Введение

Теория машин и механизмов – наука об общих методах построения наиболее современных, экономичных и надёжных машин. Исходя из свойств обрабатываемого материала в ТММ последовательно обосновывается структура машины и её отдельных агрегатов, определяются кинематические и динамические параметры звеньев механизма, разрабатываются методы воздействия на них с целью создания оптимальных условий выполнения технологического процесса. В результате анализа и синтеза создаётся скелет механизмов машины с оптимальными линейными размерами бесформенных звеньев, с идеальными, но безразмерными кинематическими парами.

Точность форм и взаимное расположение звеньев механизма зависит от давлений (реакций) в зоне контакта элементов кинематических пар. Давление в кинематических парах определяется как сумма составляющих от технологических и динамических сил сопротивления, возникающих при движении звеньев. По величине и характеру распределения усилий в кинематических парах выбирается материал звеньев и элементов кинематических пар; по эпюрам изгибающих и крутящих моментов определяется форма звена в продольном и поперечном направлениях; рассчитываются диаметры цапф, тип и размеры подшипников; определяются затраты энергии на преодоление сил трения, износ и долговечность кинематических пар.

Таким образом, вопросы, решаемые в силовом анализе, служат связующим материалом между исследованиями методами теории машин и механизмов и решением прикладных задач методами деталей машин.

Реакции в кинематических парах можно рассчитать аналитическим или графо-аналитическим методом. В первом случае решение задачи эффективно с использованием ЭВМ, когда результат может быть получен с любой наперёд заданной точностью. Однако раскрытие физической сущности причин, влияющих на изменение векторов сил по величине и направлению, требует профессиональных навыков инженера.

Графо-аналитический метод менее точен, но обладает наглядностью и позволяет сделать не только количественный, но и качественный анализ полученных результатов. Количественный и качественный анализ всевозможной технической информации и причин её изменения является важным моментом в подготовке высококвалифицированных специалистов инженерного профиля в вузах страны.

1. Силовой анализ механизмов

1.1. Цель и задачи силового анализа механизмов

Цель силового анализа – определение реакций, возникающих в кинематических парах под действием внешних сил (сил движущих, полезного сопротивления, сил тяжести и др.). Величина и интенсивность изменения реакций в кинематических парах за цикл работы механизма используется для решения технических задач:

• расчёта звеньев на прочность и жёсткость и их конструктивное оформление;

• обоснования оптимальной зоны и способа подвода смазки к трущимся поверхностям;

• оценки износостойкости элементов кинематических пар и выбора материала из условия равных сроков службы;

• выбора типа и размеров подшипников;

• определения механического к.п.д. и гарантированной долговечности спроектированного механизма.

2. Основные принципы и методы силового анализа

Для механизма в целом реакции кинематических пар относятся к внутренним силам – силам воздействия одного звена на другое. Для перевода внутренних сил во внешние используется принцип освобождаемости от связей с заменой отброшенных звеньев силами, передаваемыми через кинематическую пару на рассматриваемое звено (на основании закона равенства действия и противодействия).

При расчёте реакций в кинематических парах подвижных механических систем применяют принцип Даламбера (более точно – метод кинетостатики), сформулированный Н. Е. Жуковским: «если в некоторый момент времени остановить механическую систему и вместе с тем приложить к её точкам силы инерции, не изменяя активные силы, то система будет находиться в равновесии и реакции связей останутся теми, которыми они были во время движения системы» (Жуковский Н.Е. Собрание сочинений. т.V. М.: Гостехиздат, 1949).

Если в качестве механической системы рассматривается механизм какой-либо машины, то:

- в качестве точек приложения сил инерции принимаются центры масс звеньев;

- в качестве сил инерции принимаются главный вектор сил инерции в поступательном движении центра масс и главный момент сил инерции во вращательном движении звена вокруг оси, проходящей через центр масс перпендикулярно осевой линии звена;

- главный вектор и главный момент сил инерции всегда направляются в сторону, противоположную соответственно вектору ускорения центра масс и углового ускорения звена.

Для несвободных механических систем принцип Даламбера (совместно с принципом освобождаемости от связей) определяет единый подход получения исходных динамических уравнений для расчёта реакций в кинематических парах графо-аналитическим методом – метод планов сил, действующих на отдельные звенья и структурные группы. Для практического применения этого метода необходимо, прежде всего, определить ускорения центра масс и угловые ускорения звеньев для заданного положения механизма.

1.3. Указания и задание для выполнения курсового проекта

За исходные данные расчёта реакций в кинематических парах принимаются результаты:

- метрического синтеза (геометрические размеры, массы и моменты инерции звеньев);

- кинематического анализа рычажного механизма в рассматриваемом положении (аналоги угловых скоростей);

- законы движения динамической модели машинного агрегата с учётом маховика (виброгасителя), установленного на кривошипный вал.

Так как движение кривошипного вала описывается периодическими функциями, то и реакции в кинематических парах за цикл работы механизма будут периодически изменяться от минимального до максимального значения. Величина и направление реакций в кинематических парах определяются для каждого конкретного положения механизма.

В курсовом проекте силовой расчёт выполняется для двух положений механизма:

- где угловая скорость кривошипного вала достигает максимального значения. Этому положению соответствует максимальный поток энергии, циркулируемый в машинном агрегате;

- где угловое ускорение кривошипного вала достигает максимальной величины. Этому положению соответствует максимальное динамическое давление в кинематических парах.