速度矩阵；{B}－－机构原动件的位置参数矩阵；ω1－－机构原动件的角速度。加速度方程的一般表达式：{α}－－机构从动件的加角速度矩阵；[A]{ω}=ω1{B}缺点:是对于每种机构都要作运动学模型的推导，模型的建立比较繁琐。湖南理工学院专用作者：潘存云教授作者：潘存云教授三、杆组分析法原理：将基本杆组的运动分析模型编成通用的子程序，根据机构的组成情况依次调用杆组分析子程序，就能完成整个机构的运动分析。特点：运动学模型是通用的，适用于任意复杂的平面连杆机构。湖南理工学院专用作者：潘存云教授本章重点：1.瞬心位置的确定（三心定律）；2.用瞬心法求构件的运动参数；3.用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析,熟练掌握影象法及其应用；4.用矢量方程解析法建立机构的运动学模型；湖南理工学院专用作者：潘存云教授**