1、第三章 平面机构的运动分析,31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,33用矢量方程图解法作机构速度和加速度分析,34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,35用解析法作机构的运动分析,作者：潘存云教授,31 机构运动分析的目的与方法,设计任何新的机械，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。,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(活塞)行程， 找出上下极限位置。,内涵：,确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊。,2.速度分析通过分
2、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,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。,作者：潘存云教授,32 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: 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。
3、求法？,1)速度瞬心的定义,特点：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,1 2 3,若机构中有n个构件，则,Nn(n-1)/2,绝对速度相同，相对速度为零。,相对回转中心。,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。,结论： P21 、 P 31 、 P 32 位于同一条直线上。,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
4、求瞬心,Nn(n-1)/26 n=4,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：Nn(n-1)/215 n=6,1.作瞬心多边形圆,2.直接观察求瞬心,3.三心定律求瞬心,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1，求推杆的速度。,解： 直接观察求瞬心P13、 P23 。,求瞬心P12的速度 。,V2V P12l(P13P12)1,长度P13P12直接从图上量取。,根据三心定律和公法线nn求瞬心的位置P12 。,作者：潘存云教授,2.求角速度,解：瞬心数为,6个,直接观察能求出,4个,余下的2个用三心定律求出。,求瞬心P24的速度 。,VP24l(
5、P24P14)4,4 2 (P24P12)/ P24P14,a)铰链机构 已知构件2的转速2，求构件4的角速度4 。,VP24l(P24P12)2,方向: CW, 与2相同。,相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同,b)高副机构 已知构件2的转速2，求构件3的角速度3 。,解: 用三心定律求出P23 。,求瞬心P23的速度 :,VP23l(P23P13)3,32(P13P23/P12P23),方向: CCW, 与2相反。,VP23l(P23P12)2,相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。,3.求传动比,定义：两构件角速度之比传动比。,3 /2 P12P23 / P13P23,推
6、广到一般：i /j P1jPij / P1iPij,结论: 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。,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。,4.用瞬心法解题步骤,绘制机构运动简图；,求瞬心的位置；,求出相对瞬心的速度;,瞬心法的优缺点：,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。,有时瞬心点落在纸面外。,仅适于求速度V,使应用有一定局限性。,求构件绝对速度V或角速度。,33 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
7、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：,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v m/s/mm， 在任意点p作图使VAvpa，,相对速度为： VBAvab,按图解法得： VBvpb,不可解！,设已知大小：方向：,BA, ,?,?,方向：p c,方向： a b,不可解！,联立方程有：,作图得：VCv pc,VCAv ac,VCBv bc,方向：p c,方向： a c,方向： b c,大小： ? ? ?方向： ? CA CB,作者：潘存云教授,VBA/LBAvab/l AB,同理：vca/l CA,称pabc为速度多边形（或速度图解) p为
8、极点。,得：ab/ABbc/ BCca/CA, abcABC,方向：CW,强调用相对速度求,vcb/l CB,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,速度多边形的性质:,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速度，指向为p该点。,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。,abcABC，称abc为ABC的速度影象，两者相似且字母顺序一致。前者沿方向转过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！,极点p代表机构中所有速度为零的点的影象。,绝对瞬心
9、,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？,2) 加速度关系,求得：aBapb,选加速度比例尺a m/s2/mm， 在任意点p作图使aAapa,设已知角速度，A点加速度和aB的方向,atBAab”b,方向: b” b,aBAab a,方向: a b,大小：方向：,?,BA,?, ,BA,2lAB,作者：潘存云教授,不可解！,联立方程：,不可解！,作图求解得:,atCAac”c,atCBacc”,方向：c” c,方向：c” c,方向：p c,? ?, ?
10、 ? ,大小： ? 方向： ?, ,2lCA CA,? CA,大小： ? 方向： ?, ,2lCB CB,? CB,aCapc,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,角加速度：atBA/ lAB,得：ab/ lABbc/ lBC a c/ lCA,称pabc为加速度多边形 （或速度图解）， p极点, abcABC,加速度多边形的特性：,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：CCW,a b”b /l AB,aab,a ac,a bc,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,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ab
11、代表aBA而不是aAB ， bc aCB ， ca aAC 。,abcABC，称abc为ABC的加速度影象，称pabc为PABC的加速度影象，两者相似且字母顺序一致。,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aE bc上中间点e为E点的影象，联接pe就是aE。,常用相对切向加速度来求构件的角加速度。,2.两构件重合点的速度及加速度的关系,1)回转副,速度关系,2)高副和移动副,VB3B2 的方向: b2 b3,3 = vpb3 / lCB,大小： 方向：,? ,
12、 ,? BC,作者：潘存云教授, 加速度关系,aB3 apb3,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3 转过90,3atB3 /lBCab3b3 /lBC,arB3B2 akb3,B C,? ?,23lBC BC,? ,l121 BA,? BC,2VB3B23 ,此方程对吗？,图解得：,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、2，求：,解： 1)速度分析VBLAB2 ， VVB /pb,VF、aF、3、4、5、3、4、5,构件
13、3、4、5中任一速度为Vx的点X3、X4、X5的位置,构件3、5上速度为零的点I3、I5,构件3、5上加速度为零的点Q3、Q5,点I3、I5的加速度,大小： ? 方向：CD, ,? BC,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,从图解上量得： VCB Vbc,VCVpc,方向：bc,方向：CW,4 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 v ef e f,方向：pf,5VFE /lFE,方向：CW,大小： ? 方向：/DF,3 VCB /lCB,方向：pc, ,? EF,VF v pf,作者：潘存云教授,作者：潘存
14、云教授,作者：潘存云教授,加速度分析：,? ?,24 lCD CD,? CD, ,23 lCB CB,? BC,作图求解得:,4= atC / lCD,3 = atCB/ lCB,方向：CCW,方向：CCW,aC =a pc,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,aC B=a bc,方向：bc,方向：pc,得： aE =a pe,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,c”,求构件6的加速度：,? /DF,25 lFE FE, ,? BC,作图求解得:,5 = atFE/ lFE,方向：CCW,aF =a pf,atFE =a f”f,方向：f”f,方向：pf,e,f
15、”,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：,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bcxBCX3 得X3,构件3、5上速度为零的点I3、I5,cexCEX4 得X4,efxEFX5 得X5,求作bcpBCI3 得I3,efpEFI5 得I5,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,构件3、5上加速度为零的点Q3、Q5,点I3、I5的加速度aI3、aQ5,C,求得：aI3=a pi3,aI5=a pi5,求作bcpBCQ3 得Q3,efpEFQ5 得Q5,求作bci3BCI3,求作efpEFQ5
16、,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：? ? ,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： ,
17、,? ,(a),(b),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, ,? ,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 ；,作者：潘存云教授,34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
18、到简化。,如图示级机构中，已知机构尺寸和2，进行运动分析。,不可解！,用瞬心法确定构件4的瞬心，,此方法常用于级机构的运动分析。,确定C点的方向后，则有：,35 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。,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，幅角，
19、各幺矢量为：,则任意平面矢量的可表示为：,幺矢量-单位矢量,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,幺矢量的点积运算：,ej sin,- cos (2 1 ), cos (2 1 ), 1, ei cos,- sin (2 1 ),求一阶导数有：,求二阶导数有：,离心(相对)速度v r,离心(相对)加速度a r,哥式加速度ak,对同一个构件，l为常数,有：,v r=0,ak=0,ar=0,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1 ,求2、3、2、3、2、2 。,化成直角坐标形式有：,l2 cos2l3 cos3+ l
20、4 cos4l1 cos1 (2),大小： 方向 2? 3? ,l2 sin2l3 sin3+ l4 sin4l1 sin1 (3),(2)、(3)平方后相加得：,l22l23+ l24+ l212 l3 l4cos32 l1 l3(cos3 cos1- sin3 sin1)2 l1 l4cos1,整理后得： Asin3+Bcos3+C=0 (4),其中：A=2 l1 l3 sin1 B=2 l3 (l1 cos1- l4) C= l22l23l24l212 l1 l4cos1,解三角方程得： tg(3 / 2)=Asqrt(A2+B2C2) / (BC) 由连续性确定,同理，为了求解2 ，可
21、将矢量方程写成如下形式：,化成直角坐标形式：l3 cos3l1 cos1+ l2 cos2l4 (6),(6)、(7)平方后相加得：,l23l21+ l22+ l242 l1 l2cos12 l1 l4(cos1 cos2 - sin1 sin2 )2 l1 l2cos1,整理后得： Dsin2+Ecos2+F=0 (8),其中：D=2 l1 l2 sin1 E=2 l2 (l1 cos1- l4 ) F= l21+l22+l24l23- 2 l1 l4 cos1,解三角方程得：tg(2 / 2)=Dsqrt(D2+E2F2) / (EF),l3 sin3l1 sin1+ l2 sin20 (
22、7),二、速度分析,3 l3 sin (3 2 ) = 1 l1 sin (1 2 ),3 = 1 l1 sin (1 2 ) / l3 sin (3 2 ),-2 l2 sin (2 3 ) = 1 l1 sin (1 3 ),2 = - 1 l1 sin (1 3 ) / l2sin (23 ),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,-32 l3 cos (3 2 ) -3 l3 sin (3 2 ) = - 12 l1 cos (1 2 ) - 22 l2,3 =12 l1 cos (1 - 2 ) + 22 l2 -32 l3 cos (3
23、- 2 ) / l3 sin (3 2 ),2 =12 l1 cos (1 - 3 ) + 32 l3 -22 l2 cos (2 - 3 ) / l2 sin (2 3 ),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1,求:2、3、2、3、2、2 、xp、yp、vp 、 ap 。,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：,写成矩阵形式：,A =1B,对以下P点的位置方程求导：,得
24、P点的速度方程：,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,=,A,+ 1,对速度方程求导：,对P点的速度方程求导：,得以下矩阵方程：,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数学运算而已。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；,机构从动件的角速度矩阵；,B机构原动件的位置参数矩阵；,1 机构原动件的角速度。,加速度方程的一般表达式：,机构从动件的加角速度矩阵；,A =1B,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。,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。,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；,
