第3章-平面机构的运动分析ppt课件.ppt

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1、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、角速度及角加速度。3-1 3-1 机构运动分析的任务、目的和方法机构运动分析的任务、目的和方法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 确确定定机机构构的的位位置置（位位形形），绘绘制制 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

2、杆曲线）。确定点的轨迹（连杆曲线）。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律是否满足工作要求。如规律是否满足工作要求。如牛头刨牛头刨床；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3-2 3-2 用速度瞬心法作平面机构的速度分析用速度瞬心法作平面机构的速度分析速

3、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

4、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。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

5、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

6、置需要根据其它条件确定。V1212P122.不直接相联两构件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的构件的三个瞬心必位于同一直线上。三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于同一直线上。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

7、针针方方向向旋转时旋转时，求图示位置时其他从动件的角速度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=6两种方法：两种方法：排列组合法排列组合法瞬心多边形法：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。瞬瞬 心心 P13、P24用用三三 心心 定定 理理 来来 求求P24P133241421234P12P34P14P232 2、求出全部瞬心、求出全部瞬心P24P13324142P12P34P14P23P P2424为构件为构件2 2、4 4等速重合点等

8、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21344123例例2：图示为一曲柄滑块机构，设各构件尺寸为已知，又已知原图示为一曲柄滑块机构，设各构件尺寸为已知，又已知原动件动件1 1角速度角速度 1 1，现需确定图示位置时从动件现需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123K例例3 图图示示为为一一凸凸

9、轮轮机机构构，设设各各构构件件尺尺寸寸为为已已知知，又又已已原原动动件件 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：先求出构件先求出构件2 2、3 3的瞬心的瞬心P2323 P13nn123P12P13P233-3 3-3 用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析一、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 基本原理基本原理理论力学理论力学运动合成原理。运动合成原理。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

10、对运动相对运动相对运动相对运动 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 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：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)2二、同一构件上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构的速度分析和加速度分析的具体步骤。机构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

11、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。（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）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

12、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多边形相似。的多边形相似。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绝对对速

13、速度度，方方向向由由极极点点p 指指向该点。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点的速度。三点的速度。2）在速度多边形中，联接绝对速度矢端两点的矢量，代）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，例如表构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(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 ncb

14、p极点极点ecp 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 lBE同理，按照上述方法作出矢量多边形。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的的加加速速度度影影像像，字字母的顺序方向一致。母的顺序方向一致。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

15、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。1ADC1432B 1三、两构件三、两构件重合点重合点重合点重合点间的

16、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，构件求出，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

17、等。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：速度分析：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

18、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度分析：分析：？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

19、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？Cc2(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。由加速度多边形可得：（顺时针）顺时针）c2(c3)c1PCA441D132B 1akC2C1arC2C1aC1naC1tC c1 n c2(c3)k patC3arC2C1B123B123B123B1231B23B123B123B123无无ak无无ak有有ak有有ak有有ak 有

20、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；如如图图所所示示为为一一偏偏心心轮轮机机构构。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以以角角速速度度 2等等速速度度转转动动。现现需需求求机机构构在在图图示示位位置置时时，滑滑块块5移移动动的的速速度度vE、加加速速度度aE；构构件件3、4、5的的角角速速度度 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

21、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)a33a663DB2256C44xxA2.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)（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=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

22、方向与(3)求求aE：利用影像法求解利用影像法求解(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 vrE6E5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：分清相对运动问题的两种类型第二步：分清相对运动问题的两种类型 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知数只能有两个未知数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

23、量绝对矢量和和相对矢量相对矢量的作法，并掌握判别指向的作法，并掌握判别指向的规律的规律2.（2）比例尺的选取。）比例尺的选取。3.3.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4.4.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5.5.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。典典型型例例题题一一：如如图图所所示示为为一一摇摇动动筛筛的的机机构构运运动动简简图图。设设已已知知各各构构件件的的尺尺寸寸，并并知知原原动动件件2以以等等角角速速度度 2回回转转。要要求求作作出出机机构构在在图图示位置时的速度多

24、边形。示位置时的速度多边形。3-4 3-4 瞬心法和矢量方程图解法的综合运用瞬心法和矢量方程图解法的综合运用作作机机构构速速度度多多边边形形的的关关键键应应首先首先定点定点C速度速度的方向。的方向。定定点点C速速度度的的方方向向关关键键是是定定出构件出构件4 4的的绝对瞬心绝对瞬心P P1414的位置。的位置。根根据据三三心心定定理理可可确确定定构构件件4 4的的绝对瞬心绝对瞬心P P1414。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。解题分析：解题分析：这是一种结构比较复杂的六这是一种结构比较复杂的六杆机构杆机构(III(III级

25、机构级机构)。123465ABCEDGF 2123465ABCEDGF 2解题步骤：解题步骤：1.确定瞬心确定瞬心P14的位置的位置2.图解法求图解法求vC、vD123456K=N（N1）/2=6（61）/2=15P14 vC的方向垂直的方向垂直P16P15P64P45pebdc3.利用速度影像法作出利用速度影像法作出vE典典型型例例题题二二：图图示示为为由由齿齿轮轮连连杆杆组组合合机机构构。原原动动齿齿轮轮2绕绕固固定定轴轴线线O转转动动，齿齿轮轮3同同时时与与齿齿轮轮2和和固固定定不不动动的的内内齿齿轮轮1相相啮啮合合。在在齿齿轮轮3上上的的B点点铰铰接接着着连连杆杆5。现现已已知知各各构

26、构件件的的尺尺寸寸，求求机机构构在在图示位置时构件图示位置时构件6的角速度的角速度 6。P13为绝对瞬心为绝对瞬心,P23为相对瞬心为相对瞬心解：解：kg3g g2 2acP13P23(o,d,e)g1,pb3.位置分析位置分析列机构矢量封闭方程列机构矢量封闭方程一、矢量方程解析法一、矢量方程解析法图图示示四四杆杆机机构构，已已知知机机构构各各构构件件尺尺寸寸及及原原动动件件1的的角角位位移移1和角速度和角速度1，现对机构进行位置、速度、加速度分析。现对机构进行位置、速度、加速度分析。2.标出杆矢量标出杆矢量xy1.建立坐标系建立坐标系3-5 3-5 用解析法作机构的运动分析用解析法作机构的运

27、动分析4.速度分析速度分析5.加速度分析加速度分析二、复数矢量法二、复数矢量法杆矢量的复数表示：杆矢量的复数表示：机构矢量封闭方程为机构矢量封闭方程为速度分析速度分析求导求导加速度分析加速度分析求导求导xy位置分析位置分析位置分析位置分析三、矩阵法三、矩阵法利用复数法利用复数法的分析结果的分析结果求导求导变形变形速度分析速度分析速度分析速度分析矩阵形式矩阵形式速度方程的一般表达式：速度方程的一般表达式：A =1 1 B 其中其中:A机构从动件的位置参数矩阵；机构从动件的位置参数矩阵；机构从动件的角速度矩阵；机构从动件的角速度矩阵；B 机构机构原原动件的位置参数矩阵；动件的位置参数矩阵；1 1机

28、构机构原原动件的角速度。动件的角速度。求导求导加速度矩加速度矩阵形式阵形式加速度分析加速度分析速度分析速度分析矩阵形式矩阵形式加速度方程的一般表达式：加速度方程的一般表达式：A =-A+1 1 B 其中：其中：机构从动件的加角速度矩阵；机构从动件的加角速度矩阵；A ddA/dt/dt；B ddB/dt/dt；解解析析法法作作机机构构运运动动分分析析的的关关键键：正正确确建建立立机机构构的的位位置置方方程程。至至于于速速度度分分析析和和加加速速度度分分析析只只不不过过是是对对位位置置方方程程作作进进一一步步的的数数学学运运算而已。算而已。该该方方法法的的缺缺点点：对对于于每每种种机机构构都都要要

29、作作运运动动学学模模型型的的推推导导，模模型型的的建立比较繁琐。建立比较繁琐。例例题题：用用矩矩阵阵法法求求连连杆杆上上点点P的的位位置、速度和加速度置、速度和加速度xyPba用解析法作机构的运动分析小结：用解析法作机构的运动分析小结：机构运动分析机构运动分析转换成标量转换成标量建立坐标系建立坐标系标出杆矢量标出杆矢量机构位置、速度、机构位置、速度、加速度分析加速度分析列矢量封闭方程式列矢量封闭方程式矢量方程解析法矢量方程解析法复数法复数法矩阵法矩阵法四、典型例题分析四、典型例题分析如图所示为一牛头刨床的机构运动如图所示为一牛头刨床的机构运动简图简图.设已知各构件的尺寸为设已知各构件的尺寸为:

30、原动件原动件1的方位角的方位角 和等角和等角速度速度 .求导杆求导杆3的方位角的方位角 ,角速度角速度 及及角加速度角加速度 和刨头和刨头5上点上点E的位移的位移 及加速度及加速度 .分别用复数法和矩阵法求解。分别用复数法和矩阵法求解。复数法复数法1.1.建立一直角坐标系建立一直角坐标系2.2.标出各杆矢及方位角标出各杆矢及方位角.共有四个未知量共有四个未知量 3.3.未知量求解未知量求解（1 1）求）求 由封闭图形由封闭图形ABCA列矢量方程列矢量方程 用用i 和和j 点积点积求导求导用用e3点积点积用用点积点积求导求导求导求导用用e3点积点积用用点积点积（2）求）求 由封闭图形由封闭图形C

31、DEGC可得可得 用用i 和和j 点积点积求导求导用用e4点积点积用用 j点积点积求导求导矩阵法矩阵法由该机构的两个矢量封闭形由该机构的两个矢量封闭形将位移方程对时间取一次导数将位移方程对时间取一次导数得速度矩阵得速度矩阵未知未知量可量可求求将位移方程对时间取二次导数，得加速度矩阵将位移方程对时间取二次导数，得加速度矩阵由计算机计算，可得机构运动线图由计算机计算，可得机构运动线图位置线图位置线图速度线图速度线图加速度线图加速度线图图解法图解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矢量方程图解法的基本原理矢量方程图解法的基本原理同同一一构构件件上上两两点点间间的的速速度度及及加加速度的

32、关系速度的关系两两构构件件重重合合点点间间的的速速度度和和加加速速度的关系度的关系速度瞬心的定义速度瞬心的定义机构中瞬心数目和位置的确定机构中瞬心数目和位置的确定瞬心的应用瞬心的应用解析法解析法矢量方程解析法矢量方程解析法复数矢量法复数矢量法矩阵法矩阵法本本 章章 小小 结结精品课件精品课件！精品课件精品课件！矢量方程图解矢量方程图解（相对运动图解法）（相对运动图解法）依据的原理依据的原理理论力学中的理论力学中的运动合成原理运动合成原理1、根据运动合成原理列机构运动的矢量方程、根据运动合成原理列机构运动的矢量方程2、根据按矢量方程图解条件作图求解、根据按矢量方程图解条件作图求解基本作法基本作法同一构件上两点间速度及加速度的关系同一构件上两点间速度及加速度的关系两构件重合点间的速度和加速度的关系两构件重合点间的速度和加速度的关系机构运动机构运动分析两种分析两种常见情况常见情况