2. Кинематические передаточные функции

Для плоского механизма с одной степенью свободы, W = 1, кинематические передаточные функции (аналоги) являются геометрическими характеристиками преобразования движения входного звена в движение других звеньев механизма. Они зависят от структуры механизма, размеров его звеньев и от обобщенной координаты — угла φ_Η поворота начального звена. Для определения кинематических передаточных функций необходимо знать положения звеньев и точек, которые, в свою очередь, зависят от положения начального звена.

Для любого у'-го звена и любой выбранной точки М какого-либо звена в общем случае можно записать:

φj = фj(фн);	(2.1)
rМ = rМ (φн)’	(2.2)

где (φ_j — угол поворота j-го звена; r_м — радиусвектор точки М в выбранной системе координат; φ_н — угол поворота начального звена.

Первые производные величин φ_j; и r_м по обобщенной координате φ называют аналогами скорости (кинематические передаточные функции); вторые производные величин φj и r_м по обобщенной координате φ —аналогами ускорения.

Аналог угловой скорости у'-го звена

ω_qj=dφ_j/dφ=u_jн

где u_jн — передаточное отношение чисел зубьев у'-го звена к начальному.

Аналог скорости точки М

vqM=drM/dφ

Аналог углового ускорения у'-го звена ε_qj=d²φ_j/dφ²=dω_qj/dφ

Аналог ускорения точки М

a_qM=d²r_M/dφ²=dv_qM/dφ

Здесь в отличие от обычных скоростей и ускорений к обозначениям аналогов скоростей и ускорений добавлен индекс q (от лат. quasi — как бы, почти).

Аналоги угловой скорости и углового ускорения — безразмерные величины, аналоги линейной скорости и линейного ускорения имеют размерность длины. При выборе в качестве обобщенной другой координаты, не являющейся углом, размерности аналогов изменяются — в этом случае их следует поделить на размерность новой обобщенной координаты. В любом случае аналоги являются относительными величинами.

Аналоги скорости и ускорения численно равны скоростям и ускорениям при движении начального звена с постоянной угловой скоростью: ω_н = +1 и ε_Η = 0. Чтобы их определить, можно, например, построить для рассматриваемого положения механизма план скоростей и ускорений при ω_Η = +1 и ε_Η = 0. Аналоги скоростей можно также определить графическими методами из тана возможных скоростей, построенного без масштаба, для произвольной угловой скорости начального звена. Так, на рис. 2.2, 6 для кривошипно-ползунного механизма (рис. 2.2, а) построен план возможных скоростей. При этом длина отрезка P_vb, мм, известна или может быть измерена, тогда модуль аналога скорости точки С

ν_qC=ν_C/ω_н=ν_C/(ν_B/l₁)=l₁P_νc/P_νb

где l₁ — длина кривошипа AB, м; P_vc и P_vb — отрезки, изображающие скорости ν_c и ν_B , мм.

Рис. 2.2

Аналитические расчетные формулы для аналогов можно получить методом замкнутых векторных контуров Зиновьева. Согласно этому методу связи в механизме, определяемые характером кинематических пар и размерами звеньев, выражаются в форме условий замкнутости векторных контуров, построенных на базе кинематической схемы механизма. В скалярной форме соответствующие зависимости получают, проецируя векторные контуры на оси координат.

Число независимых замкнутых контуров определяют по формуле Гохмана, k = п -р_низш (n — число подвижных звеньев; р_низш — число низших пар). При построении контуров механизмов можно также руководствоваться следующим простым правилом: четырехзвенный механизм имеет один замкнутый векторный контур, шестизвенный — два. При этом все звенья механизма должны входить хотя бы в один замкнутый векторный контур. Если механизм имеет несколько векторных контуров, анализ начинают с контура, включающего начальное звено, и результаты анализа этого контура используют при анализе последующих контуров. Например, исследование кривошипно-ползунного механизма (см. рис. 2.2, а) сводится к анализу одного контура АВСА, состоящего из входного звена 1, звеньев 2, 3 и стойки 4.

В векторном контуре АВСА (рис. 2.3, а) радиусвектор r = АВ направлен вдоль входного (начального) звена 1, начало и конец радиус-вектора совпадает с вращательными парами А и В, а угол φ₁ его наклона к оси абсцисс х выбран в качестве обобщенной координаты. Радиус-вектор r_в считается известным, поскольку известны его модуль (длина l_AB кривошипа АВ) и координаты (угол φ₁ поворота кривошипа). Направление отсчета углов совпадает с направлением ω₁ вращения входного звена механизма. В данном случае входное звено вращается по ходу часовой стрелки, т. е. в отрицательном направлении (за положительное направление отсчета в механике принято вращение звена против хода часовой стрелки). Проекции радиус-вектора r_в на оси координат х и у равны:

x_B=rcosφ₁, y_B=-rsinφ₁. (2.3)

Если в механизме кривошип вращается в положительном направлении — против хода часовой стрелки, то координаты точки В определяют по формулам аналитической геометрии: x_B=r cos φ₁ ,y_B=-r sin φ₁, которые отличаются от формул (2.3) только знаком в выражении для расчета проекции у_B. Угол φ₁ здесь отсчитывается в положительном направлении.

б

Рис. 2.3

Дифференцируя выражение (2.3) по обобщенной координате φ_1; находят координаты точки В:

ν_qxB=y_B, ν_qyB=-x_B

a_qxB=-x_B, a_qyB=-y_B

Уравнение замкнутого векторного контура АВСА (см. рис. 2.3, а) имеет вид

r_с=r_в+1. (2.5)

Углы наклона векторов контура, кроме уже рассмотренного радиус-вектора r, всегда отсчитываются по правилам задания координат векторов — от положительного направления оси абсцисс до положительного направления соответствующего вектора против хода часовой стрелки — вне зависимости от направления вращения начального звена.

Проецируя радиус-векторы r_с и r_в (2.5) на оси координат, находят координаты точки С:

x_C=x_B+lcosφ₂

y_C=y_B+lsinφ₂=0

(2.6)

Из второго уравнения (2.6) следует, что

sinφ₂ =-у_в/l. (2.7)

Анализ схемы механизма показывает, что угол φ₂ в выражении (2.7) изменяется в пределах -π/2 < φ₂ < < +π/2, поэтому его можно вычислить по формуле

cosφ₂ =-корень (l-sin^2φ₂).

Положение центра масс звена 3 в системе координат хАу определяется координатой х_С и может быть найдено из первого уравнения системы (2.6).

Чтобы вычислить аналоги угловой скорости (ω_q2 = и₂₁ и углового ускорения ε_q2 звена 2, дважды дифференцируют второе уравнение системы (2.6) и получают следующие соотношения:

0 ⁼ v_qyB +lcosφ₂ ·ω_q2

0 = a_qyB - l (sin φ₂ ω²_q2 - cosφ₂ε_q2 )

из которых находят передаточные функции

ωq2=-v_qyB/lcosφ₂, ε_q2=lsinφ₂ω²_q2-a_qyB/lcosφ₂

Аналоги скорости v_qC и ускорения a_qC точки С звена 3 соответствуют первой и второй производным функции х_с(φ):

v_qC = v_qxB - lsinφ₂ω_q2

(2.9)

a_qC=a_qxB-l(cosφ₂ω²_q2+sinφ₂ε_q2)·

Если на звеньях механизма есть еще и другие точки, координаты, скорость и ускорение которых представляют интерес, то их кинематические параметры находят после определения всех кинематических параметров векторов, входящих в замкнутый контур. Так, радиус-вектор r_S2, определяющий положение центра масс S₂ звена 2 (см. рис. 2.3, б), равен

r_S2 ⁼г_в +d,

а его проекции на оси координат

x_S2=x_B⁺dcosφ2, y_s2=y_B+dsinφ₂· (2·10)

Дифференцируя уравнения (2. 10) дважды, находят проекции аналогов скорости и ускорения точки S₂-

v_qxS2=v_qxB -dsinφ₂ω_q2

(2. 11)

v_qyS2=v_qyB +dsinφ₂ω_q2

a_qxS2 = a_qxB -d(cosφ₂ω²_q2+sinφ₂ε_q2) (2.12)

a_qyS2 = a_qyB -d(cosφ₂ω²_q2+cosφ₂ε_q2)Соотношения (2.10)—(2.12) справедливы при направлении отсчета угла φ₂ от положительного направления оси х до положительного направления вектора ВС против хода часовой стрелки.

Кинематический анализ, как правило, ограничивают определением функций положения звеньев и аналогов скоростей (угловых и линейных). Кинематические параметры обычно вычисляют не для всех звеньев и точек механизма, а только для тех, которые необходимы для расчета динамических параметров, т. е. для тех, с которыми так или иначе связаны приложенные к механизму внешние силы. При этом руководствуются изложенными ниже соображениями.

1. Функции положения вычисляют только для тех звеньев и точек, к которым приложены силы, зависящие от положения этого звена или точки.

2. Для звена, у которого задана масса, вычисляют аналог скорости его центра масс (по соображениям, которые станут понятными далее, можно ограничиться вычислением только проекции аналога на ось у).

3. Для звена, у которого задан или может быть вычислен момент инерции, определяют аналог угловой скорости этого звена.

4. Для звена, к которому приложен внешний момент, также вычисляют аналог угловой скорости.

5. Для всех точек приложения внешних сил вычисляют аналоги линейной скорости точек их приложения. Если сила приложена к точке звена, входящего в поступательную пару, и ориентирована вдоль направляющей этой пары, то рекомендуется вычислять проекцию аналога на эту направляющую, например, в случае расположения направляющей вдоль осей координат. Однако при наклонном расположении направляющих (например, у V-образного двигателя или компрессора) можно для каждой поступательной пары ввести дополнительно локальную систему координат, начало координат которой лежит на направляющей пары, а одна из осей ориентирована вдоль нее, и определять проекцию аналога на эту ось локальной системы, т. е. на проекцию аналога вдоль направляющей поступательной пары. Эта проекция будет иметь знак, определяемый знаком проекции аналога скорости на ось локальной системы координат. Очень важно, что впоследствии и знак силы, действующей на поступательную пару, также будет определяться в выбранной локальной системе координат. Поскольку локальные системы координат выбирают произвольно, то можно ограничиться только положительным направлением вдоль направляющей и определять знак проекции аналогов скорости и ускорения по совпадению или несовпадению проекций векторов аналогов на ось положительного направления поступательной пары с вектором положительного направления. Математически это можно оценить знаком скалярного произведения этих векторов.

Еще раз подчеркнем, что знак силы также будет определяться знаком скалярного произведения векторов силы и вектора положительного направления поступательной пары. При вычислении приведенного момента от внешней силы необходимо определить знак проекции действительной скорости точки на направляющую поступательной пары, а не знак проекции аналога. Напомним, что при вращении начального звена против хода часовой стрелки аналог скорости и действительная скорость одинаково направлены, а при вращении по ходу часовой стрелки — противоположно.

Как указывалось ранее, положительное направление в поступательной паре может быть выбрано произвольно.