Графическое определение положений звеньев механизма
Независимые между собой параметры, однозначно определяющие положение и движение механической системы, называют обобщенными координатами. Из курса теоретической механики известно, что количество обобщенных координат равно числу степеней свободы системы, поэтому, установив число степеней свободы механизма, необходимо выбрать столько же обобщенных координат. Как правило, в механизме с одной степенью свободы имеется одно начальное (входное) звено, поэтому за обобщенную координату обычно принимается или угол поворота вращающегося звена, или линейная координата прямолинейно движущегося звена.
Для определения положений звеньев механизма в стандартном масштабе строится его кинематическая схема. Определение положений звеньев покажем для механизма, приведенного на рис. 1.1.
Масштабный коэффициент выбирается таким образом, чтобы длина самого большого звена (1тах) не превышала на чертеже 150... 180мм. Масштабный коэффициент измеряется в м/мм и определяется из формулы
(1-3)
Первоначально на чертеже фиксируются неподвижные точки О и О1, являющиеся вращательными кинематическими парами 5 класса - осями вращения кривошипа 1 и коромысла 3. При непрерывном вращении кривошипа 1 точка А описывает окружность радиусом ОА. Точка В, принадлежащая шатуну 2 и коромыслу 3, также описывает окружность радиусом О1В.Точка С, принадлежащая коромыслу 3, совершает возвратно-поступательное движение по дуге окружности радиусом О1С. Точка Б совершает возвратно-поступательное движение по прямой ОБ. Построение плана механизма целесообразно, но не обязательно, начинать с определения крайних положений ползуна 5: он находится в крайнем правом положении тогда, когда звено 1 и 2 находятся на одной прямой справа от точки О и в крайнем левом положении, когда звено 1 и 2 находится на одной прямой слева от точки О. Все точки звеньев механизма в первом положении обозначаем с индексом 1, во втором-с индексом 2 и т.д. Для определения первого положения точки В из точки О радиусом (ОА + АВ) проводим дугу, а затем из точки О1 радиусом 01В проводим вторую дугу. Точка пересечения этих дуг является точкой В1. Из точки С1 радиусом СD проводим дугу до пересечения с линией ОD. Это и будет крайнее правое положение ползуна - точка D1. На рис. 1.4 изображено два положения звеньев механизма. Второе положение звеньев механизма строилось следующим образом: кривошип повернулся на 60° и точка А переместилась в положение А2. Из точки А2 радиусом АВ проводим дугу до пересечения с дугой , проведенной из точки О1 радиусом 01В.Точка пересечения этих дуг есть точка В2. Из точки С2 радиусом С D проводится дуга до пересечения с линией ОD, и таким образом определяется второе положение ползуна, т.е. точка D2. Аналогично определяются остальные положения звеньев механизма.
Рис. 1.4. Построение положений звеньев механизма
Для того, чтобы графически определить кинематические величины, описывающие движение звеньев механизма, производятся построения так называемых планов скоростей и ускорений.
1.3. Построение плана скоростей плоского механизма
Основу построения плана скоростей составляет векторная формула определения скорости точки плоской фигуры
(1.4)
Где Vp - скорость точки P, выбранной за полюс; Vmp - скорость точки М во вращательном движении плоской фигуры относительно полюса, величина которой равна
(1-5)
ω- угловая скорость плоской фигуры.
Чтобы воспользоваться векторной формулой, необходимо сначала построить в определенном масштабе (1:1; 1:2; 1:2,5; 1:4; 1:5; 1:10 и т.д.) план механизма в заданном положении. Затем нужно выбрать масштабный коэффициент, который равен отношению скорости полюса к длине отрезка, изображающего эту величину. Для обеспечения требуемой точности построения длину отрезка принимают равной 40...60 мм:
(16)
После этого в выбранном масштабе строится векторный треугольник по уравнению (1.4), в котором вектор Vм является замыкающим вектором, а Vmp перпендикулярен к отрезку МР. Такие построения проводятся для всех характерных точек механизма (как правило, кинематических пар) на одном рисунке.
Построение плана скоростей произведем для механизма, изображенного на рис. 1.4 во втором положении, для следующих исходных данных:
ОА = 0,1 м; АВ = 0,4 м; ВС = 0,15 м; СО, = 0,15 м; СБ = 0,5 м; ОО, = 0,4 м; угловая скорость кривошипа (звена 1) ω1 = 10 рад/с.
Решение задачи начинаем с определения модуля скорости точки А начального звена 11
Изобразим вектор скорости VA из некоторой точки Рv которая называется полюсом плана скоростей. Этот вектор всегда направлен перпендикулярно начальному звену 1 в сторону его движения (рис. 1.5).
Примем длину этого вектора равной 50 мм, тогда масштабный коэффициент скорости равен
В конце вектора поставим стрелку и точку а. Скорость точки В определяется в соответствии с векторным уравнением (1.4) в виде:
В силу того, что точка В принадлежит третьему звену, совершающему вращательное движение вокруг точки O1, вектор скорости Vв направлен перпендикулярно третьему звену. Кроме того, вектор Vba перпендикулярен звену 2 и потому точку b на плане скоростей получим как точку пересечения перпендикуляров к направлениям звеньев 2 и 3 в рас-
четном положении, проведенных соответственно через точки а и pv. Величину скорости точки В найдем, измерив длину отрезка Р, Ь на плане скоростей и умножив ее на масштаб:
Угловая скорость вращения третьего звена находится из формулы
Для определения угловой скорости звена 2 необходимо скорость Vba во вращательном движении звена ВА вокруг полюса А разделить на длину этого звена:
Точка С принадлежит третьему звену, совершающему вращательное движение вокруг точки O1 с угловой скоростью ω3 • Следовательно, вектор скорости Ус направлен перпендикулярно к третьему звену, а его модуль можно найти из формулы
Таким образом, точке С, лежащей на середине звена O1B механизма, соответствует точка с плана скоростей, лежащая на середине отрезка Рv b. Заметим, что если одна из скоростей точек (К) какого-либо звена (КL) на плане скоростей уже построена (k), то положение любой другой точки (m) может быть установлено из соотношения пропорциональности:
Завершая построение плана скоростей, определим величину и направление скорости точки D. Для этого воспользуемся векторной формулой
Проводим из конца вектора Vс прямую, перпендикулярную звену 4, а из полюса Pv - прямую, параллельную направляющим ползуна 5, т.е. линии OD. Точка пересечения этих прямых есть конец вектора VD, т.е. точка d: Модуль скорости точки d находится путем умножения длины отрезка Pvd на масштабный коэффициент kv'.
Угловую скорость вращения четвертого звена находим из формулы
Для динамического анализа механизма необходимо знать скорости центров масс звеньев. Полагая, что центры масс звеньев расположены в середине отрезка, соединяющего кинематические пары, отметим соответствующие точки на плане скоростей. Разделив пополам отрезки аb, Рv b, cd, получим точки S2, S3, S4. Измерив расстояния PvS3, PvS4 находим соответствующие скорости:
1.4. Построение плана ускорений плоского механизма
Основой построения плана ускорений служит векторная формула, определяющая ускорение точки плоской фигуры:
(1.7)
где ap- ускорение точки, выбранной за полюс; anMP и aτMP - составляющие ускорения точки М во вращательном движении плоской фигуры вокруг полюса Р. При этом величины этих составляющих определяются по формулам
(1.8)
где ω и ε, соответственно, угловая скорость и угловое ускорение плоской фигуры.
Рассмотрим построение плана ускорений на том же самом примере плоского механизма, полагая что начальное звено 1 движется с постоянной угловой скоростью. В этом случае полное ускорение точки А равно его нормальной составляющей и направлено от точки А к оси вращения звена - точке О. По величине
Перед началом построений выберем масштабный коэффициент, равный отношению ускорения к длине отрезка, изображающего эту величину. Для обеспечения требуемой точности построения длину отрезка принимают равной 80... 100 мм:
(1-9)
Изобразим вектор ускорения anA из некоторой точки ра, которая называется полюсом плана ускорений. Этот вектор всегда направлен параллельно начальному звену 1 (рис. 1.6).
Примем длину этого вектора равной 100 мм, тогда масштабный коэффициент ускорения равен
В конце вектора поставим стрелку и точку а. Ускорение точки В находим в соответствии с векторной формулой (1.7):
При этом
а вектор anBA направлен вдоль звена АВ от точки В к точке А. Длина, вектора, изображающего это ускорение, равна величине этого ускорения, деленной на масштабный коэффициент: anBA /ка = 0,08 / 0,1 = 0,8 мм. В пределах погрешности построений (с точностью до 1 мм) изобразить этот отрезок на чертеже не представляется возможным, поэтому полагаем, что он равен нулю. Таким образом, точка b плана ускорений лежит на перпендикуляре к АВ, проведенному из точки а.
С другой стороны, точка В принадлежит звену 3, совершающему вращательное движение вокруг точки О1 Следовательно, полное ускорение точки В равно сумме ее нормальной и касательной составляющих :
причем по величине
а направлен этот вектор вдоль ВО1 от В к O1. Длина вектора, изображающего это ускорение, равна величине этого ускорения, деленной на масштабный коэффициент: anB/ ка = 2,84 / 0,1 = 28,4 мм. Из полюса плана ускорений проводим отрезок рап3 длиной 28 мм параллельно звену ВО1. Этот вектор изображает нормальное ускорение точки В. Из конца этого вектора проводим перпендикулярно ему линию, по которой направлена касательная составляющая ускорения точки В, до пересечения с перпендикуляром к АВ, проведенным из точки а. Полученную точку обозначаем через b. Замерив длину отрезка ра b, находим полное ускорение точки В :
Замеряем на чертеже длину вектора п3b (в данном примере она равна 43 мм), изображающего касательную составляющую ускорения точки В. Его величина позволяет определить угловое ускорение звена 3:
Угловое ускорение звена 2 находим аналогично:
Отметим на плане ускорений положение точки с, соответствующей середине звена ВО1. Для этого соединим точку b с точкой ра и найдем середину полученного отрезка. Ускорение точки С изображается вектором, направленным из полюса плана ускорений в точку с .
Далее находим ускорение точки D как векторную сумму:
где
Длина вектора, изображающего это ускорение, равна anDC/ ка = 0,01 • 0,1 = = 0,1 мм. Изобразить этот отрезок на чертеже не представляется возможным, поэтому полагаем, что он равен нулю.
Проводим из точки с на плане ускорений прямую , перпендикулярную звену СD, отображающую направление касательной составляющей aτDC ускорения точки D при вращательном движении звена 4 вокруг С. Так как точка D принадлежит пятому звену (ползуну), то направление полного ускорения этой точки нам известно - оно параллельно направляющим ползуна - в этом примере линия O1D. Следовательно, перпендикуляр к CD из точки с следует продолжать до пересечения с горизонтальной прямой, проведенной из полюса плана ускорений. Полученную точку обозначаем через d. Замеряем длину отрезка раd и находим полное ускорение точки D:
Далее находим угловое ускорение четвертого звена;
Определим ускорение центров масс звеньев 2 и 4. Для определения ускорения центра масс второго звена разделим на плане ускорений отрезок аb пополам точкой S2 и соединим ее с полюсом плана ускорений:
Аналогично находим положение точки S4 и ускорение центра масс звена 4:
1.5. Особенности построения планов скоростей и ускорений кулисного механизма
Вкулисных механизмах одно из звеньев, называемое кулисой, может перемещаться поступательно относительно другого подвижного звена (на рис. 1.7,а звено 3 является кулисой). В результате кулиса совершает сложное движение, методы кинематического анализа которого несколько отличаются от изложенных выше.
Напомним, что сложное движение твердого тела раскладывается на два составляющих движения: относительное (относительно подвижной
Рис. 1.7. Кулисный механизм : а - схема механизма; б - план скоростей; в - план ускорений
системы отсчета) и переносное (движение подвижной системы отсчета относительно неподвижной). Скорость точки в сложном движении определяется как векторная сумма;
(1.10)
где Vr - скорость точки в относительном движении, Vе - скорость той точки подвижной системы отсчета, с которой в данный момент времени совпадает подвижная точка.
При определении ускорения точки в сложном движении следует иметь в виду, что наряду с относительным и переносным ускорением нужно учитывать еще и ускорение Кориолиса:
(1.11) причем для плоского переносного движения
(1.12)
Рассмотрим построение плана скоростей для кулисного механизма, изображенного на рис. 1.7,а при следующих исходных данных : ОА = 0,2 м; O1O = 0,34 м; угловая скорость кривошипа ω1= 10 рад/с. Проведем графические построения для расчетного положения, в котором ОА перпендикулярно О1O
Начальное звено ОА совершает вращательное движение, и потому скорость точки А звена 1 может быть найдена как
Вектор скорости VA1 направлен перпендикулярно звену 1 в сторону его движения.
Выбрав произвольную точку ру за полюс плана скоростей, изобразим вектор скорости VA1 задавшись его длиной на плане скоростей в 50 мм. Тогда масштабный коэффициент найдем как
После построений получим на плане скоростей точку a1. В силу того, что точка А кулисы 3 совершает сложное движение, абсолютная скорость Va1 может быть представлена в виде суммы (1.10), в которой вектор переносной скорости точки А звена 2 Va2 направлен перпендикулярно к ОА (т.к. переносное движение вращательное), а вектор относительной скорости Vr- вдоль прямой O1A (т.к. относительное движение прямолинейное):
Таким образом, если из полюса плана скоростей провести прямую, перпендикулярную к О1A, а из точки ау - прямую, параллельную О1А, то, получив точку пересечения этих прямых а2, можно утверждать, что отрезок pva2 в выбранном масштабе отображает переносную скорость:
а отрезок a1а2 относительную скорость;
При заданном направлении движения вектор относительной скорости направлен от а2 к а1.
Величина угловой скорости звена 2 может быть найдена как отношение
Переходим далее к построению плана ускорений. Выбрав полюс плана ускорений pa, зададимся длиной вектора ускорения точки А в 50 мм. При этом
Тогда масштабный коэффициент равен
Изображаем в выбранном масштабе вектор аA1 на плане ускорений, направляя его вдоль звена 1 отточки А к оси вращения О.
Абсолютное ускорение аA1 может быть представлено в виде векторной суммы (1.11):
в которой ускорение точки А звена 2 имеет две составляющие г
ускорение Кориолиса
и направлено перпендикулярно к звену 2 в сторону его переносного вращения.
Из полюса плана ускорений изображаем вектор переносного нормального ускорения параллельно АО1 от А к O1 величиной
Касательная составляющая ускорения точки А звена 2 направлена перпендикулярно к О1А, а значит перпендикулярно и к рап. Следовательно, точка аг расположена на перпендикуляре к нормальному ускорению.
Вектор ускорения Кориолиса длиной
откладываем из точки а1 также перпендикулярно к O1А. При этом вектор а1к должен замкнуть построенный многоугольник, поэтому откладываем его в сторону, противоположную движению звена 2. Получаем точку к. Относительное ускорение точки А направлено вдоль звена 2, поэтому из точки к проводим перпендикуляр к а1к до пересечения с перпендикуляром к рan. Полученную точку обозначаем a2. Таким образом, вектор паг на плане ускорений отображает касательную составляющую ускорения точки А в переносном движении, агк - относительное ускорение, ка1 - ускорение Кориолиса. Соединив точку pа с точкой аг, найдем ускорение точки А звена 2 '
1.6. Аналитическое определение скоростей и ускорений звеньев механизма
Графические методы кинематического анализа, являясь довольно простыми и наглядными, не обладают точностью, которая бывает необходима при расчетах механизмов. В последнее время получили распространение аналитические методы, с помощью которых исследование кинематики механизмов может быть осуществлено с любой степенью точности.
Кроме того, аналитические методы легко поддаются алгоритмизации, что немаловажно при решении задач кинематики механизмов на персональных ЭВМ.
Аналитический метод,или метод замкнутого контра, состоит в решении векторных уравнений, описывающих движение некоторой совокупности звеньев механизма, для которой каждое из этих уравнений содержит не более двух неизвестных геометрических величин. Для механизмов с одной степенью свободы такой совокупностью может служить механизм, движение которого задано полностью, с присоединенной к нему группой Ассура.
На рис. 1.8 приведен простейший механизм I класса (звено ОА, совершающее вращательное движение) с присоединенной к нему группой Ассура II класса (кривошипно-ползунный механизм). Здесь положение кривошипа ОА определено заданным законом движения (допустим, при его равномерном вращении φ = ω*t ), а движение двух остальных звеньеэ можно задать двумя параметрами (например, углом наклона шатуна ά и расстоянием S от оси ползуна В до оси вращения звена ОА). Таким образом, для описания движения этого механизма можно составить векторное уравнение с двумя неизвестными величинами - углом а и расстоянием S.
Рис. 1.8. Кривошипно-ползунный механизм
В соответствии со своим названием метод замкнутого контура предполагает построение векторного многоугольника, начало первого вектора у которого совпадает с концом последнего. Для плоских механизмов таким многоугольником служит система векторов, направленных последовательно от одной кинематической пары к другой.
Так, для кривошипно-ползунного механизма, изображенного на рис. 1.8, замкнутым контуром может служить система векторов
При этом, в силу того, что такая система векторов содержит два неизвестных геометрических параметра, а векторное уравнение в плоскости эквивалентно двум скалярным уравнениям, возможно определить каждую из неизвестных величин, если спроектировать уравнение замкнутого контура на оси выбранной системы координат. Для рассматриваемого примера, если заданы длины звеньев ОА = г, АВ = l, имеем в проекции на ось Ох: .
а в проекции на ось Оу:
Таким образом, имеем два алгебраических уравнения с двумя неизвестными величинами, решая которые найдем:
В силу известных ограничений, накладываемых на величину угла, задаваемого функцией агсsin, можно заметить и ограничения на выбор неизвестного углового параметра:
Следовательно, выбирая в качестве неизвестного параметра угол поворота одного из звеньев механизма, если этот выбор не оговорен заранее, следует следить за тем, чтобы этот угол лежал в заданных пределах.
После того, как геометрические параметры определены, переходят к вычислению кинематических величин(скоростей и ускорений точек, а также угловых скоростей и ускорений звеньев механизма). С точки зрения методов кинематики, изученных в курсе теоретической механики, задача выглядит весьма просто, если получены функции, определяющие изменение выбранных геометрических параметров с течением времени: производная по времени от угла поворота звена является его угловой скоростью, а от перемещения звена, совершающего поступательное движение - его линейной скоростью. При машинном счете существует множество разработанных с большой точностью алгоритмов, позволяющих осуществить указанное дифференцирование. Однако гораздо проще осуществить такие расчеты, отталкиваясь от уравнений проекций замкнутого контура на выбранные оси координат, т.к. входящие в них функции имеют производные, описываемые более простым способом.
В рассмотренном выше кривошипно-ползунном механизме вместо дифференцирования сложных функций, определяющих значения угла а и расстояния S,можно вычислить производные от уравнений проекций векторного контура. При этом, т.к. угол а и величина S уже найдены, уравнения, полученные дифференцированием, будут вновь содержать только две неизвестные величины - ά и S и потому будут иметь единственное решение:
В полученной системе уравнений φ = ω, т.к. φ = ωt и потому известно. Остается решить систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными величинами - ά и S. Аналогично решается задача об определении линейных и угловых ускорений.
При необходимости вычисления скоростей и ускорений точек звеньев механизма, координаты которых не вошли в число геометрических параметров, определяющих положение механизма, следует воспользоваться векторными формулами плоскопараллельного движения вида (1.4) и (1.7).
В качестве примера определим скорость и ускорение точки С звена О1В кулисного механизма, изображенного на рис. 1.7,а при следующих исходных данных: ωOA = ω = сonst, ОА = г, О1O = h= г√3 О1С = г. В расчетном положении ОА±О1O.
За геометрические параметры, описывающие положение механизма в текущем положении (при произвольном расположении кривошипа, задаваемом углом φ, примем: угол поворота а звена O1В и расстояние S от оси вращения этого звена до шарнира А. Из векторного уравнения
в проекциях на оси координат хиу (рис. 1.9) имеем:
откуда при φ = 0 получим r = Ssinά , h = S сох ά =>
Продифференцируем по времени уравнения проекций
Рис. 1.9. Текущее положение кулисного механизма
При φ= 0, φ= ω, ά = 30°, S = 2 г получим систему уравнений
решая которую находим ά= - ω / 4, S= г*ω√3/ 2. Знаки полученных результатов показывают, что выбранный' угол ά убывает, а расстояние S возрастает.
Для определения ускорений второй раз продифференцируем уравнения проекций:
откуда при φ = 0, φ = ω, φ = 0 и найденных выше значениях имеем:
Таким образом, движение звена О1В ускоренное, а движение ползуна А относительно O1B - замедленное.
Выбирая неподвижную точку О1 звена O1В за полюс, найдем ускорение точки С:
или по модулю
Силы трения относятся к силам вредных сопротивлений. Они вызывают нагрев и износ трущихся деталей, а также дополнительный расход энергии.
Различают несколько видов трения: трение сухое, трение полусухое и трение жидкостное. По видам относительного движения различают: трение качения, трение скольжения, кинетическое трение, трение при ударе, трение покоя ^статическое трение,).
Принято считать в первом приближении, что для сил сухого трения скольжения выполняются законы Кулона-Амонтона:
- сила трения скольжения пропорциональна нормальному давлению;
- сила трения зависит от вида материалов и состояния трущихся поверхностей;
- для большинства пар трения сила трения не зависит от относительной скорости скольжения;
- сила трения не зависит от величины площади трущихся поверхностей;
- сила трения покоя больше силы трения при движении;
- сила трения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости скольжения;
- сила трения возрастает с увеличением времени контакта. Закон Кулона-Амонтона имеет вид
(2.3)
где Fо - сила, обусловленная сцеплением трущихся поверхностей; f- коэффициент трения; N - сила нормального давления.
Трение оказывает существенное влияние на работоспособность поступательной кинематической пары.
Рис. 2.5. Схема сил в кривошипно-ползунном механизме
Рассмотрим условия равновесия кривошипно-ползунного механизма, изображенного на рис. 2.5. Составим уравнения проекций на горизонтальную ось х и вертикальную ось у:
(пренебрегая силами тяжести, полагаем при этом, что Fдв = Мдв / h, где h -плечо силы Fдв относительно точки А). Из уравнений равновесия получим
Поскольку при равновесии FТР≤ f*N, если пренебречь размерами ползуна, то легко заметить, что
Таким образом, независимо от величины Мдв ползун двигаться не будет (т.е. механизм неработоспособен), если
Такое явление хорошо известно из курса теоретической механики, где объясняется, что силы, действующие на материальный объект, находящийся на. шероховатой поверхности, должны быть приложены вне угла трения, чтобы сдвинуть этот объект с места. Таким образом, условие работоспособности механизма (возможности движения ползуна по направляющим) имеет вид:
(2.4)
где φП- угол трения. Угол θ называют углом давления, 90 - θ -углом передачи движения.
Иной характер носят силовые зависимости при жидкостном трении, основы теории которого разработал Р.Р.Петров в конце 19 в. При относительном движении тел, разделенных жидкостью, наблюдается сдвиг отдельных слоев жидкости друг относительно друга. Таким образом, жидкостное трение сводится к вязкому сдвигу, а сила трения определяется в соответствии с формулой
(2.5)
где S- площадь поверхности скольжения, м2; μ- динамический коэффициент вязкости, (Н*c)/м2; dV/dy - изменение скорости по высоте слоя (градиент скорости), с1.
Возникновение жидкостного трения во вращающейся или поступательной паре возможно при следующих условиях:
1) смазочная жидкость (смазка) должна удерживаться в зазоре, это обеспечивается превышением силы сцепления между телом и смазкой над силами сцепления между слоями смазки;
2) смазка должна полностью разделять поверхности, что обеспечивается соответствующей обработкой трущихся поверхностей;
3) в слое смазки должно быть такое давление, которое уравновешивает внешнюю нагрузку, что обеспечивается нагнетанием смазки и клиновидной формой зазора.
В заключение напомним правила определения сил инерции. К звену, имеющему плоскость симметрии, параллельную плоскости движения и совершающему плоскопараллельное движение, следует прикладывать: в центре масс - главный вектор сил инерции, направленный противоположно ускорению центра масс; вокруг центра масс - главный момент сил инерции, направленный противоположно угловому ускорению звена. При этом величина главного вектора сил инерции определяется по формуле:
(2.6)
где т - масса мена, кг; ас - ускорение центра масс звена, м/с2. Главный момент сил инерции равен
(2.7)
где jС - момент инерции звена относительно центра масс, кг • м2; ε - угловое ускорение звена, рад/с2.
В частности, если обратимся к примеру расчета пятизвенного механизма (рис. 1.4), то для звена 2 при т2 = 10 кг и js2 = 1 кг • м2 получим;