第3章平面机构的运动分析

1、湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 第三章第三章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析31机构运动分析的目的与方法机构运动分析的目的与方法32速度瞬心及其在机构速度分析中的应用速度瞬心及其在机构速度分析中的应用33用矢量方程图解法作机构速度和加速度用矢量方程图解法作机构速度和加速度 分析分析34综合运用瞬心法和矢量方程图解法对复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杂机构进行速度分析35用解析法作机构的运动分析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ACBED31 机构运动分析的目的与方法机构运动分析的目的与方法设计任何新的机械，都必须进

2、行运动分析工作。以确定机械是否满足工作要求。1.位置分析位置分析研究内容：位置分析、速度分析研究内容：位置分析、速度分析和加速度分析。和加速度分析。确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。 确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。确定构件确定构件(活塞活塞)行程，行程， 找出上下极限位置。找出上下极限位置。从构件从构件点的轨迹点的轨迹构件位置构件位置速度速度加速度加速度原动件的原动件的运动规律运动规律内涵：内涵：确定点的轨迹（连杆曲线）。确定点的轨迹（连杆曲线）。HEHD湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 2.2.速

3、度分析速度分析 通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足 工作要求。如牛头刨工作要求。如牛头刨为加速度分析作准备。为加速度分析作准备。3.加速度分析加速度分析的目的是为确定惯性力作准备。的目的是为确定惯性力作准备。方法：方法： 图解法图解法简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐。解析法解析法正好与以上相反。正好与以上相反。实验法实验法试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决 实现预定轨迹问题。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12A2(A1)B2(B

4、1)32 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用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：速度瞬心机构速度分析的图解法有：速度瞬心法、相对运动法、线图法。法、相对运动法、线图法。瞬心法尤瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析。其适合于简单机构的运动分析。一、一、速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法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。P21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。 VA2A1VB2B1Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0两个作平面运动构件上两个作平面运动构件上速度相同速度相同的的一对一对重合点重合点，在某一，在某一瞬时瞬时两构件相两构件

5、相对于该点作对于该点作相对转动相对转动 ，该点称瞬时该点称瞬时速度中心。速度中心。求法？1)1)速度瞬心的定义速度瞬心的定义湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 特点：特点： 该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。 2）瞬心数目）瞬心数目 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P12P23P13构件数构件数 4 5 6 8瞬心数瞬心数 6 10 15 281 2 3若机构中有若机构中有n个构件，则个构件，则N Nn(n-1)/2n(n-1)/2 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。湖南理工学院专用 作者： 潘存云

6、教授 121212tt123）机构瞬心位置的确定）机构瞬心位置的确定1.直接观察法直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。nnP12P12P122.三心定律三心定律V12定义：定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬三个瞬心心，且它们，且它们位于同一条直线上位于同一条直线上。此法特别适用。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。于两构件不直接相联的场合。例：例： 铰链四杆机构的瞬心铰链四杆机构的瞬心 P40 图图3-4湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授3214举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心

7、。举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。P141234P12P34P13P24P23解：瞬心数为：解：瞬心数为：1.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心三心定律求瞬心N Nn(n-1)/2n(n-1)/26 n=46 n=4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123465P24P13P15P25P26P35举例：举例：求图示六杆机构的速度瞬心。求图示六杆机构的速度瞬心。解：瞬心数为：解：瞬心数为：N Nn(n-1)/2n(n-1)/215 n=615 n=61.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.

8、三心定律求瞬心三心定律求瞬心P46P36123456P14P23P12P16P34P56P45湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 1 1123四、速度瞬心在机构速度分析中的应用四、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度求线速度已知凸轮转速已知凸轮转速1 1，求推杆的速度。，求推杆的速度。P23解：解：直接观察求瞬心直接观察求瞬心P13、 P23 。V2求瞬心求瞬心P12的速度的速度 。 V2V P12l(P13P12)1 1长度长度P13P12直接从图上量取。直接从图上量取。P13 根据三心定律和公法线根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置求瞬心的位置P12 。nnP12湖南理工学院专用

9、 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授P24P132 22.求角速度求角速度解：瞬心数为解：瞬心数为 6个个直接观察能求出直接观察能求出 4个个余下的余下的2个用三心定律求出。个用三心定律求出。求瞬心求瞬心P24的速度的速度 。VP24l(P24P14)4 4 2 (P24P12)/ P24P14 a)铰链机构铰链机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件4的角速度的角速度4 4 。 VP24l(P24P12)2P12P23P34P14方向方向: 顺时针顺时针, 与与2 2相同。判断相同。判断P40P40相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同VP2423414 4湖南理工

10、学院专用 作者： 潘存云教授 312b)高副机构高副机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件3的角速度的角速度3 3 。2 2解解: 用三心定律求出用三心定律求出P P2323 。求瞬心求瞬心P P2323的速度的速度 :VP23l(P23P13)3 3 3 32 2( (P12P23/ /P13P23) )P P1212P P1313方向方向: 逆时针逆时针, 与与2 2相反。相反。VP23VP23l(P23P12)2 2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。n nn nP P23233 3湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 312P P2323P P1313P P1

11、2123.求传动比求传动比定义：两构件角速度之比传动比。定义：两构件角速度之比传动比。3 3 /2 2 P12P23 / / P13P23推广到一般：推广到一般： i i /j j P1jPij / / P1iPij结论结论: :两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对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瞬心的距离之反比。角速度的方向为：角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧同一侧时，两构件时，两构件转向相同转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心相对瞬心位于两绝对瞬心之间之间时，两构件时，两构件转向相反。转向相反。2 23 3湖南理工学院专用 作者： 潘存

12、云教授 4.4.用瞬心法解题步骤用瞬心法解题步骤绘制机构运动简图；绘制机构运动简图；求瞬心的位置；求瞬心的位置；求出相对瞬心的速度求出相对瞬心的速度; ;瞬心法的优缺点：瞬心法的优缺点：适合于求简单机构的速度，机构复杂时因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。瞬心数急剧增加而求解过程复杂。 有时瞬心点落在纸面外。有时瞬心点落在纸面外。仅适于仅适于求速度求速度V V, ,使应用有一定局限性。使应用有一定局限性。求构件绝对速度求构件绝对速度V V或角速度或角速度。湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 CD33 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

13、构速度和加速度分析一、基本原理和方法一、基本原理和方法1.矢量方程图解法矢量方程图解法 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：知条件的不同，上述方程有以下四种情况：设有矢量方程：设有矢量方程： D A + B + C D A + B + C大小：大小： ？ ？ 方向：方向： DABCAB D A + B + C 大小：？大小：？ 方向：？方向：？ 湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 BCB D A + B + C 大小：大小： 方向：方向： ？ ？ D A + B + C大小：大小： ？ 方向：方向： ？ D

14、ACDA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) 速度之间的关系速度之间的关系选速度比例尺选速度比例尺v m/s/mm，在任意点在任意点p作图使作图使VAvpa，ab同理有：同理有： VCVA+VCA 大小：大小： ? ? 方向：方向： ? CA? CA相对速度为：相对速度为： VBAvabVBVA+VBA按图解法得：按图解法得： VBvpb, 不可解！不可解！p设已知大小：设已知大小： 方向：方向： BABA? ?方向：方向：p b方向：方向： a b BAC湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 abpc同理有：

15、同理有： VCVB+VCB大小：大小： ? ?方向：方向： ? CB? CBVCVA+VCA VB+VCB不可解！不可解！联立方程有：联立方程有：作图得：作图得：VCv pcVCAv acVCBv bc方向：方向：p c方向：方向： a c 方向：方向： b c 大小：大小： ? ? ? 方向：方向： ? CA CB? CA CBACB湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授ACBcabpVBA/L/LBABAvab/l AB 同理：同理：vca/l CA称称pabc为为速度多边形速度多边形（或速度图解（或速度图解) ) p p为为极点。极点。得：得：ab/ABbc/ BCca/

16、CA abcabcABCABC 方向：方向：CW强调用相对速度求vcb/l CBcabp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cabpACB速度多边形速度多边形的性质的性质:联接联接p点和任一点的向量代表该点和任一点的向量代表该 点在机构图中同名点的绝对速点在机构图中同名点的绝对速 度，指向为度，指向为p该点。该点。联接任意两点的向量代表该两点联接任意两点的向量代表该两点 在在机构图中同名点的相对速度，机构图中同名点的相对速度， 指向与速度的下标相反。如指向与速度的下标相反。如bc代代 表表VCB而不是而不是VBC ，常用相对速，常用相对速 度来求构件的角速度。

17、度来求构件的角速度。abcabcABCABC，称，称abcabc为为ABCABC的速的速 度影象，两者相似且字母顺序一致。度影象，两者相似且字母顺序一致。 前者沿前者沿方向转过方向转过9090。称。称pabcpabc为为 PABCPABC的速度影象。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！特别注意：影象与构件相似而不是与机构位形相似！P极点极点p代表机构中所有速度为零的点的影象。代表机构中所有速度为零的点的影象。绝对瞬心D湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授cabp作者：潘存云教授ACB速度多边形的用途：速度多边形的用途： 由两点的速度可求任意点的速度由两点

18、的速度可求任意点的速度。例如，求例如，求BCBC中间点中间点E E的速度的速度V VE E时，时，bcbc上中间点上中间点e e为为E E点的影点的影象，联接象，联接pepe就是就是V VE EEeD湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 b作者：潘存云教授BAC2) 加速度关系加速度关系求得：求得：aBapb选加速度比例尺选加速度比例尺a m/s2/mm，在任意点在任意点p作图使作图使aAapab”设已知角速度设已知角速度，A点加速度和点加速度和aB的方向的方向A B两点间加速度之间的关系有：两点间加速度之间的关系有： aBaA + anBA+ atBAatBAab”b方向方向: b” baB

19、Aab a方向方向: a bb 大小：大小： 方向：方向：?BABA?BABA2 2lABaAaBap湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授aCaA + anCA+ atCA aB + anCB+ atCB 又：又： aC aB + anCB+ atCB不可解！不可解！联立方程：联立方程：同理：同理： aCaA + anCA+ atCA 不可解！不可解！作图求解得作图求解得: : atCAac”c atCBacc”方向：方向：c” c 方向：方向：c” c 方向：方向：p c ? ? ? ? ? ? BAC大小：大小： ? 方向：方向： ? 2 2lCACACA? ? CACA

20、大小：大小： ? 方向：方向： ?2 2lCBCBCB? ?CBCBbb”apc”c”caCapc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：角加速度：atBA/ lAB得：得：ab/ lABbc/ lBC a c/ lCA称称p pa ab bc c为为加速度多边形加速度多边形（或速度图解），（或速度图解）， p p极点极点 abcABC 加速度多边形的特性：加速度多边形的特性：联接联接p点和任一点的向量代表该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点在机构图中同名点的绝对加速 度，指向为度，指向为p该点。该点。aBA ( (atBA) )2

21、2+ ( (anBA) )2 2aCA ( (atCA) )2 2+ ( (anCA) )2 2aCB ( (atCB) )2 2+ ( (anCB) )2 2方向：方向：CCWa b”b /l ABbb”apc”c”cBAClCA 2 + + 4lCB 2 + + 4lAB 2 + + 4aaba aca 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BAC联接任意两点的向量代表该两点在联接任意两点的向量代表该两点在机构图中同名点机构图中同名点 的相对加速度，指向与速度的下标相反。如的相对加速度，指向与速度的下标相反。如ab代代 表表aBA而不是而不是aAB ，

22、bc aCB ， ca aAC 。 a ab bc cABCABC，称，称a ab bc c为为ABCABC的的 加速度影象，称加速度影象，称p pa ab bc c为为PABCPABC的的加加速速 度影象，两者相似且字母顺序一致。度影象，两者相似且字母顺序一致。极点极点p p代表机构中所有代表机构中所有加加速度为零的点速度为零的点 的影象的影象。特别注意：特别注意：影象与构件相似而不影象与构件相似而不是与机构位形相似！是与机构位形相似！用途：用途：根据相似性原理由两点的根据相似性原理由两点的加加速度求任意点的速度求任意点的加加速度。速度。例如例如: :求求BCBC中间点中间点E E的的加加速

23、度速度a aE Ebc上中间点e为E点的影象，联接pe就是aE。bb”apc”c”cE 常用相对切向加速度来求构件的角加速度。常用相对切向加速度来求构件的角加速度。e湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 B1 13 32 2AC12BB122.两构件重合点的速度及加速度的关系两构件重合点的速度及加速度的关系 1)回转副回转副速度关系速度关系 VB1=VB2 aB1=aB2 VB1VB2 aB1aB2具体情况由其他已知条件决定具体情况由其他已知条件决定仅考虑移动副2)高副和移动副高副和移动副 VB3VB2+VB3B2pb2b3 VB3B2 的方向的方向: b2 bb3 3 3 3 = = vpb

24、3 / lCB3 31 1大小：大小：方向：方向： ? ?BCBC公共点公共点湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授3 3B1 13 32 2AC1 1pb2b3ak B3B2 加速度关系加速度关系aB3 apb3, 结论：结论：当两构件构成移动副时，重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转动分量时，必然存在哥氏加速度分量。分量。+ akB3B2 大小：大小：方向：方向：b2kb 33akB3B2的方向：的方向：VB3B2 顺顺3 3 转过转过9090 3 3atB3 / /lBCBCab3b3 /

25、/lBCarB3B2 akb3 B C? ?2 23 3l lBCBC BCBC? ?l1 12 21 1BABA ?BCBC2 2VB3B23 3 aB3 = anB3+ atB3 = aB2+ arB3B2此方程对吗？b” 3p图解得：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c二、用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析二、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、已知摆式运输机运动简图、各构件尺寸、2 2，求：，求：解：解：1)速度分析速度分析 VBLAB2 2 ， VVB /pb VC VB+ VCB ABCDEF123456bV V

26、F F、aF F、3 3、4 4、5 5、3 3、4 4、5 5构件构件3、4、5中任一速度为中任一速度为Vx的点的点X3、X4、X5的位置的位置构件构件3、5上速度为零的点上速度为零的点I3、I5构件构件3、5上加速度为零的点上加速度为零的点Q3、Q5点点I3、I5的加速度的加速度 Q3 、Q52 2大小：大小： ? 方向：方向：CD CD p ?BCBC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e从图解上量得：从图解上量得：VCB Vbc VCVpc 方向：方向：bc方向：方向：CW4 4 VC / /lCDCD方向：方向：CCWABCDEF1234562 23

27、 34 4VC VB+ VCB cb利用速度影象与构件相似的原理，利用速度影象与构件相似的原理，可求得影象点可求得影象点e。图解上式得图解上式得pef：VFVE+ VFE 求构件求构件6的速度：的速度： VFE v ef e f 方向：方向：pf 5 5VFE / /lFEFE方向：方向：CW 大小：大小： ?方向：方向：/DFcb3 3 VCB / /lCBCB方向：方向：pcf ?EFEFVF v pf p5 5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ec”bcc”ABCDEF123456加速度分析：加速度分析：?24 lCDCD? CD23

28、lCB CB ?BC2 23 34 4aC = anC+ atC Pcbfp作图求解得作图求解得: 4 4= = atC / lCD CD 3 3 = = atCB/ lCB CB 方向：方向：CCW CCW 方向：方向：CCW CCW aC =a pc = aB + anCB+ atCB 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利用影象法求得e点的象点的象e4 43 3aCB =a bc 方向：方向：bc方向：方向：pc c得：得： aE =a pe 5 5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”bcc”ABCDEF123456求构件求构件6的

29、加速度：的加速度：?/DF2 25 5 lFEFE FE ?EF2 23 34 4Pcbfp作图求解得作图求解得: 5 5 = = atFE/ lFE FE 方向：方向：CW CW aF =a pf 4 43 35 5atFE =a f”f 方向：方向：f”f方向：方向：pf aF = aE + anFE + atFE eff”5 5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I I5 5I I3 3I I3 3x x3 3ABCDEF1234562 2cbfpx x4 4利用速度影象和加速度影象求利用速度影象和加速度影象求特殊点的速度和加速度：特殊点的速度和加速度：

30、求构件求构件3、4、5中任一速度中任一速度为为Vx的的X3、X4、X5点的位置。点的位置。x x5 5x利用影象法求特殊点的运动利用影象法求特殊点的运动参数：参数：求作求作bcxBCXBCX3 3 得得X X3 3构件构件3、5上速度为零的点上速度为零的点I3、I5 cexCEXCEX4 4 得得X X4 4 efxEFXEFX5 5 得得X X5 5求作求作bcpBCIBCI3 3 得得I I3 3efpEFIEFI5 5 得得I I5 5x x3 3x x4 4x x5 5I I5 5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i5Q3c”bcc”Peff”构件构

31、件3、5上加速度为零的上加速度为零的点点Q3、Q5点点I3、I5的加速度的加速度aI3、aQ5CQ5i3求得：求得：aI3=a pi3aI5=a pi5求作求作bcpBCQBCQ3 3 得得Q Q3 3 efpEFQEFQ5 5 得得Q Q5 5求作求作bci3BCIBCI3 3 求作求作efpEFQEFQ5 5 ABCDEF1234562 2I I3 3I I5 5Q3Q5i3i5湖南理工学院专用 作者： 潘存云教授 作者：潘存云教授ABCDGH解题关键：解题关键：1. 以作平面运动的构件为突破以作平面运动的构件为突破口，口，基准点和基准点和 重合点都应选取重合点都应选取该构件上的铰接点该构件上的铰接点，否，否 则已知则已知条件不足而使无法求解。条件不足而使无法求解。EF如：如： VE=VF+VEF 如选取铰链点作为基点时，所列方程仍不能求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。解，则此时应联立方程求解。 如：如： VG= VB+VGB 大小：大小