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文档简介
Chapter3Kinematicsandforcesanalysisofplanarmechanisms,(第3章平面机构的运动分析和力分析),Problems:,Positions(轨迹)/Angularpositions(角位移)Velocities(速度)/Angularvelocities(角速度)Accelerations(加速度)/AngularAccelerations(角加速度).,Purpose:,Itisabaseforforceanalysistounderstandthekinematicspropertiesofexistingmechanisms(了解现有机构的运动性能,为受力分析奠定基础).,Means:,1)Instantcenter(瞬心法)(vand);2)VectorequationGraphicalMethod(矢量方程图解法)3)Analysismethod(解析法)(上机计算).,Tasksandmethodsofkinematicanalysisofmechanisms(机构运动分析的目的和方法),3.1Instantcenterofvelocity,(速度瞬心),3.1.1Instantcenterofvelocity(速度瞬心),Thedefinitionofaninstantcenterofvelocityisacoincidentpoint,commontotwolinks/bodiesinplanemotion,whichpointhasthesameabsolutevelocityandnorelativeveloctiy(两个互作平行平面运动的构件上绝对速度相等、相对速度为零的瞬时重合点称为这两个构件的速度瞬心,简称瞬心。瞬心用符号Pij表示).,e.g.P12istheinstantcenterofvelocitybetweenlink1andlink2.,1.Absoluteinstantcenter(绝对瞬心),绝对速度为零的瞬时重合点。,2.Relativeinstantcenter(相对瞬心),绝对速度不为零的瞬时重合点。,3.1.2Numberofinstantcentersofamechanism(机构中瞬心的数目),DenotedasK:,Note:TheframeisincludedinthenumberN.注意:N为包括机架在内的所有构件数。,3.1.3Locationoftheinstantcenteroftwolinksconnectedbyakinematicpair(机构中瞬心位置的确定),1.Observableinstantcenter(直接构成运动副的两构件的瞬心),(1)Revolutepair(转动副连接),Thecenteroftherevolutepairistheinstantcenter(铰链点即为瞬心).,(2)Slidingpair(移动副连接),Infinityineitherdirectionperpendiculartotheguide-way(瞬心在垂直于导路无穷远处),(3)Planarhigherpairs(平面高副)(rollingandslidingpair),Somewhereonthecommonnormaln-nthroughtheconnectingpointA(瞬心在接触点的公法线上;若为纯滚动,瞬心在接触点上),Ifv120,P12liesonthecommonnormaln-n.,Ifv12=0,P12isApoint;,2.TheoremofthreecentersAronhold-KennedyTheorem(三心定理)(unobervableinstantcenters),proof:,SupposeP23isatKpoint,as,Toobtainthesamedirectionoftwovelocity,KpointmustlieonthelinethroughP12andP13points.,So,P12,P23andP13mustlieonthesameline.,vK2vK3,Example1:Forthefour-barmechanismshownasfollow,locateallinstantcentersforthemechanism.,Solution:,P12、P23、P34、P14(observableinstantcenters),P13,P14、P34,P12、P23,P24,P12、P14,P23、P34,P24,P13,Thesolutionofeachlinkinstantcentersrepresentbyapolygongraph.Alinebetweenthedotsrepresentingthelinkpairseachtimewefindaninstantcenter.Thetrianglecomposedbylinesrepresentsthreeinstantcentersandthreecentersarecollinear.,Example:,Example2:Findingallinstantcentersforaslider-crankmechanism。,Solution:,3.1.4Velocityanalysiswithinstantcenters,Example1:w1isgivenintheslider-crankmechanism,findtheratiooftransmissioni13andw3.,Solution:,Solution:,Example2:w1isgiveninthecammechanism,findthevelocityv2ofthefollower2.,Exercise:forthefive-barlinkage,supposethatthedrivinglinks2and3arerotatingwithconstantangularvelocityw2=10rad/s(ccw)andw3=5rad/s(cw),respectively.Determinethecouplersw4andw5.,2,1,4,5,3,3.3.1Goalsandcontentsofforcesanalysisconsideringinfluencesoffriction,Goals:,Analyzetheeffectsoffrictioninkinematicpairsinmechanismsandreducethedisadvantages.,Contents:,1)Introductionoffrictioninseveralkinematicpairs;2)Forceanalysisconsideringinfluencesoffriction;3)Mechanicalefficiencyandself-locking.,3.3Forcesanalysisofmechanisms,(机构的受力分析),1.Frictioninkinematicpairs,1)determinationoffrictionforceinslidingpairs,FR21compositeforce(合外力)FN21normalreactionforce(法向反力);F21friction(摩擦力)。,F21,direction:directionofF21isoppositetothatofv12.magnitude:F21isproportionaltoFN21withfrictioncoefficientfbeingacertainvalue.F21=fFN21,3.3.2Forceanalysisconsideringinfluencesoffriction,(1)Frictioninslidingpairs,2)Determinationofreactionforceinkinematicpairs,FN21andF21aretheforceslink2actingonlink1andthereactionforceFR21isthecompositionofthem.,direction:anglebetweenFR21andv12is(90+j),magnitude:,supposeincludedanglebetweenFR21andFN21isj,j=arctanf,frictionangle。,FR21,Underdifferentsituations,reactionforceshouldbeasfollows:,当外力F的作用线位于接触表面ab之内时构件1与构件2仅一面受力,FR21如图a所示。,当外力F的作用线位于接触表面ab之外时构件1除了移动之外,还要发生倾转,FR21如图b所示。,当外力F的作用线平行移动轴线并距移动轴线h时,构件1除了移动之外,还要发生倾转,FR21如图c所示。,Example:Link1movesataconstantspeedonaslantoflink2,loadingisFQ,frictioncoefficientisf,drivingforceisF(horizontal)andaisgiven。DetermineFR21=?F=?whenlink1movealongaslantupanddownataconstantspeed.,Solution:1)Forceanalysisonlink1whenitmoveupataconstantspeed.,FQ+F+FR21=0,F=FQtan(a+j),FR21=FQ/cos(a+j),2)Forceanalysisonlink1whenitmovedownataconstantspeed.,Conclusion:thedifferentdirectionofFR21isduetothedifferentdirectionofrelativevelocity.,FQ+F+FR21=0,F=FQtan(a-j),FR21=FQ/cos(a-j),2.Frictioninrevolutepairs(radialshaftfriction径向轴颈摩擦),1)Fig.a,当构件1与构件2没有相对转动时,其接触点在A点,此时FN21=-FQ,此二力共线,等值反向。,2)Fig.b,在Md的驱动下使轴颈匀速转动,由于摩擦力的存在,构件1在构件2的AB弧段向上爬升,直至B点达到平衡。,平衡条件为,Fy=0FQ=FR21,MO=0Md=Mr,fv(当量摩擦系数)通过理论推导,有,跑合轴颈:fv=1.27f,非跑合轴颈:fv=1.57f,Mr=F21r=FR21r,根据力学观点,若Md与FQ的总合力为FQ,其距离为e,,1)当eMr,构件1作加速转动。,在考虑摩擦受力分析时,常将FQ用FRij表示。,r=fvr为定值。,式中r称为摩擦圆半径。,转动副中总反力的确定:,2)FRAB对轴心取矩的方向与wBA转向相反;,1)FRAB作用线切于摩擦圆;,3)根据整体平衡条件确定FRAB的唯一确切位置。,整体平衡条件包括:若该构件为二力构件,明确其受拉还是受压;若该构件是三力构件,此三力必汇交于一点;若该构件受一个力矩和两个力作用,此时该二力必构成一力偶与力矩达到平衡;等等。,FRAB,步骤如下:,1)明确机构中驱动力(矩)和阻力(矩),搞清运动趋势。,2)画受力图。必须从受力最少构件入手,然后分别画出其他构件受力图。,3)求未知量。从有已知力(矩)的构件入手,根据平衡条件求出未知力(矩),然后以此构件为基准,由近及远分析其它构件,直至求出未知量。,2.考虑摩擦的机构受力分析,Example1:Asshowninfigure,four-barlinkage,positions,sizes,fv,r,drivingforceFandresistanttorqueM3ofthemechanismaregiven,findthepositionanddirectionofreactionforcesineachkinematicpairbytheeffectofF.,Solution:,Link2:,Link1:,Link3:,r=fvr,FR12+FR32=0,F+FR21+FR41=0,FR23+FR43=0M3=FR23h,Solution:,Link2:,Link3:,Link1:,r=fvr,j=arctanf,FR12+FR32=0,FQ+FR23+FR43=0,FR21+FR41=0M1=FR21h,ChoosemN,FR21=M1/hFQ=FQmN,Solution:,Link1:,Link2:,F+FR21+FR31=0,FQ+FR12+FR32=0,FQ,F,1,2,3,4,Example4:Positions,sizes,frictionanglejbetweentheslidingpairandfrictioncirclesaregiveninthefollowingclampingmechanism,PleasedrawallreactionforcelinesofkinematicpairunderthedrivingforceFandt
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