2.3 Кінетостатичний розрахунок важільних механізмів

Основними задачами силового розрахунку механізмів є визначення реакцій в кінематичних парах та зрівноважувальних моментів або сил, прикладених до ведучих ланок.

Визначення сил, що діють на ланки, необхідно для розрахунку останніх на міцність, жорсткість, зносостійкість, надійність і ін., а визначення зрівноважувального моменту – для попереднього розрахунку потужності двигуна приводу проектованого механізму.

Вихідними даними для розрахунку є: кінематична схема механізму в заданому положенні; маси та моменти інерції ланок; сили або моменти корисного опору в технологічних машинах; рушійні сили або моменти в двигунах. Значення сил або моментів можуть бути задані у вигляді графіків, таблиць або чисельно.

2.3.1 Визначення сил, прикладених до ланок механізму

Сили, що діють на ланки механізму, поділяють на зовнішні, внутрішні і сили інерції.

Зовнішні сили розрізняють: рушійні та корисного опору.

Рушійні це такі, що приводять до руху ланки машини і механізмів (наприклад, сила тиску на поршень газів у двигунах внутрішнього згоряння, сила тиску рідини у гідродвигунах тощо).

Сили корисного опору це такі, для подолання яких створено машину (наприклад, тиск повітря на поршень компресора, рідини на поршень насоса, опір металу різанню тощо). Із зовнішніх сил виділяють в окрему групу сили тяжіння. Сила тяжіння це сила що діє на ланку і дорівнює добутку маси ланки на прискорення вільного падіння (G_i = m_i  g).

Внутрішні сили це сили взаємодії між елементами кінематичних пар ланок, що складають структурну групу Ассура.

Реакції в’язей – сили, дія яких на ланки структурної групи еквівалентна дії від’єднаних від неї ланок (реакції у зовнішніх кінематичних парах групи Ассура).

Сила інерції – це сила, що виникає внаслідок зміни руху (дії на ланки механізму прискорення).

Розглянемо деякі типові випадки визначення величини та напрямку зазначених вище сил, розрахунок яких може викликати певні труднощі при виконанні курсового проекту.

2.3.2 Визначення зовнішніх сил

Зовнішні сили, які прикладені до ланок механізму машини, можуть бути постійними або змінними. Для певних типів поршневих машин (двигунів внутрішнього згоряння компресорів, насосів) сила корисного опору або рушійна сила змінюється в залежності від положення ланок (поршня). У вихідних даних часто задають не силу, а тиск Р – відношення сили F, що діє перпендикулярно до площі поперечного перерізу поршня S (Р = F/S).

Тиск може бути заданим у вигляді графіка – індикаторної діаграми. Для побудови індикаторних діаграм переважно задають таблиці вихідних величин у відносних параметрах: тиск Р до максимального Р_max – P/P_max і переміщення S_B до ходу Н_В повзуна – S_B/Н_В.

Для прикладу розглянемо визначення сил, що діють на поршень, у механізмі чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння (рисунок2.12).

Вихідні дані для побудови індикаторів діаграми представлені в таблиці 2.1

Таблиця 2.1 – Залежність тиску газу в циліндрі двигуна від переміщення поршня

Фази		Відносне переміщення поршня (SB/HB)
		0	0.1	0.2	0.4	0.5	0.8	1
Тиск газу (Р/Pmax)	Всмоктування (ав)	0.01	-0.01	-0.01	-0.01	-0.01	-0.01	-0.01
	Стискання (bcd)	0.30	0.15	0.1	0.04	0.01	0	-0.01
	Розширення (def)	0.03	0.9	0.6	0.3	0.20	0.15	0.05
	Витиснення (fa)	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.05

За заданими значеннями відносних параметрів на листі будуємо індикаторну діаграму (рисунок 2.12,б.), погодивши її абсцису з ходом Н_В повзуна на кінематичній схемі (рисунок 2.12,а). Така побудова дозволяє перенести на індикаторну діаграму розмітку траєкторії точки В і знайти значення тиску в кожному фіксованому положенні механізму на всіх фазах руху. На рисунку 2.12,б ці значення виділені затемненими точками на кривих діаграми для положень: (0...6) – фаза висмоктування;(6-12) – фаза стискання; (12-18) – фаза розширення ; (18-24) – фаза вихлопу. Знаючи діаметр поршня dп та індикаторний тиск Р в кожному із положень, визначаємо силу F_JB:

F_JB = P_i d_n²/4. (2.3.1)

Результати розрахунків заносимо в таблицю 2.2

Таблиця 2.2 – Значення тиску та сили, прикладених до поршня

Параметри	Положення
Фаза	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	Всмоктування							Стискання
PJ, кПа
FJB, кН
Фаза	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
	Розширення							Витиснення
PJ, кПа
FJB, кН

Для інших типів машин (стругальних і довбальних верстатів, конвеєрів, насосів тощо)зміна навантаження на повзун задається у вигляді графіків більш простої форми або чисельно, що значно спрощує розрахунки сили опору на робочому органі.