Основы проектирования и конструирования (стр. 8 из 53)

В общем случае оптимальное решение следует искать, учитывая наличие необходимого технологического оборудования, стоимость изготовления, требуемый ресурс работы и надежность машины. Мы ограничимся здесь этим примером.

Чтобы конструкции кинематической пары были работоспособными и надежными в эксплуатации, предъявляют определенные требования к размерам, форме и относительному положению ее элементов. Это выражается в указании пределов отклонений от номинальных размеров и формы.

При разработке конструкций дополнительные элементы кинематических пар вводят для того, чтобы уменьшить давление и износ контактируемых поверхностей за счет перераспределения реактивных сил.

Особое внимание уделяется уменьшению деформаций под действием заданных сил путем установки дополнительных подшипников.

Схему кинематической пары, отражающей только необходимое число геометрических связей, соответствующее виду пары, называют основной (а).

Схему кинематической пары, отражающей как необходимые, так и избыточные локальные (дополнительные) связи, называют действительной (б). Дополнительные связи вносят статическую неопределенность. Число дополнительных связей в реальной конструкции пары называют степенью статической неопределимости кинематической пары.

Негативное влияние дополнительной опоры можно компенсировать, например, установкой сферических подшипников, допускающих некоторый перекос оси, и т.д.

Применение конструкций с дополнительными связями между элементами кинематической пары возможно при достаточной жесткости звеньев и особенно стойки (корпуса, станины, рамы). Деформация звеньев при воздействии нагрузок не должна приводить к заклиниванию элементов кинематических пар или их повышенному изнашиванию. Механизмы, которые удовлетворяют требованиям приспособляемости к деформации звеньев, надежности, долговечности и технологичности конструкции, обладают оптимальной структурой.

1.3.5 Кинематические характеристики механизмов

Основным назначением механизма является выполнение необходимых движений, которые описываются посредством его кинематических характеристик. К ним относятся траектория точек, координаты точек и звеньев механизма и прежде всего его обобщенные координаты, перемещения точек и звеньев, их скорости и ускорения. К числу кинематических характеристик относятся и такие, которые не зависят от закона движения начальных звеньев, а определяются только строением механизма, размерами его звеньев и в общем случае зависят от обобщенных координат.

Это функции положения, аналоги скоростей или передаточные функции, аналоги ускорений точек и звеньев механизма.

По кинематическим характеристикам конструктор делает вывод о том, насколько успешно выполнен выбор структурной схемы и определение размеров звеньев. Следовательно, для создания механизма наилучшим образом отвечающего поставленным требованиям, надо знать методы определения кинематических характеристик механизма. Это достаточно сложные математические задачи, которые мы рассматривать не будем. Отметим лишь, что широкое распространение получили графические методы кинематического исследования механизмов, позволяющие определить положения звеньев, скорости и ускорения точек и звеньев. Графические методы включают в себя построение планов механизма, планов скоростей и ускорений.

Планы механизма.

Изображение кинематической схемы механизма в выбранном масштабе, соответствующее положению начального звена называется планом механизма. При этом входное звено вычерчивается в ряде положений и для этих положений входного звена указываются положения остальных звеньев.

На плане механизма в случае необходимости можно построить траектории, описываемые любой точкой того или иного звена, положение которого уже найдено.

Планы скоростей и ускорений.

Планом скоростей механизма называют чертеж, на котором изображены в виде отрезков векторы, равные по модулю и по направлению скоростям различных точек звеньев механизма в данный момент. План скоростей для механизма является совокупностью нескольких планов скоростей для отдельных звеньев, у которых полюса планов Р являются общей точкой - полюсом плана скоростей механизма.

Чертеж, на котором изображены в виде отрезков векторы, равные по модулю и направлению ускорениям различных точек звеньев механизма в данный момент, называют планом ускорений механизма. Для того, чтобы был понятен смысл записанных определений, рассмотрим в качестве иллюстрации планы скоростей и ускорений начального звена механизма - наиболее простой случай, поскольку начальное звено обычно совершает простое движение: вращательное (кривошип) или поступательное (поршень).

Имеется начальное звено механизма АВ, вращающееся со скоростью w₁ относительно оси А. Берем момент, когда АВ заняло положение с обобщенной координатой j₁ относительно оси х. Скорость точки В перпендикулярна прямой АВ и соответствует (в масштабе) v_B. Аналогично для точек С и D, в которых мы хотим узнать скорость, на лежащих на АВ. Для того, чтобы получить план скоростей, нужно векторы скоростей

, , перенести в общий полюс Р. При этом будет соблюдаться подобие треугольников: D BCD ~ D bcd. Они будут повернуты друг относительно друга на 90° в направлении w₁. Следовательно, зная скорость точки В, пользуясь подобием треугольников, построенных на плане скоростей, можно графически найти скорость точек, не лежащих на АВ.

Для сложных случаев, определения кинематических характеристик звеньев аналитическим путем сегодня широко применяется ЭВМ.

1.3.6. Силы, действующие в механизмах и способы их определения

Силы и пары сил (моменты), приложенные к механизму машины, можно разделить на следующие группы. Движущие силы и моменты, совершающие положительную работу за время своего действия или за один цикл, если они изменяются периодически. Эти силы и моменты приложены к звеньям механизма, которые называются ведущими.

Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работу за время своего действия или один цикл. Эти силы и моменты делятся, во-первых, на силы и моменты полезного сопротивления, которые совершают требуемую от машины работу и приложены к ведомым звеньям, и, во-вторых, на силы и моменты сопротивления среды (газа, жидкости), в которой движутся звенья механизма. Силы сопротивления среды обычно малы по сравнению с другими силами и в ТММ не учитываются (на практике часто их учет необходим).

Силы тяжести подвижных звеньев и силы упругости пружин. На отдельных участках движения механизма эти силы могут совершать как положительную, так и отрицательную работу. Однако за полный кинематический цикл работа этих сил равна нулю, т.к точки их приложения движутся циклически.

Силы и моменты, приложенные к корпусу машины (к стойке) извне. К ним помимо силы тяжести корпуса относятся реакция основания (фундамента) машины на ее корпус и многие другие силы (ветер и т.д.). Все эти силы и моменты, поскольку они приложены к неподвижному звену, работы не совершают.

Силы взаимодействия между звеньями механизма, т.е. силы, действующие в его кинематических парах. Эти силы согласно 3^му закону Ньютона всегда взаимообратны. Их нормальные составляющие работы не совершают, а касательные составляющие, т.е. силы трения совершают отрицательную работу.

Силы и моменты первых трех групп относятся к категории активных. Обычно они известны или могут быть оценены. Все эти силы и моменты приложены извне и поэтому являются внешними. К числу внешних относятся силы и моменты 4^ой группы, но не все они являются активными.

Силы 5^ой группы для механизма в целом являются внутренними. Эти силы являются реакциями на действие активных сил.

Наибольшее влияние на закон движения механизма оказывают движущие силы и моменты, а также силы и моменты сопротивления. Их физическая природа, величина и характер действия определяются рабочим процессом машины, в которой использован данный механизм. В большинстве случаев эти силы и моменты не остаются постоянными, а изменяют свою величину при изменении положения звеньев механизма или их скорости. Эти функциональные зависимости, представленные графически, массивом чисел или аналитически, называются механическими характеристиками и при решении задач считаются известными.

Пример: зависимость М от скорости - маховик.

Пример: зависимости силы от перемещения - давление на дно поршня в ДВС - чем ниже поршень, тем меньше давление газа в цилиндре, т.к по мере движения поршня газ расширяется.

Таким образом, расчет механизма требует увязки действующих сил и параметров движения механизма, что в целом приводит к созданию динамической модели машинного агрегата. Такой анализ является сложной задачей ТММ.