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摆杆AB与水平杆GD以铰链A连接,如图(a)所示。水平杆作平动,AB杆可在套筒EF内滑动,同时又随套筒绕固定轴O摆动。
摆杆AB与水平杆GD以铰链A连接,如图(a)所示。水平杆作平动,AB杆可在套筒EF内滑动,同时又随套筒绕固定轴O摆动。已知:l=1m。在图示位置φ=30°时,GD杆的速度v=2m/s,方向向右;加速度a=0.5m/s2,方向向左。试求:
(1)套筒EF的角速度以及AB杆在套筒中滑动的速度;
(2)套筒EF的角加速度以及AB杆在套筒中滑动的加速度;
(3)摆杆AB上与O轴重合之点O1的速度和加速度。
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思路:本题为套筒摆动类型的机构。AB摆杆相对于套筒EF是沿套筒轴线作平动,因此AB杆上各点相对于套筒的相对速度相同,方位沿套筒轴线。若将动坐标系固连于套筒,对铰链A进行点的复合运动分析,就有清楚的各项运动,容易分析求解。
(1)取铰链A为动点,动坐标系固连于套筒EF,定坐标系固连于机架。
运动分析
动点的绝对运动:水平直线运动;
动点的相对运动:沿套筒轴线AB的直线运动。
牵连运动:动坐标系随套筒绕O轴作定轴转动。
速度分析
动点的绝对速度:va=v。
动点的相对速度vr:方位沿AB直线,大小未知。
动点的牵连速度:牵连点是在动坐标系上与铰链A重合的一点。形象地说,是在套筒延长部分上的A1点。由于套筒绕O轴转动,可知ve的方位垂直于OA线,大小未知。
根据速度合成定理
va=ve+vr
作速度平行四边形,如图(a),得
ve=vacosφ=1.73m/s
所以,套筒的角速度为
转向顺时针
得 vr=vasinφ=1m/s 方向如图(a)
此即杆AB在套筒中滑动的速度。
(2)运动分析同(1),现作加速度分析。
动点的绝对加速度:由已知条件aa=a。
动点的相对加速度ar:方位沿AB线,指向假设如图(b);大小未知。
动点的牵连加速度有法向和切向两个分量:方向沿AO,指向O点,其大小为
方位垂直于OA线,指向假设如图(b);大小未知。
动点的科氏加速度aC:方向垂直于vr,如图(b),其大小为
根据牵连运动为转动时的加速度合成定理
将此式在Ax轴上投影,如图(b),得
即
所以套筒的角加速度
实际转向逆时针
将加速度矢量式在Ay轴上投影,如图(b),得
即 方向如图(b)
此即杆AB在套筒中滑动的加速度。
(3)取AB杆上与O轴重合之点O1为动点,动坐标系固连于套筒,定坐标系固连于机架。
运动分析
动点的绝对运动未知;动点的相对运动为沿套筒轴线AB的直线运动。牵连运动为动坐标系随套筒绕O轴的定轴转动。
速度分析
动点的绝对速度va为题意需求;动点的相对速度vr应与A点相对套筒的相对速度相同;动点的牵连速度ve,由于牵连点就是套筒的转轴O点,所以ve=0。
根据速度合成定理 va=ve+vr
可得AB杆上O1点的速度为
va=vr=1m/s 方向与vr相同
加速度分析
动点的绝对加速度aa为题意需求;动点的相对加速度ar和科氏加速度aC与A点相同;动点的牵连加速度,由牵连点可知ae=0。
根据牵连运动为转动时的加速度合成定理
aa=ae+ar+aC
可得AB杆上O1点的加速度为
方向如图(c)本题应用点的复合运动分析方法对摆杆机构进行了运动分析。从套筒的角速度以及摆杆AB相对于套筒的速度,可以求出摆杆上任意一点的速度。其中,任意一点的牵连速度与点到转轴O的距离成正比,而摆杆上各点相对于套筒的相对速度是相同的。
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