ЛЕКЦИЯ 4

Краткое содержание: Динамика машин и механизмов. Динамические параметры машины и механизма. Прямая и обратная задачи динамики. Механическая энергия и мощность. Работа внешних сил. Преобразование механической энергии механизмами. Аксиома об освобождения от связей. Силы и их классификация. Силы в КП без учета трения. Статический и кинетостатический силовой расчет типовых механизмов. Методы силового расчета (графоаналитический - планов сил, аналитический - метод проекций на оси координат).

Динамика - раздел механики машин и механизмов, изучающий закономерности движения звеньев механизма под действием приложенных к ним сил. В [ ] дано такое определение: “Динамика рассматривает силы в качестве причины движения тел”.
В основе динамики лежат три закона, сформулированные Ньютоном, из которых следует:
Из первого закона: Если равнодействующая всех внешних сил, действующих на механическую систему равно нулю, то система находится в состоянии покоя.
Из второго закона: Изменение состояния движения механической системы может быть вызвано либо изменением действующих на нее внешних сил, либо изменением ее массы.
Из этих же законов следует, что динамическими параметрами механической системы являются:

• инерциальные (массы m и моменты инерцииI);
• силовые (силы F_ij и моменты сил M_ij);
• кинематические (линейные a и угловые e ускорения).

Прямая задача динамики - определение закона движения системы при заданном управляющем силовом воздействии.
Обратная задача динамики - определение требуемого управляющего силового воздействия, обеспечивающего заданный закон движения системы.
Методы составления уравнений (динамической модели системы):

• энергетический (уравнения энергетического равновесия - закон сохранения энергия);
• кинетостатический (уравнения силового равновесия с учетом сил инерции по принципу Д’Аламбера).

Работой называется интеграл скалярного произведения вектора силы F на вектор элементарного приращения перемещения точки ее приложения dS
где s_k, s₀-конечное и начальное перемещение точки приложения силы F,
( F,dS ) - острый угол между вектором силы F и вектором перемещения точки ее приложения dS.
Энергией называется способность системы совершать работу или запас работы. Любая работа совершаемая над системой увеличивает его энергию. В механических системах различают кинетическую и потенциальную энергии. Чтобы сообщить системе ускорение и заставить ее двигаться с требуемой скоростью, нужно совершить работу. Эта работа запасается системой в виде энергии движения или кинетической энергии. Для механической системы, в которой r звеньев вращаются, p совершают поступательное движение и k - плоское, кинетическая энергия равна:
где m_i - масса i-го звена, V_si - скорость центра масс i-го звена, I_si - момент инерции i-го звена относительно его центра масс, w_i - угловая скорость i -го звена.
Перемещение системы или ее элемента в потенциальном поле из точки с низким потенциалом в точку с более высоким или деформация звена системы требует совершения работы, которая запасается системой в виде потенциальной энергии. Для системы, в которой a звеньев подвергаются скручиванию и s звеньев - линейной деформации, потенциальная энергия деформации равна:
где c_i - крутильная жесткость i -го звена, df_i - угловая деформация i -го звена, k_i - линейная жесткость i -го звена, ds_i - линейная деформация i - го звена.

Мощностью называется производная от работы по времени. Средняя мощность - отношение совершенной работы ко времени ее выполнения. Рассмотрим механическую систему на которую воздействуют m моментов и f сил. Элементарное приращение энергии системы (элементарная работа внешних сил, действующих на систему)

ее мощность

Рассмотрим как преобразуется поток механической энергии в идеальном механизме с жесткими звеньями (по идеальным механизмом здесь понимаем механизм, в котором не потерь энергии, т.е. КПД которого равно h=1). При этом входная мощность равна выходной P_вх = P_вых.
1. Механизм преобразующий вращательное движение во вращательное. Рис. 4.1

так как

2. Механизм преобразующий вращательное движение в поступательное. Рис. 4.2

так как

Из теоретической механики: Не изменяя состояния механической системы (движения или равновесия) связь, наложенную на нее можно отбросить, заменив действие связи ее реакцией. На рис. 4.3а изображена исследуемая система i вместе с действующими на нее входной системой j и выходной системой k и внешней средой l.
Освобождаясь от связей наложенных на исследуемую систему внешними системами, мы заменяем действие этих связей реакциями F_ij , F_ik и F_il.

Силой называется мера механического воздействия одного материального тела на другое, характеризующая величину и направление этого воздействия. Т.е. сила - векторная величина, которая характеризуется величиной и направлением действия. Если одно тело действует с некоторой силой на другое тело, то на него со стороны последнего также действует сила, равная по величине и противоположно по направлению (третий закон Ньютона). Таким образом, силы всегда действуют парами, т.е. каждой силе F_ij , действующей с тела i на тело j, соответствует противодействующая сила F_ji. Согласно действующей договоренности, в индексе обозначения на первом месте указывается тело на которое действует сила, на втором - с которого.

Все силы, действующие в механизмах, условно подразделяются на:

• внешние, действующие на исследуемую систему со стороны внешних систем и совершающие работу над системой. Эти силы в свою очередь подразделяются на:
  • движущие, работа которых положительна (увеличивает энергию системы);
  • сопротивления, работа которых отрицательна (уменьшает энергию системы). Силы сопротивления делятся на:
    • силы полезного (технологического) сопротивления - возникающие при выполнении механической системы ее основных функций (выполнение требуемой работы по изменению координат, формы или свойств изделия и т.п.);
    • силы трения (диссипативные) - возникающие в месте связи в КП и определяемые условиями физико-механического взаимодействия между звеньями (работа всегда отрицательна);
  • взаимодействия с потенциальными полями (позиционные) - возникают при размещении объекта в потенциальном поле, величина зависит от потенциала точки, в которой размещается тело (работа при перемещении из точки с низким потенциалом в точку с более высоким - положительна; за цикл, т.е. при возврате в исходное положение, работа равна нулю). Потенциальное поле - силы тяжести или веса. Существуют электромагнитные, электростатические и другие поля.
• внутренние, действующие между звеньями механической системы. Работа этих сил не изменяет энергии системы. В механических системах эти силы называются реакциями в КП.
• расчетные (теоретические) - силы, которые не существуют в реальности, а только используются в различных расчетах с целью их упрощения:
• силы инерции - предложены Д’Аламбером для силового расчета подвижных механических систем. При добавлении этих сил к внешним силам, действующим на систему, устанавливается квазистатическое равновесие системы и ее можно рассчитывать, используя уравнения статики (метод кинетостатики).
• приведенные (обобщенные) силы - силы. совершающие работу по обобщенной координате равную работе соответствующей реальной силы на эквивалентном перемещении точки ее приложения.

Сила, как векторная величина характеризуется относительно звеньев механизма тремя параметрами: координатами точки приложения, величиной и направлением. Рассмотрим с этих позиций реакции в КП плоских механизмов.

1. Поступательная КП. В поступательной КП связи, наложенные на относительное движение звеньев запрещают относительное поступательное движение по оси y и относительное вращение. Заменяя эти связи реакциями, получим реакцию F_ij и реактивный момент M_ij (см. рис. 4.4). Рис. 4.4
При силовом расчете поступательной КП определяются:

• реактивный момент M_ij,
• величина реакции F_ij

2. Вращательная КП. Во вращательной КП связи, наложенные на относительное движение звеньев запрещают относительное поступательное движение по осям y и x. Заменяя эти связи реакциями, получим реакцию F_ij (см. рис. 4.5). Рис. 4.5
При силовом расчете поступательной КП определяются:

• направление реакцииF_ij;

величина реакции F_ij;

3. Высшая КП. В высшей паре связи,наложенные на относительное движение звеньев, запрещают движение в направлении нормали к контактирующим поверхностям (ось y). Заменяя эту связь реакцией, получим реакцию F_ij (см.рис. 4.5).
При силовом расчете в высшей КП определяются:

• величина реакции F_ij;

Постановка задачи силового расчета: для исследуемого механизма при известных кинематических характеристиках и внешних силах определить уравновешивающую силу или момент (управляющее силовое воздействие) и реакции в кинематических парах механизма.

Виды силового расчета:

• статический - для механизмов находящихся в покое или движущихся с малыми скоростями, когда инерционные силы пренебрежимо малы, или в случаях, когда неизвестны массы и моменты инерции звеньев механизма (на этапах, предшествующих эскизному проектированию); Уравнения статического равновесия:
  где F_i - внешние силы, приложенные к механизму или его звеьям,
  M_i- внешние моменты сил, приложенные к механизму или его звеьям.
• кинетостатический - для движущихся механизмов при известных массах и моментах инерции звеньев, когда пренебрежение инерционными силами приводит к существенным погрешностям; Уравнения кинетостатического равновесия:
  где F_иi-инерционные силы, приложенные к звеньям, M_иi-моменты сил инерции, приложенные к звеньям.
• кинетостатический с учетом трения - может быть проведен когда определены характеристики трения в КП и размеры элементов пар.

Для определения числа неизвестных, а, следовательно, и числа независимых уравнений, при силовых расчетах необходимо провести структурный анализ механизма и определить число и классы кинематических пар, число основных подвижностей механизма, число избыточных связей. Чтобы силовой расчет можно было провести, используя только уравнения кинетостатики, необходимо устранить в нем избыточные связи. В противном случае, к системе уравнений кинетостатики необходимо добавить уравнения деформации звеньев, необходимые для раскрытия статической неопределимости механизма. Так как каждая связь в КП механизма соответствует одной компоненте реакции, то число неизвестных компонент реакций равно суммарному числу связей накладываемых КП механизма. Уравновешивающая сила или момент должны действовать по каждой основной подвижности механизма. Поэтому суммарное число неизвестных в силовом расчете определяется суммой связей в КП механизма и его основных подвижностей
где n_s- число неизвестных в силовом расчете.

Рассмотрим механизм, состоящий из трех соединенных последовательно простых механизмов: зубчатой передачи, кулачкового механизма и четырехшарнирного рычажного механизма (рис. 4.6).
Представим этот механизм в виде комбинации типовых механизмов: Рис. 4.7
1.Кинетостатический расчет зубчатой передачи (метод планов сил).
Для примера рассмотрим цилиндрическую эвольвентную зубчатую передачу. При проведении расчета нам необходима информация о размерах зубчатых колес и положении контактной нормали в высшей КП. Для эвольвентной передачи необходимо знать радиусы основных r_b1 ,r_b2или начальных окружностей r_w1 ,r_w2, и угол зацепления a_w, т.к r_bi =r_w1 ?cos a_w . По этим размерам в масштабе изображается кинематическая схема механизма, на которую наносятся все известные силы и моменты. Главные вектора и моменты сил инерции рассчитываются по формулам

так как кинематические параметры a_Si, e_i механизма при кинетостатическом расчете заданы.
Определим подвижность, число избыточных связей в механизме, а также число неизвестных в силовом расчете:
т.е в нашем механизме неизвестно 6 компонент реакций, для решения задачи силового расчета необходимо составить 6 уравнений кинетостатики. Структурный анализ механизма показывает что механизм состоит из одного первичного механизма (звено 1 и стойка) и монады (структурной группы, состоящей из одного звена 2). Анализ начнем со второго звена, так как о нем больше известно.
Расчетная схема для звена 2 приведена на рис. 4.9. Рис. 4.8
>Уравнения равновесия для звена 2: векторное уравнение силового равновесия

уравнение моментов относительно точки В Рис. 4.11

Вначале решается уравнение моментов и определяется величина силы F₂₁. Затем графически в масштабе m_F, по векторному уравнению сил строится многоугольник (рис.4.10), из которого определяется величина и направление реакции F₂₀.

2.1. Звено 1.
Расчетная схема для звена 1 приведена на рис. 4.11.
Уравнения равновесия для звена 1: векторное уравнение силового равновесия

уравнение моментов относительно точки А Рис. 4.11

Для звена 1 движущий момент M_д1рассчитывается по уравнению моментов, а величина и направление реакции F₁₀ определяется графически (рис.4.12), построением плана сил в масштабе m_F.

Примечание: Кулачковый механизм рассчитывается аналогично, поэтому его силовой расчет не рассматриваем.

Изобразим расчетную схему механизма и нанесем на нее все внешние силы и моменты (рис.4.13). Рис. 4.13

Постановка задачи.
Дано: >l_i, j₃, w₃, e₃, m_i, I_si, M_c5.
Определить:F_ij, M_д3.

1. Определение подвижности механизма, числа избыточных связей в КП и числа неизвестных в силовом расчете.

2. Определение скоростей и ускорений звеньев и центров их масс.

3. Определение главных векторов и главных моментов сил инерции.

4. Кинетостатический расчет механизма.

4.1 Звено 5 (рис. 4.14).
Уравнения силового равновесия в проекциях на оси координат
и сумма моментов сил относительно точки L

4.2 Звено 4. (рис. 4.15).
Уравнения силового равновесия в проекциях на оси координат
и сумма моментов сил относительно точки Q

4.3 Звено 4. (рис. 4.16).

Уравнения силового равновесия в проекциях на оси координат
и сумма моментов сил относительно точки C

Таким образом мы составили систему 9-и уравнение с 9-ю неизвестными. При составлении этой системы были учтены равенства действия и противодействия F_ij = - F_ji ( без учета этих равенств общее число неизвестных и уравнений системы 18 ). Составим матрицу этой системы:

Из решения этой системы уравнений определяются реакции в КП и движущий момент М_д3

Примечание: Более подробно с силовым расчетом рычажных механизмов Вы познакомитесь на упражнениях и при выполнении 2-го домашнего задания.