连杆机构的分析和设计.ppt

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连杆机构的分析和设计,1,-,本节教学目标,明确机构运动分析的目的和方法。,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。,能用瞬心法对简单平面高、低副机构进行速度分析,能用解析法对平面二级机构进行运动分析。,掌握图解法的基本原理并能够对平面二级机构进行运动分析。,3.4,机构的运动分析,2,-,机构运动分析的任务,是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迹、位移、速度及加速度和某些构件的角位移、角速度及角加速度。,机构运动分析的任务、目的及方法,目的,:,分析、标定机构的性能指标。,位移轨迹分析,1,、能否实现预定位置、轨迹要求；,2,、确定行程、运动空间；,3,、是否发生干涉；,4,、确定外壳尺寸。,1,概述,图解法,解析法,速度瞬心法,矢量方程图解法,机构运动分析的方法,速度分析,2,、了解从动件速度的变化能否满足工作要求；,工作行程,接近等速运动；,空回程,急回运动。,加速度分析,确定惯性力，保证高速机械和重型机械的强度、振动和动力性能良好。,1,、加速度分析及确定机器动能和功率的基础；,牛头刨床,复数矢量法,矩阵法,4,-,机构运动分析的方法,1.,图解法,：,形象、直观，但精度不高；,（,1,）相对运动图解法,（,2,）对于速度分析，还有瞬心法,2.,解析法,:,效率高，速度快，精度高；,便于对机构进行深入的研究。,（,1,）杆组法,（,2,）整体分析法,（,3,）位移分析：是速度分析和加速度分析的基础,（,4,）所用数学工具：矢量、复数、矩阵,重点：矢量运算法,5,-,2,用速度瞬心法作平面机构的速度分析,学习要求,要求全面掌握瞬心的概念，熟练掌握用瞬心法对机构进行速度分析的方法。,主要内容,瞬心的概念和种类,机构中通过运动副直接相联的两构件瞬心位置的确定,三心定理,速度瞬心法在平面机构速度分析中的应用,例题,6,-,瞬心的概念和种类,瞬心是,瞬时等速重合点,。瞬时，是指瞬心的位置随时间而变；等速，是指在瞬心这一点，两构件的绝对速度相等（包括大小和方向）、相对速度为零；重合点，是指瞬心既在构件,1,上，也在构件,2,上，是两构件的重合点。,(1),瞬心的概念,图,1,速度瞬心,1,2,A,2,(A,1,),B,2,(B,1,),P,21,V,A2A1,V,B2B1,7,-,(2),瞬心的种类,1).,绝对瞬心,：,构成瞬心的两个构件之一固定不动，瞬心点的绝对速度为零。,2).,相对瞬心,：,构成瞬心的两个构件均处于运动中，瞬心点的绝对速度相等、相对速度为零。,由此可知，绝对瞬心是相对瞬心的一种特殊情况,。,(3),机构中瞬心的数目,设机构中有,N,个（包括机架）构件，每两个进行组合，则该机构中总的瞬心数目为,K=N(N-1)/2 (3-1),8,-,由于每两个构件具有一个瞬心，所以对于由,N,个构件组成的机构，根据排列组合的知识可知，其瞬心总数,K,为,K,N,(,N,1)/2,(3,1),K,6(6,1)/2,15,对于例图，瞬心数目,K,为,一种平面六杆机构,9,-,机构中通过运动副直接相联的两构件瞬心位置的确定,(1),两构件作平面运动时,:,如图,3-1,所示,作,V,A2A1,和,V,B2B1,两相对速度方向的垂线，它们的交点（图中的,P,21,）即为瞬心。,图,3-1,（,2,）两构件组成移动副,:,因相对移动速度方向都平行于移动副的导路方向,(,如图,3-2 a,所示,),，故瞬心,P12,在垂直于导路的无穷远处。,图,3-2a,10,-,（,3,）,.,两构件组成转动副,：,两构件 绕转动中心相对转,动，故该转动副的中心便是,它们的瞬心,图,3-2b,（,4,）,.,两构件组成纯滚动的高副,其接触点的相对速度为零，所,以接触点就是瞬心。,图,3-2 c,11,-,（,5,）,.,两构件组成滑动兼滚动的高副,：,因接触点的公切线方向为相对速度方向，故瞬心应在过接触点的公法线,nn,上（如图,3-2d,所示），具体位置由其它条件来确定。,图,3-2d,12,-,V,K3,P,13,3,3,1,V,K2,K,P,12,2,2,作平面运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于同一直线上。,设构件,1,为机架，因构件,2,和,3,均以转动副与构件,1,相联，故,P,12,和,P,13,位于转动中心，如图所示。为了使,P,23,点的构件,2,和,3,的绝对速度的方向相同，,P,23,不可能在,K,点，只能与,P,13,和,P,12,位于同一条直线上,。,三心定理,13,-,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,;,求构件绝对速度,V,或角速度,。,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。精度不高。,14,-,3.,速度瞬心的应用,解：,P,24,是相对速度瞬心，即是构件,2,、,4,上具有同一速度的重合点，所以有,(1),铰链四杆机构,如图 所示，比例尺为,l,(,单位为,m/mm),的铰链四杆机构，若已知原动件,2,以角速度,2,顺时针方向回转，求从动件,4,的角速度,4,。,根据瞬心,P,24,的速度方向可知，构件,4,的旋转方向为顺时针。,图 铰链四杆机构,则有,2,P,12,P,24,l,=,4,P,14,P,24,l,4,=,2,P,12,P,24,/,P,14,P,24,(3,2),P,24,P,13,P,14,P,34,P,23,P,12,4,1,4,2,3,2,用瞬心法作机构的速度分析,15,-,速度瞬心法在平面机构速度分析中的应用,已知：构件,2,的角速度,2,和长度比例尺,l,;,求：,V,E,和,4,=,？,3,？,各瞬心如图所示，因在,P,24,点，构件,2,和,4,的绝对速度相等，故,2,（,P,24,P,12,）,l,=,4,（,P,24,P,14,）,l,，得：,用瞬心法作机构的速度分析,P,24,P,13,P,14,P,34,P,23,P,12,4,1,4,2,3,2,E,16,-,(2),曲柄滑块机构,如图所示，比例尺为,l,的曲柄滑块机构，若已知原动件,2,的角速度为,2,，求图示位置时从动件,4,的移动速度,V,4,。,曲柄滑块机构,解,:,如图求得构件,2,、,4,的相对瞬心,P,24,后，由于,P,24,为该两构件速度相等的点，从而有构件,4,的运动方向即瞬心,P,24,的速度方向，,水平向左,。,V,4,=,V,P24,=,2,P,12,P,24,l,P,14,8,P,23,P,12,P,34,2,4,1,3,2,V,4,P,24,P,13,用瞬心法作机构的速度分析,17,-,(3),正弦机构,P,14,1,1,2,3,4,P,12,P,24,P,23,P,34,P,13,P,34,V,3,1,如图所示，比例尺为,L,的正弦机构，若已知原动件,1,的角速度为,1,，求图示位置时从动件,3,的移动速度,V,3,。,图 正弦机构,解,:,如图求得构件,1,、,3,的相对瞬心,P,13,后，由于,P,13,为该两构件速度相等的点，从而有构件,3,的运动方向即瞬心,P,13,的速度方向，垂直向上。,V,3,=,V,P,13,=,1,P,14,P,13,L,用瞬心法作机构的速度分析,18,-,(4),凸轮机构,解：,如图过高副元素的接触点,K,作其公法线,n,-,n,，则此公法线,n,-,n,与瞬心连线,P,12,P,13,的交点即为构件,2,与,3,的相对瞬心,P,23,。由于构件,2,、,3,在,P,23,速度相等，从而有,若已知原动件,2,的角速度为,2,，求图示位置时从动件,3,的移动速度,V,3,。,构件,3,的运动方向即瞬心,P,23,的速度方向，垂直向上。,V,3,=,V,P23,=,2,P,12,P,23,l,凸轮机构,P,12,P,23,1,3,2,K,2,P,13,8,n,n,用瞬心法作机构的速度分析,19,-,已知,：构件,1,的角速度,1,和长度比例尺,l,求,：从动件,2,的速度,V,2,；,解,：由直接观察法可得,P,01,和,P,02,，由三心定理可得,P,12,，,如图所示。由瞬心的概念可知：,用瞬心法作机构的速度分析,速度瞬心法应用例题分析一,20,-,求齿轮机构传动比,i,23,。,1,）,解：,2,）求出,P,12,、,P,13,、,P,23,P,23,位于,P,12,与,P,13,连线上，为公法线,n-n,与齿轮连心线交点。,P,23,速度瞬心法应用例题分析二,用瞬心法作机构的速度分析,21,-,图所示所示的平面组合机构中，已知机构作图的比例尺,l,，及构件,1,的角速度 ，,求图示位置构件,4,的线速度 。,22,-,23,-,3,用相对运动图解法作平面机构的运动分析,学习要求,掌握相对运动图解法，能正确地列出机构的速度和加速度矢量方程，准确地绘出速度和加速度图，并由此解出待求量。,主要内容,同一构件上两点间的速度和加速度关系,移动副两构件重合点间的速度和加速度关系,级机构位置图的确定,速度分析,加速度分析,24,-,矢量方程图解法的基本原理和作法,矢量方程图解,（相对运动图解法）,依据的原理,理论力学中的运动合成原理,1.,根据运动合成原理列机构运动的矢量方程,2.,根据按矢量方程图解条件作图求解,基本作法,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,机构运动分析两种常见情况,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,D,A,B,C,D,A+B+C,大小,：,？,方向,：,？,每一个矢量有,大小,和,方向,两个参数，根据已知条件的不同，有以下四种情况：,设有矢量方程,：,D,A+B+C,矢量方程图解法,26,-,C,D,D,A+B+C,大小,：,？,方向,：,A,B,27,-,C,D,B,C,B,D,A+B+C,大小,：,方向,：,？,？,D,A+B+C,大小,：,？,方向,：,？,D,A,A,28,-,二、同一构件上两点之间的运动关系,选速度比例尺,v,m/s/mm,，,在任意点,p,作图使,V,A,v,pa,，,a,b,相对速度为：,V,BA,v,ab,A,B,C,V,B,V,A,+V,BA,按图解法得：,V,B,v,pb,p,设已知大小：,方向：,BA,?,?,A,为基点,1,、速度关系,29,-,同理有：,V,C,V,A,+V,CA,大小：,?,?,方向,：,?CA,不可解！,同理有：,V,C,V,B,+V,CB,大小：,?,?,方向：,?CB,不可解！,A,B,C,A,为基点,30,-,a,p,b,A,B,C,V,C,V,A,+V,CA,V,B,+V,CB,大小：,?,?,?,方向：,?CA CB,联立方程有：,作图得：,V,C,v,pc,V,CA,v,ac,V,CB,v,bc,方向：,p,c,方向：,a,c,方向：,b,c,31,-,A,B,C,V,BA,/L,BA,v,ab/,l,AB,同理：,v,ca/,l,CA,，,v,cb/,l,CB,，,a,c,b,称,pabc,为,速度多边形,（或速度图解,),，,p,为,极点,。,得：,ab/AB,bc/BC,ca/CA,abcABC,方向：,顺时针,p,32,-,速度多边形,的性质,连接,p,点和任一点的向量，代表该点在机构中同名点的绝对速度，指向为,p,该点,。,连接任意两点的向量，代表该两点在,机构中同名点之间的相对速度，指向与速度的下标相反。如,bc,代表,V,CB,而不是,V,BC,，常用相对速度来求构件的角速度。,A,a,C,c,B,b,A,a,C,c,B,b,p,P,P,p,33,-,速度多边形的性质,abcABC,，称,abc,为,ABC,的速度影,像,，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,像,。,特别注意：,影,像,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,绝对瞬心的影,像,。,A,a,C,c,B,b,A,a,C,c,B,b,p,P,P,p,速度影像的应用条件是同一构件内。,34,-,速度多边形的用途,由两点的速度求构件上任意点的速度,A,a,C,c,B,b,例如，求,BC,中间点,E,的速度,V,E,时，,bc,上中间点,e,为,E,点的影,像,，连接,pe,就是,V,E,E,e,p,35,-,法向加速度,质点作曲线运动时，所具有的沿轨道法线方向的加速度叫做,法向加速度,。数值上等于速度,v,的平方除曲率半径,r,，即,v,2,/r;,或角速度,的平方与半径,r,的乘积,即,(,2,)r,。,法向加速度,只改变物体速度的方向，但不改变速度的大小。（例如匀速圆周运动）,法向加速度又称向心加速度,在匀速圆周运动中,法向加速度大小不变,其方向总是指向曲线凹的一方。,2,、同一构件上两点加速度之间的关系,36,-,切向加速度,切向加速度：,质点作曲线运动时所具有的沿轨道切线方向的加速度。其值为线速度对时间的变化率。当它与线速度方向相同时，质点的线速度将增大；当与线速度方向相反时，质点的线速度将减小。,37,-,2,、同一构件上两点加速度之间的关系,a,A,a,B,A,B,C,求得：,a,B,a,p,b,选加速度比例尺,a,m/s,2,/mm,，,在任意点,p,作图使,a,A,a,p,a,N,ba,设已知角速度,，,A,点加速度,求,B,点的加速度,a,b,a,t,BA,a,n,ba,b,方向,:,n,ba,b,p,a,BA,a,b,a,方向,:,a,b,大小,：,方向,：,?,BA,?,BA,2,l,AB,A B,两点间加速度之间的关系有：,a,B=,a,n,B,+,a,t,B,a,A,+,a,n,BA,+,a,t,BA,n,b,38,-,同理,：,a,C,a,B,+a,n,CB,+a,t,CB,大小：,?,2,l,CB,?,方向：,?,CB CB,不可解！,同理：,a,C,a,A,+a,n,CA,+a,t,CA,大小：,?,2,l,CA,?,方向：,?,CA CA,不可解！,a,A,a,B,A,B,C,39,-,n,b,c,nc,nc”,a,C,a,A,+a,n,CA,+a,t,CA,a,B,+a,n,CB,+a,t,CB,联立方程：,a,p,A,B,C,a,A,a,B,作图得：,a,C,a,p,c,a,t,CA,a,nc”c,a,t,CB,a,c nc,方向：,nc”,c,方向：,nc,c,方向：,p,c,大小：,方向：,?,?,2,l,CA,?,2,l,CB,?,CA CA CB CB,40,-,角加速度：,a,t,BA,/,l,AB,得：,ab/l,AB,bc/l,BC,a c/l,CA,p,a,b,c,加速度多边形（或速度图解），,p,极点,a,b,c,ABC,A,B,C,n,a,A,a,B,b,c,nc,nc”,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,。,a,BA,(,a,t,BA,),2,+,(,a,n,BA,),2,l,A B,2,+,4,a,a,b,a,CA,(,a,t,CA,),2,+,(,a,n,CA,),2,l,CA,2,+,4,a,a,c,a,CB,(,a,t,CB,),2,+,(,a,n,CB,),2,l,CB,2,+,4,a,b,c,方向：,顺时针,a,p,a,n,b,/,l,AB,41,-,e,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,代表,a,BA,而不,a,AB,，常用相对切向加速度来求构件的角加速度。,a,b,c,ABC,，称,a,b,c,为,ABC,的加速度影像，称,p,a,b,c,为,PABC,的,加,速度影像，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。,特别注意：影像与构件相似而不是与机构位形相似！,n,p,a,A,a,B,A,B,C,a,b,c,nc,nc”,A,B,C,a,b,c,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,a,E,时，,b,c,上中间点,e,为,E,点的影象，联接,p,e,就是,a,E,。,E,42,-,2.,两构件上重合点间的速度和加速度求法,(,a,),图曲柄导杆机构,a,C,1,V,C,1,D,C,B,A,3,1,4,2,1,图,为曲柄导杆机构，比例尺为,L,。,已知导杆,1,的角速度,1,，求图示位置时连杆,2,的角速度,2,、角加速度,2,，以及构件,3,的角速度,3,和角加速度,3,。,43,-,V,C,3,=,V,C,2,=,V,C,1,+,V,C,2,C,1,方向：,CD,CA,AB,(3,9),大小：,?,1,l,AC,?,p,c,1,c,3,（,b,）,(1),速度分析,图,3,8,曲柄导杆机构,a,C,1,V,C,1,D,C,B,A,3,1,4,2,1,44,-,(2),加速度分析,而,C,2,、,C,3,为转动副重合点，则有,构件,2,上,C,2,点加速度,a,C,2,为,a,C,1,V,C,1,D,C,B,A,3,1,4,2,1,45,-,哥氏加速度,机构中存在具有转动的两构件组成的移动副时，机构便存在哥氏加速度。,哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也做径向运动或周向运动所产生的。哥氏加速度是动基的转动与动点相对运动相互耦合引起的加速度。,哥（科）氏加速度的方向,垂直于角速度矢量和相对速度矢量。当牵连运动为匀角速度定轴运动时，哥氏加速度的大小为：,a,k,=2u,式中,u,质点相对于导轨的径向速度或周向速度。,如果两构件只有相对移动，而无共同转动时，其重合点间的速度关系不变，而加速度关系中无哥氏加速度。,46,-,上述两式联立后得,a,C,2,=,a,C,1,+,a,k,C,2,C,1,+,a,r,C,2,C,1,=,a,n,C,3,D,+,a,t,C,3,D,方向：,?,V,C2C1,沿,1,转过,90,AB,C,D,CD,（,3,10,）,大小：,?,2,1,V,C,2,C,1,?,V,2,C,2,l,CD,?,p,c,1,k,c,3,c,3,(,c,),图,3,8,曲柄导杆机构,V,C,2,C,1,a,C,1,V,C,1,a,k,C,2,C,1,D,C,B,A,3,1,4,2,1,(,a,),47,-,两构件上重合点间的速度与加速度求法全过程,p,c,1,c,3,p,c,1,k,c,3,c,3,(,c,),(,b,),图,3,8,曲柄导杆机构,V,C,2,C,1,a,C,1,V,C,1,a,k,C,2,C,1,D,C,B,A,3,1,4,2,1,(,a,),二维动画,48,-,同一构件上两点间的速度和加速度关系,构件,AB,作平面运动时，可以看作随其上任一点（基点）,A,的牵连运动和绕基点,A,的相对转动。,C,的绝对速度可用矢量方程表示为,:,式中，牵连速度；是,C,点相对于,A,点的相对速度,.,其大小为,:,方向如图,.,C,点的加速度可用矢量方程式表示为,:,是牵连加速度,是,C,点相对于,A,点的相对加速度,是法向加速度,是切向加速度,的方向如图,方向平行于,AC,且由,C,指向,A,。,49,-,为哥氏加速度，其计算公式为,:,其方向是将相对速度 的矢量箭头绕箭尾沿牵连角速度的方向转过,90,0,动点,B,2,的绝对加速度等于牵连加速度、哥氏加速度与相对加速度三者的矢,量和,即,是牵连加速度；为,B,2,点相对于,B,1,点的相对加速度，其方向平行于导路。,动点,B,2,的绝对速度等于它的重合点的,牵连速度和相对速度的矢量和，即,是牵连速度；,V,B2B1,为,B2,点相对于,B1,点的相对速度，它的方向与导路平行。,两构件上重合点间的速度与加速度关系,50,-,2,、两构件重合点的运动关系（点的复合运动）,导杆机构,已知：原动件,2,，角速度,2,及角加速度,2,，滑块与导杆重合点,A,3,、,A,4,。,求：构件,4,的角速度,4,与角加速度,4,。,例题,51,-,1,）速度关系,取,A,4,为动点，将动系固接在滑块,3,上。,列动点的速度矢量方程式,大小,方向,？,?,按比例,v,作速度矢量多边形,A,4,的绝对速度,牵连速度,相对速度,a,3,(a,2,),P,a,4,52,-,a,3,(a,2,),P,a,4,b,v,B,可用影像法（直线影像）,53,-,2,）加速度关系,全加速度分解,大小,:,方向,:,?,?,/,O,2,A,2,哥氏加速度,(,力学叉乘,),方向,:,相对速度方向沿牵连角速度,4,方向转,90,度。,54,-,大小,:,方向,:,?,(a,2,)a,3,q,(a,2,)a,3,k,a,4,a,4,b,?,/,O,2,A,2,55,-,取,a,作加速度图,加速度极点为,q,(a,2,)a,3,q,(a,2,)a,3,k,a,4,a,4,b,B,点加速度可由加速度影像法求出。,顺时针,方向,q,到,b,当,4,=0,或,v,A4A3,=0,时，科氏加速度为零，为正弦机构。,56,-,速度分析,运动分析的相对运动图解法,已知：各构件的长和构件,1,的位置及等角速度,1,求：,2,，,3,和,V,E5,解：,1.,取长度比例尺画出左图,a,所示的机构位置图,确定解题步骤,:,先分析,级组,BCD,，然后再分析,4,、,5,构件组成的,级组。,对于构件,2:V,B2,=V,B1,=,1,l,AB,方向,:CD AB CB,大小,:?,be,2,=,对于构件,4,和,5:,方向,:EF EF,大小,:?,57,-,?,?,运动分析的相对运动图解法,加速度分析,已知,:,各构件的长度和各速度参数求,:a,E5,解,:,对于构件,2:,方向,:CD CD BA AB CB CB,大小,:?0?,构件,4,和,5:EF EF,EF /EF,58,-,4,平面矢量的复数极坐标表示法,学习要求,要求熟悉平面矢量的复数极坐标表示法，包括矢量的回转；掌握矢量的微分,。,主要内容,平面矢量的复数极坐标表示法与坐标轴重合的单位矢量矢量的回转,复数极坐标表示的矢量的微分,59,-,平面矢量的复数极坐标表示法,1.,用复数表示平面矢量,若用复数表示平面矢量,r,r=r,x,+ir,y ,r,x,是实部,r,y,是虚部,r=r,（,cos,+isin,），其中的,称为幅角，逆时针为正，顺时针为负；,r=/r/,，是矢量的模。,2.,利用欧拉公式表示平面矢量,利用欧拉公式,e,i,=cos,+isin,可将矢量表示为,:r=re,i,其中,e,i,是单位矢量，它表示矢量的方向；,le,i,l=1,e,i,表示一个以原点为圆心、以,1,为半径的圆周上的点。,平面矢量的复数极坐标表示法,60,-,与坐标轴重合的单位矢量,与坐标轴重合的单位矢量如表,3-1,和图,3-15,所示。,e,i,代表的矢量,0,X,轴正向的单位矢量,y,轴正向的单位矢量,X,轴负向的单位矢量,3,y,轴负向的单位矢量,图,3-15,平面矢量的复数极坐标表示法,表,3-1,与坐标轴重合的单位矢量,61,-,矢量的回转,若乘以矢量,r,，相当于把矢量,r,绕原点旋转了,角。表,3-2,列出了单位矢量旋转的几种特殊情况。,表,3-2,单位矢量旋转的几种特殊情况,被乘数,结果,作用,i,ie,i,=e,i(,+,/2),相当于矢量逆时针转过,/2,角,i,2,i,2,e,i,=-e,i,=e,i(,+,),相当于矢量逆时针转过,角,i,3,i,3,e,i,=-ie,i,=e,i(,+3,/2),=e,i(,-,/2),相当于矢量逆时针转过,3,/2,角,或顺时针转,/2,角,因,e,i,e,-i,=e,i(,-,),=1,，故,e,-i,是,e,i,的共轭复数,。,平面矢量的复数极坐标表示法,62,-,复数极坐标表示的矢量的微分,平面矢量的复数极坐标表示法,设,r=,则对时间的,一阶导数,为：,式中，,v,r,是矢量大小的变化率；,是角速度；,r,是线速度,。,对时间的,二阶导数,为：,方向：大小：,+,方向：大小：,式中,是角加速度。,63,-,5,平面机构的整体运动分析法,学习要求,掌握平面机构运动分析解析法中的整体分析法。包括建立数学模型、编制框图和程序、上计算机调试程序，直到得出正确的结果。,主要内容,平面机构运动分析的矢量运算法,曲柄滑块机构的位移分析,曲柄滑块机构的速度分析,曲柄滑块机构的加速度分析,曲柄摇杆机构的位移分析,曲柄摇杆机构的速度分析 曲柄摇杆机构的加速度分析曲柄摇杆机构运动分析的框图及编程注意事项摆动导杆机构的位移分析 摆动导杆机构的速度分析摆动导杆机构的加速度分析摆动导杆机构运动分析的编程注意事项,64,-,平面机构运动分析的矢量运算法,1,方法与步骤,:,A.,首先选定直角坐标系,;B.,选取各杆的矢量方向与转角,;C.,根据所选矢量方向画出封闭的矢量多边形,;D.,根据封闭矢量多边形列出复数极坐标形式的矢量方程式,;E.,由矢量方程式的实部和虚部分别相等得到位移方程；,F.,由该位移方程解出所求位移参量的解析表达式。,G.,将位移方程对时间求一次导数后，得出速度方程式并解得所 求速度参量,;H.,将速度方程式对时间再求一次导数后，得出加速度方程式并 解得所求加速度参量,;,平面机构的整体运动分析法,65,-,2,注意事项,A.,在选取各杆的矢量方向及转角时，对与机架相铰接的构件，建议其矢量方向由固定铰链向外指，这样便于标出转角。,B.,转角的正负：规定以轴的正向为基准，逆时针方向转至所讨论矢量的转角为正，反之为负。,平面机构的整体运动分析法,66,-,实线位置的,BC,相当于,M=+1,的情况，而双点划线位置的则与,M=-1,相对应。由式（,3-9,）和（,3-10,）得到连杆的转角，即,平面机构的整体运动分析法,（,3-11,）,(3-10),(3-9),（,3-12,）,式中，,M,应按所给机构的装配方案选取,由式（,3-9,）和（,3-10,）消去转角,2,可得,由式（,3-8,）的实部和虚部分别相等可得,由封闭矢量多边形,ABCD,可得矢量方程,已知,:,l,AB,、,l,BC,、,e,、,1,和,1,求,:,2,、,2,、,2,、,s,、,v,C,、和,a,C,曲柄滑块机构的位移分析,（,3-8,）,67,-,曲柄滑块机构的速度分析,将位移方程（,3-8,）式对时间求导可得：,由式（,3-15,）可得连杆的角速度：,将,2,代入式（,3-14,）可求得滑块的速度,v,C,平面机构的整体运动分析法,（,3-8,）,（,3-15,）,（,3-14,）,将式（,3-13,）的实部和虚部分别相等可得,（,3-13,）,（,3-16,）,方向：,X,轴大小：,v,C,意义：,v,B,+v,CB,=v,C,68,-,方向：,X,轴,大小：意义：,+=,曲柄滑块机构的加速度分析,将速度方程式（,3-13,）对时间求导可得,由式（,3-19,）可得连杆的角加速度,将,2,代入式（,3-18,）,可求得滑块的加速度。,平面机构的整体运动分析法,（,3-13,）,（,3-17,）,（,3-18,）,（,3-19,）,由式（,3-17,）的实部和虚部分别相等可得：,（,3-20,）,69,-,曲柄摇杆机构的位移分析,已知,:,1,、,1,、和各杆的长度,；,求：,3,、,2,、,2,、,3,、,2,和,3,；,1.,建立求,3,的三角方程,:,由封闭矢量多边形,ABCD,可得：,AB+BC=AD+DC,即,为了求解,，将上式改写为三角方程：,平面机构的整体运动分析法,（,3-24,）,（,3-21,）,（,3-22,）,（,3-23,）,为了消去角，将式（,3-22,）和（,3-23,）移项再平方后相加可得：,将式（,3-21,）的实部和虚部分别相等可得：,70,-,2.,求,3,的数学公式,平面机构的整体运动分析法,（,3-24,）,（,3-26,）,（,3-27,）,上式中的,，表示给定,1,时，可有两个值，这相应于上图所示两个交点和。对此应按照所给机构的装配方案（,C,处，而,C,）选择或,-1,。,于是,从而，式（,3-24,）可化成下列二次方程式,由（,3-26,）式解出,x,可得,为了便于用代数方法求解,3,令,71,-,3.,由运动的连续性选取的值,平面机构的整体运动分析法,（,3-28,）,（,3-29,）,(1),计算与,1,的初值（如,1,=0,时）相对应的,3,的初值,:,由图可知,:,因 故,:,(2),由运动的连续性选取的值,框图中的,P,是前一步的,。,（,3-8,）,72,-,求,2,3,求出后，连杆的位置角,2,可由式（,3-22,）和（,3-23,）求得,:,平面机构的整体运动分析法,（,3-22,）,（,3-23,）,（,3-30,）,73,-,曲柄摇杆机构的速度分析,平面机构的整体运动分析法,（,3-31,）,（,3-34,）,（,3-33,）,（,3-32,）,（,3-21,）,将位移方程式（,3-21,）对时间求导可得：,方向：大小：意义：,由式（,3-32,）解得：,角速度的正和负分别表示 逆时针和顺时针方向转动。,将式（,3-31,）的实部和虚部分别相等可得：,74,-,方向,：,大小：意义：,+=+,曲柄摇杆机构的加速度分析,（,3-31,）,（,3-35,）,（,3-36,）,（,3-37,）,（,3-38,）,平面机构的整体运动分析法,将速度方程式（,3-31,）对时间再求导可得：,将式（,3-35,）的实部和虚部分别相等可得：,由（,3-36,）式可解得：,75,-,曲柄摇杆机构运动分析的框图设计及注意事项,1.,曲柄摇杆机构运动分析的框图如下图所示。,平面机构的整体运动分析法,2.,编程注意事项,实际机构构件,3,的初位角,3,只可 能在第,、,象限,而计算机由反 正切函数输出的只可能在第,、,象限。,故需作角度处理，如框图的第三 框所示。,框图的第六框是用运动的连续性 来确定应取哪个值。,76,-,摆动导杆机构的位移分析,运动情况,:,原动件,2,作整周转动，输出构件,4,只能左右摆动,滑块,3,随构件,4,一起摆动的同时还沿构件,4,移动。,已知,:,2,、,2,和,各构件的长度,；,要求：,4,、,4,、,4,、,s,、,V,r,、,a,r,。,由封闭矢量多边形,BAC,可得矢量方程式,BA+AC=BC,即,将式（,3-40,）的实部和虚部分别相等可得,平面机构的整体运动分析法,（,3-40,）,（,3-41,）,由式（,3-41,）可得,（,3-42,）,（,3-43,）,在三角形,ABC,中，根据余弦定理可得,77,-,摆动导杆机构的速度分析,平面机构的整体运动分析法,（,3-48,）,（,3-47,）,（,3-40,）,将位移方程式（,3-40,）对时间求导可得,（,3-44,）,方向：大小：意义：,V,C3,=V,C4,+V,C3C4,将式（,3-44,）的实部和虚部分别相等可得：,（,3-45,）,坐标系,xBy,绕点转,4,角，则由式（,3-45,）可得：,（,3-46,）,由式（,3-46,）可求得构件,4,得角速度,4,和相对速度,v,r,为：,78,-,方向：大小：意义：,=+,摆动导杆机构的加速度分析,平面机构的整体运动分析法,（,3-49,）,（,3-51,）,（,3-52,）,（,3-53,）,（,3-54,）,（,3-44,）,将速度方程式（,3-44,）对时间求导可得：,由上式实部和虚部分别相等并将坐标系绕,B,点转,4,角可得,：,由上面两式可,分别得相对加速度和构件,4,的角加速度,79,-,摆动导杆机构运动分析的编程注意事项,由式（,3-42,）可知，当 或 时，因分母为零会产生溢出而使程序计算无法进行，由摆动导杆机构的运动可知，此时的,因此，编程时应加以注意和处理，如后面的图所示。,2.,注意角度处理,对于摆动导杆机构，角度,4,只可能在第,和第,象限，,而计算机由反正切求出的,4,只可能在第,和第,象限，故需作角度处理，如下图所示。,（,3-42,）,1.,避免分母为零,2,=,/2,或,2,=3,/2,？,4,=,/2,由式（,3-42,）求,4,4,0,？,4,=,4,+,yes,No,yes,接下面程序,No,80,-,平面机构运动分析的矢量运算法,方法与步骤总结,:,A.,首先选定直角坐标系,;,B.,选取各杆的矢量方向与转角,;,C.,根据所选矢量方向画出封闭的矢量多边形,;,D.,根据封闭矢量多边形列出复数极坐标形式的矢量方程式,;,E.,由矢量方程式的实部和虚部分别相等得到位移方程；,F.,由该位移方程解出所求位移参量的解析表达式。,G.,将位移方程对时间求一次导数后，得出速度方程式并解得所 求速度参量,;,H.,将速度方程式对时间再求一次导数后，得出加速度方程式并 解得所求加速度参量,;,平面机构的整体运动分析法,81,-,级机构位置图的确定,级机构中，,级组的内部,运动副相对于外部运动副的轨,迹不是圆弧，就是直线。,左上图中,级组,BCD,中的内副,C,相对于外副,B,、,D,的轨迹是圆,弧，故其位置可由两圆弧的交,点确定。,左下图中,级组,BCD,的内副,C,相对于外副,B,的轨迹是圆弧，相,对于外副,D,的轨迹是直线。故其,位置可由直线与圆弧的交点来,确定。,82,-,练习：,已知曲柄,1,的角速度,1,和角加速度,1,，求图示位置时连杆,2,的角速度,2,、角加速度,2,及其上点,C,和,E,的速度和加速度，以及构件,3,的角速度,3,和角加速度,3,。,1.,同一构件上两点间的速度和加速度,图,3,7,铰链四杆机构,图,3,7(,a,),所示为铰链四杆机构，比例尺为,L,。,1,B,A,D,C,E,1,1,2,4,3,(,a,),V,B,V,CB,2,V,C,3,83,-,V,C,=,v,pc,(,方向：,p,c,),V,CB,=,v,bc,(,方向：,b,c,),V,C,=,V,B,+,V,CB,(3,7),方向,CD,AB,CB,大小,？,l,AB,1,？,(1),确定构件的速度和角速度,p,b,c,(,b,1,),图,3,7,铰链四杆机构,1,B,A,D,C,E,1,1,2,4,3,(,a,),V,B,V,CB,2,V,C,3,84,-,方向,?,CD,CE,AB,BE,大小,?,v,pc,?,1,l,AB,?,当点,C,的速度,V,C,求得后，根据速度的合成原理可求得点,E,的速度,V,E,。,V,E,=,V,C,+,V,EC,=,V,B,+,V,EB,p,b,c,e,(,b,),图,3,7,铰链四杆机构,1,B,A,D,C,E,1,1,2,4,3,(,a,),V,B,V,CB,2,V,C,3,85,-,同理可得构件,3,的角速度,3,为,连杆,2,的角速度,2,大小为,2,=,V,CB,/,l,CB,=,v,bc,/,l,CB,3,=,V,C,/,l,CD,=,v,pc,/,l,CD,(,b,),图,3,7,铰链四杆机构,p,b,c,e,(,b,),1,B,A,D,C,E,1,1,2,4,3,(,a,),V,B,V,CB,2,V,C,3,86,-,(2),确定构件的加速度和角加速度,a,n,C,+a,t,C,=a,n,B,+a,t,B,+a,n,CB,+a,t,CB,方向：,C,D,CD B,A,AB,C,B,C