- •Часть II. Динамика механизмов и машин
- •1. Постановка задачи силового расчета. Силы, действующие в механизме. Уравнения движения системы. Кинематические пары, накладывающие идеальные связи.
- •2. Уравнения кинетостатики. Кинетостатическая модель.
- •3. Определение главного вектора и главного момента сил инерции (общий случай; поступательное движение).
- •4. Определение главного вектора и главного момента сил инерции (вращение вокруг неподвижной оси; плоское движение).
- •5. Решение уравнений кинетостатики. Особенности расчёта плоского механизма. Пример с одноподвижным механизмом.
- •6. Особенности расчёта плоского механизма. Пример с многоподвижным механизмом.
- •7. Применение общего уравнения динамики для силового расчета механизмов (одноподвижных и многоподвижных). Пример с рычажным механизмом.
- •9. Расчет кулачкового механизма методом кинетостатики и с помощью общего уравнения динамики.
- •8. Применение общего уравнения динамики для определения реакции в кинематической паре.
- •10. Трение в кинематических парах. Трение скольжения, качения и верчения. Модель высшей кп с точечным контактом.
- •11. Трение в кинематических парах. Динамические модели поступательной пары в плоском механизме с учетом трения.
- •12. Трение в кинематических парах. Динамические модели вращательной пары в плоском механизме с учетом трения.
- •13. Трение в кинематических парах. Червячная пара.
- •14. Трение в кинематических парах. Винтовая пара.
- •15. Силовой расчёт механизмов с учетом трения в кинематических парах методом последовательных приближений. Пример: кривошипно-ползунный механизм.
- •17. Силовой расчет червячной передачи с учетом трения в вкп. Режимы: тяговый, инверсный тяговый, оттормаживания, самоторможения.
- •18. Определение приведенного момента инерции и приведенного момента сил сопротивления (для рычажного и зубчатого механизма).
- •19. Уравнения Лагранжа 2-го рода для многоподвижного механизма.
- •20. Внутренняя виброактивность механической системы цикловой машины.
- •21. Способы уменьшения возмущающего момента. Разгружатели возмущающего момента и инерционной нагрузки, динамические гасители колебаний.
- •22. Внешняя виброактивность механизма и машины. Уравновешивание механизмов и машины.
- •23. Внешняя виброактивность вращающегося ротора и роторной машины. Уравновешивание роторов.
- •24. Виброактивность плоского механизма. Уравновешивание плоского механизма конструктивным методом и установкой противовесов на звенья.
- •25. Виброактивность плоского механизма. Уравновешивание первых гармоник сил инерции.
- •26. Потери энергии на трение в цикловых механизмах. Кпд механизма.
- •27. Механические характеристики двигателей (пример с электрическим двигателем постоянного тока независимого возбуждения).
- •28. Уравнения движения машины. Режимы движения
- •29. Определение средней угловой скорости установившегося режима движения цикловой машины. Устойчивость и чувствительность установившегося режима движения к изменению нагрузки.
- •30. Определение динамической ошибки цикловой машины в установившемся режиме при учете статической характеристики двигателя. Коэффициент неравномерности вращения.
- •31. Движущий момент в установившемся режиме при учёте статической характеристики двигателя. Влияние неравномерности вращения машины на потери энергии двигателя.
- •32. Динамические нагрузки в передаче в установившемся режиме при учёте статической характеристики двигателя. Способы уменьшения динамических ошибок и динамических нагрузок.
- •33. Влияние динамической характеристики двигателя на установившееся движение машины. Двигательный резонанс.
- •34. Разбег машины с учетом статической характеристики двигателя. Определение закона движения и динамического момента в передаточном механизме.
- •35. Разбег машины с учетом динамической характеристики двигателя. Торможение машины.
14. Трение в кинематических парах. Винтовая пара.
15. Силовой расчёт механизмов с учетом трения в кинематических парах методом последовательных приближений. Пример: кривошипно-ползунный механизм.
В первом приближении связи считают идеальными, силами трения пренебрегают. По найденным реакциям находят силы трения и повторяют силовой расчет, считая силы трения известными. Если силы реакции, найденные во втором приближении, незначительно (10-20 %) отличаются от сил реакций, найденных в первом приближении, то силовой расчет на этом заканчивается. Если требуется большая точность, то вычисляют следующие приближения до тех пор, пока разница между значениями сил реакций, найденных в последующем и предыдущем приближениях, не окажется меньше допустимого значения.
В
качестве примера рассмотрим
кривошипно-ползунный механизм,
изображенный на рис.4.4. Будем считать
массу шатуна 2
пренебрежимо малой (рис.5.8, а);
тогда силы реакций, приложенные к этому
звену в шарнирах А
и В,
и
,
должны быть направлены по линии АВ.
Отметим, что при сделанном допущении
ползун 3
становится статически определимым.
П
ервое
приближение.
Полагая силы трения равными нулю, запишем
уравнения кинетостатики для ползуна 3
(рис.5.8, б):
(5.17)
Здесь
α
– угол наклона звена 2
(и силы реакции
)
к линии перемещения ползуна. Отсюда
найдем силы реакции в первом приближении:
(5.18)
Приняв,
что сила реакции в поступательной паре
,
найдем силу трения F,
действующую на ползун со стороны стойки:
,
(5.19)
где
f
– коэффициент трения в поступательной
паре. Отметим, что, если
,
то контакт ползуна и стойки осуществляется
по нижней плоскости, и сила трения F
приложена так, как показано на рис.5.8,
в.
Если
,
то контакт ползуна и стойки происходит
по верхней плоскости, и там же действует
сила трения F.
Направлена сила трения в любом случае
против относительной скорости движения
ползуна.
Второе
приближение. Составим
уравнения кинетостатики для ползуна,
полагая, что сила трения F,
действующая на ползун со стороны стойки,
известна и равна (5.19), высота ползуна
равна 2h
– см. рис.5.8, в,
а сила реакции
>
0 (направлена вверх).
(5.20)
Отсюда найдем силы реакции во втором приближении:
(5.21)
Из сравнения выражений (5.21) и (5.18) видно, что значения всех сил реакций изменились:
а момент стал ненулевым.
Полагая,
что
,
можно найти силу трения
и, считая ее известной, найти следующее,
третье приближение, и т.д.
Если
сила реакции
,
т.е. направлена вниз, то второе приближение
даст следующий результат:
(5.22)
Сравнивая (5.22) с (5.18), получим:
.
(к+1)-е
приближение.
Можно показать, что нормальная сила
реакции
,
найденная в (к+1)-м
приближении, в случае, когда G3
– (P
+ Ф3)tgα
> 0, определяется по выражению:
.
(5.23)
Из
анализа соотношения (5.23) следует, что
при f
tgα
< 1 разница между силой реакции
,
найденной в к-м
и (к+1)-м
приближениях, уменьшается с ростом к.
Это
соответствует случаю «малого» угла
давления α
и «малого» коэффициента трения f.
При f
tgα
> 1 разница между силой реакции
,
найденной в
к-м
и (к+1)-м
приближениях, с ростом к
увеличивается, а сила реакции R03
на каждом приближении меняет знак. При
f
tgα
= 1 сила реакции
,
найденной в каждом последующем
приближении, равна попеременно то 0, то
.Это
означает, что данный метод при условии
f
tgα
1 неприменим. Схема, соответствующая
этому условию, приведена на рис.5.9.
Е
сли
G3
– (P
+ Ф3)tgα
< 0, т.е.
<
0 (направлена вниз), то несложно получить
выражение:
(5.24)
Из соотношения (5.24) следует, что силу реакции и в этом случае можно найти только тогда, когда ftgα < 1; в противном случае (как на рис.5.9) метод последовательных приближений неприменим.
16. Силовой расчёт механизмов с учетом трения в КП. Решение нелинейных уравнений силового анализа. Пример: кривошипно-ползунный механизм. Режимы: тяговый, инверсный тяговый, оттормаживания, самоторможения.
Силовой расчет сводится к совместному решению уравнений кинетостатики, содержащих силы трения в качестве дополнительных неизвестных, и полученных выше соотношений, являющихся математическими моделями кинематических пар с трением (см. п.5.2). При отсутствии избыточных связей число неизвестных оказывается при этом равным числу уравнений. Нетрудно, однако, заметить, что уравнения математических моделей кинематических пар с трением содержат нелинейные функции от входящих в них компонент реакций (модуль, знак реакции и т.п.); поэтому и полная система уравнений силового анализа оказывается нелинейной.
Нелинейность уравнений вызывает ряд существенных осложнений при их решении. Во-первых, процесс определения решения становится более трудоемким; как будет показано ниже, в ряде случаев приходится многократно решать системы линейных уравнений. Во-вторых, может обнаружиться, что в рассматриваемом положении механизма при заданных кинематических параметрах движения и заданных коэффициентах трения система уравнений силового расчета вообще не имеет решения. С физической точки зрения это означает, что исследуемое движение для данного механизма с трением оказывается невозможным ни при каких значениях движущих сил. В этом случае обычно говорят о заклинивании механизма. Частным случаем заклинивания является эффект самоторможения: механизм невозможно вывести из состояния покоя, какую бы силу ни прикладывать к его входному звену. Увеличение движущей силы вызывает в таком механизме увеличение сил трения, уравновешивающих ее действие. В-третьих, система нелинейных уравнений может иметь и несколько решений; иными словами, при одних и тех же активных силах механизм может совершать заданное движение при различных движущих силах и различных значениях реакций. Обычно это происходит в таких положениях механизма, в которых возможно самоторможение, но активные силы и силы инерции имеют положительную мощность, т.е. «помогают» движущей силе, вызывая эффект «оттормаживания». Выяснить, какое из решений будет соответствовать действительным значения реакций и движущих сил, не удается, если оставаться в рамках исходной динамической модели жесткого механизма.
Р
асчет
плоского рычажного механизма.
Обратимся к тому же кривошипно-ползунному
механизму, что и при рассмотрении первого
метода (см. рис.4.4.). Как и ранее, будем
считать массу шатуна 2
пренебрежимо малой, тогда силы реакций,
приложенные к этому звену в шарнирах А
и В,
и
,
должны быть направлены по линии АВ.
Зная направление силы
,
можно составить независимую систему
уравнений кинетостатики для ползуна
3.
Полагая, что ползун движется влево, т.е.
<
0 и
и используя модель поступательной пары
с трением, описываемую уравнением
(5.10), получаем следующую систему уравнений
кинетостатики для ползуна (рис.5.10):
–R23cosα + (P + Ф3) + fR03signR03 = 0,
R23sinα + R03 – G3 = 0, (5.25)
–R03a + fR03h = 0.
Здесь
а
– расстояние от оси шарнира В
до линии действия силы реакции
,
fR03signR03
=F
– сила трения. В системе уравнений
(5.25) три неизвестных:
R23,
R03,
a.
Из третьего уравнения (5.25) находим: a
= fh.
Из второго уравнения (5.25) выразим R23:
.
Подставляя R23
в первое уравнение (5.25), получим R03:
(5.26)
Это уравнение – нелинейное, так как функция signR03 – нелинейна. Найдем решение этого уравнения при различных соотношениях между α и f, а также G3 и Р + Ф3 . Рассмотрим четыре возможных варианта (табл. 5.3):
Таблица 5.3
|
«малое» трение: f < ctgα |
«большое» трение: f > ctgα |
G3ctgα – (P + Ф3) < 0 |
Вариант 1.1. |
Вариант 1.2. |
G3ctgα – (P + Ф3) > 0 |
Вариант 2.1. |
Вариант 2.2. |
