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剛體的一般運(yùn)動(dòng)1
§10–1剛體繞平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)的合成
2Chapter10:Generalmotionofarigidbody§10-1
Compositionofrotationsabouttwoparallelaxes
Compositionproblemofrotationsaboutparallelaxesisoftenencounteredinmechanicalengineering.Forinstance,theplanetgearwheelinaplanetgearmechanismhasplanemotion.Inpreviousstudy,wedealtwithaplanemotionofaplanetgearbydecomposingitintoatranslationandarotation.However,itismoreconvenienttoviewtheplanemotionofaplanetgearasacompositionoftworotations.
Kinematics3剛體的一般運(yùn)動(dòng)§10-1剛體繞平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)的合成剛體繞平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)的合成問(wèn)題在機(jī)械中經(jīng)常遇到。例如,行星圓柱齒輪機(jī)構(gòu),行星輪作平面運(yùn)動(dòng)。前面所研究的平面運(yùn)動(dòng)是把它看成為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng),但是在分析行星輪系的傳動(dòng)問(wèn)題時(shí),將行星輪的平面運(yùn)動(dòng)看成為轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)則比較方便。運(yùn)動(dòng)學(xué)4(Lookfortheanimationonthenextpage)Takeaplanetgearmechanismasanexample.StaticsystemisO1xyMovingsystemisO1x'y'Relativemotion:rotationaboutaxisO2,
ristherelativeangularvelocity.
Embroilingmotion:rotationaboutaxisO1,
eistheembroilingangularvelocity.
Kinematics5運(yùn)動(dòng)學(xué)靜系:O1xy動(dòng)系:O1x'y'相對(duì)運(yùn)動(dòng):繞O2軸轉(zhuǎn)動(dòng),
r為相對(duì)角速度。
牽連運(yùn)動(dòng):繞O1軸轉(zhuǎn)動(dòng),
e為牽連角速度。(翻頁(yè)請(qǐng)看動(dòng)畫)例如在行星輪系中6Kinematics7運(yùn)動(dòng)學(xué)8Kinematics9運(yùn)動(dòng)學(xué)10Inconclusion:Theabsoluteangularvelocity
aoftheplanefigure(theplanetgear)equalstothealgebraicsumoftheembroilingangularvelocity
eandtherelativeone
r.When
e
and
r
havesamedirection,thedirectionof
a
isthesameasthem.When
eand
rhaveoppositedirections,thedirectionof
a
isthesameasthebiggerone.
Atmomentt,itisinpositionO2A;Atmomentt+
t,itisinpositionO2'A‘.ThefigureshowsthatDifferentiatingitwithrespecttotgives:Kinematics11
由圖看出對(duì)t求導(dǎo):即:平面圖形(這里指行星輪)的絕對(duì)角速度
a等于牽連角速度
e
與相對(duì)角速度
r的代表和.當(dāng)
e
與
r
轉(zhuǎn)向相同時(shí)轉(zhuǎn)向與兩者相同.當(dāng)
e與
r轉(zhuǎn)向相異時(shí)轉(zhuǎn)向與大者的相同.運(yùn)動(dòng)學(xué)t時(shí)刻,O2A
位置;
t+
t
時(shí)刻,O2'A'位置12Next,wedeterminethepositionoftheinstantaneousvelocitycenterfortheplanefigureS.
Pis
theinstantaneouscenterofvelocityofthefigure.TheaxisacrosspointPandperpendiculartoaxesO1andO2iscalledinstantaneousaxis,everypointofwhichhaszerovelocity.
Sinceve=vr,andtheyhaveoppositedirections,vp=0,Pistheinstantaneouscenterofvelocity.Hence,
e
and
rhavethesamedirection
e
and
rhavetheoppositedirectionsKinematics13下面來(lái)確定圖形S的瞬心的位置
P點(diǎn)為圖形的速度瞬心,通過(guò)點(diǎn)P且與軸O1、O2平行的軸稱為瞬時(shí)軸,該軸上各點(diǎn)的速度都等于零。運(yùn)動(dòng)學(xué)
由于ve=vr,且方向相反,因此vp=0,P為速度瞬心。此時(shí)
e
與
r同轉(zhuǎn)向
e
與
r同反向14Conclusion:Tworotationsofarigidbodyabouttwoparallelaxescanbecomposedintoarotationaboutainstantaneousaxis.Theinstantaneousaxisisparalleltotheoriginalaxes,andtheratioofitsdistancetooneaxisandthattotheotherisinverselyproportionaltotheratiooftheirangularvelocities.Whentheserotationsturntothesamedirection,theinstantaneousaxisliesbetweenthetwoaxes, .Otherwise,itisintheextensionofthelinesegmentbetweenthetwoaxesandliesinthesideoftheaxiswithlargerangularvelocity .Kinematics15即:剛體繞兩平行軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可合成為繞瞬軸的轉(zhuǎn)動(dòng),瞬軸與原兩軸共面且平行,到兩軸的距離與兩角速度大小成反比。同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),瞬軸在兩軸之間,,轉(zhuǎn)向與兩者相同;反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),瞬軸在兩軸之外,在角速度值大的一側(cè),,轉(zhuǎn)向與大者的相同。運(yùn)動(dòng)學(xué)16[Example1]GearandhavethesameradiusR,andtheradiusofgearisr.Theyaremeshedonebyone,andgearisfixed.GearandispinedtothecrankO1O3respectively,andtheycanrotatearoundaxesO2andO3.CrankO1O3rotatewith
0
.Finetheangularvelocity3rofgearIIIrelativetothecrank,itsabsoluteangularvelocity3,andthevelocitiesofpointAandBrespectivelyattheinstantshowninthefigure.Kinematics17運(yùn)動(dòng)學(xué)[例1]
齒輪
、
半徑均為R,齒輪
半徑為r,依次互嚙合,輪
固定不動(dòng),輪
和輪
裝在曲柄O1O3上,可分別繞O2、O3軸轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)曲柄O1O3以
0順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).試求齒輪III相對(duì)于曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度
3r
和齒輪
的絕對(duì)角速度
3以及圖示瞬時(shí)A、B
兩點(diǎn)的速度。18Solution:TakeO1O3asthemovingcoordinatesystem,anddenote
1r,
2rand
3rastheangularvelocitiesofgear,andrelativetotheconnectingrod.ThetransmissionratiocanbeexpressedasEmployingthetheorydevelopedabove,wehaveKinematics19解:取系桿O1O3為動(dòng)系,
1r、
2r、
3r
分別是
、
、
輪相對(duì)于系桿的角速度,根據(jù)傳動(dòng)比公式,可得由平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)的合成理論,得運(yùn)動(dòng)學(xué)20Itisclearthatgearis
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