2012平面机构的运动分析课件.pptx
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1、计算图示机构的自由度,并指出其中是否有复合铰链、局部自计算图示机构的自由度,并指出其中是否有复合铰链、局部自由度或虚约束。说明该机构具有确定运动的条件。由度或虚约束。说明该机构具有确定运动的条件。第1页/共54页第三章第三章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析【计划学时】5-6学时【学习目标】明确机构运动分析的目的和方法;能用解析法和图解法对平面级机构进行运动分析;理解速度瞬心(绝对瞬心和相对瞬心)的概念,并能运用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置;能用瞬心法对简单高、低副机构进行运动分析。【重点难点】重点:速度瞬心的概念和“三心定理”的应用;应用相对运动图解法求某机构构件上任意点和构
2、件的运动参数。难点:对有共同转动且有相对移动的两构件重合点间的运动参数的求解;解析法进行机构运动分析。第2页/共54页1 机构运动分析的目的和方法1.1 机构的运动分析:根据原动件的已知运动规律,分析该机构上某点的位移、速度和加速度以及构件的角速度、角加速度。1.2 目的在于:确定某些构件在运动时所需的空间;判断各构件间是否存在干涉;考察某点运动轨迹是否符合要求;用于确定惯性力等。(avi)如牛头刨床设计要求:最大行程、匀速、快回。第3页/共54页图解法图解法:形象直观,但图解形象直观,但图解工作量工作量大,精度不高大,精度不高。速度瞬心法速度瞬心法相对运动图解法相对运动图解法解析法:计算精确
3、、迅速,但需推导公式和编制程序,随着计算机技术的发展,解析法应用越来越广泛。1.3 方法实验法:需要专门的仪器设备,成本高,投入大。矢量方程解析法:运用计算器可以求解;矢量方程解析法:运用计算器可以求解;矩阵法:需要借助计算机才能求解。矩阵法:需要借助计算机才能求解。1 机构运动分析的目的和方法第4页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用2.1 速度瞬心速度瞬心(Instantaneous Center)的定义的定义 速速度度瞬瞬心心为为相相互互作作平平面面相相对对运运动动的的两两构构件件上上,瞬瞬时时相相对对速速度度为为零零的的重重合合点点;或或者者说说,瞬瞬时时绝绝对对速速度度
4、相相等等的的重重合合点点(即即等等速速重重合合点点)。若若该该点点的的绝绝对对速速度度为为零零则则为为绝绝对瞬心对瞬心;若不等于零则为;若不等于零则为相对瞬心,相对瞬心,即:即:VP1=V P2 或或 VP1P20BvBAvA PvA2A1vB2B1A2(A1)P12B2(B1)21 2 1第5页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用2.2 速度瞬心的性质速度瞬心的性质1)两构件上两构件上相对速度为零相对速度为零的重合点的重合点VP1P20,且是瞬时的。,且是瞬时的。2)当)当VP1=VP2=0,称为称为绝对瞬心绝对瞬心,即其中一构件为,即其中一构件为机架机架;相对;相对 机架的绝
5、对瞬时转动。机架的绝对瞬时转动。3)当)当VP1=VP20,称为称为相对瞬心相对瞬心,即两构件均为活动构件;,即两构件均为活动构件;4)两构件之间的相对运动可视为绕)两构件之间的相对运动可视为绕速度瞬心速度瞬心的转动。的转动。5)相对速度)相对速度VP1P2=0,但相对加速度,但相对加速度aP1P20。第6页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用2.3 机构中速度瞬心的数目 k个构件组成的机构(包括机架),其总的瞬心数为:2.4 机构中速度瞬心位置的确定机构中速度瞬心位置的确定(1)直观法)直观法通过运动副直接通过运动副直接连接的两个构件连接的两个构件1234第7页/共54页P12
6、12转动副连接的两个构件转动副连接的两个构件结论:结论:组成转动副的两构件其速度瞬心组成转动副的两构件其速度瞬心在转动副中心在转动副中心P1221移动副连接的两个构件移动副连接的两个构件结论:结论:组成移动副的两构件其速度瞬心组成移动副的两构件其速度瞬心在垂直于导路线的无穷远处在垂直于导路线的无穷远处2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用第8页/共54页高副连接的两个构件高副连接的两个构件(纯滚动)(纯滚动)12MP12 1212 nnt12M高副连接的两个构件高副连接的两个构件(存在滚动和滑动)(存在滚动和滑动)1212 P12?t结论:结论:组成高副的两构件其速度瞬心在接触点的公法线上;
7、组成高副的两构件其速度瞬心在接触点的公法线上;特别地,若为纯滚动,因接触点的特别地,若为纯滚动,因接触点的相对速度为零相对速度为零,则瞬心则瞬心在接触点处在接触点处。2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用第9页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用(2)间接法)间接法三心定理三心定理定理:作平面运动的三个构件共有三个瞬心,它们位于同一条直线上。31322P12P13VK2VK3(K2,K3)K 设:K代表P23,假设K不在P12、P13连线上,根据瞬心定义:假设不成立(连起码的方向都不可能一致),因而K不是瞬心,只有在连线上才能保证同方向。由图可知:VK2VK3反证法:(同速点)
8、VK2=VK3证明(P23位于P12、P13的连线上)(为方便起见,设1固定不动)第10页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用例:求图示机构所有的速度瞬心例:求图示机构所有的速度瞬心解:解:1.瞬心数瞬心数 K=4(4-1)/2=6 2.直观法可得直观法可得P12、P23、P34、P41。3.三心定理法三心定理法实际上可以根据瞬心下标进行瞬心确定实际上可以根据瞬心下标进行瞬心确定下标消去法。下标消去法。4213P14P12P23P34P24P13P241243P12P23P34P14P13定P13:P34、P14P13(消去脚注中的4);P12、P23P13(消去脚注中的2)。同
9、理可定P24。第11页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用2.5 速度瞬心法在机构速度分析中的应用速度瞬心法在机构速度分析中的应用(1)铰链四杆机构)铰链四杆机构P13P24VP133412KP121P34P23P143Vk2VP23VP12例:各构件尺寸、例:各构件尺寸、机构位置、构件机构位置、构件1的的角速度角速度 1均已知,均已知,求连杆上点求连杆上点K的速度的速度Vk及构件及构件3的角速度的角速度 3。第12页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用=P13P34 l 3 VP13 =P13P14 l 1 3=1P13P14/P13P34=P12P24 l 2
10、VP12 =P12P14 l 1 2=1P12P14/P12P24P13P24VP133412KP121P34P23P143Vk2VP23VP12 Vk=KP24 l 2 方向垂直于K与P24连线,且与2一致。第13页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用结论:结论:相对瞬心用于建立两构件之间角速度关系相对瞬心用于建立两构件之间角速度关系;绝对瞬心用于确定活动构件上任一点的速度方向绝对瞬心用于确定活动构件上任一点的速度方向。(2)曲柄滑块机构)曲柄滑块机构例:图示曲柄滑块机构,求例:图示曲柄滑块机构,求V3。P24P14P12P34 P1341231P23P34 平平移移法法:组组
11、成成移移动动副副两两构构件件的的瞬瞬心心线线可可以以垂垂直直于于导导路路线线随意平移。随意平移。V3=V3P13=V1P13=P14P13 l 1第14页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用 V2=V2P12=V1P12=P12 P13 l 1P12P13P23 P12所在线P23 1231(3)滑)滑动兼滚动的高副机构动兼滚动的高副机构(齿轮、凸轮机构齿轮、凸轮机构)例:已知各构件的尺寸、凸轮的角速度例:已知各构件的尺寸、凸轮的角速度 1,求推杆速度求推杆速度V2。12P12P23P13第15页/共54页例例:已已知知图图示示六六杆杆机机构构各各构构件件的的尺尺寸寸、偏偏心心轮
12、轮1的的角角速速度度 1求推杆速度求推杆速度V5。V5=VP15=P16 P15 l 11234561P56 P35P12P16P34P46P23 P56 P56 P36P13P152 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用第16页/共54页2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中应用例例:求图示六杆机构的速度瞬心。求图示六杆机构的速度瞬心。123465P24P13P15P25P26P35(2)直接观察求瞬心)直接观察求瞬心(3)三心定理求瞬心三心定理求瞬心P46P36123456P14P23P12P16P56P45解:瞬心数N6(65)215 (1)作瞬心多边形圆P34第17页/共54页知识回顾和
13、问题知识回顾:问题:问题:1、机构运动分析的目的和方法;、机构运动分析的目的和方法;2、速度瞬心的定义、特性、数目和位置求取、速度瞬心的定义、特性、数目和位置求取;3、间接法即三心定理求速度瞬心的位置;、间接法即三心定理求速度瞬心的位置;1、机构运动分析的目的是什么?通常、机构运动分析的目的是什么?通常有哪几种方法?有哪几种方法?2、什么是三心定理?如何应用其求取、什么是三心定理?如何应用其求取速度瞬心?速度瞬心?3、什么是速度瞬心?速度瞬心数如、什么是速度瞬心?速度瞬心数如何求?如何利用直观法确定速度瞬何求?如何利用直观法确定速度瞬心的位置?心的位置?P12P13P23 P12所在线P23
14、1231第18页/共54页知识回顾和问题P1221移动副连接的两个构件移动副连接的两个构件P1212转动副连接的两个构件转动副连接的两个构件nnt12M高副连接的两个构件高副连接的两个构件(存在滚动和滑动)(存在滚动和滑动)1212 P12?t高副连接的两个构件高副连接的两个构件(纯滚动)(纯滚动)12MP12 1212 第19页/共54页理论力学方面知识回顾相对运动牵连运动绝对运动用点的合成运动理论分析点的运动时,必须选定两个参考系,区分三种运动:(1)动点相对于定参考系的运动,称为绝对运动;(2)动点相对于动参考系的运动,称为相对运动;(3)动参考系相对于定参考系的运动,称为牵连运动;(4
15、)动点相对于定参考系的速度、加速度,称为动点的绝对速度va、绝对加速度aa;(5)动点相对于动参考系的速度、加速度,称为动点的相对速度vr、相对加速度ar;(6)在动参考系上与动点相重合的那一点(牵连点)的速度和加速度称为动点的牵连速度ve和牵连加速度ae。第20页/共54页理论力学方面知识回顾点的速度合成定理:动点在某一瞬时的绝对速度等于它在该瞬时的牵连速度与相对速度的矢量和。点点的的加加速速度度合合成成定定理理:动动点点在在某某瞬瞬时时的的绝绝对对加加速速度度等等于于该该瞬瞬时它的牵连加速度、相对加速度与哥氏加速度的矢量和。时它的牵连加速度、相对加速度与哥氏加速度的矢量和。其中:其中:,为
16、哥氏加速度,为哥氏加速度第21页/共54页理论力学方面知识回顾哥氏加速度等于哥氏加速度等于牵连角速度矢与点的相对速度矢牵连角速度矢与点的相对速度矢的矢积的两倍。的矢积的两倍。ak的大小为:的大小为:其其中中q q为为 e与与vr两两矢矢量量间间的的最最小小夹夹角角。矢矢ak方方向向垂垂直直于于 e和和vr,指指向向按按右右手螺旋法则确定手螺旋法则确定。工工程程中中常常见见的的平平面面机机构构中中 e和和vr是是垂垂直直的的,此此时时ak=2 evr;且且vr按按 e转向转转向转90就是就是ak的方向。的方向。第22页/共54页当牵连运动为平动时,当牵连运动为平动时,e=0,因此,因此ak=0,
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