机械原理课件4 平面机构的力分析讲解
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机械原理课件——平面机构的运动分析和力分析
第三章 平面机构的运动分析和力分析
(Chapter 3: Kinematics and Forces Analysis of Planar mechanisms)
机构运动分析的目的和方法
解决的问题： 轨迹（角位移） 速度（角速度） 加速度（角加速度）
目的： 了解现有机构的运动性能， 为受力分析打基础。
3
方向:C DCDB A C B CB
大小：lCD 32 ?
lAB12 lCB 22 ?
选 a ，任找 p’（绝对加速度为
A
1
4
零的点）。
D al l 2 =
c'" c'
CB =
CB
CB
a
c’ e’
p’ a c”
la l 3 =
c" c'
C=
CD
CD
a
b’
a E点加速度由影像得： E p'e' a
证得：P12、P23和P13必在一条线上。
例1：如图示机构，找出其全部瞬心。
解：N 41 2
P24
2 P23
{P14, P34
P13
P12, P23
P12
1
P14
P13
4
{ 3
P12, P14
P24
P34
P23, P34
框图法(瞬心多边形)
各机构的瞬心求法用多边形表示，其中各 顶点代表构件，各顶点间的连线代表瞬心，连 线组成的三角形代表瞬心线。
方法：1. 瞬心法（求机构的速度和角速度） 2. 矢量方程图解法 3. 解析法（上机计算）
§ 3-1 速度瞬心
(Instant center of velocity )
(Chapter 3: Kinematics and Forces Analysis of Planar mechanisms)
机构运动分析的目的和方法
解决的问题： 轨迹（角位移） 速度（角速度） 加速度（角加速度）
目的： 了解现有机构的运动性能， 为受力分析打基础。
3
方向:C DCDB A C B CB
大小：lCD 32 ?
lAB12 lCB 22 ?
选 a ，任找 p’（绝对加速度为
A
1
4
零的点）。
D al l 2 =
c'" c'
CB =
CB
CB
a
c’ e’
p’ a c”
la l 3 =
c" c'
C=
CD
CD
a
b’
a E点加速度由影像得： E p'e' a
证得：P12、P23和P13必在一条线上。
例1：如图示机构，找出其全部瞬心。
解：N 41 2
P24
2 P23
{P14, P34
P13
P12, P23
P12
1
P14
P13
4
{ 3
P12, P14
P24
P34
P23, P34
框图法(瞬心多边形)
各机构的瞬心求法用多边形表示，其中各 顶点代表构件，各顶点间的连线代表瞬心，连 线组成的三角形代表瞬心线。
方法：1. 瞬心法（求机构的速度和角速度） 2. 矢量方程图解法 3. 解析法（上机计算）
§ 3-1 速度瞬心
(Instant center of velocity )
机械原理平面机构力分析与机械的效率
（正行程）
根据力的平衡条件
P R Q 0 P Qtg( )
二、移动副中的摩擦（续）
2）求保持滑块1沿斜面2等速下滑所需的水平力 P’
（反行程）
根据力的平衡条件 P' R Q 0
P Qtg( )
注意
▪ 当滑块1下滑时，Q为驱动力，P’为阻抗力，其作用为
阻止滑块1 加速下滑。
一、研究摩擦的目的（续 ） 2. 摩擦的有用的方面：
有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦 离合器和制动器等。
二、移动副中的摩擦-2
1. 移动副中摩擦力的确定
F21=f N21 ❖当外载一定时，运动副两元素间法向反力 的大小与运动副两元素的几何形状有关：
1）两构件沿单一平面接触
N21= -Q
：
✓可以用总惯性力PI’来代替PI和MI ，PI’ = PI，作用线由
质心S 偏移 lh
lh
MI PI
二、质量代换法
1. 质量代换法 按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个选
定的点上的集中质量来代替的方法。 2. 代换点和代换质量 ❖代换点：上述的选定点。 ❖代换质量：集中于代换点上的假想质量。
❖ 螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。
三、螺旋副中的摩擦（续）
2）拧紧和放松力矩 ❖拧紧：螺母在力矩M作用下 逆着Q力等速向上运动，相 当于在滑块2上加一水平力P，使滑块2 沿着斜面等速向上 滑动。
P Qtg( ) M P d 2 d 2 Qtg( )
22
❖ 放松：螺母顺着Q力的方向 等速向下运动，相当于滑块 2 沿着斜面等速向下滑。
dF= fdN= f p ds
dM f dF fdN fpds
M f
根据力的平衡条件
P R Q 0 P Qtg( )
二、移动副中的摩擦（续）
2）求保持滑块1沿斜面2等速下滑所需的水平力 P’
（反行程）
根据力的平衡条件 P' R Q 0
P Qtg( )
注意
▪ 当滑块1下滑时，Q为驱动力，P’为阻抗力，其作用为
阻止滑块1 加速下滑。
一、研究摩擦的目的（续 ） 2. 摩擦的有用的方面：
有不少机器，是利用摩擦来工作的。如带传动、摩擦 离合器和制动器等。
二、移动副中的摩擦-2
1. 移动副中摩擦力的确定
F21=f N21 ❖当外载一定时，运动副两元素间法向反力 的大小与运动副两元素的几何形状有关：
1）两构件沿单一平面接触
N21= -Q
：
✓可以用总惯性力PI’来代替PI和MI ，PI’ = PI，作用线由
质心S 偏移 lh
lh
MI PI
二、质量代换法
1. 质量代换法 按一定条件，把构件的质量假想地用集中于某几个选
定的点上的集中质量来代替的方法。 2. 代换点和代换质量 ❖代换点：上述的选定点。 ❖代换质量：集中于代换点上的假想质量。
❖ 螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。
三、螺旋副中的摩擦（续）
2）拧紧和放松力矩 ❖拧紧：螺母在力矩M作用下 逆着Q力等速向上运动，相 当于在滑块2上加一水平力P，使滑块2 沿着斜面等速向上 滑动。
P Qtg( ) M P d 2 d 2 Qtg( )
22
❖ 放松：螺母顺着Q力的方向 等速向下运动，相当于滑块 2 沿着斜面等速向下滑。
dF= fdN= f p ds
dM f dF fdN fpds
M f
平面机构的力分析PPT课件
9.4.1 构件组的静定条件
n个构件有3n个平衡方程式，若机构 有PL低副，PH个高副，则总约束（未直量数 目）为2PL+PH。静定条件为：
3n2pLpH
如果只有低副，则有 pL 23n
显然，各级杆组均符合静定条件。
2
3. 运动副反力
机构运转时，运动副中产生的反作用 力，可分解为法向和切向两方向 法向反力——正压力 切向反力——摩擦力
4. 重力
在一个运动循环中，重力所作的功为零
5. 惯性力
在一个运动循环中，惯性力所作的功为零
以上诸力中，运动副反力对整个机构而言是内力，但对
于一个构件而言则是外力。其余各力均是外力。力如果使构
18
2019/12/3
19
2. 止推轴颈转动副中的摩擦力
2019/12/3
Mf fQr'
式中r’——当量摩擦半径
对于非跑合轴承，r'
2 3
r23 r22
r13 r12
对于跑合轴承， r' r1 r2 2
其中r1，r2分别为接触的内、外半径
20
9.4 图解法作机构的 动态静力分析
F ：外力的合力
：合力F的作用方向
RBA ：B对A的反作用力
Fx / Fy tg
F f fN
tg F f N f
分析：
2019/12/3
? ?
时，自锁
8
此时，滑块除了移动外，还要发生倾转， 故在b、c两点产生正压力和摩擦力。
2019/12/3
件201绕9/12点/3 的转动状态发生改变时，可用力矩来度量。
3
机械原理ppt西北工业
若利用静力学的力系简化理论，求出惯性力系的主矢和主矩， 代替具体求解每一个质点的惯性力，将给解题带来方便。 因各构件的运动形式不同，惯性力系的简化有以下三种情况， 我们以曲柄滑块机构为例加以说明。
§4-2 构件惯性力的确定
1、一般力学方法 (续)
B
1 A
2 3
C
（1）作平面运动的构件 (如连杆2)
F —— 水平力 Ff21 —— 摩擦力
§4-3 运动副中摩擦力的确定
（1）摩擦力的确定 (续)
1）平面接触 FN21
2）槽面接触
θ
θ
3）半圆柱面接触
G FN21 = GF来自21 = f FN21 =fG
FN21 2
FN21 G2
FN21= G / sinθ
Ff21 = f FN21 = f G / sinθ
普通高等教育“十五”国家级规划教材
机械原理
Theory of Machines and Mechanisms
第七版 西北工业大学机械原理及
机械零件教研室
编
主编 孙桓 陈作模 葛文杰
第4章 平面机构的力分析
学习要求 §4-1 机构力分析的任务、目的和方法 §4-2 构件惯性力的确定 §4-3 运动副中摩擦力的确定 §4-4 不考虑摩擦时机构的力分析 §4-5 考虑摩擦时机构的力分析
作业解析
学习要求
基本要求
了解机构中作用的各种力及机构力分析的目的和方法。 掌握构件惯性力的确定方法。 能对几种常见运动副中的摩擦力及总反力进行分析和计算。 能用图解法对平面Ⅱ级机构进行动态静力分析。
本章重点
运动副中摩擦力及总反力的确定。 不考虑摩擦时机构的动态静力分析。
§4-1 机构力分析的任务、目的和方法
§4-2 构件惯性力的确定
1、一般力学方法 (续)
B
1 A
2 3
C
（1）作平面运动的构件 (如连杆2)
F —— 水平力 Ff21 —— 摩擦力
§4-3 运动副中摩擦力的确定
（1）摩擦力的确定 (续)
1）平面接触 FN21
2）槽面接触
θ
θ
3）半圆柱面接触
G FN21 = GF来自21 = f FN21 =fG
FN21 2
FN21 G2
FN21= G / sinθ
Ff21 = f FN21 = f G / sinθ
普通高等教育“十五”国家级规划教材
机械原理
Theory of Machines and Mechanisms
第七版 西北工业大学机械原理及
机械零件教研室
编
主编 孙桓 陈作模 葛文杰
第4章 平面机构的力分析
学习要求 §4-1 机构力分析的任务、目的和方法 §4-2 构件惯性力的确定 §4-3 运动副中摩擦力的确定 §4-4 不考虑摩擦时机构的力分析 §4-5 考虑摩擦时机构的力分析
作业解析
学习要求
基本要求
了解机构中作用的各种力及机构力分析的目的和方法。 掌握构件惯性力的确定方法。 能对几种常见运动副中的摩擦力及总反力进行分析和计算。 能用图解法对平面Ⅱ级机构进行动态静力分析。
本章重点
运动副中摩擦力及总反力的确定。 不考虑摩擦时机构的动态静力分析。
§4-1 机构力分析的任务、目的和方法
机械原理4-23MATLAB平面连杆机构动力学分析
基于MATLAB/Solidworks COSMOSMotion的平面连杆机构动力学分析07208517王锡霖4-23在图示的正弦机构中,已知l AB =100 mm,h1=120 mm,h2 =80 mm,W1 =10 rad/s(常数)，滑块2和构件3的重量分别为G2 =40 N和G3 =100 N,质心S2 和S3 的位置如图所示，加于构件3上的生产阻力Fr=400 N，构件1的重力和惯性力略去不计。
试用解析法求机构在Φ1=60°、150°、220°位置时各运动副反力和需加于。
构件1上的平衡力偶Mb分别对三个构件进行受力分析如图：构件3受力图构件2受力图构件1受力图（1）滑块2：V S2 =L AB W1 ①a s2 = L AB W12②构件3：S=L AB sinΦ1 ③V3=L AB W1 COSΦ1 ④a3=-L AB W12 sinΦ1 ⑤(2)确定惯性力：F12=m2as2=(G2/g)LABW12 ⑥F13=m3a3=(G3/g)LABW12sinΦ1 ⑦(3)各构件的平衡方程：构件3：∑Fy=0,FR23 =Fr-F13∑Fx=0,FR4’=FR4∑MS3 =0,FR4=FR23LAcosΦ1/h2构件2：∑Fx=0,FR12x=F12cosΦ1∑Fy=0,FR12y=FR32-F12sinΦ1构件1：∑Fx=0,FR41x=FR12x∑Fy=0,FR41y=FR12y∑MA =0,Mb=FR32LABcosΦ1总共有八个方程，八个未知数。
归纳出一元八次方程矩阵：1 0 0 0 0 0 0 0 FR23 Fr-F130 1 -1 0 0 0 0 0 FR4’ 0-LAB COSΦ1/h20 1 0 0 0 0 0 FR40 0 0 1 0 0 0 0 FR12x = F12cosΦ1-1 0 0 0 1 0 0 0 FR12y -F12sinΦ10 0 0 -1 0 1 0 0 FR41x 00 0 0 0 -1 0 1 0 FR41y 0-LABCOSΦ1 0 0 0 0 0 0 1 Mb 0 AX=B进而可得：X=A\B。
23_机械原理ppt课件第4章平面机构的力分析
R12
R43
R23
R21
R32
Q 21
例3：如图所示机构，已知机构位置，尺寸，
f, r, P为驱动力，Q为阻力。求：机构中各运
动副中总反力的作用线。
解：
1构件：
v21
φ R12 2构件1
v13
R32 3
ω23
22
例4、如图所示的夹紧机构中，已知各构件
的尺寸、位置，移动副间的摩擦角φ，虚线圆为摩 擦圆如图示。试画出在驱动力P和阻力Q作用下各 构件的总反力作用线。
当外力P 的作用线位于接触表面ab之 外，这时1 构件除了移动之外，还要发 生倾转。R21如图2 所示。
当外力P 的作用线平行移动轴线并距 移动轴线h 远时，1构件除了移动之外， 还要发生倾转。R21如图3 所示。
12
例：构件1 在构件2 的斜面上等速滑动， 载荷为Q , 摩擦系数为f , 驱动力P 为水 平 ， 已知。求：在构件1 等速上，下 滑动时，R21=? P=?
2
§4-1机构力分析的任务、目的和方法
• 二、研究机构力分析的目的和方法 • 力分析的任务
– 1）确定运动副中的反力，亦即运动副两元素接触处彼 此的作用力。
– 2）确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机 械上的平衡力。
• 力分析的方法
– 静力分析方法：指在不计惯性力的条件下，对机械进 行的力分析方法。对于低速度机械常采用静力分析方 法；
• 一、作用于机构中力的分类
• 按作功的正负分 – 1）驱动力：驱使机械产生运动的力。该力与其作用点速 度的方向相同或成锐角。所作的功为正功，常称为驱动 功或输入功。
– 2）阻抗力：阻止机械产生运动的力。该力与其作用点速 度的方向相反或成钝角，所作的功为负功，常称为阻抗 功。阻抗力又可分为有益阻力（如生产阻力）和有害阻力。
机械原理课件完整版
THANK YOU
机械平衡的内容
研究机械系统在各种力作用下的平衡条件，分析平衡状态下系 统的受力情况和运动特性，以及探讨实现平衡的方法和措施。
刚性转子的平衡设计
01
刚性转子平衡设计的原则
根据转子的结构特点和工艺要求，选择合适的平衡方法，确定平衡精度
等级和校正量，以保证转子在运转过程中的稳定性和可靠性。
02 03
刚性转子平衡设计的方法
采用静平衡或动平衡方法，通过测量转子的不平衡量，对其进行相应的 校正，使转子达到平衡状态。其中，静平衡方法适用于低速、小直径的 转子，而动平衡方法适用于高速、大直径的转子。
刚性转子平衡设计的注意事项
在进行转子平衡设计时，需要考虑转子的结构刚度、转速、轴承类型等 因素对平衡的影响，同时还需要注意测量仪器的精度和测量方法的正确 性。
刚性转子平衡试验的注意事项 在进行转子平衡试验时，需要选择合适的试验设备和测量方法，确保试验结果的准确性和可靠性。同时， 还需要注意试验过程中的安全问题，防止意外事故的发生。
07
机械的运转及其速度波 动的调节
机械运转过程及驱动力、阻力矩
01
02
03
机械运转过程
机械运转是指机械设备中 各个零部件之间通过相互 作用和传动，实现预定的 运动和功能的过程。
利用速度瞬心进行机构的速度分析，可以简化计算过程，提高求 解效率。
用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析
1 2
矢量方程的建立
根据机构中各构件之间的运动关系，建立矢量方 程。
矢量方程的解法
运用几何方法求解矢量方程，得到机构的速度和 加速度。
3
矢量方程图解法的应用 适用于平面机构中速度和加速度的求解，具有直 观、形象的特点。
机械原理04机构的力分析
与构件2相对于构件1的角速度w12方向相反。
三、螺旋副中的摩擦
1. 矩形螺纹螺旋副中的摩擦 1）矩形螺纹螺旋副的简化
将螺纹沿中径d2 圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜 面，该斜面的升角a等于螺旋在其中径d2上的螺纹升角。 tg l zp
d2 d2 l--导程， z--螺纹头数， p--螺距
螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。
由 Fx 0
2
由 MC 0
2
得：R12 (F2x F23x ) / sin1
得：T12 ( yC ys2 )F2x ( xS 2 xC )F2 y T2
就可以将所有解求出。
关于可变杆长二杆组的副反力的求解
由 MA 0 和 M3 0 得：
1、2
3
yC yA
yB
yC
2
进行整理得到
yC yB
yD
yC
xB xC
xC xD
R23x
R23
y
( (
yB yD
yS 2 )F2 x yS 3 )F3 x
( xS 2 ( xS 3
xB )F2 y xD )F3 y
T2 T3
求出内副C的反力后，可分别取BC、CD杆作力平衡方程 式，求得B、D两点的反力。
力开始，逐副进行，最后对含平衡力得杆件进行力分析。
一般是力矩平衡方程和导路方向的力平衡方程两种交替使用。
4.2 机构的传动角
衡量一个机构传力效果的指标： （1）输出功相同时，输入功最少。 （摩擦损失最小） （2）构件受力最小。（构件截面积小，重量轻） （3）运动副摩擦少。（运动精度高，动载荷和噪声小）
0
1、2
3
移动副的反力R12D可以由构件2对E取矩和构件1 对E 取矩求得。
三、螺旋副中的摩擦
1. 矩形螺纹螺旋副中的摩擦 1）矩形螺纹螺旋副的简化
将螺纹沿中径d2 圆柱面展开，其螺纹将展成为一个斜 面，该斜面的升角a等于螺旋在其中径d2上的螺纹升角。 tg l zp
d2 d2 l--导程， z--螺纹头数， p--螺距
螺旋副可以化为斜面机构进行力分析。
由 Fx 0
2
由 MC 0
2
得：R12 (F2x F23x ) / sin1
得：T12 ( yC ys2 )F2x ( xS 2 xC )F2 y T2
就可以将所有解求出。
关于可变杆长二杆组的副反力的求解
由 MA 0 和 M3 0 得：
1、2
3
yC yA
yB
yC
2
进行整理得到
yC yB
yD
yC
xB xC
xC xD
R23x
R23
y
( (
yB yD
yS 2 )F2 x yS 3 )F3 x
( xS 2 ( xS 3
xB )F2 y xD )F3 y
T2 T3
求出内副C的反力后，可分别取BC、CD杆作力平衡方程 式，求得B、D两点的反力。
力开始，逐副进行，最后对含平衡力得杆件进行力分析。
一般是力矩平衡方程和导路方向的力平衡方程两种交替使用。
4.2 机构的传动角
衡量一个机构传力效果的指标： （1）输出功相同时，输入功最少。 （摩擦损失最小） （2）构件受力最小。（构件截面积小，重量轻） （3）运动副摩擦少。（运动精度高，动载荷和噪声小）
0
1、2
3
移动副的反力R12D可以由构件2对E取矩和构件1 对E 取矩求得。
经典课件机械原理(课件)
机械系统的等效动力学模型
等效动力学模型的概念
等效动力学模型的建立 方法
等效动力学模型的应用
等效动力学模型是指将复杂的机械系 统简化为一个或几个简单的动力学模 型，以便于分析和计算。通过等效动 力学模型，可以方便地研究机械系统 的动态特性，如振动、稳定性等。
建立等效动力学模型的方法有多种， 如集中参数法、分布参数法、有限元 法等。这些方法都是将复杂的机械系 统简化为一个或几个简单的动力学模 型，以便于分析和计算。
经典课件机械原理(课件)
目录
• 机械原理概述 • 机构的结构分析 • 平面机构的运动分析 • 平面机构的力分析 • 机械的平衡 • 机械的运转及其速度波动的调节
01
机械原理概述
机械原理的定义与重要性
定义
机械原理是研究机械系统中力的传递、转换和效应的基本规律和原理的学科。
重要性
机械原理是机械工程学科的基础，对于理解和分析机械系统的运动、力和能量 传递过程具有重要意义。它为机械设计、制造、控制和使用提供了基本的理论 和方法。
培养具有创新精神和实践能力的高素质人才。
02
机构的结构分析
机构组成与分类
机构组成
由两个或两个以上的构件通过活动联接形成的构件系统。
机构分类
按组成的各构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆 柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）。
机构运动简图及表示方法
机构运动简图
自锁
当驱动力作用于机构的某一构件上， 若不能使机构产生运动，则称该机构 处于自锁状态。自锁条件与机构的受 力情况、摩擦系数等因素有关。
05
机械的平衡
机械平衡的目的和内容
要点一
机械原理(平面机构的力分析新).
质量来代替。 B
FI ε
1
2
MI
A aS
S2 m2
C3
质量代换法的方法
把构件的质量用集中作用在构件的几个选定点的假想集中 质量来代替，这些假想的集中质量被称作代换质量。 B、K为所选定的代换点 mB 、 mk为代换质量
mB B
1
2
A
mk
S2
k
C3
应用质量代换法应满足的条件
1） 代换前后构件的质量不变； 2） 代换前后构件的质心位置不变；
aS
FI ,M 合成I 为距质心S为距离h的总
h MI
FI
FI
ε
MI S
aS
， FI ε S
例 1 在图示的凸轮机构中，已知凸轮的半径R=200mm，LOA=100mm
从动件的质量为m2=20kg，凸轮的角速度ω1=20rad/s。当OA线 在水平的位置时，求从动件2的惯性力。
解：1. 高副低代
2.运动分析（过程略）
aB2
o (b )
C
3
b
C
3
2
B R
FI2 2
aB2
B
p
p
o
o
A
1
1
O
A
aB2 pba
1
3.受力分析 F I 2 m2aB2 m2pba2023.4468N
例2 在图示的摆动导杆机构中，已知LAC=200mm， LAB=100mm，
φ=90°,导杆的重心在C点，导杆对重心C的转动惯量J3=0.2kg·m2 曲柄的等角速度ω1=20rad/s。求导杆3的惯性力矩。
件的外形、位置或状态时所受到的阻力，克服这些阻力 就完成了工作。如机床中作用在刀具上的切削阻力，起 重机提升重物的重力等都是有效阻力。
机械原理-机构动态静力分析解析法
f(ns1,1) fr(n3,2) k2 n2 ti(k2) fr(n2,1)
fi(ns2,2)
fi(ns2,1)
ns2 fnn2,2)
k1 fr(n1,2)
n3
fr(n3,1)
nn2
f(nn2,1)
n1
fr(n1,1)
六杆机构动态静力分析例
7
3 y 1 1
构件号 质心位置点号 质量(kg) 转动惯量(kg-m2) 1 1 50 1.3
5 2
9 6
4
5
6
k1 k2 p vp ap t e fr
虚 n1 n2 n3 ns1 ns2 nn1 nn2 nexf 实
5 10 6 9 6
0
6
6
4 5
p vp ap t e fr
虚 n1 n2 n3 ns1 ns2 nn1 nn2 nexf
k1 k2 p
vp ap t
e fr
实
3 2 4
7 8
0
5
0
2 3 p vp ap t e fr
7
3 2
4 3 8
5
2
主程序及结果
①
3
1
虚 n1 ns1 nn1 k1 p ap e fr tb
实
1
1
3
1
p ap
e
fr
tb
平衡力的简易求法
根据虚位移原理
(F
dsi Ti d i ) 0 i
d i i dt
i i i
Tb 1
dsi vi dt
i
(F v T )
i i i i ix ix
1
(F v T ) 0
fi(ns2,2)
fi(ns2,1)
ns2 fnn2,2)
k1 fr(n1,2)
n3
fr(n3,1)
nn2
f(nn2,1)
n1
fr(n1,1)
六杆机构动态静力分析例
7
3 y 1 1
构件号 质心位置点号 质量(kg) 转动惯量(kg-m2) 1 1 50 1.3
5 2
9 6
4
5
6
k1 k2 p vp ap t e fr
虚 n1 n2 n3 ns1 ns2 nn1 nn2 nexf 实
5 10 6 9 6
0
6
6
4 5
p vp ap t e fr
虚 n1 n2 n3 ns1 ns2 nn1 nn2 nexf
k1 k2 p
vp ap t
e fr
实
3 2 4
7 8
0
5
0
2 3 p vp ap t e fr
7
3 2
4 3 8
5
2
主程序及结果
①
3
1
虚 n1 ns1 nn1 k1 p ap e fr tb
实
1
1
3
1
p ap
e
fr
tb
平衡力的简易求法
根据虚位移原理
(F
dsi Ti d i ) 0 i
d i i dt
i i i
Tb 1
dsi vi dt
i
(F v T )
i i i i ix ix
1
(F v T ) 0
机械原理课件之四杆机构受力分析.
FR12
g
x
Fr
F R21 G 2
FR45
Fr
FR43
e
FI2
h
G5
b
FR65
Fb
FR61
1
B
G
FR21 F
b
c
i
A
x
FR6
三、 用解析法作机构的动态静力分析
1. 矢量方程解析法 在图4 – 6中,设为刚体上A点的作用 力，当该力对刚体上任意点0取矩时，则
故 以图4 – 7所示机构为例，
确定各运动副中的反力及需
S2 G2
3
E D
n FR 63
按F作力多边形 由力多边形得：
h3 FR4 3
n FR 12
h2
t FR 63
FR6 5
F
t
f
F nR12 F
n R63
f
R12
FR4 5
F S5 5
FI5
Fb F if FR 6 1 F hi
F tR63
a
G5
FR63
f
FR32 FI5
解 : 1）根据已知条件作
出各转动副处的摩擦
R23
圆(如图中虚线小圆
所示)。
R43
2）取二力杆连杆3为研究对象 构件3在B、C两运动副处分别受到R23及R43的作用
R23和R43分别切于该两处的摩擦圆外，且R23=-R43。
3）根据R23及R43的方向，定出R32 及R34的方向。 4）取滑块4为分离体
1) 可解性分析：在四杆机构中，共有四个低副，每个低副中的反力都有两个
未知要素 (即反力的大小及方向 )，此外，平衡力尚有一个力的未知要素， 所以在此机构中共有九个未知要素待定；而另一方面，在此机构中，对三
机械原理(平面机构的力分析新)
第四章 平面机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法 §4—2 构件惯性力的确定 § 4 —3 机构力分析的任务、目的和方法
§4—4 不考虑摩擦时机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法
机构力分析的任务 1）确定运动副中的反力 运动副反力指运动副处作用的正压力和摩擦力的合力 2）确定机械中的平衡力 平衡力是指机械在已知外力的作用下，为了使该机械能按 给定运动规律运动，还须加于机械上的未知外力
例3 在图示发动机曲柄滑块机构中，已知曲柄长度 l AB 0.35m ,
连杆长度 l BC 2.35m , 连杆重心 S 2 至曲柄销轴B的距离 l BS 2 0.83m , 连杆的质量 m2 19kg ， 活塞及其附件的质量 2 连杆对其重心的转动惯量 ，曲柄转 J 16 . 9 kgm m3 6kg , S2 速 n1 300r / min ， 45 , 求图示位置时活塞3的的惯性力和 连杆2的总惯性力。 B 1 φ S2
上式中有四个未知量：
m B b mk k 2 2 mB b mK k J S 2
B
mB mk m2
、 b 、k 选定b后求出其余的三个量：
mB 、 mK
1
mB
2
m2 S2
k J S 2 /( m2 b ) mB m2 k /( b k ) mK m2 b /( b k )
mB m2 c /(b c) mC m2 b /(b c)
小结：1 动质量代换须同时满足三个条件。
1） 代换前后构件的质量不变； 2） 代换前后构件的质心位置不变；
3） 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变；
即
mBb mk k mBb 2 mK k 2 J S 2
§4—1机构力分析的任务、目的和方法 §4—2 构件惯性力的确定 § 4 —3 机构力分析的任务、目的和方法
§4—4 不考虑摩擦时机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法
机构力分析的任务 1）确定运动副中的反力 运动副反力指运动副处作用的正压力和摩擦力的合力 2）确定机械中的平衡力 平衡力是指机械在已知外力的作用下，为了使该机械能按 给定运动规律运动，还须加于机械上的未知外力
例3 在图示发动机曲柄滑块机构中，已知曲柄长度 l AB 0.35m ,
连杆长度 l BC 2.35m , 连杆重心 S 2 至曲柄销轴B的距离 l BS 2 0.83m , 连杆的质量 m2 19kg ， 活塞及其附件的质量 2 连杆对其重心的转动惯量 ，曲柄转 J 16 . 9 kgm m3 6kg , S2 速 n1 300r / min ， 45 , 求图示位置时活塞3的的惯性力和 连杆2的总惯性力。 B 1 φ S2
上式中有四个未知量：
m B b mk k 2 2 mB b mK k J S 2
B
mB mk m2
、 b 、k 选定b后求出其余的三个量：
mB 、 mK
1
mB
2
m2 S2
k J S 2 /( m2 b ) mB m2 k /( b k ) mK m2 b /( b k )
mB m2 c /(b c) mC m2 b /(b c)
小结：1 动质量代换须同时满足三个条件。
1） 代换前后构件的质量不变； 2） 代换前后构件的质心位置不变；
3） 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变；
即
mBb mk k mBb 2 mK k 2 J S 2
精品课件!《机械原理》_第四章 平面机构的力分析
力计算的通式: 摩擦力计算的通式 Ff21 = f FN21 = fv Q 其中, 称为当量摩擦系数, 其取值为: 其中 fv 称为当量摩擦系数 其取值为 平面接触: 平面接触 fv = f ； 槽面接触: fv = f /sinθ ； 槽面接触 半圆柱面接触: ，（k 半圆柱面接触 fv = k f ，（ = 1~π/2）。 ）。 说明 引入当量摩擦系数后, 引入当量摩擦系数后 使不同接触形状的移动副中的摩擦力 大小的计算大为简化。 大小的计算大为简化。因而也是工程中简化处理问题的一种 重要方法。 重要方法。
G 1 M Mf
ω
dρ
ω
r
2
2r 2R
轴端接触面
R
ρ
运动副中摩檫力的确定
上的压强p为常数 为常数， 设 ds 上的压强 为常数， 则其正压力dF 则其正压力 N = pds ， 摩擦力dF 摩擦力 f = fdFN = f pds， ， 故其摩擦力矩 dMf为 : dMf = ρdFf = ρf pds 总摩擦力矩M 总摩擦力矩 f为 Mf =∫ρ f pds = 2π f ∫pρ2dρ
构件惯性力的确定
3）质量静代换 ） 只满足前两个条件的质量代换称为静代换。 只满足前两个条件的质量代换称为静代换。 如连杆BC的分布质量可用 如连杆 的分布质量可用 B、C两点集中质量 、 两点集中质量 两点集中质量mB、mC代换，则 代换， 、 代换 mB＝m2c/(b+c) mC＝m2b/(b+c) 优缺点： 优缺点：构件的惯性力偶 会产生一定的误差， 会产生一定的误差，但计 算简便， 算简便，一般工程是可接 A 受的。 受的。
运动副中摩檫力的确定
3．平面高副中摩擦力的确定 ． 平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动， 平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动，故有滚动 摩擦力和滑动摩擦力；因滚动摩擦力一般较小， 摩擦力和滑动摩擦力；因滚动摩擦力一般较小，机构力分析时 通常只考虑滑动摩擦力。 通常只考虑滑动摩擦力。 平面高副中摩擦力的确定， 平面高副中摩擦力的确定，通常是将摩擦力和法向反力合成一 总反力来研究。 总反力来研究。 1）其总反力方向的确定为： ）其总反力方向的确定为： 总反力FR21的方向与法向反力 的方向与法向反力 总反力 偏斜一摩擦角； 偏斜一摩擦角； 2）偏斜方向应与构件1相对构件 的 ）偏斜方向应与构件 相对构件 相对构件2的 相对速度v12的方向相反 的方向相反 相对速度
G 1 M Mf
ω
dρ
ω
r
2
2r 2R
轴端接触面
R
ρ
运动副中摩檫力的确定
上的压强p为常数 为常数， 设 ds 上的压强 为常数， 则其正压力dF 则其正压力 N = pds ， 摩擦力dF 摩擦力 f = fdFN = f pds， ， 故其摩擦力矩 dMf为 : dMf = ρdFf = ρf pds 总摩擦力矩M 总摩擦力矩 f为 Mf =∫ρ f pds = 2π f ∫pρ2dρ
构件惯性力的确定
3）质量静代换 ） 只满足前两个条件的质量代换称为静代换。 只满足前两个条件的质量代换称为静代换。 如连杆BC的分布质量可用 如连杆 的分布质量可用 B、C两点集中质量 、 两点集中质量 两点集中质量mB、mC代换，则 代换， 、 代换 mB＝m2c/(b+c) mC＝m2b/(b+c) 优缺点： 优缺点：构件的惯性力偶 会产生一定的误差， 会产生一定的误差，但计 算简便， 算简便，一般工程是可接 A 受的。 受的。
运动副中摩檫力的确定
3．平面高副中摩擦力的确定 ． 平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动， 平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动，故有滚动 摩擦力和滑动摩擦力；因滚动摩擦力一般较小， 摩擦力和滑动摩擦力；因滚动摩擦力一般较小，机构力分析时 通常只考虑滑动摩擦力。 通常只考虑滑动摩擦力。 平面高副中摩擦力的确定， 平面高副中摩擦力的确定，通常是将摩擦力和法向反力合成一 总反力来研究。 总反力来研究。 1）其总反力方向的确定为： ）其总反力方向的确定为： 总反力FR21的方向与法向反力 的方向与法向反力 总反力 偏斜一摩擦角； 偏斜一摩擦角； 2）偏斜方向应与构件1相对构件 的 ）偏斜方向应与构件 相对构件 相对构件2的 相对速度v12的方向相反 的方向相反 相对速度
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件的外形、位置或状态时所受到的阻力，克服这些阻力 就完成了工作。如机床中作用在刀具上的切削阻力，起 重机提升重物的重力等都是有效阻力。
有害阻力―为非工作阻力，克服这些阻力所做的功纯粹
是一种浪费，故称为损失功。摩擦力、介质阻力等 一般为有害阻力。
§4—2 构件惯性力的确定
1 构件惯性力的确定 1) 直线移动构件惯性力的确定
2.受力分析
M I 3 J33
b1(b2 )
b2 (b3)
0.2231
46N m
p(b3 )
A
4
C p
1 1aB3
2
B
3 MI3
3
例3 在图示发动机曲柄滑块机构中，已知曲柄长度 lAB 0.35m,
连杆长度 lBC 2.35m,连杆重心 S2 至曲柄销轴B的距离
l BS 2 m3
0.83m,连杆的质量 m2 19kg ， 6kg, 连杆对其重心的转动惯量 J
平衡力
驱动力―根据机构的阻力大小选择适当的驱动力来平衡 生产阻力―根据机构的驱动力大小选择适当的阻力来平衡
平衡力即可以是驱动力又可以是阻力
机构力分析的目的
1） 为现有机械工作性能的评价、鉴定提供参数； 2） 为新机械的强度计算、结构设计提供重要依据。
机构力分析的方法
图解法 解析法
驱动力
作用在机械上的力
0
VS 0 aS 0
0
VS 0 aS 0
ω S
ε
MI
S
构件的质心不在转轴
匀角速度ω转动 FI maSn 0 MI JS 0
角加速度ε转动 FI maS 0
MI JS 0
FI
S
aSn lAS 2 0
aS lAS 0
aSn lAS 2 0 aS lAS 0
阻抗力
有效阻力 有害阻力
驱动力―驱使机械运动的力。驱动力与其作用点的速度
方向相同或成锐角，其所作的功为正功。
阻抗力―阻止机械运动的力。阻抗力与其作用点的速度方向相
反或成钝角，其所作的功为负功。
驱动力
F
1
V12
＜90
2 2
阻抗力
F
1
V12
＞90
阻抗力又可分为
有效阻力―即工作阻力，它是机械在生产过程中为了改变工
匀速直线移动构件的惯性力： FI ma s 0
加速直线移动构件的惯性力： FI ma s 0
aS ―质心的加速度
V=
FI 0
C
S
aS
FI
S
2) 定轴转动构件惯性力的确定
① 构件的质心在转轴
匀角速度ω转动 FI maS 0
MI JS 0 角加速度ε转动 FI maS 0
MI JS 0
从动件的质量为m2=20kg，凸轮的角速度ω1=20rad/s。当OA线 在水平的位置时，求从动件2的惯性力。
解：1. 高副低代
2.运动分析（过程略）
aB2
o(b)
C
3
b
C
3
2
B R
FI 2 2
B
aB2
p
p
o
oA
1
1
O
Байду номын сангаас
A aB2 pb a
1
3.受力分析 FI 2 m2aB2 m2 pb a 2023.4 468N
活塞及其附件的质量 S2 16.9kgm2 ，曲柄转
速 n1 300r / min ， 45, 求图示位置时活塞3的的惯性力和
连杆2的总惯性力。
解：1.运动分析
B
aS 2 ps2 a
1 Aφ
aS 2
S2
2
2
aCt B
3 C
585 290m/ s2
2
aCt B lBC
cc a BC l
p
例2 在图示的摆动导杆机构中，已知LAC=200mm， LAB=100mm，
φ=90°,导杆的重心在C点，导杆对重心C的转动惯量J3=0.2kg·m2 曲柄的等角速度ω1=20rad/s。求导杆3的惯性力矩。
解：1 运动分析（过程略）
3
aB3 lBC
pb3 a BC l
231rad / s2
FI
aS
aS
S
a
n S
A ω=C
ε
a
n S
MI
A
3) 作平面运动构件惯性力的确定
FI maS 0 MI JS 0
也可将上述 惯性力。
aS
FI , M合成I 为距质心S为距离h的总
h MI
FI
FI
ε
MI S
aS
， FI ε S
例 1 在图示的凸轮机构中，已知凸轮的半径R=200mm，LOA=100mm
同时满足三个条件 的叫做动质量代换
3） 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变；
mB mk m2
M I 2 JS 2 2 16.9 103.4 1768N m
B 1 Aφ
MI2
S2
aS 2
FI 2
2 2
3 C
FI 3
（3）连杆 2 的总惯性力和作用线的位置：
H M I 2 1748 0.317m FI 2 5510
h
H2
l
0.317 0.03
10.56mmM
MI2
F
A
B
B 1
FI 2
2
2
3
A φ S2
S2
C
FI2
B 1
A φ S2
2 S2
3 C
FI 3
2 质量代换法
质量代换法的目的 质量代换法的实质是为了简化构件惯性力的计算。
用一般力学方法须同时求得构件的惯性力FI和惯性力矩MI 。而 采用质量代换法可省去惯性力矩MI的计算，使问题得到简化。 质量代换法的方法
把构件的质量用集中作用在构件的几个选定点的假想集中
质量来代替。 B
FI ε
1
2
A aS
S2 m2
MI C3
质量代换法的方法
把构件的质量用集中作用在构件的几个选定点的假想集中 质量来代替，这些假想的集中质量被称作代换质量。 B、K为所选定的代换点 mB 、 mk为代换质量
mB B
1
2
A
mk
S2
k
C3
课后作业：4-8
应用质量代换法应满足的条件
1） 代换前后构件的质量不变； 2） 代换前后构件的质心位置不变；
第四章 平面机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法 §4—2 构件惯性力的确定 §4—3 机构力分析的任务、目的和方法 §4—4 不考虑摩擦时机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法
机构力分析的任务 1）确定运动副中的反力 运动副反力指运动副处作用的正压力和摩擦力的合力 2）确定机械中的平衡力 平衡力是指机械在已知外力的作用下，为了使该机械能按 给定运动规律运动，还须加于机械上的未知外力
48.6 5 103.4rad / s2 2.35
c c
p
aCt B aS 2
b
s2
c b
3 求惯性力和惯性力矩
（1）活塞 3 的惯性力
FI 3 m3 aC
m3 pc a
6 495 1470N
c aC
p
aS 2
s2
（2）连杆 2 上的惯性力和惯性力矩 c b
FI 2 m2aS 2 19 290 5510N
有害阻力―为非工作阻力，克服这些阻力所做的功纯粹
是一种浪费，故称为损失功。摩擦力、介质阻力等 一般为有害阻力。
§4—2 构件惯性力的确定
1 构件惯性力的确定 1) 直线移动构件惯性力的确定
2.受力分析
M I 3 J33
b1(b2 )
b2 (b3)
0.2231
46N m
p(b3 )
A
4
C p
1 1aB3
2
B
3 MI3
3
例3 在图示发动机曲柄滑块机构中，已知曲柄长度 lAB 0.35m,
连杆长度 lBC 2.35m,连杆重心 S2 至曲柄销轴B的距离
l BS 2 m3
0.83m,连杆的质量 m2 19kg ， 6kg, 连杆对其重心的转动惯量 J
平衡力
驱动力―根据机构的阻力大小选择适当的驱动力来平衡 生产阻力―根据机构的驱动力大小选择适当的阻力来平衡
平衡力即可以是驱动力又可以是阻力
机构力分析的目的
1） 为现有机械工作性能的评价、鉴定提供参数； 2） 为新机械的强度计算、结构设计提供重要依据。
机构力分析的方法
图解法 解析法
驱动力
作用在机械上的力
0
VS 0 aS 0
0
VS 0 aS 0
ω S
ε
MI
S
构件的质心不在转轴
匀角速度ω转动 FI maSn 0 MI JS 0
角加速度ε转动 FI maS 0
MI JS 0
FI
S
aSn lAS 2 0
aS lAS 0
aSn lAS 2 0 aS lAS 0
阻抗力
有效阻力 有害阻力
驱动力―驱使机械运动的力。驱动力与其作用点的速度
方向相同或成锐角，其所作的功为正功。
阻抗力―阻止机械运动的力。阻抗力与其作用点的速度方向相
反或成钝角，其所作的功为负功。
驱动力
F
1
V12
＜90
2 2
阻抗力
F
1
V12
＞90
阻抗力又可分为
有效阻力―即工作阻力，它是机械在生产过程中为了改变工
匀速直线移动构件的惯性力： FI ma s 0
加速直线移动构件的惯性力： FI ma s 0
aS ―质心的加速度
V=
FI 0
C
S
aS
FI
S
2) 定轴转动构件惯性力的确定
① 构件的质心在转轴
匀角速度ω转动 FI maS 0
MI JS 0 角加速度ε转动 FI maS 0
MI JS 0
从动件的质量为m2=20kg，凸轮的角速度ω1=20rad/s。当OA线 在水平的位置时，求从动件2的惯性力。
解：1. 高副低代
2.运动分析（过程略）
aB2
o(b)
C
3
b
C
3
2
B R
FI 2 2
B
aB2
p
p
o
oA
1
1
O
Байду номын сангаас
A aB2 pb a
1
3.受力分析 FI 2 m2aB2 m2 pb a 2023.4 468N
活塞及其附件的质量 S2 16.9kgm2 ，曲柄转
速 n1 300r / min ， 45, 求图示位置时活塞3的的惯性力和
连杆2的总惯性力。
解：1.运动分析
B
aS 2 ps2 a
1 Aφ
aS 2
S2
2
2
aCt B
3 C
585 290m/ s2
2
aCt B lBC
cc a BC l
p
例2 在图示的摆动导杆机构中，已知LAC=200mm， LAB=100mm，
φ=90°,导杆的重心在C点，导杆对重心C的转动惯量J3=0.2kg·m2 曲柄的等角速度ω1=20rad/s。求导杆3的惯性力矩。
解：1 运动分析（过程略）
3
aB3 lBC
pb3 a BC l
231rad / s2
FI
aS
aS
S
a
n S
A ω=C
ε
a
n S
MI
A
3) 作平面运动构件惯性力的确定
FI maS 0 MI JS 0
也可将上述 惯性力。
aS
FI , M合成I 为距质心S为距离h的总
h MI
FI
FI
ε
MI S
aS
， FI ε S
例 1 在图示的凸轮机构中，已知凸轮的半径R=200mm，LOA=100mm
同时满足三个条件 的叫做动质量代换
3） 代换前后构件对质心轴的转动惯量不变；
mB mk m2
M I 2 JS 2 2 16.9 103.4 1768N m
B 1 Aφ
MI2
S2
aS 2
FI 2
2 2
3 C
FI 3
（3）连杆 2 的总惯性力和作用线的位置：
H M I 2 1748 0.317m FI 2 5510
h
H2
l
0.317 0.03
10.56mmM
MI2
F
A
B
B 1
FI 2
2
2
3
A φ S2
S2
C
FI2
B 1
A φ S2
2 S2
3 C
FI 3
2 质量代换法
质量代换法的目的 质量代换法的实质是为了简化构件惯性力的计算。
用一般力学方法须同时求得构件的惯性力FI和惯性力矩MI 。而 采用质量代换法可省去惯性力矩MI的计算，使问题得到简化。 质量代换法的方法
把构件的质量用集中作用在构件的几个选定点的假想集中
质量来代替。 B
FI ε
1
2
A aS
S2 m2
MI C3
质量代换法的方法
把构件的质量用集中作用在构件的几个选定点的假想集中 质量来代替，这些假想的集中质量被称作代换质量。 B、K为所选定的代换点 mB 、 mk为代换质量
mB B
1
2
A
mk
S2
k
C3
课后作业：4-8
应用质量代换法应满足的条件
1） 代换前后构件的质量不变； 2） 代换前后构件的质心位置不变；
第四章 平面机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法 §4—2 构件惯性力的确定 §4—3 机构力分析的任务、目的和方法 §4—4 不考虑摩擦时机构的力分析
§4—1机构力分析的任务、目的和方法
机构力分析的任务 1）确定运动副中的反力 运动副反力指运动副处作用的正压力和摩擦力的合力 2）确定机械中的平衡力 平衡力是指机械在已知外力的作用下，为了使该机械能按 给定运动规律运动，还须加于机械上的未知外力
48.6 5 103.4rad / s2 2.35
c c
p
aCt B aS 2
b
s2
c b
3 求惯性力和惯性力矩
（1）活塞 3 的惯性力
FI 3 m3 aC
m3 pc a
6 495 1470N
c aC
p
aS 2
s2
（2）连杆 2 上的惯性力和惯性力矩 c b
FI 2 m2aS 2 19 290 5510N