刚体的平面运动PPT课件

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1、理论力学理论力学 刚体的平面运动是工程上常见的一种运动，刚体的平面运动是工程上常见的一种运动，这是一种较为复杂的运动。这是一种较为复杂的运动。对它的研究可以在研对它的研究可以在研究刚体的平动和定轴转动的基础上，通过运动合究刚体的平动和定轴转动的基础上，通过运动合成和分解的方法，将平面运动分解为上述两种基成和分解的方法，将平面运动分解为上述两种基本运动。本运动。然后应用合成运动的理论，推导出平面然后应用合成运动的理论，推导出平面运动刚体上一点的速度和加速度的计算公式。运动刚体上一点的速度和加速度的计算公式。 51 刚体平面运动的研究方法刚体平面运动的研究方法 52 平面图形内各点的速度平面图形内

2、各点的速度 53 平面图形内各点的加速度平面图形内各点的加速度 54 机构运动分析机构运动分析 习题课习题课第五章第五章 刚体的平面运动刚体的平面运动5-1 刚体的平面运动方程刚体的平面运动方程一平面运动的定义一平面运动的定义 在运动过程中，刚体上任一点到某一固定平面的距离始终保持不变也就是说，刚体上任一点都在与该固定平面平行的某一平面内运动具有这种特点的运动称为刚体的平面运动例如: 曲柄连杆机构中连杆AB的运动， A点作圆周运动，点作圆周运动，B点作直线运动点作直线运动，因此，AB 杆的运动既不是平动也不是定轴转动，而是平面运动请看动画 二平面运动的简化二平面运动的简化刚体的平面运动可以刚体

3、的平面运动可以简化为平面图形简化为平面图形S在其自在其自身平面内的运动身平面内的运动即在研究平面运动时，不需考虑刚体的形状和尺寸，只需研究平面图形的运动，确定平面图形上各点的速度和加速度三、平面运动分解为平动和转动三、平面运动分解为平动和转动 1.平面运动方程平面运动方程为了确定代表平面运动刚体的平面图形的位置，我们只需确定平面图形内任意一条线段的位置 任意线段AB的位置可用A点的坐标和AB与x轴夹角表示因此图形S 的位置决定于三个独立的参变量所以 2平面运动分解为平动和转动平面运动分解为平动和转动 当图形上点不动时，则刚体作定轴转动 当图形上 角不变时，则刚体作平动故刚体平面运动可以看成是平

4、动和转动的合成运动平面运动方程平面运动方程对于每一瞬时 t ，都可以求出对应的 ， 图形S在该瞬时的位置也就确定了。例如车轮的运动例如车轮的运动 车轮的平面运动可以看成是车轮随同车厢的平动和相对车厢的转动的合成 车轮对于静系的平面运动车轮对于静系的平面运动 （绝对运动）（绝对运动） 车厢（车厢（动系动系Ax y ) 相对静系的平动相对静系的平动 （牵连运动）（牵连运动） 车轮相对车厢（车轮相对车厢（动系动系Ax y ）的转动的转动 （相对运动）（相对运动） 我们称动系上的原点为基点基点，于是车轮的平面运动车轮的平面运动随基点随基点A的平动的平动绕基点绕基点A的转动的转动刚体的平面运动可以刚体的

5、平面运动可以分解为随基点的平动分解为随基点的平动和绕基点的转动和绕基点的转动 平面图形在时间内从位置I运动到位置IIa. 以A为基点: 随基点A平动到AB后, 绕基点转 角到ABb.以B为基点: 随基点B平动到AB后, 绕基点转 角到AB图中看出：AB AB AB ，于是有3.刚体平面运动的角速度 和角加速度 所以，平面运动随基点平动的运动规律与基平面运动随基点平动的运动规律与基点的选择有关，而绕基点转动的规律与基点选取点的选择有关，而绕基点转动的规律与基点选取无关无关(即在同一瞬间，图形绕任一基点转动的 ,都是相同的）基点的选取是任意的基点的选取是任意的。(通常选取运动情况已知的点作为基点)

6、曲柄连杆机构曲柄连杆机构AB杆作平面运动杆作平面运动平面运动的分解平面运动的分解（请看动画）5-2平面图形内各点的速度平面图形内各点的速度根据速度合成定理则点速度为： 一基点法（合成法）一基点法（合成法）取B为动点, 则B点的运动可视为牵连运动为平动和相对运动为圆周运动的合成指向与 转向一致取A为基点, 将动系固结于A点,动系作平动。已知：图形S内一点A的速度，图形角速度求： 由于A, B点是任意的，因此 表示了图形上任意两点速度间的关系由于恒有 ，因此将上式在AB上投影，有速度投影定理速度投影定理即 平面图形上任意两点的速度在该两点连线上的投影彼此相平面图形上任意两点的速度在该两点连线上的投

7、影彼此相等等这种求解速度的方法称为 速度投影法速度投影法即平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基平面图形上任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基点转动的速度的矢量和点转动的速度的矢量和这种求解速度的方法称为基点法基点法，也称为合成法合成法它是求解平面图形内一点速度的基本方法二速度投影法二速度投影法 例例1.曲柄连杆机构OA=AB=l，取柄OA以匀 转动。 求：当 =45时, 滑块B的速度及AB杆的角速度。 a.基点法 b.速度投影法解：解：机构中,OA作定轴转动,AB作平面运动,滑块B作平动。 基点法（合成法） 研究 AB，以 A为基点，且方向如图示。（）根据在点做 速度平行

8、四边形，如图示。根据速度投影定理不能求出 速度投影法 研究AB, ,方向OA, 方向沿BO直线课堂练习课堂练习滚子A沿水平面作纯滚动，通过连杆AB带动滑块B沿铅垂轴向上滑动。设连杆长l = 0.8m，轮心速度v0=3m/s。求当A B与铅垂线成 时，滑块B的速度及连杆的角速度。解：解：1.基点法基点法 取A为基点，B点的速度(m/s)(m/s)（rad/s）2.速度投影法（m/s） 二、插齿机传动机构如图所示。曲柄OA通过连杆AB带动摆杆BC绕轴O1摆动，与摆杆连成一体的扇齿轮带动齿条使插刀H上下运动。设曲柄OA长为r，其角速度为。求在图示位置时插刀的速度。 答案：vM= 课堂练习课堂练习 1

9、. 1. 问题的提出问题的提出 若选取速度为零的点作为基点，求解速度问题的计算会大大简化于是，自然会提出，在某一瞬时图形是否有一点速度等于零？如果存在的话，该点如何确定？ 平面图形S，某瞬时其上一点A速度 , 图形角速度，沿 方向取半直线AL, 然后顺 的转向转90o至AL的位置,在AL上取长度 则： 三瞬时速度中心法（速度瞬心法）三瞬时速度中心法（速度瞬心法） 速度瞬心的概念速度瞬心的概念 即在某一瞬时必唯一存在一点速度等于零，该点称为平即在某一瞬时必唯一存在一点速度等于零，该点称为平面图形在该瞬时的瞬时速度中心，简称速度瞬心面图形在该瞬时的瞬时速度中心，简称速度瞬心几种确定速度瞬心位置的方

10、法几种确定速度瞬心位置的方法已知图形上一点的速度 和图形角速度， 可以确定速度瞬心的位置（P点）且在 顺转向绕A点 转90的方向一侧 已知一平面图形在固定面上作无滑动的滚 动, 则图形与固定面的接触点P为速度瞬心 已知某瞬时图形上A ,B两点速度 大小,且(b)(a) 已知某瞬间平面图形上A,B两点速度 的方向，且 过A , B两点分别作速度 的垂线,交点 P即为该瞬间的速度瞬心.另：对种(a)的情况，若vAvB， 则是瞬时平动 已知某瞬时图形上A,B两点的速度方向相同，且不与AB连线 垂直注意：注意：瞬时平动与平动不同瞬时平动与平动不同瞬时平动瞬时平动构件上各点的速度都相等，但各点的加速度并

11、不相等。 此时, 图形的瞬心在无穷远处,图形的角速度 =0, 图形上各点速度相等, 这种情况称为瞬时平动瞬时平动. (此时各点的加速度不相等) 例如: 曲柄连杆机构在图示位置时，连杆BC作瞬时平动而 的方向沿AC的， 。 瞬时平动与平动不同瞬时平动与平动不同此时连杆BC的图形角速度 ，BC杆上各点的速度都相等，但各点的加速度并不相等。设匀，则. 速度瞬心法速度瞬心法利用速度瞬心求解平面图形上点的速度的方法,称为速度瞬心法. 平面图形在任一瞬时的运动可以视为绕速度瞬心的瞬时转动，速度瞬心又称为平面图形的瞬时转动中心。若P点为速度瞬心，则任意一点A的速度方向AP，指向与 一致。 . 注意的问题注意

12、的问题 速度瞬心在平面图形上的位置不是固定的，而是随时间不 断变化的。在任一瞬时是唯一存在的。 速度瞬心处的速度为零, 加速度不一定为零。不同于定轴转动 刚体作瞬时平动时，虽然各点的速度相同，但各点的加速 度是不一定相同的。不同于刚体作平动。 例例2.曲柄连杆机构OA=AB=l，取柄OA以匀 转动。 用瞬心法求：当 =45，0，90时, 滑块B的速度及AB杆的角速度。（）研究AB，已知的方向，因此可确定出P点为速度瞬心 =45时 =0时（）vAP =90时vAvB例例3 曲柄肘杆压床机构已知：OA=0.15m , n=300 rpm ,AB=0.76m, BC=BD=0.53m. 图示位置时,

13、 AB水平求该位置时的、 及翻页请看动画翻页请看动画请看动画例例3 曲柄肘杆压床机构已知:OA=0.15m,n=300 rpm,AB=0.76m, BC=BD=0.53m. 图示位置时, AB水平.求该位置时的， 及解：OA,BC作定轴转动, AB,BD均作平面运动 根据题意： 研究AB, P为其速度瞬心（ ）研究BD, P2为其速度瞬心, BDP2为等边三角形DP2=BP2=BD（ ）例例4 行星齿轮机构已知: R, r , o 轮A作纯滚动，求例例4 行星齿轮机构请看动画解：OA定轴转动; 轮A作平面运动, 瞬心P点）(例例4 行星齿轮机构已知: R, r , o 轮A作纯滚动，求课堂练习

14、课堂练习在四连杆机构中，曲柄OA的角速度0=3 rad/s，当它在图示水平位置时，曲柄O1B恰好在铅垂位置。求此时连杆AB和O1B的角速度。设OA=O1B=l，AB=2l。答案：AB=O1B=1.73(rad/s) 课堂练习课堂练习平面机构如图所示，曲柄OA=100mm，以匀角速度转动。连杆AB带动摇杆CD，并拖动轮E沿水平面作纯滚动。已知CD=3CB，图示位置A、B、E三点在同一水平线上，O、C和轮E与地面接触点也在同一水平直线上。且CDED，试求此瞬时E点的速度及轮E的角速度。 P1P2P3一、一、 平面机构中, 楔块M: =30, v=12cm/s ; 盘: r = 4cm , 与 楔

15、块间无滑动求圆盘的及轴O的速度和B点速度请看动画研究性学习研究性学习解解：轴O, 杆OC, 楔块M均作平动, 圆盘作平面运动，P为速度瞬心）(用点的合成运动法求解二、二、 一摆动导杆机构的尺寸和角度如图所示。已知角速度 rad/s，求滑块C的速度 。解：解：A点的速度为 取滑块为动点，摇杆为动参考系，则ve=vA于是摆杆瞬心为E点 所以 5-3 平面图形内各点的加速度平面图形内各点的加速度取A为基点，将平动坐标系固结于A点取B动点，则B点的运动分解为相对运动为圆周运动和牵连运动为平动于是,由牵连平动时加速度合成定理可得如下公式一. 基点法 (合成法) 已知：图形S 内一点A 的加速度 和图形

16、的 , （某一瞬时）。求： 该瞬时图形上任一点B的加速度。其中：，方向AB，指向与 一致；，方向沿AB，指向A点。即平面图形内任一点的加速度等于基点的加速度与该点随图形绕基点转动的切向加速度和法向加速度的矢量和。这种求解加速度的方法称为基点法，也称为合成法。是求解平面图形内一点加速度的基本方法。上述公式是一平面矢量方程。需知其中六个要素，方能求出其余两个。由于 方位总是已知，所以在使用该公式中，只要再知道四个要素，即可解出问题的待求量。由于 的大小和方向随B点的不同而不同,所以总可以在图形内找到一点Q，在此瞬时，相对加速度 大小恰与基点A的加速度等值反向，其绝对加速度Q点就称为图形在该瞬时的加

17、速度瞬心 b.一般情况下，对于加速度没有类似于速度投影定理的关 系式. 即一般情况下,图形上任意两点A, B的加速度即若平面图形在运动过程中某瞬时的角速度等于零，则该瞬时图形上任意两点的加速度在这两点连线上的投影相等二加速度瞬心注注 a.一般情况下,加速度瞬心与速度瞬心不是同一个点 若某瞬时图形 =0, 即瞬时平动, 则有 c.由于加速度瞬心的位置不象速度瞬心那样容易确定，且一 般情况下又不存在类似于速度投影定理的关系式，故常采用 基点法求图形上各点的加速度或图形角加速度分析：大小 ？ w 2 方向 ？ 故应先求出 （） 例例4 半径为R的车轮沿直线作纯滚动, 已知轮心O点的速度及加速度 ,求

18、车轮与轨道接触点P的加速度解：轮O作平面运动，P为速度瞬心， 由于此式在任何瞬时都成立，且O点作直线运动，故而（） 由此看出，速度瞬心P的加速度并不等于零，即它不是加速度瞬心当车轮沿固定的直线轨道作纯滚动时，其速度瞬心P的加速度指向轮心以O为基点，有 其中： 做出加速度矢量图，由图中看出： （ 与 等值反向） 即解：(a) AB作平动，例例5 已知O1A=O2B, 图示瞬时 O1A/O2B 试问(a),(b)两种情况下1和 2，1和2是否相等？(a)(b)(b) AB作平面运动, 图示瞬时作瞬时平动, 此时加速度加速度AB轴投影：例例6 曲柄滚轮机构，曲柄OA15cm， n=60 rpm，滚子

19、半径R=15cm。 求：当 =60时 (OAAB)，滚轮的，。翻页请看动画翻页请看动画请看动画解解：OA定轴转动,AB杆和轮B作平面运动研究AB：（）P为其速度瞬心分析分析: 要想求出滚轮的, 先要求出vB, aBP2P1vBP2为轮速度瞬心取A为基点，指向O点大小？ ？ 方向 作加速度矢量图，将上式向BA线上投影）(）(研究轮B：P2为其速度瞬心课堂练习课堂练习1曲柄OA以匀角速度= 2rad/s绕O轴转动，并借助连杆AB驱动半径为r的轮子在半径为R的园弧槽中作无滑动的滚动。设OA = AB = R = 2r = 1m，求图示瞬时B点和C点的速度和加速度。答案：m/s m/s m/s2 m/

20、s2 5-4 机构运动分析机构运动分析 一个运动机构或运动系统是由多种运动的点和刚体组成，各构件之间通过铰链、套筒、销钉、滑块等联接点传递运动。由已知运动的构件，通过对某些联结点和刚体的运动分析，确定机构中所有构件的运动，称为机构运动分析机构运动分析。分析机构运动时，先应分析各构件作什么运动，计算各联结点速度和加速度，再计算待求未知量。例例7 行星齿轮减速机构。已知各齿轮的节圆半径r1、r2、r3，求传动比i1H（即 / ）。解：轮1与轮2的啮合点A的速度轮2与系杆H的联结点O2的速度由于故所以例例8 图示机构中，AB杆一端连接滚子A，滚子的中心A以速度 cm/s沿水平方向匀速运动，AB杆活套

21、在可绕O轴转动的套管C内。求AB杆的角速度和角加速度。解：（1）求AB杆的角速度(rad/s) （cm/s） 其中cm（2）求AB杆的角加速度取AB杆为研究对象。选A为基点，其上C点的加速度为大小 ？ 0 ？ 方向 ？ 0 其中有三个未知要素，需另找补充方程。 由点的合成运动，取AB杆上C点为动点，动系固定在套筒上。由于牵连运动为转动，故加速度合成定理为大小 ？ 0 ？ 方向 ？ 0 其中 rad/s cm/s （cm/s2） 式（1）、（2）相等大小 ？ ？ 方向 只有两个未知要素，可解。将式（3）向 方向投影得cm/s2rad/s2，设t = 0时，AB杆的位置沿铅垂线，则AB杆的转动方程

22、为求导数再求导数时，并以当，即cm/s代入上两式，得另解：另解：用分析法给定AB杆的转动方程 ，然后对时间t求导数，可求得，将更简单。=（t） rad/srad/s2 分析某点运动分析某点运动 1.建立建立点的运动方程点的运动方程求点的速度和加速度求点的速度和加速度; 2.确定刚体的运动与其上一点的运动关系，用确定刚体的运动与其上一点的运动关系，用点的合成运动或刚体平面运动理论点的合成运动或刚体平面运动理论分析相关的两个分析相关的两个点在某瞬时的速度和加速度。点在某瞬时的速度和加速度。 分析同一平面运动刚体上两个点之间的速度和加速度 可用刚体平面运动理论； 1.当两个刚体接触而又有相对滑动时，

23、应用点的合成运动理论分析此二刚体上相重合点的速度和加速度； 2.复杂机构中，可以同时有点的合成运动和刚体平面运动问题，可分别分析，综合运用点的合成运动和刚体平面运动理论求解。例例9、 导槽滑块机构请看动画例例9 、 导槽滑块机构已知已知： 曲柄OA= r , 匀角速度 转动, 连杆AB的中点C处连接一 滑块C可沿导槽O1D滑动, AB=l,图示瞬时O,A,O1三点 在同一水平线上, OAAB, AO1C= =30。 求求：该瞬时O1D的角速度和角加速度。解解：OA, O1D均作定轴转动, AB作平面运动 研究研究AB: , 图示位置, 作瞬时平动瞬时平动, 所以用合成运动方法求O1D杆上与滑块

24、C 接触的点的速度 动点动点: AB杆上C (或滑块C ), 动系动系: O1D杆, 静系静系: 机架绝对运动绝对运动：曲线运动，方向相对运动相对运动：直线运动，方向/ O1D牵连运动牵连运动：定轴转动，方向 O1D根据，作速度平行四边形作速度平行四边形 ）( 这是一个需要联合应用点的合成运动和刚体平面运动理论这是一个需要联合应用点的合成运动和刚体平面运动理论求解的综合性问题求解的综合性问题刚体平面运动刚体平面运动习题课习题课一概念与内容一概念与内容1. 刚体平面运动的定义刚体运动时，其上任一点到某固定平面的距离保持不变2. 刚体平面运动的简化可以用刚体上一个与固定平面平行的平面图形S在自身平

25、 面内的运动代替刚体的整体运动 3. 刚体平面运动的分解 分解为 4. 基点可以选择平面图形内任意一点,通常是运动状态已知的点 随基点的平动（平动规律与基点的选择有关）绕基点的转动（转动规律与基点的选择无关）5. 瞬心（速度瞬心） 任一瞬时,平面图形或扩大部分都唯一存在一个速度为零的点 瞬心位置随时间改变 每一瞬时平面图形的运动可视为绕该瞬时瞬心的转动这 种瞬时绕瞬心的转动与定轴转动不同 =0, 瞬心位于无穷远处, 各点速度相同, 刚体作瞬时平动, 瞬时平动与平动不同6. 刚体定轴转动和平面平动是刚体平面运动的特例7. 求平面图形上任一点速度的方法 基点法： 速度投影法： 速度瞬心法：其中，基

26、点法是最基本的公式，瞬心法是基点法的特例 8. 求平面图形上一点加速度的方法基点法： ，A为基点, 是最常用的方法此外，当 =0,瞬时平动时也可采用方法它是基点法在 =0时的特例。9. 平面运动方法与合成运动方法的应用条件平面运动方法用于研究一个平面运动刚体上任意两点的速 度、加速度之间的关系及任意一点的速度、加速度与图形 角速度、角加速度之间的关系合成运动方法常用来确定两个相接触的物体在接触点处有 相对滑动时的运动关系的传递二解题步骤和要点二解题步骤和要点 1. 根据题意和刚体各种运动的定义，判断机构中各刚体的运动 形式注意每一次的研究对象只是一个刚体 2. 对作平面运动的刚体，根据已知条件

27、和待求量，选择求解速 度(图形角速度)问题的方法, 用基点法求加速度(图形角加速 度) 3. 作速度分析和加速度分析，求出待求量 (基点法: 恰当选取基点，作速度平行四边形，加速度矢量图； 速度投影法: 不能求出图形 ; 速度瞬心法：确定瞬心的位置是关键）解解:OA定轴转动 ; AB, BC均作平面运动, 滑块B和C均作平动求对AB杆应用速度投影定理：对BC杆应用速度投影定理：一、一、 已知已知：配气机构中，OA= r , 以等 o转动, 在某瞬时 = 60 ABBC, AB=6 r , BC= . 求求 该瞬时滑块C的 速度和加速度求以A A为基点为基点求B点加速度：( a )P1为AB杆速

28、度瞬心，而作加速度矢量图作加速度矢量图, 并沿BA方向投影作加速度矢量图作加速度矢量图, P2 为BC的瞬心,而 P2C = 9 r再以再以B B为基点为基点, 求将 (b) 式在BC方向线上投影注注 指向可假设，结果为正说明假设与实际指向相同， 反之，结果为负，说明假设与实际指向相反30二、 平面机构请看动画二、二、 平面机构图示瞬时, O点在AB中点, =60,BCAB, 已知O,C在同一水平线上,AB=20cm,vA=16cm/s ,试求试求该瞬时AB杆, BC杆的角速度 及滑块C的速度解解: 轮A, 杆AB, 杆BC均作平面运动, 套筒O作定轴转动, 滑块C平动. 取套筒上O点为动点动

29、点, 动系动系固结于AB杆; 静系静系固结于机架, , 由于沿AB, 所以方向沿AB并且与反向。 从而确定了AB杆上与O点接触点的速度方向。研究AB, P1为速度瞬心也可以用瞬心法求BC和vC，很简便研究研究BC, 以B为基点, 根据作速度平行四边形速度平行四边形）(（）三、三、导槽滑块机构请看动画解解： 应用点的合成运动方法 确定CD杆上C点与AE杆上接触 点C之间的速度关系 取CD杆上C为动点，动系固结于AE，静系固结于机架；则(a)应用平面运动方法确定AE上A、 C 点之间速度关系 (b)三、三、导槽滑块机构图示瞬时, 杆AB速度，杆CD速度 及 角已知，且AC= l , 求导槽AE的图

30、形角速度将 (b) 代入 (a) 得 , 作速度矢量图投至 轴，且vCv，vu，有（） 四、四、图示为具有控制摇杆O1B的曲柄槽杆机构。曲柄OA以 rad/s作匀速转动，当绕顺时针方向转到铅垂向上位置时，控制摇杆O1B与水平线成60 角。此时其角速度和角加速度分别为 rad/s， rad/s2，且都是顺时针转向。求此瞬时槽杆BC的角加速度及滑块A相对于槽杆BC的加速度。已知OA=232mm，O1B=500mm及O1O=1000mm。解解：（1）速度分析 由于由于ve大小、方向均未知，大小、方向均未知，vr大小未知，大小未知，无法直接求解，必须另列方程。无法直接求解，必须另列方程。 以杆BC为研究对象。取B为基点，其上与连接滑块的销钉A重合的 点的速度为 大小 ？ ？方向 ？ 取曲柄OA上的A为动点，动系连于杆BC上 大小 ？ ？方向 ？ 由于大小 ？ ？方向 所以取投影轴x、y投影，得 其中（m/s） （m/s） 将已知量代入解得 （rad/s）（m/s） （2）加速度分析大小 ？ ？ 方向 ？ 大小 ？ ？ 方向 ？ 由于大小 ？ ？ 方向 有取投影轴x、y投影，得（m/s2） （rad/s2） 求得