4 Силовой анализ плоского рычажного механизма

Для проведения силового анализа воспользуемся кинетостатическим методом, основанным на принципе Даламбера (в число заданных сил при расчёте входят силы инерции), при этом определим реакции связей кинематических пар и уравновешивающую силу (уравновешивающий момент).

Для проведения силового анализа построим в заданном масштабном коэффициенте длин одно положение механизма, для которого скорости и ускорения всех звеньев не равны нулю.

Возьмем первое положение механизма и построим его в масштабном коэффициенте длин

Рассчитаем силы, действующие на звенья.

Сила тяжести равна:

,

где G_i - сила тяжести i-го звена, Н;

– масса i-го звена, кг;

– ускорение свободного падения, .

Масса звена определяем по формуле:

,

где m_i – масса i-го звена, кг;

– удельная масса i-го звена, кг/м;

– длина i-го звена, м.

Удельные массы равны:

для кривошипов кг/м.

для шатунов кг/м.

Масса ползуна рассчитывается по формуле:

,

где m_{ползуна} – масса ползуна, кг;

m_шатуна – масса шатуна, к которому прикреплен ползун, кг.

По формулам определим массы звеньев:

По формуле определим силы тяжести звеньев:

,

,

,

,

.

Откладываем вектора сил тяжести , , , и на положении механизма, соответственно, от точек , , , и .

Центр масс кривошипа лежит на оси вращения кривошипа. Определим силы инерции звеньев.

Вектор силы инерции может быть определен по формуле:

где – вектор силы инерции i-го звена;

– масса i-го звена, кг;

– вектор полного ускорения центра масс i-го звена.

Как видно из формулы вектор силы инерции направлен в противоположную сторону по отношению к вектору полного ускорения центра масс звена.

,

где Fи_i – сила инерции i-го звена, Н;

m_i – масса i-го звена, кг;

аs_i – полное ускорение центра масс i-го звена, м/с².

Момент пары сил инерции направлен противоположно угловому ускорению и может быть определён по формуле:

где Ми_i – момент пары сил инерции i-го звена, Н·м;

Is_i – момент инерции i-го звена относительно оси, проходящей через центр масс s_i и перпендикулярной к плоскости движения звена, кг·м²;

ε_i – угловое ускорение i-го звена, с^-2.

Момент инерции шатуна определяется по формуле:

Рассчитаем силы инерции :

Проведем силы инерции на десятом положении механизма.

Рассчитаем моменты инерции шатунов :

,

.

Рассчитаем моменты пар сил инерции для второго и четвертого звеньев:

,

.

Покажем на чертеже моменты пар сил инерции шатунов и укажем направление силы полезного сопротивления. Далее разбиваем механизм на группы звеньев и проводим их силовой анализ.

4.1 Силовой анализ структурной группы Ассура звеньев 2-3

Рассмотрим структурную группу Ассура 2-3. Запишем уравнение кинетостатического равновесия:

Где и – силы реакций, приложенные соответственно к звеньям 3 и 2 со стороны звеньев, образующих кинематические пары.

Запишем уравнение суммы моментов относительно точки A

,

где h₁ , h₂ , h₃ , h₄ , h₅ – наименьшие расстояния (перпендикулярный отрезок) от линии действия, соответствующей силы, до точки A;

Таким образом, осталось две неизвестных силы, их можно определить составлением векторного силового многоугольника.

Подберем масштабный коэффициент сил :

,

где µ_F – масштабный коэффициент сил, Н/мм;

–максимальная сила, входящая в уравнение, Н;

– длина вектора, изображающего максимальную силу на плане сил, мм.

Определим масштабный коэффициент сил:

Для построения силового многоугольника переведем величины всех сил в масштабный коэффициент:

,

,

,

,

Из произвольной точки строим вектор , потом из конца этого вектора вектор и так далее. Завершаем многоугольник сил, проводя из начала вектора прямую параллельную AB, а из конца вектора прямую, перпендикулярную OB. Точка пересечения позволяет построить силы и

на плане сил и определить их истинное значение.

,

.

4.2 Силовой анализ структурной группы Ассура звеньев 4-5

Рассмотрим структурную группу Ассура 4-5. Запишем уравнение кинетостатического равновесия:

Где и – силы реакций, приложенные соответственно к звеньям 5 и 4 со стороны звеньев, образующих кинематические пары.

Запишем уравнение суммы моментов относительно точки С:

Таким образом, в уравнении осталось две неизвестные силы, их можно определить составлением векторного силового многоугольника.

Для построения силового многоугольника переведем величины всех сил в масштабный коэффициент:

,

,

,

,

.

Из произвольной точки строим вектор , потом из конца этого вектора вектор и так далее. Завершаем многоугольник сил, проводя из начала вектора прямую параллельную CD, а из конца вектора прямую, перпендикулярную СD. Точка пересечения позволяет построить силы и на плане сил и определить их истинное значение.

,

_,

.

4.3 Силовой анализ первичного механизма

Рассмотрим первичный механизм. Запишем уравнение кинетостатического равновесия:

Для нахождения тангенциальной составляющей силы R₀₁ составим уравнение суммы моментов относительно точки А:

,

где h₁ – наименьшее расстояние от линии действия силы до точки A;

h₂ – наименьшее расстояние от линии действия силы до точки А.

Выразим тангенциальную составляющую силы R₀₁:

Масштабный коэффициент сил остается неизменным :

,

где µ_F – масштабный коэффициент сил, Н/мм;

Для построение многоугольника сил переведем все известные силы в масштабный коэффициент:

,

,

.

Согласно уравнению, приведенному выше, построим многоугольник сил. Для этого из произвольной точки откладываем вектор , далее из конца этого вектора откладываем вектор и так далее, согласованно с векторным уравнением, приведенным выше. Для завершения построения многоугольника сил из начальной точки построения проводим прямую, параллельную вектору , а из конца вектора прямую, параллельную вектору . Точка пересечения проведенных прямых указывает на конечную точку многоугольника.

Найдем величины сил и . Для этого измерим длины соответствующих векторов на силовом многоугольнике и переведем значения сил из масштабного коэффициента.

,

.

Рассчитаем величину уравновешивающего момента: