Структурный и кинематический анализ механизмов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“МАТИ” – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

Кафедра “Механика машин и механизмов”

СТРУКТУРНЫЙ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ

Методические указания к курсовому проектированию по теории механизмов и машин

Составители: Чуфистов В.А. Шувалова Л.С.

Москва 2006 г.

Введение

Курсовой проект по теории механизмов и машин состоит из расчетнопояснительной записки и 4-5 листов формата 24 ГОСТ 2301-68 графических построений.

На первом листе выполняется кинематическое исследование шарнирнорычажного механизма.

Исходные данные:

1.План механизма и его основные размеры.

2.Частота вращения кривошипа - ω, с-1.

3.Три положения механизма.

Требуется:

1.Выполнить структурный анализ механизма.

2.Построить:

•траектории движения указанных точек для 12 положений механизма;

•совмещенный план скоростей для 12 положений механизма;

•планы ускорений для 3 заданных положений механизма;

•кинематические диаграммы-графики «перемещение-время», «скорость-время» и «ускорение-время» для точки Е ползуна.

Прежде чем приступить к кинематическому исследованию механизма, необходимо произвести его структурный анализ. Структурный анализ дает возможность определить порядок кинематического исследования.

2

Раздел 1

1. Структурный анализ механизмов

Произвести структурный анализ механизма – это значит установить, из каких групп звеньев состоит данный механизм и в какой последовательности эти группы звеньев присоединяются друг к другу, а также определить степень подвижности, класс и порядок механизма.

Пример 1. Механизм строгального станка с диадой II модификации частного вида (рис. 1а).

Механизм состоит из: кривошипа 1, кулисного камня 2, кулисы 3, шатуна 4, ползуна 5 и стойки 6. Звенья соединяются кинематическими парами: 1-6 - вращательная пара (шарнир) с центром А, 1-2 – вращательная пара (шарнир) с центром В, 2-3 – поступательная пара, 3-6 – вращательная пара с центром С, 3-4

– вращательная пара с центром Д, 4-5 – вращательная пара с центром Е и 5-6 – поступательная пара.

Все кинематические пары – низшие. Степень подвижности механизма определяется по формуле Чебышева:

W =3n − 2P1 − P2 =3 5 − 2 7 − 0 =1,

где n =5 - число подвижных звеньев механизма,

P1 = 7 - число низших кинематических пар,

P2 = 0 - число высших кинематических пар.

Разбивку механизма на структурные группы начинаем с выделения начального механизма 1-6. Структурная группа присоединяется к условному механизму внешними кинематическими парами. Звено 2 присоединяется к кривошипу 1 шарниром В (внешняя кинематическая пара) , звено 3 присоединяется к стойке 6 шарниром С (внешняя кинематическая пара), а между собой звенья 2 и 3 образуют внутреннюю поступательную кинематическую пару 2-3. Таким образом, звено 2 и звено 3 дают двухповодковую группу – диаду III модификации частного вида. Звено 4

3

присоединяется к звену 3 шарниром Д (внешняя кинематическая пара), ползун 5 со стойкой 6 образуют поступательную пару 5-6 (внешняя кинематическая пара), а между собой звенья 4 и 5 соединены шарниром Е (внутренняя кинематическая пара). Таким образом, шатун 4 и ползун 5 образуют двухповодковую группу – диаду II модификации частного вида. Следовательно, рассматриваемый механизм образован последовательным присоединением к начальному механизму 1-6 (рис. 1б) двух двухповодковых групп: 2-3 (рис. 1в) и 4-5 (рис. 1г).

Пример 2. Механизм строгального станка с диадой V модификации частного вида (рис. 2а).

Этот механизм отличается от предыдущего тем, что вместо диады II модификации частного вида здесь присоединена диада V модификации частного вида. Кулиса 3 соединяется с ползуном 4 шарниром Д (внешняя кинематическая пара), ползун 4 перемещается в тубусе звена 5 (внутренняя поступательная кинематическая пара), а звено 5, в свою очередь, движется по направляющим стойки 6 (внешняя поступательная кинематическая пара).

Степень подвижности механизма:

W = 3n − 2P1 − P2 = 3 5 − 2 7 − 0 =1.

Механизм образован последовательным присоединением к начальному механизму 1-6 (рис. 2б), сначала диады III модификации частного вида 2-3 (рис. 2в), а затем V модификации частного вида 4-5 (рис. 2г).

Пример 3. Механизм долбежного станка с вращающейся кулисой (рис. 3а). Механизм состоит из кривошипа 1, кулисного камня 2, кулисы 3, шатуна

4, ползуна 5 и стойки 6. Степень подвижности механизма:

W=3n − 2P1 − P2 =3 5 − 2 7 − 0 =1.

Кначальному механизму 1-6 (рис. 3б) сначала присоединяется диада III модификации частного вида (рис. 3в), а затем диада II модификации частного вида 4-5 (рис. 3г).

5

Пример 4. Механизм строгального станка с вращающейся кулисой (рис. 4а). Механизм состоит из начального механизма 1-6 (рис. 4б), диады III

модификации частного вида 2-3 (рис. 1в) и диады II модификации частного вида 4-5 (рис. 4г).

Степень подвижности механизма:

W =3n − 2P1 − P2 =3 5 − 2 7 − 0 =1.

Рис. 4

а)

8

Раздел II. Кинематическое исследование механизмов

1. Основные задачи и методы

Основными задачами кинематического исследования механизмов являются:

•определение положений звеньев (построение планов положений механизма);

•определение скоростей и ускорений точек;

•определение угловых скоростей и ускорений звеньев.

За ведущее звено во всех механизмах принимаем кривошип и считаем его угловую скорость ω1 , рад/с постоянной. Исследования проводим графоаналитическими методами. Так, положения звеньев определяем методом засечек, скорости и ускорения различных точек механизма находим с помощью построения планов скоростей и ускорений.

2. Построение траекторий движения характерных точек механизма

Чтобы построить траекторию какой-либо точки, надо построить ряд планов механизма и определить положения заданной точки. Плавная кривая, проведенная через полученные положения точки, будет искомой траекторией.

движения точки В будет окружность. Делим окружность, радиус которой равен длине кривошипа АВ, на 12 равностоящих положений. Одно из положений точки В принимается за нулевое, а остальные пронумеровываются в направлении вращения кривошипа. За нулевое положение точки В кривошипа выбирают такое, при котором дальнейшее движение точки В в заданную сторону вращения будет соответствовать рабочему ходу исполнительного механизма.

9

Для механизмов строгального станка нулевое положение соответствует крайнему левому положению ползуна 5. В этом положении кулиса 3 также занимает крайнее левое положение и перпендикулярна кривошипу.

Для механизмов долбежного станка нулевое положение соответствует верхнему положению ползуна 5.

Построение траекторий движения других точек механизма покажем на конкретных примерах.

Пример 1. Механизм поперечно-строгального станка диадой II модификации частного вида

Точка Д (рис. 5) движется по дуге окружности, радиус которой равен длине кулисы СД. Последовательно соединяем точку С с точками B0 , B1 , B2 и

т.д. и находим положение кулисы в соответствующих положениях механизма. Пересечение кулисы с траекторией движения точки Д определяет положение в первом ( Д1), втором ( Д2 ) и т.д. положениях механизма. Крайнее правое положение кулисы обозначено CB7 , Д7 .

Из точки Д делаем засечки на направляющей ползуна 5 радиусом, равным длине ДЕ, и находим положения точки Е. Траектория движения точки Е есть горизонтальная прямая, соединяющая крайние положения ползуна 5 : E0 − E7 .

Пример 2. Механизм поперечно-строгального станка с диадой V модификации частного вида

Положения точки Д (рис. 6) и ее траектория определяются аналогично предыдущему механизму (рис. 5). Положения точки Е найдем как проекцию точек Д на направление движения ползуна 5.

Пример 3. Механизм долбежного станка с вращающейся кулисой Траектория точки Д (рис. 7) есть окружность, радиус которой равен длине

кулисы СД. Положения точки Д, соответствующие различным положениям механизма, определяются геометрическим построением. Нулевое положение

10