第二章平面机构的运动分析
平面机构的运动分析
❖绝对瞬心：运动构件和机架之间的瞬心。
绝对瞬心也就是运动构件上瞬时绝对速度等于零的点。
❖相对瞬心：两个运动构件之间的瞬心。
相对瞬心也就是两个运动构件的同速重合点。
2.机构中瞬心的数目
设机构由K个构件组成，该机构的瞬心的总数为：
N = K(k-1)/2
7
3.机构中瞬心位置的确定
(1)两构件组成运动副 根据瞬心的定义，通过观察直接确定两构件的瞬心位
联接两绝对加速度终点 的矢量代表相应两点间 的相对加速度
c'
P'
e'
30
b' c"
2.组成移动副两活动构件的重合点间的运动关系。
（重合点法） 图示机构中，已知各构件的长度、原动件1的位置1 及等角速度ω1，求机构在图示位置时构件3的速度、 加速度。
31
▪ 活动构件1、2组成移动副， ▪ 作平面复杂运动的构件2上的另一个基本运动副是
vP13 P12
P13
P23 ω3 P34
P14
注意：图解法的特点体现在从“机构位置图”中直
接量出两点之间的距离。
15
提问：
1)如何求构件2的角速度ω2？ 2) ω3=0时，构件1的角位置1 ？
P24
P23
P12
P13
P34
16
P14
例2：如图所示为一曲柄滑块机构，已知l AB=30mm, l BC=65mm，原动件1的位置1=145° 及等角速度ω1 = 10rad/s，求机构在该位置时滑块3的速度。
C点
B点
构件2
影像原理
35
E点
2.速度分析
▪
VC = VB + VCB
平面机构的自由度与运动分析
平面机构的自由度与运动分析一、平面机构的自由度平面机构是指机构中的构件只能在一个平面内运动的机构，它由多个连接杆、转动副和滑动副组成。
平面机构的自由度是指机构中能够独立变换位置的最小的连接杆数目，也可以理解为机构中独立的变量的数量。
对于平面机构，其自由度可以通过以下公式计算：自由度=3n-2j-h其中，n表示连接杆的数量，j表示驱动链的数量，h表示外部约束的数量。
根据上述公式可以看出，自由度与平面机构中连接杆的数量和驱动链和外部约束的数量有关。
连接杆的数量越多，机构的自由度就越大，可以实现更复杂的运动。
驱动链的数量越多，机构中的动力驱动器越多，自由度就越小，机构的运动变得更加确定。
外部约束的数量越多，机构中的约束条件就越多，自由度就越小，机构的运动也会变得更加确定。
二、平面机构的运动分析1.闭合链和链架分析：首先需要确定机构中的闭合链和链架，闭合链是指机构中连接杆形成一个封闭的回路，闭合链中的连接杆数目应该为n 或n-1，n是机构中的连接杆数量。
链架是指机构中的连接杆形成一个开放的链路。
通过分析闭合链和链架中的链接关系和约束条件，可以确定机构中构件的位置和运动方式。
2.位置和速度分析：根据机构的连接杆的长度和角度，可以通过几何方法或代数方法确定机构中构件的位置和速度分量。
通过分析连接杆的长度和角度的变化规律，可以推导出机构中构件的位置和速度随时间的变化关系。
3.加速度和动力学分析：根据机构中各个构件的位置和速度，可以通过几何方法或动力学方法计算构件的加速度和动力学特性。
通过分析机构中构件的加速度和动力学特性，可以确定机构中构件的运动稳定性和质量分布。
4.动力分析：对于需要携带负载或进行力学传动的机构，需要进行动力学分析，确定机构中各个构件的受力和承载能力。
通过分析机构中构件的受力情况，可以确定机构的设计参数和强度要求。
总结起来，平面机构的自由度与运动分析是确定机构中构件位置和运动状态的重要方法，通过分析机构中的闭合链和链架、构件的位置和速度、加速度和动力学特性，可以确定机构的运动方式和特性，为机构的设计和优化提供依据。
第2章 平面机构的运动简图及其自由度
F=3n－2PL－PH=3×4－2×5－0=2
若给定一个原动件(构件1)的角位移规律为φ1=φ1(t)，此时构件2、 3、4的运动并不能确定。
说明当原动件数少于机构的自由度时，其运动是不确定的。
又如图b所示四构件机构，其自由度为：
F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1
Hale Waihona Puke 零件－连杆体1、连杆头2、轴套3、轴瓦4和5、螺杆6、螺母7、开口销8
二、运动副及其分类
1、构件的自由度——构件所具有的独立运动数目。
在三维空间内自由运动的构 件具有六个自由度。
作平面运动的构件(如图所 示)则只有三个自由度，这 三个自由度可以用三个独立
的参数x、y和角度θ表示。
2、运动副
F=3n-2PL-PH
(2-1)
由上式可知：机构自由度F取决于活动构件的件数与运动副的
性质（高副或低副）和个数。
试机算图示航空照相机快门机构的自由度。
解：该机构的构件总数N=6,活动构件数n=5,6个转 动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的 自由度数为：
F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1
两个构件间形成的运动副引入多少个约束， 限制了构件的哪些独立运动，则完全取决于运动 副的类型。
由此可见，在平面机构中，每个转动副引入 两个约束，使构件失去两个自由度。
转动副的表示方法
⑵ 移动副——两构件间只能作相对移动的低副称为移动副， 移动副及其简图符号表示如下图所示。
移动副
移动副的表示方法
缝纫机下针机构
23 1
4
机构模型
2 3
1 4
§2-3 平面机构的自由度
平面机构的运动分析习题和答案
2 平面机构的运动分析1.图 示 平 面 六 杆 机 构 的 速 度 多 边 形 中 矢 量 ed →代 表 . 杆4 角 速 度ω4的 方 向 为时 针 方 向。
2.当 两 个 构 件 组 成 移 动 副 时 .其 瞬 心 位 于 处 。
当 两 构 件 组 成 纯 滚 动 的 高 副 时. 其 瞬 心 就 在 。
当 求 机 构 的 不 互 相 直 接 联 接 各 构 件 间 的 瞬 心 时. 可 应 用 来 求。
3.3 个 彼 此 作 平 面 平 行 运 动 的 构 件 间 共 有 个 速 度 瞬 心. 这 几 个瞬 心 必 定 位 于 上。
含 有6 个 构 件 的 平 面 机 构. 其 速 度 瞬 心 共 有 个. 其 中 有 个 是 绝 对 瞬 心. 有 个 是 相 对 瞬 心。
4.相 对 瞬 心 与 绝 对 瞬 心 的 相 同 点 是 .不 同 点 是 。
5.速 度 比 例 尺 的 定 义 是 . 在 比 例 尺 单 位 相 同 的 条 件 下. 它 的 绝 对 值 愈 大. 绘 制 出 的 速 度 多 边 形 图 形 愈 小。
6.图 示 为 六 杆 机 构 的 机 构 运 动 简 图 及 速 度 多 边 形. 图 中 矢 量 cb →代表 . 杆3 角 速 度ω3 的 方 向 为 时 针 方 向。
7.机 构 瞬 心 的 数 目N 与 机 构 的 构 件 数 k 的 关 系 是 。
8.在 机 构 运 动 分 析 图 解 法 中. 影 像 原 理 只 适 用 于 。
9.当 两 构 件 组 成 转 动 副 时. 其 速 度 瞬 心 在 处； 组 成 移 动 副 时. 其 速 度 瞬 心 在 处； 组 成 兼 有 相 对 滚 动 和 滑 动 的 平 面 高 副 时. 其 速 度 瞬 心 在 上。
10..速 度 瞬 心 是 两 刚 体 上 为 零 的 重 合 点。
11.铰 链 四 杆 机 构 共 有 个 速 度 瞬 心.其 中 个 是 绝 对 瞬 心. 个 是 相 对 瞬 心。
1.机构的运动分析
第二章机构的运动分析• 2.1 对机构进行运动分析的目的和方法• 2.2 用速度瞬心法进行速度分析• 2.3 相对运动图解法• 2.4 解析法•2.1 对机构进行运动分析的目的和方法一、平面机构运动分析的目的1. 求解机构中某些点的运动轨迹或位移，确定机构的运动空间2.求解机构某些构件的速度、加速度，了解机构的工作性能3.为力分析作前期工作构件的惯性力与其加速度成正比，惯性力矩与其角加速度成正比。
二、运动分析的方法复数法矩阵法矢量法速度瞬心法相对运动图解法（一）图解法（二）解析法（三）实验法2.2 用速度瞬心法进行速度分析2.2.1 瞬心的基本概念2.2.2 用瞬心法进行机构的速度分析2.2.1 瞬心的基本概念一、瞬心概念二、平面机构瞬心的数目三、瞬心位置的确定在任一瞬时，两个作平面相对运动的构件都可以看成是围绕一个瞬时重合点作相对转动。
瞬时重合点若你站在机架上看是等速重合点或同速点瞬时回转中心瞬心一、瞬心A 1(A 2)B 1(B 2)12A2A1V B2B1V P 12平面运动两构件肯定存在一个相对速度为零,绝对速度相同的点.如果你站在机架上看那就是同速点二、平面机构瞬心的数目2(1)2NN N K C -==假设机构中含有N 个构件,每两个构件之间有一个瞬心，则全部瞬心的数目三、瞬心位置的确定1.两个构件之间用运动副连接的瞬心位置2.两个构件之间没有用运动副连接的瞬心位置1.两个构件之间用运动副连接的瞬心位置（1）两个构件用转动副连接时的瞬心位置（2）两个构件用移动副连接时的瞬心位置（3）两构件用平面高副连接时的瞬心位置12 P12P12P121122（1）两个构件用转动副连接时的瞬心位置P 1212∞（2）两个构件用移动副连接时的瞬心位置半径无穷大的转动副（3）两个构件用平面高副连接时的瞬心位置纯滚动连滚带滑2.两构件之间没有用运动副连接时的瞬心位置（1）三心定理（2）瞬心多边形法的步骤（1）三心定理作平面运动的三个构件有三个瞬心，且位于同一直线上。
第2章-平面机构运动分析(解析法)
复数矢量法
复数矢量法是将机构看成一封闭矢量 多边形，并用复数形式表示该机构的封闭 矢量方程式，再将矢量方程式分别对所建 立的直角坐标系取投影。
Hale Waihona Puke 1、铰链四杆机构2、曲柄滑块机构
3、导杆机构
§2-4 用解析法求机构的 位置、速度和加速度
图解法的缺点：
1、分析结果精度低； 2、作图繁琐、费时，不适用于一个运动周期的分析。 3、不便于把机构分析与综合问题联系起来。 随着计算机应用的普及，解析法得到了广泛的应用。 方法：复数矢量法、矩阵法、杆组法等。 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。
第2章平面机构的自由度和运动简图
作者： 潘存云教授
（2）参与组成一个转动副和一个移动副的构件的表示： 滑块上加转动副
（II）
中国地质大学专用
作者： 潘存云教授
（3）参与组成三个转动副的构件的表示： 用三角形表示，在三角形内加剖面线或在三个角上 涂以焊缝的标记以表示三角形是一个刚性整体
（III）
如果三个转动副中心在一条直线上，可用下图表示该构件：
中国地质大学专用
作者： 潘存云教授
例题1：绘制下图左示颚式破碎机的机构运动简图： 例题 ：绘制下图左示颚式破碎机的机构运动简图：
2 B
A
1
3 D C 4
中国地质大学专用
作者： 潘存云教授
解：1构件为机架，2构件为偏心轴，3构件为动颚，4构件为肘板。 机架1和偏心轴2形成的转动副中心在A点(偏心轴绕A点转动)， 偏心轴2和动颚3形成的转动副中心在B点， 动颚3和肘板4形成的转动副中心在C点， 肘板4和机架1形成的转动副中心在D点。 a. 选取一合适的机器工作位置 （使所绘制的机构运动简图清晰易读）; b. 根据机器上各构件的实际尺寸按比例确定出 机器上各运动副的相对位置（最关键）， 机器上各运动副的相对位置（最关键）， 在这些位置上画出相应的运动副符号; c. 连接相关的运动副得到各构件; d. 在作为机架的构件上打上阴影线 (标出机架 在作为机架的构件上打上阴影线; 标出机架 标出机架) e. 标出原动件（在原动件构件上标出指示运动方向的箭头）。 标出原动件（在原动件构件上标出指示运动方向的箭头） 绘制的机构运动简图如上图右所示。
中国地质大学专用 作者： 潘存云教授
常见的移动副的表示如下图所示：
（IV-1）
（IV-2）
（IV-3）
两活动构件组成的移动副的表示
《机械原理》知识要点
1
A e
2 4
P24
P 13
B
C
3
第三章 平面连杆机构及其设计
重 点
平面四杆机构的基本类型 平面四杆机构的基本知识
第三章 平面连杆机构及其设计
一、平面四杆机构的主要类型
1、铰链四杆机构
2、曲柄滑块机构
3、导杆机构
第三章 平面连杆机构及其设计
二、铰链四杆机构的类型
速度瞬心法
图解法
◆两构件重合点间的运动关系
第二章 平面机构的运动分析
一、速度瞬心的概念
两个构件的瞬时等速重合点（同速点）
瞬心数
N K ( K 1) 2
构件数—K
二、瞬心位置的确定
1、直接观察法（两构件以运动副相联） 2、利用三心定理求（两构件间没有构成运动副）
三心定理：三个构件的三个瞬心必定在一条直线上
机构的组成原理——任何机构都是由若干个杆组依次联接到
原动件和机架上而构成的
第一章 平面机构的结构分析
3、机构的结构分析
机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件和 机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。
拆分原则
首先，从远离原动件的部分开始拆分； 试拆时，先试拆低级别杆组；
每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构。
第六章 轮系及其设计
找基本周转轮系的一般方法
先找行星轮：
几何轴线绕另一个齿轮的几何轴线转动的齿轮
再找行星架
支持行星轮的构件
找中心轮
几何轴线与行星架的回转轴线重合 直接与行星轮相啮合的齿轮
一个基本周转轮系
行星轮、行星架、中心轮
速度瞬心法2图解法求解速度和加速...
l2w
2 2
sin j 2
0
a2
l1w12
sin(j1
j2
)
l
2w
2 2
sin j 2
l2 cosj2
三、导杆机构
1.位置分析
l1 l4 s
l4i l1eij1 seij3
展开取实部和虚部
l1 cosj1 s cosj3 l4 l1 sinj1 s sinj3
t an j 3
l4 l1 sinj1 l1 cosj1
j2
)
l3w
2 3
l3 sin(j3 j2 )
cos(j 3
j2)
a2
l3w
2 3
l1w12
cos(j1
j3
)
l
2w
2 2
l2 sin(j2 j3 )
cos(j 2
j3)
二、曲柄滑块机构
1.位置分析
l1 l2 xC
l1eij1 l2eij2 xC
l1 sinj1 l2 sinj2 0
一、速度瞬心法
1 速度瞬心：两作相对运动的刚体，其相 对速度为零的重合点。
绝对瞬心：两刚体其一是固定的
1
相对瞬心：两刚体都是运动的
2
A
B
i构件和j构件瞬心的表示方法：Pij或Pji
P12
2 瞬心的数目
N k(k 1) 2
k 为构件数目
3 瞬心的求法
1) 根据瞬心定义直接求两构件的瞬心
P12 12
0
w2
l1w1 cosj1 l2 cosj 2
3.加速度分析
l1w12eij1
l2a2ieij2
l2w
2 2
第2章--平面机构运动简图和自由度
我受到了表扬 从小到大我受到过许多表扬，每次 受到表 扬我都 是喜滋 滋
的。但是有一次表扬却是苦涩的。
记得读三年级时，我期终考试失误了， 导
致数学成绩只得了89分。我看着那成 绩单上 的红红 的、刺 眼的89 这个数 ，不知 揉
了多少次眼睛。眼睛都被我揉红了。 我看着 这个令 我心酸 心痛的 数字， 不敢相 信
(2)选定视图平面。为将机构运动简图表达清楚，必须先选好投影 面，为此可以选择机械的多数构件的运动平面作为投影面。
上一页 下一页
§2.2 平面机构的运动简图
必要时也可就机械的不同部分选择两个或更多个投影面，然后扩展到 同一图面上，或者将主运动简图上难以表达清楚的部分另绘局部简图， 总之，以表达清楚、正确为原则。
式(2.2)可以判断、检验或确定机构原动件的个数;同时说明活动构件、 低副、高副个数如何分配，才能组成机构。
2.3.2计算平面机构自由度应注意的事项
在计算机构的自由度时，往往会遇到按公式计算出的自由度数目与
机构的实际自由度数目不相符的情况。这往往是因为在应用公式计算
机构的自由度时，还有某些应该注意的事项未能正确考虑的缘故。现
将应该注意的主要事项简述如下。
1.复合铰链
两个以上的构件同时在一处以转动副相连接，就构成了所谓的复合
铰链。
上一页 下一页
§2.3 平面机构的自由度
如图2-13所示，它是三个构件在一起以转动副相连接而构成的复合
铰链。由图2-13(b)可以看出，这三个构件共同构成的是两个转动
副。同理，若有m个构件以复合铰链相连接时，其构成的转动副数
千万只蚂蚁再爬似的。心底里暗暗地 说：“ 妈妈， 对不起 ，我骗 了你！ ”
第
二天，我们全家去了福建玩。说真的 我玩得 十分不 爽，因 为我的 心老想 着成绩 单
第二章 平面机构的运动分析图解法及解析法3
l1 l 2 l 4 l 3
将上述矢量方程向 X,Y轴投影得：
x : l 1 cos1 l 2 cos2
l 4 l 3 cos3 ( 1 ) y : l 1 sin 1 l 2 sin 2 l 3 sin 3 (2)
x : l 1 cos1 l 2 cos2 l 4 l 3 cos3 y : l 1 sin 1 l 2 sin 2 l 3 sin 3
位移方程 速度方程 轨迹（角位移） 速度（角速度） 加速度（角加速度）
s s (t ) v s ds dt a v dv dt
加速度方程
方法：①瞬心法 ②图解法 ③解析法
求机构的速度和角速度 简易直观，精度低，有限个位置 过程规范，结果完整
2.2 用瞬心法进行机构的速度分析 (Instant center of velocity ) 一、速度瞬心的概念 定义：两个互作平面平行运动的刚体上绝对速度相等
A B B C
2
2
C
2
)
同理，对于2 也可求得：
D 2 l 1 l 2 sin 1 F l
2 1
“”代表机构中C点在AD之下。
D sin 2 E cos 2 F 0
E = 2 l 2 ( l 1 cos1 l 4 ) 2 l 1 l 4 cos1
l
2 2
② 确定瞬心数目和位置 N=3 P12在高副法线n-n上，
P13 P23 P12
3
P23
n
∞
2
③求构件2的速度
V2 VP12 1 P 13 P 12 L
（方向向上）
P13 P 12
w1
第2章--机构运动简图
C: 复合铰链 M 和 N 、 E 虚约束 和F: G: 局部自由度
小结：
1、运动副的定义和分类 运动副：由两构件直接接触形成的可动联接
分类：高副(点或线接触的运动副)和低副(面接触的运动副)
2、能绘制机构运动简图 3、重点掌握平面机构的自由度计算及注意事项，明确复合铰链 局部自由度、虚约束等
1）平面机构自由度的计算公式： F 3n 2PL PH
F 3n 2PL PH 34 24 2
2
n7 PL 10 PH 0
F 3n 2PL PH 3 7 210 0
1
n4 PL 4 PH 2
F 3n 2PL PH 34 24 2
2
n7 PL 10 PH 0
F 3n 2PL PH 3 7 210 0
1
n9
用图形符号表示高副时，一 般需把两构件在接触点处的 曲线轮廓画出(图a)，但对于 齿轮机构，习惯上只画出两 齿轮的节圆(见表1-1)。
二、 构件的分类及其表示符号
1. 构件的分类
机 架 —机构中的固定构件； 支撑活动件，只有一个
原动件 主动件
—按给定已知运动规律独立运 动的构件；一般机构有一个
常在其上给出表示其运动形式 的箭头。
1）平行四边形结构
A
2）两构件之间构成多个转动轴线 重合的转动副；
3）两构件之间构成多个导路平行 的移动副；
虚约束常出现在下列场合：
1）平行四边形结构 2）两构件之间构成多个转动轴线重合的转动副； 3）两构件之间构成多个导路平行的移动副；
4）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分
5）两构件多点接触形成平面高副，
5、给各构件和运动副编号，并在 原动件上用箭头表示其运动形式和 方向
平面机构的运动分析
§3-2 用速度瞬心法作机构的速度分析
1、瞬心－理论力学定义
(1) 速度瞬心是对刚体的平面运动来说的， 每一瞬时，平面图形 上都唯一地存在一个速度为零的点，这个在瞬时速度为零的点， 称为瞬心。
(2) 任何一个物体的瞬时运动实际都可以看作是绕某一点的转动， 速度瞬心说的就是这个转动中心。
(3) 任意两个点的速度垂线焦点就是速度瞬心， 并且其他任何一点的速度垂线 都通过这个速度瞬心。
vD5＝vD4＋vD5D4 aD5＝aD4＋aD5Dk4＋aD5D4 r
科氏加速度的大小：
aDk5D4＝2ω4vD 5D4 ；
方向：将vD5D4沿ω4转过90°的方向。
加速度合成定理： 若牵连运动中存在转动，则动点的绝对加速度等于它的相对加速度、牵连加 速度和科氏加速度的矢量和。 科氏加速度：由科里奥利(G.G. Coriolis)于1835年首先提出的，是动基的转动 与动点相对运动相互耦合引起的加速度。它表示动参考系的角速度，等于角 速度与动点相对速度矢量积的两倍。
速度多边形特征如下：
1) 连接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，其方向由P点指向该点；
2) 连接其它任意两点的向量代表在机构中同名 点间的相对速度，其指向与相对下标相反； C 3) 点P——极点，代表该机构上速度为零的点( 绝对速度瞬心P)；
P
K
A
vA
aB方向 vB方向
B aA
例1 确定铰链四杆机构的 全部瞬心
K＝6
用速度瞬心法作机构的速度分析(3/3)
2. 用瞬心法作机构的速度分析 例1 平面铰链四杆机构 例2 平面凸轮机构
§3-3 用矢量方程图解法作机构的速度 及加速度分析
1. 基本原理和作法 （1）同一构件上两点间的运动矢量关系
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1、试求出下列机构中的所有速度瞬心。
(a) (b)
(c) (d)
2、图示的凸轮机构中，凸轮的角速度ω1=10s-1，R=50mm，l A0=20mm，试求当φ=0°、45°及90°时，构件2的速度v。
题2图凸轮机构题3图组合机构
3、图示机构，由曲柄1、连杆2、摇杆3及机架6组成铰链四杆机构，轮1′与曲柄1
固接，其轴心为B，轮4分别与轮1′和轮5相切，轮5活套于轴D上。
各相切轮之间作纯滚动。
试用速度瞬心法确定曲柄1与轮5的角速比ω1/ω5。
4、在图示的颚式破碎机中，已知：x D=260mm，y D=480mm，x G=400mm，y G=200mm，l AB=l CE=100mm，l BC=l BE=500mm，l CD=300mm，l EF=400mm，l GF=685mm，ϕ1=45°,ω1=30rad/s逆时针。
求ω
5、ε5。
题4图破碎机题5图曲柄摇块机构
5、图示的曲柄摇块机构， l AB=30mm，l AC=100mm，l BD=50mm，l DE=40mm，ϕ1=45°，等角速度ω1=10rad/s，求点E、D的速度和加速度，构件3的角速度和角加速度。
6、图示正弦机构，曲柄1长度l1=，角速度ω1=20rad/s（常数），试分别用图解法和解析法确定该机构在ϕ1=45°时导杆3的速度v3与加速度a3。
题6图正弦机构题7图六杆机构
7、在图示机构中，已知l AE=70mm，l AB=40mm，l EF=70mm，l DE=35mm，l CD=75mm，l BC=50mm，ϕ1=60°，构件1以等角速度ω1=10rad/s逆时针方向转动，试求点C的速度和加速度。