平面机构力的分析
孙桓《机械原理》笔记和课后习题(含考研真题)详解(平面机构的力分析)【圣才出品】
第4章平面机构的力分析4.1 复习笔记一、机构力分析的任务、目的和方法1．作用在机械上的力根据力对机械运动影响的不同，可分为两大类。
（1）驱动力①定义驱动机械运动的力称为驱动力。
②特点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，称为驱动功或输入功。
（2）阻抗力①定义阻止机械运动的力称为阻抗力。
②特点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，称为阻抗功。
③分类a．有效阻抗力机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或状态而受到的阻力，即工作阻力。
克服这类阻力所完成的功称为有效功或输出功。
b．有害阻抗力机械在运转过程中所受到的非生产阻力。
克服这类阻力所作的功称为损失功。
2．机构力分析的任务和目的（1）确定运动副中的反力运动副反力是指运动副两元素接触处彼此作用的正压力和摩擦力的合力。
（2）确定机械上的平衡力或平衡力偶平衡力是指机械在已知外力的作用下，为了使该机构能按给定的运动规律运动，必须加于机械上的未知外力。
3．机构力分析的方法对于不同的研究对象，适用的方法不同。
（1）低速机械惯性力可以忽略不计，只需要对机械作静力分析。
（2）高速及重型机械①惯性力不可以忽略，需对机械作动态静力分析。
②设计新机械时，由于各构件尺寸、材料、质量及转动惯量未知，因此其动态静力分析方法如下：a．对机构作静力分析及静强度计算，初步确定各构件尺寸；b．对机构进行动态静力分析及强度计算，并据此对各构件尺寸作必要修正；c．重复上述分析及计算过程，直到获得可以接受的设计为止。
二、构件惯性力的确定构件惯性力的确定有一般力学法和质量代换法。
1．一般力学方法如图4-1-1（a）所示为曲柄滑块机构，借此说明不同运动形式构件所产生的惯性力。
（1）作平面复合运动的构件惯性力系有两种简化方式。
①简化为一个加在质心S i上的惯性力F I2和一个惯性力偶矩M I2，即F I2＝－m2a S2，M I2＝－J S2α2②简化为一个大小等于F I2，而作用线偏离质心S2一定距离l h2的总惯性力F I2′，而l h2＝M I2/F I2F′I2对质心S2之矩的方向应与α2的方向相反。
第五章 平面机构的力分析
作用在机械上的力
作用在机械上的力
惯性力（ 由于构件的变速运动而产生的。 惯性力（矩）:由于构件的变速运动而产生的。当构件加速运 由于构件的变速运动而产生的 动时，是阻力（ ）；当构件减速运动时 是驱动力(矩 。 当构件减速运动时， 动时，是阻力（矩）；当构件减速运动时，是驱动力 矩)。
1．给定力 ．
外加力
驱动力 和驱动力矩 阻力和阻力矩
输入功
工作阻力（ 工作阻力（矩） 输出功或有益功 有害阻力（ 有害阻力（矩） 损失功
法向反力
2．约束反力 ．
切向反力, 切向反力 即摩擦力
约束反力对机构而言是内力，对构件而言是外力。 约束反力对机构而言是内力，对构件而言是外力。 单独由惯性力（ 单独由惯性力（矩）引起的约束反力称为附加动压力。 引起的约束反力称为附加动压力。 附加动压力
主要内容
解析法作机构动态静力分析的步骤 解析法作机构动态静力分析的注意事项 铰链四杆机构动态静力分析的数学模型 铰链四杆机构动态静力分析的框图设计 铰链四杆机构动态静力分析的编程注意事项
不考虑摩擦时平面机构的动态静力分析
解析法作机构动态静力分析的步骤
1. 将所有的外力、外力矩（包括惯性力和惯性力矩以及待求的平衡力 将所有的外力、外力矩（ 和平衡力矩）加到机构的相应构件上； 和平衡力矩）加到机构的相应构件上； 2. 将各构件逐一从机构中分离并写出一系列平衡方程式； 将各构件逐一从机构中分离并写出一系列平衡方程式； 3. 通过联立求解这些平衡方程式，求出各运动副中的约束反力和需加 通过联立求解这些平衡方程式， 于机构上的平衡力或平衡力矩。 于机构上的平衡力或平衡力矩。 一般情况下，可把这些平衡方程式归纳为解线性方程组的问题。 一般情况下，可把这些平衡方程式归纳为解线性方程组的问题。 可用相应的数值计算方法利用电子计算机解这些方程组算出所求的各 力和力矩。 力和力矩。
1机械原理课件_东南大学_郑文纬_第七版第09章_平面机构的力分析111解析
惯性力：是一种虚拟加在有变速运动的构件上的力。
惯性力是是阻力还是驱动力？ 当构件减速时，它是驱动力；加速时，它是阻力 特点：在一个运动循环中惯性力所作的功为零。低速机械的惯性力 一般很小，可以忽略不计。
二、研究机构力分析的目的
确定运动副反力。
因为运动副中反力的大小和性质对于计算机构各个零 件的强度、决定机构中的摩擦力和机械效率、以及计 算运动副中的磨损和确定轴承型式都是有用的已知条 件。
选定一点B， 再选定另一点为K
可以任意选择两个代换点
B b B
S k S
K
mB mK m mB (b) mK k 0
mk mB bk
K
mb mK bk
动代换
两质量点动代换： 选定一点B； 则另一点为K。
不能同时任意选择两个代换点
mB mK m
K k
mB (b) mK k 0
例 9－ 6
例9－6 p367
5 E Aω 1
1
Fi5 G5
6 Fr
D B 2 3
4
在如图所示的牛头刨床机构 中,已知：各构件的位置 和尺寸、曲柄以等角速度 w1顺时针转动、刨头的重 力G5、惯性力Fi5及切削 阻力(即生产阻力)Fr。
C
试求：机构各运动副中的反力及需要施于曲柄1上的平 衡力偶矩(其他构件的重力和惯性力等忽略不计)。
π
Fi 2 Fi 2b Fi 2k
5、动静法应用
不考虑摩擦时机构动静法分析的步骤：
1. 求出各构件的惯性力，并把其视为外力加于产生 该惯性力的构件上； 2. 根据静定条件将机构分解为若干个杆组和平衡力 作用的构件； 3. 由离平衡力作用最远的杆组开始，对各杆组进行 力分析； 4. 对平衡力作用的构件作力分析。
平面机构的力分析
平面机构的力分析平面机构被广泛应用于机械工程中，其主要功能是将输入力或运动转化为需要的输出力或运动。
在进行力学设计时，了解和分析平面机构的力分布是非常重要的，本文将对平面机构的力分析进行详细介绍。
首先，平面机构可以通过静力学方法进行力分析。
静力学是研究物体静止或平衡的力学学科，可以用来分析静态平面机构中各个零件的力。
在进行平面机构的力分析时，一般需要考虑以下几个方面：1.合力和力矩：平面机构中各个零件受到的力可以相互作用，产生合力和合力矩。
合力是所有力的矢量和，而合力矩是所有力矩的矢量和。
通过计算合力和合力矩，可以判断机构是否平衡，以及零件上的受力情况。
2.内力：内力是作用在零件内部的力，由于平均剪应力和平均正应力引起。
在平面机构中，内力可以通过应力分析和静力平衡方程求解。
通过分析内力，可以判断零件的强度和稳定性。
3.杆件受力：平面机构中的杆件是承受力的主要部分，因此对于杆件的受力进行分析是非常重要的。
通常，可以通过静力平衡方程和力矩平衡方程来计算杆件上的受力。
根据受力情况，可以选择合适的杆件材料和尺寸。
4.关节受力：平面机构中的关节是连接零件的部分，受到的力会传递到相邻的零件上。
通过分析关节受力，可以确定关节的强度和稳定性，并进行合理的设计。
在进行平面机构的力分析时，可以使用手动计算方法或计算机辅助设计软件。
手动计算方法需要进行力学方程的推导和计算，需要较高的数学和力学知识。
计算机辅助设计软件可以通过输入机构的几何参数和力参数，自动进行力分析和力矩分析，快速得到各个零件的受力情况。
总之，平面机构的力分析是机械设计中的重要内容，可以通过静力学方法进行。
在进行力分析时，需要考虑合力和力矩、内力、杆件受力和关节受力等因素。
通过合理的力分析，可以为机构的设计提供有用的参考和指导。
机械原理-第02章 平面连杆机构及其设计 - 平面连杆机构的力分析
件惯性力对机械性能的影响。
G′
2020年4月23日星期四
5
§2-5 平面连杆机构的力分析
WHUT
3、机构力分析的方法
静力分析和动态静力分析。
由于最初设计时，各构件的结构尺寸、形状、材料、质量及 转动惯量未知，因而惯性力（矩）无法确定。此时，一般先 对机构作静强度计算，初步确定各构件尺寸，然后再对构件 进行动态静力分析及强度计算，并以此为依据对各构件作必 要的修正。一般不考虑摩擦力的影响。
(2) 绕定轴转动的构件
a. 回转轴线通过构件质心
S
Pi = 0 Mi = -Js ε ( ε = 0 或 ε ≠0 ) b. 回转轴线不通过质心
Pi = -mas Mi = - Jsε
其中：h=Mi/Pi
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WHUT
Pi＇ Pi
h S
Mεi
8
§2-5 平面连杆机构的力分析
(3) 作平面复合运动的构件
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21
WHUT
(2) 判定构件间的相对转向
F
R12
R12
ω21
v
1
2
R23ω23
3Q
ω14
4
R41
R32R32
R43
(3) 判定作用力在摩擦圆上切点位置
Q R23
R21
F
R43 R41
(4) 依据力平衡条件求解
对构件3：Q + R23 + R43 = 0 对构件1：R21 + R41+ F = 0
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3
§2-5 平面连杆机构的力分析
2、机构力分析的任务和目的
9力分析
j
0
上式表明：作用在机构构件上所有外力（包括平衡力） 对转向速度多边形极点的力矩之和等于零。
9—5 速度多边形杠杆法
速度多边形杠杆法应用速度多边形和理论力学中的虚位移原理直 接求平衡力Fb或平衡力偶矩Mb。 虚位移原理：
dA F ds
j i
j
cos j 0
P
j
dAj dt
Fi v j cos j 0
P
j
V
Fi h j 0
Fh
2、方法：
静力计算：不计动载荷而仅考虑静载荷的计算。 动力计算：同时考虑静载荷和动载荷的计算。 动态静力计算：将惯性力加在产生该力的构件上，和所有其 他外力作用下，该机构或其中构件都可认为处于平衡状态，用静 力学的方法进行计算。
方法： 图解法：概念清楚、直观。 解析法：计算结果精度较高，但费时。
9—2 构件惯性力的确定
2、静代换
质量代换法
主要用于绕非质心轴转动的构件和作平面复杂运动的构件。代 换点常选择在加速度容易求得的点上，如转动副的中心等。
§9—3 运动副中摩擦力的确定
平面机构中的运动副有：移动副、转动副和平面高副。
一、移动副中的摩擦力
1．平面移动副中的摩擦力
分析可知： 1) 当< 中时，Ff>Fx。因此，若滑块A原来就在运动，则A作 减速运动直至静止不动；若滑块原来不动，则此时无论外力F的 大小如何，滑块A都不能运动。这种不管驱动力多大，由于摩擦 力的作用而使机构不能运动的现象称为自锁。
2)当h=时，Q`与摩擦圆相切，M=Mf 。因此，若轴颈A原来就 在转动，则A作等速转动；若轴颈A原来不动，则A保持不动， 处于自锁的临界状态。
平面机构的力分析重点(zl)
牛顿-欧拉法
基于牛顿第二定律和刚体 动力学原理，分析机构中 各构件的运动和受力情况。
虚功原理法
利用虚功原理，通过分析 机构中各构件的虚位移和 作用力，计算出机构的动 态性能。
拉格朗日方程法
基于拉格朗日方程，建立 机构的运动学和动力学方 程，用于分析机构的运动 和受力情况。
动力学分析的应用实例
机械手动力学分析
应用于各种机 械系统中，如传动系统、控 制系统、输送系统等。
02
在传动系统中，平面机 构可以用于实现动力的 传递和变速。
03
在控制系统中，平面机 构可以用于实现精确的 位置控制和速度控制。
04
在输送系统中，平面机 构可以用于实现物料的 输送和分拣。
02 力分析的基本原理
在分析机构受力情况时，应注意机构的运动状态，如静止、匀速运 动或加速运动等，以便更准确地计算受力情况。
04 平面机构的运动学分析
运动学分析的基本方法
01
02
03
解析法
通过建立机构的运动学方 程，利用代数和解析几何 的方法求解机构的位置、 速度和加速度。
图解法
利用机构运动学图解，通 过几何关系求解机构的位 置、速度和加速度。
约束条件的考虑
01
在运动学分析中要充分考虑机构的约束条件，避免出现不合理
的运动情况。
误差分析和精度要求
02
根据实际应用需求，对运动学分析的误差进行分析，以满足精
度要求。
动态特性的考虑
03
在运动学分析中要考虑机构的动态特性，如惯性、阻尼等，以
更准确地描述机构运动。
05 平面机构的动力学分析
动力学分析的基本方法
通过力分析，可以确定机构在运 动过程中各构件的受力情况，从 而评估机构的运动性能和稳定性。
平面机构的动态静力分析
▼对相应构件加上惯性力；
▼动力学反问题求解。已知运动状态和工作阻力，求平衡力
矩，运动副反力及变化规律。在此基础上求机座的摆动力和
摆动力矩。
主要内容
§1-1刚体运动惯性力的简化 §1-2平面连杆机构的动态静力分析 §1-3平面凸轮机构的动态静力分析
机械动力学
§1-1刚体运动惯性力的简化
机械系统是由各种构件组成，每一个构件是一个刚体，刚体的
yc3
xc3
2
3 xd
（2）取整体为对象：受力如图。
F3 yI
其中：
Md
F3 xI
F4 xI
FRAy
M 3Ic
FRDy
机械动力学
（3）列方程求解
取AB为对象：
F3 yIMd来自F4 xIFRAx FRAy
M 3Ic
F3 xI
FRDy
机械动力学
§1-2平面连杆机构的动态静力分析 方法2：达朗贝尔原理求解
机械动力学
§1-1刚体运动惯性力的简化
一、刚体作平移 向质心C简化：
刚体平移时惯性力系合成为一过质心的合力。
FI1
FI
FI2
FIn
机械动力学
§1-1刚体运动惯性力的简化
二、定轴转动刚体
条件： 具有质量对称平面，质量对称 平面垂直于转轴，质心在质量对称平面内 的简单情况。
直线 i :平移,过Mi点，
作用线过C点
机械动力学
§1-2平面连杆机构的动态静力分析
一、构件的惯性力简化
当构件作一般的平面运动时， 某瞬时的角速度和角加速度及 质心加速度分别为
构件的质量及对质心的转动惯 量为
mi riC
J iCi
将虚加在构件上的惯性力向质心简化