Значения ускорений, м/с2
|
Значения ускорений, м/с2
|
АА=аС=8482,4
|
AB=aD=42*
169,65=7125,3
|
Аs2=as4=45*169,65=7650
|
ABAt=aCDt=26*169,65=4410,9
|
AAB=aCD=
21*169,65=3562,65
|
Ɛ2=Ɛ4=25947 c -2
|
3. Силовой анализ
механизма
.1 Определение сил и
моментов сил, действующих на
механизм
Целью силового анализа является
определение уравновешивающей силы и уравновешивающего момента, приложенных к
входному звену, а также реакций в кинематических парах. На первом этапе
силового анализа определим силы и моменты сил, действующие на механизм
двигателя.
На левый и правый поршни двигателя
действуют соответствующие силы Fpл и Fpn, вызванные
давлением газов в цилиндрах.
По индикаторной диаграмме определяем
удельное давление Р газов на поршни при заданном положении механизма:
Р=Рмакс*(р/рмакс)
(14)
Где Рмакс - максимальное
давление в цилиндрах двигателя, МПа
р/рмакс - отношение
давления газа в цилиндре к максимальному в зависимости от перемещения поршня.
Ход поршня Н определяется как разница
между положением поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и положением поршня в
нижней мертвой точке (НМТ). Ход поршня определяем графически. Для этого
необходимо от точки О механизма, построенного на плане положения в масштабе µl, отложить по
горизонтальной оси влево последовательно длины звеньев ОА и АВ - так
определяется ВМТ. На той же горизонтальной оси отложить вправо длину звена ОА,
а затем от точки А отложить влево длину звена АВ - так определяется НМТ. В
установленном масштабе µl, определили, что Н= 2*ОА=2*12=24 мм
Перемещение поршня S определяется как разница между
положением поршня в ВМТ и текущим положением. Измерением расстояния в масштабе
µl от ВМТ до текущего положения ползуна установили, что S=5 мм
По отношению S/H=5/24=0,21, из таблицы данных зависимости
давления газа в цилиндре от перемещения поршня, определяем отношение р/рмакс
для левого и правого цилиндров.
Подставляя численные значения в
формулу (14), определяем давление газов в левом и правом цилиндре:
Рл=3,3*0,75= 2,475 Н/мм2
Рп=3,3* 0,2= 0,66 Н/мм2
Далее определяем силы, действующие
на поршни механизма в заданном положении:
Fp=P*Sпор (15)
Где Sпор - площадь поршня, мм2
Sпор= п*d2/ 4 (16)
Подставляя числовые значения в
формулу (16), определяем площадь поршня:
Sпор=3,14*602/4=
2826 мм2
Определяем усилие на левом и правом
поршне, подставляя соответствующие значения в формулу (15):
Fpл=2,5*2826= 7065 Н
Fpп=0,66*2826= 1865,16 Н
Кроме сил, вызванных давлением газов
в цилиндре, на ползуны 3 и 5 действуют соответствующие силы инерции Fи3 и Fи5, обусловленные
движением масс ползунов m3, m5 с ускорениями aB, aD соответственно. При этом
сила инерции действует в противоположном направлении относительно направления
соответствующего ускорения, то есть Fи=-m*a.
Силы инерции звеньев 3 и 5
определяем по формулам:
Fи3=m3*aB=7125,3* 0,39= 2778,87 Hи5=m4*aD=7125,3*0,39=2778,87 H
К центрам масс звеньев 2 и 4 в
точках S2 и S4 приложены силы инерции Fи2 и Fи4, направленные противоположно ускорениям центров масс as2 и as4, определяемые по
формулам:
Fи2 =m2*as2, (17)и4=m4*as4; (18)
Где m2 и m4 - массы звеньев 2 и 4
соответственно, кг
После подстановки числовых значений
в формулы (17) и (18), имеем:
Fи2 = 7650*0,33= 2524,5 Н
Fи4= 7650*0,33= 2524,5Н
В точках S2, B, S4, D механизма действуют соответствующие
силы тяжести G2, G3, G4, G5, направленные вертикально к основной оси механизма и определяемые
по формулам:
G2=g*m2,
G3=g*m3, G4=g*m4, G5=g*m5
(19)
Где g - ускорение свободного падения
тела, м/с2. Принимаем g= 10 м/с2.
После подстановки числовых значений
в формулы, имеем:
G2=10*0,33=3,3 H
G3=0,39*10= 3,9 H
G4= 10*0,33=3,3 H
G5=10*0,39=3,9 H
На звенья 2 и 4 действуют моменты от
сил инерции Ми2 и Ми4, обусловленные движением этих
звеньев с угловыми ускорениями Ɛ2 и Ɛ4. При этом моменты от сил инерции всегда направлены в
противоположную сторону относительно направлений соответствующих угловых
ускорений и по модулю равны:
Ми2= Js2*Ɛ2 (20)
Mи4=Js4*Ɛ4 (21)
Где Js2 и Js4 - моменты инерции
звеньев 2 и 4 соответственно, кг/м2
После подстановки числовых значений
в формулы (20-21), имеем:
Ми2=0,002*25947= 129,7 Нм
Ми4=0,002*25947=129,7 Нм
3.2 Определение
уравновешивающих сил и момента
На втором этапе силового анализа
определим уравновешивающие силы FурА и FурС, Н, которые приложены соответственно к точкам А и С
перпендикулярно кривошипу 1 механизма в заданном положении. Сила FурА уравновешивает контур механизма ОАВ, а сила FурС уравновешивает контур механизма ОСD.
Для определения этих сил строим
повёрнутый на 90° в сторону вращения кривошипа план скоростей и в
соответствующих точках плана прикладываем действующие на механизм силы и
моменты сил, определённые по величине и направлению на первом этапе силового
анализа.
Для первого контура механизма ОАВ из
точки в повернутого плана скоростей проводим в произвольном масштабе векторы,
отображающие силы Fрл и Fи3, которые направлены в одну сторону параллельно горизонтальной
оси. Также из точки в откладываем вектор силы тяжести ползуна G3, направленный вертикально горизонтальной оси. Из точки S2 откладываем вектор силы Fи2 параллельно ускорению аs2, но в обратном направлении, и вектор силы тяжести G2 вертикально вниз. К точке а прикладываем уравновешивающую силу FурА, которая перпендикулярна вектору ра и неизвестна по величине.
Момент инерции Ми2, действующий на звено АВ, отображен на повернутом
плане скоростей стрелкой в направлении обратном направлению углового ускорения Ɛ2.
Чтобы определить уравновешивающую
силу FурА, составим уравнение
моментов сил относительно полюса р повернутого плана скоростей:
ƩМр(Fi) = FурА*ра - (Fрл+ Fи3)*рв - Fи2*hfи2 - G2*hG2+Mи2/ µl=0 (22)
Где hfи2, hG2 - плечи соответствующих
сил, которые определяются графически путем измерения перпендикуляров,
восстановленных к направлениям действия этих сил;
µl - коэффициент, определяющий
масштаб измерений с повернутого плана скоростей.
При составлении уравнения (22)
учитывается, что момент, который направлен по часовой стрелке, имеет знак
минус, а против часовой стрелки - знак плюс.
В уравнении момент от силы инерции Ми2
разделен на масштабный коэффициент µl, чтобы привести
значение момента от истинной величины к общей размерности Н/мм в установленный
масштаб плана. При этом масштабный коэффициент определяется по формуле:
µl= LAB/ab (23)
где LAВ - длина звена АВ, м
ab - длина отрезка, отображающего звено АВ на повернутом плане
скоростей.
После подстановки численных значений
в уравнение (23) имеем:
µl=0,17/41= 0,0042 м/мм
Из уравнения 22 определяем величину
силы
FурА= ((Fрл+ Fи3)*рв+ Fи2*hfи2 + G2*hG2 - Mи2/ µ)/ра (24)
Подставляя числовые значения,
получаем:
FурА=((7065+2779)*31+2525*13+3,3*25-129,7/0,0042)/50
= 6144 Н
Если величина уравновешивающей силы FурА имеет знак минус, то это означает, сто сила направлена в
противоположную сторону от выбранного направления при составлении уравнения.
Для определения уравновешивающей
силы FурС второго контура
проводим аналогичные построения на повернутом плане скоростей, соответствующем
второму контуру механизма. При этом учитываем, что в данном положении
направление силы Fрп противоположно направлению
силы Fи5.
После того как приложены все силы и
моменты, действующие на второй контур механизма, составим уравнение моментов
сил относительно полюса повернутого плана скоростей:
ƩМр(Fi) = FурС*рс - (Fрп+ Fи5)*рd - Fи4*hfи4 - G4*hG4+Mи4/ µl=0 (25)
Из уравнения (25) определяем
величину силы FурС:
FурС=((Fрп - Fи5)*рd+Fи4*hfи4 + G4*hG4-Mи4/ µl)/рс (26)
Подставляя числовые значения в
уравнение, имеем:
FурС=(1865*31-2779*31+2525*13+3,3*25-129,7/0,0042)/50=-526
Н
Знак минус показывает, что сила
должна быть направлена в противоположную сторону.
3.3 Определение реакций
в кинематических парах механизма
На третьем этапе силового анализа
находим неизвестные реакции в кинематических парах механизма. Для этого
воспользуемся методом продольных реакций и построим в установленном масштабе
замкнутый векторный контур сил или план сил для заданного положения механизма.
Определяем масштабный
коэффициент , Н/мм, плана сил:
где любая из сил,
действующих на механизм, имеющая наибольшее значение, Н;
длина вектора,
отображающего силу на плане сил, мм.
Из всех сил, действующих
на механизм, наибольшее значение имеет Fрл=7065
Н
Для удобства построений
принимаем - 100 мм, а масштабный
коэффициент равен:
µF=7065|100=70,65 Н/мм
Тогда длина вектора,
отображающего силу Fрп
равна:
fрл=
Fрп / µF=1865/70,65=26,4
мм
Аналогично находим длины
векторов для всех известных сил, действующих на механизм
fи3=
fи5=Fи3/ µF=2779/70,65=39,3
мм
fурА=FурА/ µF=
6144/70,65= 86,9 мм
fурС=FурС/ µF=526/70,65=7,45
мм
fG2=FG2/
µF=3,3/70,65=0,05 мм
Последнее уравнение
показывает, что силы тяжести звеньев настолько малы по сравнению с остальными
силами, действующими на механизм, что их невозможно отобразить на плане в
заданном масштабе и ими можно пренебречь.
Чтобы определить реакции
в кинематических парах первого контура механизма, необходимо решить графически
векторное уравнение
ƩF1+FурА + R1A+RB=0 (27)
Где ƩFi - сумма всех сил, действующих на
контур;
FурА
- сила, уравновешивающая контур;
R1А
- реакция, действующая вдоль звена 1 (продольная реакция)
RB - реакция в шарнире В, перпендикулярная направляющей ползуна 3.
Величины указанных
реакций неизвестны, но известны их направления. Для нахождения неизвестных
реакций уравнения в установленном масштабе строим план сил для контура OAB механизма, который образует замкнутый векторный контур сил. При
построении векторного контура сил необходимо соблюдать направление обхода и
последовательность присоединения векторов. Следуя уравнению, сначала
откладываются векторы сил, действующие на механизм, затем вектор
уравновешивающей силы и замыкают векторный
контур реакции. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы при построении
контура векторы сил не пересекались и не накладывались друг на друга.
Из выбранной
произвольной точки q в качестве начала плана
сил откладываем в ранее установленном направлении вектор fpл
силы Fрл. От него откладываем вектор fи3
в направлении, также установленном ранее, а от него откладываем вектор fурА. Далее через конец вектора проводим линию, параллельную линии ра
повернутого плана скоростей до пересечения с линией, проведенной из точки q параллельно линии рв повенутого плана скоростей. В точке
пересечения этих линий образуется конец вектора r1A продольной реакции и начало вектора rB
реакции в шарнире В. Для нахождения истинных значений реакций длины
соответствующих векторов на плане сил умножаем на масштабный коэффициент плана
сил:
R1A=
r1A*µF=110*70,65=7771,5 HB= rB*µF=14*70,65=989H
Полная реакция в шарнире
Aпредставляет собой векторную сумму продольной реакции R1A
и уравновешивающей силы A
контура OAB:
RA=R1A+FурА (28)
Для графического решения
уравнения (28) проводим вектор rA,
соединяя начало вектора A с концом вектора A.
Истинное значение
реакции в шарнире A определяется умножением
длины вектора rA на масштабный коэффициент плана
сил:
RA=
ra*µf,
RA=32* 70,65=2260,8 H
Аналогично определяются
реакции R1C,
RD, RC для второго контура механизма. При этом план сил для второго
контура строится в том же масштабе, а направления векторов сил соответствуют
направлению сил, действующих на второй контур механизма. Установили, что
реакции, возникающие в кинематических парах контура, имеют следующие значения:
R1C=r1C*
µf = 13*70,65=918,45 HD=rD* µf= 13*
70,65= 918,45 HC=rC*
µf=20*70,65= 1413 H
После того, как
определены полные реакции в шарнирах А и С, определяется реакция стойки
механизма в шарнире О, которая представляет собой векторную сумму реакций в
шарнирах А и С:
R0=RA+RC
(29)
Уравнение (29) также
решается графически, путем построения векторного многоугольника. Для этого в
произвольную точку р, выбранную в качестве полюса, переносится в том же
масштабе вектор rA,
от него откладывается вектор rC
и замыкает многоугольник вектор r0,
который соответствует полной реакции в шарнире О. Затем определяется истинное
значение реакции в шарнире О:
R0=r0* µf=
52*70,65=3673,8 H
4. Синтез кулачкового
механизма c
плоским толкателем
.1 Построение графиков
движения плоского толкателя кулачкового механизма
Для построения графиков
движения толкателя кулачкового механизма выполним следующее.
Переведём значения
заданных фазовых углов в радианную меру, используя при этом формулу:
, (30)
где фазовый угол в
градусной мере.
По формуле (30) угол
подъёма равен:
jп=
60* 3,14/180= 1,047 рад
угол верхнего выстоя
равен:
jвв=
0*3,14/180=0 рад
угол опускания равен:
jо=60*3,14/180=
1,047 рад
Определяем величину
рабочего угла , рад, по формуле:
(31)
После подстановки
числовых значений в формулу (31) имеем:
jр=
1,047+0+1,047= 2,094 рад
Принимаем отрезок , мм, изображающий
рабочий угол по оси абсцисс, равным 120 мм. Тогда масштабный коэффициент , рад/мм, диаграмм ускорения,
скорости и перемещения толкателя будет равен:
µj=jр/хр=2,094/120=0,017
рад/мм
Далее определяем
величины отрезков, изображающих соответствующие фазовые углы в установленном
масштабе:
Хп=jп/µj=1,047/0,017=
61,6 мм
Хвв=jвв/µj=
0/0,017=0 мм
Х0=j0/µj=1,047/0,017=
61,6 мм
Для построения диаграмм
ускорения, скорости и перемещения толкателя в одном масштабе необходимо, чтобы
соответствующие полюсные расстояния были равны между собой.
Определяются полюсные расстояния по формуле:
С учётом масштабного
коэффициента имеем:
На=Нv=Hs= 0,017= 58,8 мм
Библиографический список
кинематический толкатель
рычажный
1. Теория механизмов и механика машин [Текст]: учебник для
втузов / К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов [и др.]; под ред. К.В. Фролова.
- 3-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2001. - 496 с.
2. Кузнецов, С.А. Теория механизмов и машин [Текст]:
учеб. пособие / С.А. Кузнецов. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2004. - 157 с.
. Смелягин, А.И. Теория механизмов и машин: учеб. пособие /
А.И. Смелягин; Новосибир. гос. ун-т. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 263 с.: ил.