TMM_2
.pdf
Билет №1. Постановка задачи силового расчета. Силы, действующие в механизме. Уравнения движения системы. Кинематические пары, накладывающие идеальные связи. В теории механизмов и машин также ставятся и решаются две задачи динамики. В частности, первая задача динамики: при известном (заданном) законе движения ведущего звена (ведущих звеньев) механизма требуется найти силы, действующие в механизме. Решение этой задачи называют силовым расчетом. При силовом расчете механизма считаются известными все активные силы, действующие на звенья механизма, кроме обобщенных движущих сил. К заданным активным силам относятся: а) Рабочая нагрузка P – сила,
действующая на рабочее звено при выполнении рабочего процесса. Рабочая нагрузка обычно не является постоянной. Часто она изменяется по мере перемещения рабочего звена. В этом случае может быть построена зависимость Р = Р(х), где Р – рабочая нагрузка, х – координата точки приложения нагрузки. В более сложных случаях нагрузка зависит также от скорости x , ускорения x и времени t: P P(x, x, x,t) . Эти зависимости изучаются в специальных дисциплинах. При выполнении силового расчета они считаются заданными, но их
следует привести к более удобному виду. Учитывая, что x (q),  | 
	x  | 
	
  | 
	q ,  | 
	x  | 
	2  | 
	
  | 
	q2  | 
	
  | 
	q , можно  | 
||
q  | 
	q  | 
	2  | 
	
  | 
||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	q  | 
	
  | 
|||
получить зависимость рабочей нагрузки от обобщенной координаты и ее производных: P P* (q,q,q,t) .(4.1)
Если в механизме приложена не одна,  | 
	а  | 
	рабочих нагрузок, то для них задаются  | 
	зависимостей:  | 
||
P  | 
	P* (q,q,q,t) , (m = 1,  | 
	2, … , ).  | 
	(4.2) В многоподвижных механизмах координаты, скорости и  | 
||
m  | 
	m  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
ускорения точек приложения  | 
	нагрузок  | 
	Pm  | 
	зависят от всех обобщенных координат и  | 
	производных:  | 
|
xs s
где s
w  | 
	
  | 
	w  | 
	
  | 
	
  | 
	w  | 
	
  | 
	s  | 
	
  | 
(q1,...,qw ); xs  | 
	s qu ; xs  | 
	s qu  | 
	qu qm , (4.3)  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	2  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	q  | 
	
  | 
	q q  | 
	
  | 
|
  | 
	q  | 
	u 1  | 
	
  | 
	m 1  | 
	
  | 
|||
u  | 
	u  | 
	u m  | 
||||||
u 1  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
– функции положения. Зная (4.3), можно получить зависимости рабочих нагрузок от обобщенных
координат и их производных: P  | 
	P* (q ,...,q ,q ,...,q ,q ,...,q ,t) , (m = 1, … , ) . (4.4) В дальнейшем  | 
|||
m  | 
	m 1  | 
	w 1  | 
	w 1  | 
	w  | 
будем предполагать, что рабочие нагрузки не зависят явно от времени и ускорений qu , поэтому выражения (4.4) будут представляться в форме:
P  | 
	P* (q ,...,q ,q ,...,q ) ,  | 
	(m = 1, … , ) (4.5) (б) Cилы  | 
||
m  | 
	m 1  | 
	w 1  | 
	w  | 
	
  | 
тяжести звеньев Gi,  | 
	i 1,  | 
	, N , где N – число звеньев..в)  | 
||
Упругие силы, возникающие при деформации пружин, также являются активными. Целью силового расчета является определение обобщенных движущих сил и реакций во всех кинематических парах. Обобщенные движущие силы – это обобщенные силы, которые необходимо приложить к входным звеньям механизма для того, чтобы получить заданное программное движение при выполнении рабочего процесса. Определив движущие силы, можно выбрать двигатели, приводящие в движение машину.Реакции в
Y  | 
	
  | 
	MR  | 
M 0Ry  | 
	
  | 
	0  | 
  | 
	
  | 
|
R  | 
	
  | 
	
  | 
Ry  | 
	
  | 
	M 0Rx  | 
0  | 
	R  | 
	X  | 
  | 
||
M R Rz  | 
	
  | 
	
  | 
0 z  | 
	
  | 
	1  | 
z  | 
	
  | 
|
  | 
	2  | 
|
Z  | 
	
  | 
Рис. 4.1
кинематических парах – пассивные силы; как правило, это силы, распределенные по поверхностям соприкосновения конструктивных элементов, образующих пару. Рассмотрим вращательную кинематическую
пару (рис.4.1); главный вектор сил реакций R и главный момент M0R определяются заданием шести скалярных величин – их проекций Rx , Ry , Rz , MoxR , M0Ry , M0Rz на оси системы 0xyz. Число неизвестных
обобщенных движущих сил равно w, а число неизвестных компонент реакций – 6p. Таким образом, общее число неизвестных
nu = w + 6p = w + 6p1 + 6p2 + 6p3 + 6p4 + 6p5 . (4.6) Эти неизвестные могут быть определены решением уравнений движения звеньев механизма. Пусть число звеньев равно N. Если KS – вектор количества движения s–го звена, а LSO – его кинетический момент, то уравнения движения записываются в виде:
  | 
	dKS  | 
	gS  | 
	
  | 
	dLS 0  | 
	gS  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	Fsk ;  | 
	rsk Fsk ,(s 1,..., N 1), (4.7)  | 
	где Fsk  | 
	– внешние силы, действующие на s–е  | 
||||||||
  | 
	dt  | 
	
  | 
||||||||||
  | 
	k 1  | 
	dt  | 
	k 1  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
звено, rsk – радиусы-векторы точек их приложения, gs  | 
	– число сил, приложенных к s–му звену. Пусть  | 
|||||||||||
механизм  | 
	не  | 
	содержит  | 
	избыточных  | 
	связей.  | 
	Тогда  | 
	для  | 
	него  | 
	справедлива формул  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	5  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
w 6(N 1) (6  | 
	s) pS  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	S 1  | 
	
  | 
	(4.8)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
6(N 1) 5 p1 4 p2 3 p3 2 p4 p5 ,  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||
где ps– число s–подвижных пар. Из уравнения (4.8) можно выразить  | 
	число  | 
	уравнений neq = 6(N–1):  | 
||||||||||
6(N 1) w 5 p1 4 p2 3p3 2 p4 p5 .  | 
	Сравнивая число неизвестных nu  | 
	и число уравнений neq ,  | 
||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	5  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
имеем: nu  | 
	neq  | 
	p1  | 
	2 p2 3 p3 4 p4 5 p5 spS . (4.9)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
S 1
При такой постановке задачи силового расчета число неизвестных всегда больше числа уравнений, что делает эту задачу неразрешимой. Она тем более неразрешима, если в механизме имеются избыточные связи, поскольку при этом число неизвестных реакций возрастает, а число уравнений остается неизменным.
Для того, чтобы задача стала разрешимой, необходимы дальнейшие уточнения. Одно из таких уточнений заключается в предположении о том, что все кинематические пары осуществляют идеальные связи. При идеальных связях работа сил реакций каждой кинематической пары должна равняться нулю при любом возможном перемещении, т.е. должно быть
A R  | 
	x R y R  | 
	z M R  | 
	
  | 
	X  | 
	M R  | 
	
  | 
	M R  | 
	
  | 
	Z  | 
	0.  | 
	(4.10) Здесь  | 
	x, y, z  | 
	– малые  | 
|
X  | 
	Y  | 
	Z  | 
	0 X  | 
	
  | 
	0Y  | 
	Y  | 
	0Z  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
возможные перемещения вдоль осей координат,  | 
	а X , Y , Z – малые повороты вокруг этих осей.  | 
|||||||||||||
Вращательная пара (см. рис.4.1) допускает только малый поворот звена 2 (цапфы) относительно звена 1
(втулки) вокруг оси 0z. Тогда из (4.10) имеем A M0RZ Z 0. Поскольку при повороте Z 0, имеем
M0RZ 0. Таким образом, одна из шести компонент реакций вращательной пары определилась, и число неизвестных уменьшилось на единицу – степень подвижности пары. В поступательной паре возможное перемещение ползуна относительно направляющей направлено вдоль оси х. Поэтому здесь A RX x 0,
и поскольку x 0, имеем RX 0 , что также определяет одну из неизвестных компонент реакций. В
цилиндрической паре отличны от нуля возможные перемещения Z (поворот вокруг продольной оси 0z) и
z (перемещение вдоль этой оси),  | 
	так что здесь  | 
	A R  | 
	z M R  | 
	
  | 
	Z  | 
	0.  | 
	В  | 
	силу независимости  | 
  | 
	
  | 
	Z  | 
	0Z  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
возможных перемещений z и Z  | 
	это условие должно выполняться как при z 0,  | 
	Z 0, так и при  | 
||||||
z 0, Z 0. Это приводит к выводу о том, что RZ и M0RZ должны равняться нулю, что определяет для двухподвижной цилиндрической пары две компоненты реакций. Аналогично можно показать, что в любой s–
подвижной паре условие идеальности приводит к появлению s  | 
	дополнительных  | 
	соотношений для  | 
  | 
	5  | 
	
  | 
компонент реакций. В результате для механизма в целом появляется  | 
	spS условий,  | 
	что делает задачу  | 
  | 
	S 1  | 
	
  | 
силового расчета разрешимой. Часто в этом случае говорят о статической определимости механизма.
Билет №2 Уравнения кинетостатики.Уравнения (4.7) удобно представить в другой форме. Введем в
рассмотрение  | 
	силы  | 
	инерции  | 
	материальных  | 
	точек  | 
	s–го  | 
	звена  | 
Φsi msiwsi ,  | 
	(i 1, ... ks , s 1, ... N 1),  | 
	(4.11) где msi – масса i–й материальной точки; wsi  | 
	– ее  | 
|||
ускорение. Напомним, что «сила инерции» Φsi лишь условно называется силой; в действительности это  | 
||||||
мера движения материальной точки, подобная, например, количеству движения. Вводя силы инерции,
можно преобразовать левые части уравнений (4.7); учитывая, что KS msi vsi, Ls0  | 
	rsi msi vsi ,  | 
|||||||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	i  | 
получаем  | 
	dKS  | 
	
  | 
	d  | 
	msi vsi  | 
	msi wsi Φsi ΦS ,  | 
	(4.12)  | 
	
  | 
|||||||||
  | 
	
  | 
	dt  | 
	
  | 
|||||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	dt  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	i  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	dLS 0  | 
	
  | 
	d  | 
	
  | 
	rsi msi vsi (vsi msi vsi  | 
	rsi msiwsi ) rsi Φsi M0( S ). (4.13)  | 
	
  | 
|||||||||
  | 
	dt  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	dt  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
||
Здесь Φ  | 
	S  | 
	– главный вектор сил инерции s–го звена, а M( )  | 
	– их главный момент относительно некоторой  | 
|||||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	0S  | 
	
  | 
	
  | 
||
произвольно выбранной точки О. В правых частях уравнений (4.7) выделим активные силы PSK и реакции  | 
||||||||||||||||
кинематических пар RSK :  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||||||
FSK (PSK RSK ) PS RS ,  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||||||||
  | 
	K  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	K  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	(4.14) где PS и RS – главные векторы активных сил и  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
rSK FSK rSK (PSK RSK ) M0( PS) M(0RS) ,  | 
	
  | 
	
  | 
||||||||||||||
  | 
	K  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	K  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
реакций связей, действующих на s–е звено, M0(PS) и M0(RS) –  | 
	их главные моменты относительно точки О.  | 
|||||||||||||||
Подставив (4.14) в (4.7), получим уравнения движения в следующей форме:  | 
	
  | 
|||||||||||||||
P R  | 
	S  | 
	Φ  | 
	S  | 
	0;  | 
	M(P) M(R) M( )  | 
	0. (s 1,..., N) . (4.15) Уравнения движения получили форму  | 
||||||||||
  | 
	S  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	0S  | 
	0S  | 
	0S  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
уравнений равновесия. Можно сказать, исходя из этой формы, что активные силы, действующие на каждое из подвижных звеньев механизма, реакции связей и силы инерции звена образуют уравновешенную системую. В действительности силы инерции силами не являются; они являются мерами движения. Соответственно уравнения (4.15) являются уравнениями движения. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, их называют уравнениями кинетостатики, а модель силового расчета механизма, основанную на их применении, –
кинетостатической моделью.
Билет №3-4 Определение главного вектора и главного момента сил инерции (общий случай; поступательное движение; вращение вокруг неподвижной оси; плоское движение) Уравнения (4.7)
удобно представить в другой форме. Введем в рассмотрение силы инерции материальных точек s–го звена Φsi msiwsi , (i 1, ... ks , s 1, ... N 1), (4.11) где msi – масса i–й материальной точки; wsi – ее ускорение. Напомним, что «сила инерции» Φsi лишь условно называется силой; в действительности это мера движения материальной точки, подобная, например, количеству движения. Вводя силы инерции,
можно преобразовать левые части уравнений (4.7);  | 
	учитывая, что  | 
	KS msi vsi, Ls0  | 
	rsi msi vsi ,  | 
|||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	i  | 
получаем  | 
	dKS  | 
	
  | 
	d  | 
	msi vsi msi wsi Φsi ΦS ,  | 
	(4.12)  | 
	
  | 
||||||||
  | 
	
  | 
	dt  | 
	
  | 
|||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	dt  | 
	
  | 
	i  | 
	i  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	dLS 0  | 
	
  | 
	d  | 
	rsi  | 
	msi vsi (vsi msi vsi rsi msiwsi ) rsi Φsi M0( S ). (4.13)  | 
	
  | 
||||||||
  | 
	dt  | 
	dt  | 
	
  | 
|||||||||||
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
||||
Здесь Φ  | 
	– главный вектор сил инерции s–го звена, а M( )  | 
	– их главный момент относительно некоторой  | 
|||
S  | 
	
  | 
	0S  | 
	
  | 
	
  | 
|
произвольно выбранной точки О. В правых частях уравнений (4.7) выделим активные силы PSK и реакции  | 
|||||
кинематических пар RSK :  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
FSK (PSK RSK ) PS RS ,  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
K  | 
	K  | 
	(4.14) где PS  | 
	и RS – главные векторы активных сил  | 
||
rSK FSK rSK (PSK RSK ) M0( PS) M(0RS) ,  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
K  | 
	K  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
и реакций связей, действующих на s–е звено, M(0PS) и M(0RS) – их главные моменты относительно точки О. Подставив (4.14) в (4.7), получим уравнения движения в следующей форме:
PS RS ΦS 0; M(0PS) M(0RS) M(0S ) 0. (s 1,..., N) . (4.15) Уравнения движения получили форму
уравнений равновесия. Можно сказать, исходя из этой формы, что активные силы, действующие на каждое из подвижных звеньев механизма, реакции связей и силы инерции звена образуют уравновешенную систему. Следует только помнить об условности такой формулировки; в действительности силы инерции силами не являются; они являются мерами движения. Соответственно уравнения (4.15) являются уравнениями движения, а не уравнениями равновесия. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, их называют уравнениями кинетостатики, а модель силового расчета механизма, основанную на их применении, – кинетостатической моделью. Для составления уравнений в форме (4.15) необходимо уметь определять главные векторы и главные моменты сил инерции звена при заданном законе его движения. Пусть некоторая
точка О (рис.4.2) выбрана за полюс звена, rc –  | 
	вектор, определяющий положение его центра масс С. Если  | 
|||||||||
известны ускорение полюса w0 , вектор угловой скорости звена ω и вектор его углового ускорения ε (они  | 
||||||||||
определяются при кинематическом анализе механизма), то для главного вектора сил инерции  | 
	Φ и для  | 
|||||||||
главного момента их M( )  | 
	относительно точки О справедливы следующие выражения:  | 
	
  | 
||||||||
0  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	mwC m(w0  | 
	rC rC ),  | 
	(4.16)  | 
||||||
  | 
	
  | 
	M(Φ)  | 
	(I ε ω I  | 
	ω mr w  | 
	0  | 
	). (4.17)  | 
	
  | 
|||
  | 
	
  | 
	0  | 
	
  | 
	0  | 
	0  | 
	C  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
z  | 
	
  | 
	Здесь m – масса звена, I0 – тензор инерции в точке О. Если ввести  | 
||||||||
  | 
	
  | 
	систему координат 0хyz, связанную со звеном, то тензор I0 можно  | 
||||||||
  | 
	C  | 
	задавать матрицей моментов инерции  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	J XY  | 
	J XZ  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
w0  | 
	
  | 
	
  | 
	J X  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
r  | 
	
  | 
	J XY  | 
	
  | 
	JYZ  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	C  | 
	JY  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||
0  | 
	y  | 
	I0  | 
	,  | 
	(4.18)  | 
	
  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	J XZ  | 
	JYZ  | 
	JZ  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
x  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
Рис. 4.2  | 
	
  | 
	где JX, JY, JZ – осевые, а JXY, JYZ, JXZ – центробежные моменты  | 
||||||||
  | 
	инерции. Найдем выражения  | 
	для  | 
	
  | 
	проекций на оси  | 
	главного  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||||
вектора и главного момента сил инерции в некоторых частных случаях.
a). Поступательное движение звена. Учитывая, что ω=0, ε=0, найдем M(0Ф) :
  | 
	i  | 
	j  | 
	k  | 
	
  | 
	
  | 
|
M(Ф) m  | 
	x  | 
	y  | 
	z  | 
	c  | 
	
  | 
	
  | 
0  | 
	c  | 
	c  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	wox  | 
	woy  | 
	woz  | 
	
  | 
	
  | 
|
m i ycwoz zc woy j zcwoz xc woz k xcwoy yc wox  | 
	.  | 
|||||
Здесь хс, yc, zc – координаты центра масс. Тогда:
Фx m wox ,Фy m woy ,Фz m woz , M0(Фx ) m yc woz zc woy ,
(4.19)
M0(Фy ) m zc woz xc woz ,
M0(Фy ) m xc woy yc wox .
б). Вращение вокруг неподвижной оси (рис.4.3).
ωх = ωy = 0; ωz = ω; εx = εy = 0; εz = ε; w0 = 0.
Для определения главного вектора сил инерции найдем векторные произведения:
  | 
	i  | 
	j  | 
	k  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
ε rc  | 
	0  | 
	0  | 
	
  | 
	i ( yc ) j ( xc ) k (0) ,  | 
	
  | 
||||
  | 
	xc  | 
	yc  | 
	zc  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	j  | 
	k  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
ω (ω r )  | 
	
  | 
	0  | 
	
  | 
	0  | 
	
  | 
	i ( 2 x ) j ( 2  | 
	y ) k (0) .  | 
||
  | 
	c  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	c  | 
	c  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	yc  | 
	xc  | 
	0  | 
	
  | 
	
  | 
||
Отсюда найдем проекции главного вектора сил инерции:
Ф m (x 2  | 
	y ),  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
x  | 
	c  | 
	c  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
Фy m ( yc 2  | 
	xc ), (4.20)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
Фz  | 
	0.  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
Для определения главного момента сил инерции найдем I0 ε и ω I0ω :  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	Ixz  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	I yz  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	Ioε  | 
	
  | 
	,  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	Iz  | 
	
  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i  | 
	
  | 
	
  | 
	j  | 
	
  | 
	k  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	i ( 2 I yz ) j ( 2 Ixz ) k 0.  | 
	Z  | 
||||
ω Ioω  | 
	
  | 
	0  | 
	
  | 
	0  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||
  | 
	
  | 
	I  | 
	xz  | 
	
  | 
	I  | 
	yz  | 
	
  | 
	I  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	z  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
Подставляя найденные соотношения в выражение (4.17), найдем главный  | 
	
  | 
||||||||||||
момент сил инерции в проекциях на координатные оси:  | 
	
  | 
||||||||||||
M ox(Ф) I yz 2 Ixz ,  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||
M oy(Ф) Ixz 2 I yz ,  | 
	
  | 
	(4.21)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||
M  | 
	(Ф) I  | 
	.  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	x  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||
  | 
	oz  | 
	z  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
 C
rc y
Рис. 4.3
в). Плоское движение звена. Выберем в качестве полюса центр масс звена С. Введем систему координат Сxyz так, чтобы ось Сz была перпендикулярна плоскости движения звена. В осях Cxyz построим тензор инерции IС:
  | 
	J C  | 
	J C  | 
	J C  | 
	
  | 
  | 
	X  | 
	XY  | 
	XZ  | 
|
IC  | 
	J XYC  | 
	JYC  | 
	JYZC  | 
	.  | 
  | 
	J C  | 
	J C  | 
	J C  | 
	
  | 
  | 
	
  | 
|||
  | 
	XZ  | 
	YZ  | 
	Z  | 
	
  | 
Тогда получим следующие выражения для главного вектора и главного момента сил инерции:
Ф mw  | 
	M ox(Ф) I yz (c) 2 I xz(c)  | 
|||||||
x  | 
	cx  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
Ф  | 
	y  | 
	mw  | 
	, M  | 
	oy  | 
	(Ф) I  | 
	(c) 2  | 
	I  | 
	(c) (4.22)  | 
  | 
	cy  | 
	
  | 
	
  | 
	xz  | 
	
  | 
	yz  | 
||
Фz mwcz  | 
	M oz (Ф) Iz  | 
	
  | 
	
  | 
|||||
Билет №5-6. Силовой расчет плоских рычажных механизмов (одноподвижных и многоподвижных). Примеры. Для механизмов с идеальными связями уравнения кинетостатики представляют собой систему линейных алгебраических уравнений, обладающую единственным решением, если избыточные связи в системе отсутствуют, а рассматриваемое положение механизма не является особым. Для сложных механизмов, содержащих большое число подвижных звеньев, система уравнений кинетостатики имеет высокий порядок (для N–1 подвижных звеньев – 6(ּN–1) уравнений). Ее решение существенно облегчается тем, что она может быть разделена на несколько независимых систем, каждая из которых содержит обобщенную движущую силу и реакции кинематических пар, действующие на звенья одной структурной группы. Действительно, для каждой структурной группы, не содержащей избыточных связей, справедлива структурная формула
5  | 
	
  | 
wG 6NG (6  | 
	s) pSG , (4.23) где wG – число степеней подвижности группы, NG – число подвижных  | 
S 1  | 
	
  | 
звеньев группы, pSG – число s-подвижных кинематических пар в группе. С другой стороны, как было показано выше, сумма
5  | 
	
  | 
nu wG (6  | 
	s) pSG (4.24) представляет собой число неизвестных движущих сил и реакций в  | 
S 1  | 
	
  | 
идеальных связях, подлежащих определению. Сравнивая выражения (4.23) и (4.24), замечаем, что nu=6NG, т.е. число неизвестных сил равно числу уравнений кинетостатики. Таким образом, уравнения кинетостатики могут решаться последовательно для каждой структурной группы. Особенности расчета плоского механизма. В плоском механизме, выделяя последовательно плоские структурные группы, можно для
каждой из них определить отдельно компоненты реакций, лежащих в плоскости движения х0y (Rx, Ry, M0RZ ), и обобщенные движущие силы. Часто из-за наличия избыточных связей определение всех реакций второй группы (Rz, M0RX , M0RY ) становится невозможным; в этом случае приходится ограничиваться определением
только реакций освобождающих связей.
а) На рис.4.4 показан плоский механизм с одной степенью подвижности, состоящий из двух структурных
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	групп:  | 
	однозвенной  | 
	одноподвижной  | 
||
y  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	группы  | 
	(звено 1) и  | 
	группы Ассура  | 
|||
  | 
	A  | 
	2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	типа ВВП (звенья 2 и 3).  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	Ф2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	На рисунке нанесены активные силы:  | 
||||||
Q  | 
	1  | 
	
  | 
	S2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	заданные ( P, G1, G2, G3) и  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	( Ф )  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	подлежащие  | 
	определению  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	(движущий момент Q), а также силы  | 
|||||
O  | 
	
  | 
	
  | 
	M S 2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	B  | 
	3  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||||
  | 
	x  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	Р  | 
	Ф3  | 
	инерции,  | 
	лежащие  | 
	в плоскости  | 
||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	G2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||||||||
  | 
	
  | 
	G1  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	движения (Φ2 ,Φ3) , и проекции  | 
|||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	моментов сил инерции на ось z,  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	G3  | 
	
  | 
	
  | 
	перпендикулярную  | 
	плоскости  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	R12yРис. 4.4  | 
	a)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	б)  | 
	
  | 
	
  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	A  | 
	R12x  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	S2  | 
	Ф2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	R03  | 
	
  | 
||||
  | 
	
  | 
	2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	R03  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	R23y  | 
	
  | 
|||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	M S( Ф2  | 
	)  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	B  | 
	3  | 
	Р  | 
	Ф3  | 
	3  | 
	
  | 
	B  | 
	R23x Р  | 
	Ф3  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	G2  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	M 03( R )  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	( R )  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	G3  | 
	
  | 
	
  | 
	M03  | 
	G3  | 
	
  | 
|||||
Рис. 4.5
движения ( M S(Ф2 ) ). Силовой расчет начинается с последней группы, т.е. группы Ассура ВВП (рис.4.5, а). На
рисунке показаны компоненты реакций, лежащие в плоскости движения. Во вращательных парах (например, в шарнире А) возникают реакции с компонентами Rx и Ry, а в поступательных парах (например, в
поступательной паре В) – нормальная реакция R и момент M0(Rz ) . В шарнире А со стороны звена 1 на звено 2
действуют компоненты реакции R12x и R12y, а в поступательной паре В стороны стойки 0 на ползун 3 действуют реакция R03 и момент M03(R) .
Реакция в шарнире В является внутренней для группы, поэтому она на не показана. Для того, чтобы включить в рассмотрение реакцию в В, надо отбросить либо звено 2, либо звено 3. На рис.4.5, б оставлено (ползун); к указанным ранее силам добавлены компоненты реакции R23x действующей со стороны звена 2 на звено 3. Таким образом, в группе плоскости, перпендикулярной оси z, всего 6 неизвестных: R12x, R12y, R23x,
M03(R) . Для звена 3 из условия равенства нулю суммы моментов всех сил относительно оси Bz (т.е. оси z, проходящей через точку B) следует:
M03(R) 0 .
  | 
	
  | 
	R21y  | 
	
  | 
	со  | 
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|
y  | 
	A  | 
	
  | 
	рисунке  | 
|
  | 
	
  | 
	шарнире  | 
||
R01y  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	R21x звено  | 
	3  | 
||
Q  | 
	1  | 
	
  | 
	и R23y,  | 
|
  | 
	ВВП  | 
	в  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
||
O  | 
	R01x x  | 
	R23y, R03,  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
||
G1
Рис. 4.6
Сумма моментов всех сил, действующих на звенья 2 и 3, относительно оси Аz:
(Р + Ф3)(yA – yB) – (R03 – G3)(xA – xB) + Ф2x(yA – yS2) – (Ф2y – G2)(xA – xS2) + M S(Ф2 ) = 0,
где Ф2х и Ф2y – проекции главного вектора сил инерции второго звена, хА, yA, xB, yB, xS2, yS2 – координаты точек соответственно А, В, S2. Отсюда можно найти реакцию R03. После этого легко определяются остальные
неизвестные. Уравнения для ползуна 3: R23x + P + Ф3 = 0, R03 + R23y – G3 = 0. Уравнения для звеньев 2 и 3:R12x + Ф2x + P + Ф3 = 0;
R12y + Ф2y – G2 + R03 – G3 = 0. После определения всех реакций в группе ВВП переходят к расчету первой структурной группы (рис.4.6). R12x=–R21x, R12y=–R21y. Остаются три неизвестные: компоненты реакции R01x, R01y в шарнире 0 и движущий момент Q. Для кривошипа можно составить три уравнения кинетостатики. Если угловая скорость вращения кривошипа постоянна и центр масс находится на оси вращения О
R21x + R01x = 0, R21y + R01y – G1 = 0, R21x(y0 – yA) – R21y(x0 – xA) + Q = 0.
Последовательность силового расчета проиллюстрирована на схеме рис.4.7.
Предварительно определяются силы инерции Φ2 ,Φ3, MS(Ф2 ) . Потом решаются 6 уравнений для звеньев 2 и 3
группы ВВП, входящей во второй слой, находятся реакции R12x, R12y, R23x, R23y, R03, M03(R) . Затем решаются три уравнения для звена 1, являющегося группой первого слоя. Реакции R21x и R21y рассматриваются как известные (R12x = – R21x, R12y = – R21y). Определяются реакции R01x, R01y и движущий момент Q.
  | 
	Ф2 Ф3  | 
	( Ф )  | 
	G1  | 
	
  | 
|||
  | 
	M S 2  | 
	
  | 
	
  | 
||||
P  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	R12X = – R21X  | 
	
  | 
	R01X, R01Y, Q  | 
|
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	Звено 1  | 
||
G2, G3  | 
	
  | 
	Группа BBП  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
|||
  | 
	(звенья 2,3)  | 
	
  | 
	
  | 
	(кривошип)  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	R12Y = – R21Y  | 
	
  | 
||||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
	
  | 
||
  | 
	
  | 
	R03, M03( R ) , R23X, R23Y  | 
	
  | 
	
  | 
|||
Рис.4.7
Рис. 4.8
6б) Механизм с тремя степенями подвижности (рис.4.8). Данный механизм состоит из трех одноподвижных групп: двух однозвенных (звенья 1 и 5) и одной трехзвенной (звенья 2, 3, 4). Определив силы инерции и моменты сил инерции звеньев, а также задав значения активных сил P3X и P3Y, приложенных в точке С3 звена 3, и момента Мw, приступаем к силовому расчету последней структурной группы АВСD. Для плоской системы сил, действующих на три звена этой группы, составляем 9 уравнений кинетостатики, из
которых определяем обобщенную движущую силу Q2 и 8 реакций (R12X, R12Y, R23X, R23Y, R34X, R34Y, R54X, R54Y). Затем приступаем к расчету однозвенных групп первого слоя ОА и ЕD. При этом силы R21X = – R12X, R21Y = –
R12Y, R45X = – R54X, R45Y = – R54Y рассматриваются уже как известные, найденные на предыдущем этапе. Из уравнений кинетостатики для звена ОА определяем R01X, R01Y,обобщенную движущую силу Q1; из уравнений, составленных для звена ЕD,определяем R05X, R05Y,обобщенную движущую силу Q3.
На рис.4.9 схематично представлен алгоритм силового расчета этого механизма. Для каждой группы указаны заданные («входные») силы и силы, найденные при силовом расчете.
Силовой расчет по кинетостатической модели может производиться не только решением уравнений
кинетостатики, составленных для каждого звена в отдельности, но и с помощью других методов. Рассмотрим,
Рис. 4.9
каким образом можно провести расчет трехзвенной группы АВСD, показанной на рис.4.8, методом размыкания кинематической цепи. Разомкнем кинематическую цепь в шарнире D и введем реакции освобождающих связей R54X и R54Y. Составим уравнения равновесия моментов всех активных сил, всех сил инерции и введенных реакций связей относительно осей шарниров А, В, С. Получим три уравнения:
M A ( 2 ) M A (G2 ) M 2(C ) M A (P3 X ) M A (P3Y ) M w M A ( 3 ) M A (G3 )
M3(C ) M A ( 4 ) M A (G4 ) M 4(C ) M A (R54 X ) M A (R54Y ) 0,
M B (P3 X ) M B (P3Y ) M w M B ( 3 ) M B (G3 )
M3(C ) M B ( 4 ) M B (G4 ) M 4(C ) M B (R54 X ) M B (R54Y ) 0,
MC ( 4 ) MC (G4 ) M 4(C ) MC (R54 X ) MC (R54Y ) Q2 0.
Из этих уравнений определяются три неизвестные величины: R54X, R54Y и Q2. После этого определение реакций в шарнирах А, В, С не вызывает затруднений; их можно найти, например, из уравнений проекций на оси х и y сил, действующих на звенья 2, 3, 4. Решение уравнений кинетостатики усложняется, если в механизме имеются избыточные связи. В этом случае система становится статически неопределимой.
