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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)w14w21w23v34jM1FR21FR12FR32FR23FR43FR41h1234FProblems: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)(vandω);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)3.1
Instantcenterofvelocity(速度瞬心)3.1.1
Instantcenterofvelocity(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).P1212ABvA1A2vB1B2e.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。3.1.2
Numberofinstantcentersofamechanism(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。3.1.3
Locationoftheinstantcenteroftwolinksconnectedbyakinematicpair(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)12P1212P12Thecenteroftherevolutepairistheinstantcenter(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)v121212v12(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)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
框图法(瞬心多边形)
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(机构的受力分析)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:
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。
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12FQFN21(a)ArFQFN21F21FR21MdrOB12(b)∑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=1.57fMr=F21r
=FR21rrFQFR21rMdO根据力学观点,若Md与FQ的总合力为FQ′,其距离为e,1)当e<r时,FQ′作用在摩擦圆内,此时Md<Mr,机构若原来运动则减速直至静止,若原来静止则自锁。2)当e=
r
时,FQ′切于摩擦圆,此时Md=Mr,构件1达到惯性平衡。3)当e>r时,FQ′作用在摩擦圆外,此时Md>Mr,构件1作加速转动。rFQFR21rFQFR21rrFQFR21MdOBrrFR21OBeFQ′rrFR21OBeFQ′rrFR21OBeFQ′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,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,FR21=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)机械效率机械对能量的有效利用程度,用h
表示。1)简化机械系统,减少运动副。2)减少摩擦,合理选材。3.Mechanicalefficiencyandself-locking(机械效率和自锁)式中:Wd
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