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Chapter3Kinematicsandforcesanalysisofplanarmechanisms
(第3章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和力分析)w14w21w23v34jM1FR21FR12FR32FR23FR43FR41h1234FProblems:Positions(軌跡)/Angularpositions(角位移)Velocities(速度)/Angularvelocities(角速度)Accelerations(加速度)/AngularAccelerations(角加速度).Purpose:Itisabaseforforceanalysistounderstandthekinematicspropertiesofexistingmechanisms(了解現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能,為受力分析奠定基礎(chǔ)).Means:1)Instantcenter
(瞬心法)(vandω);2)VectorequationGraphicalMethod(矢量方程圖解法)3)Analysismethod(解析法)(上機(jī)計(jì)算).Tasksandmethodsofkinematicanalysisofmechanisms(機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的目的和方法)3.1
Instantcenterofvelocity(速度瞬心)3.1.1
Instantcenterofvelocity(速度瞬心)Thedefinitionofaninstantcenterofvelocityisacoincidentpoint,commontotwolinks/bodiesinplanemotion,whichpointhasthesameabsolutevelocityandnorelativeveloctiy(兩個(gè)互作平行平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件上絕對(duì)速度相等、相對(duì)速度為零的瞬時(shí)重合點(diǎn)稱為這兩個(gè)構(gòu)件的速度瞬心,簡(jiǎn)稱瞬心。瞬心用符號(hào)Pij表示).P1212ABvA1A2vB1B2e.g.P12istheinstantcenterofvelocitybetweenlink1andlink2.1.Absoluteinstantcenter(絕對(duì)瞬心)
絕對(duì)速度為零的瞬時(shí)重合點(diǎn)。2.Relativeinstantcenter(相對(duì)瞬心)
絕對(duì)速度不為零的瞬時(shí)重合點(diǎn)。3.1.2
Numberofinstantcentersofamechanism(機(jī)構(gòu)中瞬心的數(shù)目)DenotedasK:Note:TheframeisincludedinthenumberN.注意:N為包括機(jī)架在內(nèi)的所有構(gòu)件數(shù)。3.1.3
Locationoftheinstantcenteroftwolinksconnectedbyakinematicpair(機(jī)構(gòu)中瞬心位置的確定)1.Observableinstantcenter(直接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件的瞬心)(1)Revolutepair(轉(zhuǎn)動(dòng)副連接)12P1212P12Thecenteroftherevolutepairistheinstantcenter(鉸鏈點(diǎn)即為瞬心).(2)Slidingpair(移動(dòng)副連接)Infinityineitherdirectionperpendiculartotheguide-way(瞬心在垂直于導(dǎo)路無(wú)窮遠(yuǎn)處)v121212v12(3)Planarhigherpairs(平面高副)(rollingandslidingpair)Somewhereonthecommonnormaln-nthroughtheconnectingpointA(瞬心在接觸點(diǎn)的公法線上;若為純滾動(dòng),瞬心在接觸點(diǎn)上)Ifv12≠0,P12liesonthecommonnormaln-n.Ifv12=0,P12isApoint;nnttA21v122.TheoremofthreecentersAronhold-KennedyTheorem(三心定理)(unobervableinstantcenters)Theorem:
Threeindepentdentlinksingeneralplanemotionhavethreeinstantcentersandthethreeinstantcentersmustlieonastraightline.proof:Suppose
P23
isat
Kpoint,asToobtainthesamedirectionoftwovelocity,KpointmustlieonthelinethroughP12and
P13points.So,P12,P23andP13
mustlieonthesameline.23P12P131vK2vK3w2w3vK2≠vK31234Example1:Forthefour-barmechanismshownasfollow,locateallinstantcentersforthemechanism.Solution:P12、P23、P34、P14(observableinstantcenters)P13{P14、P34P12、P23P24{P12、P14P23、P34P14P34P12P23P24P13Lineargraph/Instantcenterpolygon
框圖法(瞬心多邊形)
Thesolutionofeachlinkinstantcentersrepresentbyapolygongraph.Alinebetweenthedotsrepresentingthelinkpairseachtimewefindaninstantcenter.Thetrianglecomposedbylinesrepresentsthreeinstantcentersandthreecentersarecollinear.Example:1234P12P24P13P14P34P23Example
2:Findingallinstantcentersforaslider-crankmechanism。Solution:14321234P12P24P13P14P34P233.1.4
VelocityanalysiswithinstantcentersExample1:w1isgivenintheslider-crankmechanism,findtheratiooftransmission
i13and
w3.1234w1P12P34P14P23∞P13Solution:1234P13ω3Solution:123w1nP13P23∞nP12P23∞Example2:
w1
isgiveninthecammechanism,findthevelocityv2ofthefollower2.Exercise:forthefive-barlinkage,supposethatthedrivinglinks2and3arerotatingwithconstantangularvelocityw2
=10rad/s(ccw)and
w3=5rad/s(cw),respectively.Determinethecouplersw4andw5.
214533.3.1GoalsandcontentsofforcesanalysisconsideringinfluencesoffrictionGoals:Analyzetheeffectsoffrictioninkinematicpairsinmechanismsandreducethedisadvantages.Contents:1)Introductionoffrictioninseveralkinematicpairs;2)Forceanalysisconsideringinfluencesoffriction;3)Mechanicalefficiencyandself-locking.3.3
Forcesanalysisofmechanisms(機(jī)構(gòu)的受力分析)1.Frictioninkinematicpairs1)determinationoffrictionforceinslidingpairsFR21—composite
force(合外力)FN21—normal
reactionforce(法向反力);F21—friction(摩擦力)。F21direction:directionof
F21isoppositetothatof
v12.magnitude
:
F21
isproportionalto
FN21withfrictioncoefficient
fbeingacertainvalue.
F21=fFN213.3.2
Forceanalysisconsideringinfluencesoffriction12FtFN21FR21FFnbF21jv12ab(1)Frictioninslidingpairs2)Determinationofreactionforce
inkinematicpairsFN21
and
F21aretheforceslink2actingonlink1andthereactionforceFR21isthecompositionofthem.direction:anglebetween
FR21and
v12
is
(90°+j)
magnitude
:12FtFN21FR21FFnbF21jv12ab
supposeincludedanglebetween
FR21and
FN21is
j∴j=arctanf,frictionangle。FR21Underdifferentsituations,reactionforceshouldbeasfollows:
當(dāng)外力F
的作用線位于接觸表面ab之內(nèi)時(shí)
構(gòu)件1與構(gòu)件2僅一面受力,F(xiàn)R21如圖a所示。
當(dāng)外力F的作用線位于接觸表面ab之外時(shí)構(gòu)件1除了移動(dòng)之外,還要發(fā)生傾轉(zhuǎn),
FR21如圖b所示。
當(dāng)外力F的作用線平行移動(dòng)軸線并距移動(dòng)軸線h時(shí),構(gòu)件1除了移動(dòng)之外,還要發(fā)生傾轉(zhuǎn),
FR21如圖c所示。
jFR21v122F1abdc(a)21jcdbajFFR21FR21v12(b)jj21cdbahv12FR21FFR21(c)Example:
Link1movesataconstantspeedonaslantoflink2,loadingisFQ,frictioncoefficientisf,drivingforceisF(horizontal)andaisgiven。Determine
FR21
=?F=?whenlink1movealongaslantupanddownataconstantspeed.Solution:1)Forceanalysisonlink1whenitmoveupataconstantspeed.FQ12aFaj1(a+j)FQFv12FR21FR21FFQFQ+F+FR21=0F=FQtan(a+j)FR21=FQ/cos(a+j)2)Forceanalysisonlink1whenitmovedownataconstantspeed.Conclusion:thedifferentdirectionof
FR21
isdueto
thedifferentdirectionofrelativevelocity.1a(a-j)FQFv12jFR21FQFR21FFQ+F+FR21=0F=FQtan(a-j)FR21=FQ/cos(a-j)2.Frictioninrevolutepairs
(radialshaftfriction徑向軸頸摩擦)1)Fig.a,當(dāng)構(gòu)件
1與構(gòu)件2沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其接觸點(diǎn)在A點(diǎn),此時(shí)FN21=-FQ
,此二力共線,等值反向。2)Fig.b,在Md的驅(qū)動(dòng)下使軸頸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),由于摩擦力的存在,構(gòu)件1在構(gòu)件2的AB弧段向上爬升,直至B點(diǎn)達(dá)到平衡。平衡條件為12FQFN21(a)ArFQFN21F21FR21MdrOB12(b)∑Fy=0FQ=FR21∑MO=0Md=Mr
fv(當(dāng)量摩擦系數(shù))通過(guò)理論推導(dǎo),有跑合軸頸:fv=1.27f非跑合軸頸:fv=1.57fMr=F21r
=FR21rrFQFR21rMdO根據(jù)力學(xué)觀點(diǎn),若Md與FQ的總合力為FQ′,其距離為e,1)當(dāng)e<r時(shí),F(xiàn)Q′作用在摩擦圓內(nèi),此時(shí)Md<Mr,機(jī)構(gòu)若原來(lái)運(yùn)動(dòng)則減速直至靜止,若原來(lái)靜止則自鎖。2)當(dāng)e=
r
時(shí),F(xiàn)Q′切于摩擦圓,此時(shí)Md=Mr,構(gòu)件1達(dá)到慣性平衡。3)當(dāng)e>r時(shí),F(xiàn)Q′作用在摩擦圓外,此時(shí)Md>Mr,構(gòu)件1作加速轉(zhuǎn)動(dòng)。rFQFR21rFQFR21rrFQFR21MdOBrrFR21OBeFQ′rrFR21OBeFQ′rrFR21OBeFQ′在考慮摩擦受力分析時(shí),常將FQ′用FRij表示。r=fvr
為定值。式中r稱為摩擦圓半徑。轉(zhuǎn)動(dòng)副中總反力的確定:2)FRAB對(duì)軸心取矩的方向與wBA轉(zhuǎn)向相反;1)FRAB作用線切于摩擦圓;3)根據(jù)整體平衡條件確定FRAB的唯一確切位置。整體平衡條件包括:若該構(gòu)件為二力構(gòu)件,明確其受拉還是受壓;若該構(gòu)件是三力構(gòu)件,此三力必匯交于一點(diǎn);若該構(gòu)件受一個(gè)力矩和兩個(gè)力作用,此時(shí)該二力必構(gòu)成一力偶與力矩達(dá)到平衡;等等。FRAB步驟如下:1)明確機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)力(矩)和阻力(矩),搞清運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。2)畫受力圖。必須從受力最少構(gòu)件入手,然后分別畫出其他構(gòu)件受力圖。3)求未知量。從有已知力(矩)的構(gòu)件入手,根據(jù)平衡條件求出未知力(矩),然后以此構(gòu)件為基準(zhǔn),由近及遠(yuǎn)分析其它構(gòu)件,直至求出未知量。2.考慮摩擦的機(jī)構(gòu)受力分析Example1:Asshowninfigure,four-barlinkage,positions,sizes,fv,r,drivingforce
F
andresistanttorque
M3
ofthemechanismaregiven,findthepositionanddirectionof
reactionforcesineachkinematicpairbytheeffectofF.Solution:Link
2:Link1:Link3:1234FM3w
21w
23FR12FR21FR23FR32w
14w
34FR41FR43hr=fvrFR12+FR32=0F+FR21+FR41=0FR23+FR43=0M3=FR23hSolution:Link
2:Link
3:Link
1:Example2:Asshowninfigure,guide-barmechanism,positions,sizes,fv
,r,drivingtorqueM1ofthemechanismaregiven.
FQ
isresistance,findtheresistance
FQ
=?M1FQ341232w21v23FR12FR32FR43w34FR23FR21w14FR41h受力面FR43FQFR23FR41FR21FR12FR32r=fvr,j=arctanfFR12+FR32=0FQ
+FR23+FR43=0FR21+FR41=0M1=FR21hChoosemN,F(xiàn)R21=M1/h∴FQ=∣FQ∣mNExample3:Positions,sizes,fv
,r,
drivingforce
FandresistanceFQaregiven.Findthereactionlineoftotalreactionforce.123FFQSolution:Link
1:Link
2:v21w23FR32FR31jv13FR21FR12jF+FR21+FR31=0FQ
+FR12+FR32=0FQF1234Example4:Positions,sizes,frictionanglejbetweentheslidingpair
andfrictioncirclesaregiveninthefollowingclampingmechanism,Pleasedrawallreactionforcelinesofkinematicpairunderthedrivingforce
F
andtheresistanceforce
FQ.Solution
:Link1:Link
3:Link2:jw21w23FR21w14FR41FR23v34jFR43FR12FR32FR12+FR32=0F+FR21+FR41=0FQ
+FR23+FR43=0(1)機(jī)械效率機(jī)械對(duì)能量的有效利用程度,用h
表示。1)簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng),減少運(yùn)動(dòng)副。2)減少摩擦,合理選材。3.Mechanicalefficiencyandself-locking(機(jī)械效率和自鎖)式中:Wd
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