Теория механизмов и машин. Курсовое проектирование под ред. Г.А.Тимофеева, Н.В.Умнова 2012г (932776), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Силы, действующие на звенья механизма Закон движения механизма в первую очередь определяется характером сил и моментов, приложенных к его звеньям. Все силы и моменты, действующие на звенья механизма, подразделяют на внешние и внутренние. Внешние силы совершают работу и изменяют кинетическую или потенциальную энергию машины и в свою очередь их подразделяют: 20 на движущие силы, работа которых положительна (система получает энергию); на силы сопротивления, работа которых отрицательна (система отдает энергию): а) силы полезного, или технологического сопротивления, возникающие при выполнении машиной ее основных функций (работа по изменению координат, формы или свойств изделия и т. п.); б) силы трения, или диссипативные силы, возникающие в кинематических парах (их работа всегда отрицательная величина); на силы взаимодействия с потенциальными полями, или потенциальные (позиционные) силы, возникающие при перемещении обьекта в потенциальном поле различной природы.
Сила в каждый момент времени характеризуется численным значением (модулем), точкой приложения и линией действия. Характерная особенность потенциальных сил заключается в том, что их работа за цикл, т. е. при возврате системы в исходное положение, равна нулю. В гравитационном поле потенциальными будут силы тяжести звеньев.
Силы упругости пружин также являются потенциальными силами. Курсовое проектирование включает в себя механизмы, взаимодействующие и с некоторыми другими потенциальными полями (например, электромагнитными). Поле потенциальных сил характеризуется скалярным потенциалом. Внутренние силы действуют между звеньями механической системы. Работа этих сил не изменяет энергии системы. В механических системах такими силами будут реакции в кинематических парах.
При определении движения механизма их не учитывают. Выделяют еще одну группу сил — расчетные (фиктивные) силы, которые не существуют в реальности, но их вводят с целью упрощения некоторых расчетов. К ним, например, относятся силы инерции. При анализе динамики механизма эти силы также не учитывают. Относится ли сила к движущим силам или к силам сопротивления, можно определить по знаку скалярного произведения векторов силы и скорости точки приложения силы.
При этом для движущих сил произведение положительная величина, для сил сопротивления — отрицательная. Если силовой фактор задан в виде момента силы, то моменты подразделяют на движущие и моменты сопротивления также по знаку скалярного произведения векторов момента и угловой скорости — при совпадении направления действия момента силы и направления вращения звена момент силы будет движущим моментом. Следует отметить, что деление сил на движущие силы и силы сопротивления несколько условно. Одна и та же сила на разных этапах цикла работы машины может быть и движущей силой, и силой сопротивления.
Например, сила тяжести кабины лифта при подъеме кабины является силой полезного сопротивления, а при ее спуске — движущей силой. Внешние силы, приложенные к различным звеньям механизма, в процессе работы механизма могут изменяться в соответствии с каким- либо известным законом или оставаться постоянными (например, силы тяжести). 2.4. Характеристики сил 2.4.1. Механическая характеристика На этапе подготовки исходных данных необходимо определить все внешние силы, действующие на входные и выходные звенья машины. Для машин-двигателей, которые преобразуют энергию разного вида в кинетическую энергию, закон изменения движущей силы устанавливается физическими законами. Для электрических двигателей — законами электромагнитной индукции, для тепловых двигателей — законами термодинамики и т.
д. Силы сопротивления на выходных звеньях для рабочих машин определяются законами взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой деталью или с окружающей средой. Так, для металлообрабатывающих станков — силы резания, кузнечнопрессовых машин — силы деформации заготовки, в транспортерах и конвейерах — силы трения и т.
д. Законы изменения этих сил находят теоретически или устанавливают экспериментально. Теоретические соотношения или усредненные экспериментальные зависимости используют в динамических расчетах машин в виде механических характеристик— статической и динамической. Статической характеристикой называют функциональную зависимость модуля силы от кинематических параметров (координат, скорости) точки ее приложения. Сила может также зависеть от времени. Механические характеристики при решении задач динамики считаются известными. Более того, любую известную зависимость силы от кинематических параметров можно трактовать как заданную механическую характеристику, даже если она не является постоянной, «паспортной» характеристикой обьекта и используется только при расчете.
Ниже приведены примеры механических характеристик различных машин. 1. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В заданиях к курсовому проектированию для поршневых машин (ДВС, двигатели с внешним подводом теплоты) механическая характеристика задается индикаторной диаграммой, описывающей изменение давления в цилиндре от перемещения поршня. В зависимости от типа двигателя полный цикл его работы может составлять как один, так и два оборота кривошипа (соответственно два илн четыре хода поршня). а. Четырехтактный ДВС. Кинематическая схема одноцнлиндрового четырехтакгного ДВС изображена на рис. 2.2, а, а на рис.
2.4 — его индикаторная диаграмма, р = р(Яс), где р — давление рабочего тела в цилиндре двигателя, Вс — перемещение поршня. Цикл такого ДВС равен двум оборотам кривошипа (<р„= 4к, рад) или четырем ходам поршня. Рабочий процесс в цилиндре двигателя происходит следующим образом: при движении поршня 3 (см. рис. 2.2, а) вправо (скорость поршня хс > 0) в цилиндре происходит всасывание (участок са); прн движении влево (хс < 0) — сжатие (участок аа); затем при повторном движении вправо хс > 0)— расширение (рабочий ход — участок аЬ); и, наконец, снова влево (хс < 0) — выпуск (участок Ьс). На этом цикл заканчивается.
Р Р»»»» Рнс. 2.4 Для перехода к механической характеристике ДВС, т. е. для определения зависимости силы давления гд на поршень от перемещения Вс поршня, необходимо давление, найденное из индикаторной диаграммы, умножить на площадь поршня. Выбор участка характеристики для определения давления (аЬ, Ьс, са или Ыа) зависит от того, какой процесс в это время происходит в цилиндре. На участке расширения направление вектора силы давления совпадает с направлением вектора скорости перемещения поршня, т. е. работа движущей силы положительна; на остальных трех участках — всасывания, сжатия и выпуска — векторы силы давления и скорости перемещения поршня направлены противо- положно, т.
е. работа силы трения отрицательна. Иными словами, только на участке аЬ сила Р;— движущая сила, на остальных трех участках она является силой сопротивления. Функциональная зависимость силы г", от координаты поршня имеет вид Р =Р (хс, з(йпхс), (2.!3) где хс — координата поршня (функция положения точки С от обобщенной координаты — угла поворота кривошипа). При хс > 0 давление выбирают на участках аЬ и са характеристики, прн хс < 0— на участках Ьс и аа. Важно отметить, что при выполнении динамических расчетов необходимо знать зависимость силы Р;, от положения начального звена, тогда как статическая характеристика позволяет получить зависимость этой силы от положения поршня.
Задаваясь значениями угла поворота крнвошипа <р„, графическими или аналитическими методами находят положение хс поршня, а затем по функциональной зависимости Ра(хс) — модуль силы Рд. При аналитическом решении используют найденную на этапе кинематического анализа функцию положения точки С. Механическую характеристику г„(<р„) изображают в виде графика; она отличается от характеристики Гд(хс), поскольку хс(<р„) — нелинейная функция.
б. Двухтактный ДВС. Кинематнческие схемы двухтактного н четырехтактного двигателей, естественно, не различаются (см. рис. 2.2, а), однако цикл двухтактного ДВС равен одному обороту кривошипа (<р„= 2к, рад) или двум ходам поршня. Рабочий процесс в цилиндре определяется индикаторной диаграммой (рис. 2.5) и происходит следующим образом: при движении поршня 3 (см. рис.
2.2, а) вправо (скорость поршня хс > 0) в цилиндре происходит два последовательных процесса: расширение (прямой ход) — участок аЬ и продувка — участок Ьс; при движении влево (х~ < 0)— сжатие (обратный ход) — участок са. На этом цикл заканчивается. Р Рт»» Рнс. 2.5 22 Мпв Мпус ~пои ~ пом Рис. 2.7 шони Ыпв '"Гпв М„ Мпус Мном сипр сипом сивин снов Рнс. 2.6 ~пуп м 'Рпв Рнс.
2.8 23 Для получения зависимости силы давления на поршень от перемещения поршня необходимо, как и в случае четырехтактного двигателя, давление, найденное из индикаторной диаграммы, умножить на площадь поршня. На участке аЬ сила Гд — движущая сила, на участке са она является силой сопротивления. Для двухтактного двигателя, как и для четырехтактного двигателя, необходимо зависимость Гд(хс) пересчитать в рн(пх,) по известной харакгеристике ХС (ври). 2. Электрические двигатели.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
