книги / Теория механизмов и машин. Ч. 1

14. Выходное звено совершает вращательное движение. При действующем на него моменте сил М определить отношение времени, когда оно является ведомым, ко времени, когда оно – ведущее.

41

Лекция 4 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Содержание: общие положения графоаналитического метода кинематического исследования; кинематический анализ плоских рычажных механизмов.

Ключевые слова: кинематика; полюс, план скоростей и ускорений.

4.1. Общие положения графоаналитического метода (метода планов)

Применяют тогда, когда известна кинематическая схема механизма в данном положении и закон движения начального звена (начальных звеньев).

Обычно считается, что для начального звена в виде кривошипа частота вращения nн = const, а для поступательно движущегося начального звена линейная скорость Vн = const.

С помощью векторной алгебры строятся планы скоростей и ускорений. План скоростей (ускорений) − геометрическое место точек, характеризующее по величине и направлению скорости (ускорения) точек звеньев. Точка плана, скорость (ускорение) которой равна нулю − полюс плана. Все векторы, исходящие из полюса, соответствуют абсолютным скоростям (ускорениям), а векторы, соединяющие промежуточные точки планов, характе-

ризуют относительные скорости (ускорения).

Векторные уравнения метода планов составляются в порядке присоединения структурных групп к начальному звену (начальным звеньям) и к стойке на основе ряда соотношений и свойств кинематики плоского движения твердого тела.

При этом следует придерживаться следующих свойств кинематики звеньев.

1. В случае простого непоступательного движения звена, которому принадлежат т. A и B (рис. 4.1, а),

аб

Рис. 4.1. Непоступательное движение звеньев: а – простое; б – переносное

42

где VB , VA и VBA − соответственно векторы абсолютных скоростей т. A и B и относительной скорости т. B вокруг т. A; aB и aA − векторы абсолютных ускорений т. B и A; aBAn и aBA − векторы нормального и тангенциального ус-

корений т. B относительно т. A.

2. Для звена i, совершающего непоступательное переносное движе-

ние, по которому поступательно перемещается звено j (рис. 4.1, б),

ного ускорения т. Ai относительно т. Aj.

В случае когда движение звена i поступательное, aAki Aj 0 , иначе по

величине aAki Aj 2VAi Aj i . Направление вектора определяется поворотом VAi Aj

плана скоростей на 90 по направлению i.

3. Величина угловой скорости для звена, совершающего непоступательное движение, Vотн l , где Vотн − значение относительной скорости [м/с],

а l − длина звена [м]. Например, для рис. 4.1, а BA VBA lBA .

Направление угловой скорости звена определяется путем переноса вектора относительной скорости в ту точку звена схемы механизма, для которой записаны векторные уравнения, и поворотом этого вектора вокруг точки, относительно которой рассматривается движение (т. А, рис. 4.1, а). Аналогичным образом определяется величина и направление углового уско-

рения звена: BA aBA lBA (см. рис. 4.1, а).

4. Теорема подобия. Фигура кинематической схемы, образованная со-

единением точек одного и того же звена, подобна фигуре, образованной соединением одноименных концов векторов скоростей (ускорений) плана. Направле-

нияобходаполученныхфигурсхемыипланадолжныбытьодинаковыми. Методика определения скоростей и ускорений рассматривается на кон-

кретных примерах в последующих материалах лекции.

43

4.2.Кинематический анализ механизма шарнирного четырехзвенника

Формула строения: I → II1 (звенья 2 и 3) (рис. 4.2, а).

Рис. 4.2. Планы шарнирного четырехзвенника: а – скоростей; б – ускорений

Порядок расчетов и построений следующий.

Построение плана скоростей

а) Угловая скорость кривошипа: AB nAB 1 const [с–1].

30

б) Скорость т. В: VB 1 l1 [м с–1]. Вектор скорости VB перпендикулярен

отрезку AB схемы и направлен в сторону вращения кривошипа.

Выбирают произвольную точку p – полюс. Vp 0 . Из т. р проводят век-

где VCB – вектор скорости т. С в ее движении относительно т. В (VCB CB ); VCD – вектор относительной скорости т. С вокруг D (VCD CD ).

Величины этих векторов неизвестны.

Скорости концевых элементов группы VB =VD 0 известны. Согласно

первому уравнению системы (4.3) из т. b проводят луч CB схемы, а согласно второму уравнению (4.3) из т. р – луч CD . Пересечение лучей дает точку c – конец вектора VC (см. рис. 4.2, а).

44

Вектор aB направлен по звену АВ к центру вращения – к т. A. Выбирают

точку π – полюс. a aD 0 . Из т. π проводят вектор b , изображающий aB

(рис. 4.2, б). Длина отрезка (πb) выбирается произвольной, масштабный ко-

тельно т. D, направленное вдоль звена СD от С к D [м с–2]; aCD – тангенциальное ускорение т. C относительно т. D ( aCD CD ).

45

С учетом уравнений системы (4.4), значений (bn1), (πn1) и их направлений достраивают план ускорений. Соединив полученную точку с с полюсом

π, получают вектор с, соответствующий aC (см. рис. 4.2, б).

aC c a [м с–2]; aCB n1c a [м с–2]; aCD n2c a [м с–2].

в) Ускорение т. S находят, соединив т. с и b: cbcs CBCS ; aS s a [м с–2].

Направление 2 и 3 определяется установкой векторов aCB и aCD в т. С

схемы по методике, рассмотренной выше, для определения угловых скоростей (см. рис. 4.2, б).

4.3. Кинематический анализ кривошипно-ползунного механизма

Формула строения: I → II2 (рис. 4.3, а)

Построение плана скоростей

а) AB nAB 1 const [с–1].

30

Рис. 4.3. Планы кривошипно-ползунного механизма: а – скоростей; б – ускорений

46

где VCB – вектор относительной скорости т. С вокруг т. B, VCB CB ; VCx 0 – скорость неподвижной т. Cx направляющей х-х; VCCx – вектор скорости т. С относительно направляющей (VCСx х-х).

По 1-му уравнению (4.5) из т. b проводят луч CB ; по 2-му уравнению (4.5) из cx проводят луч х-х. На пересечении лучей получается т. c (см.

рис. 4.3, а):

Для определения скорости т. k на плане скоростей строят треугольникbkc ~ BKC схемы. При этом соблюдается идентичность направлений об-

от B к A. Отрезок (πb) откладывают от полюса π (рис. 4.3, б). Масштабный ко-

47

Cx и вместе с ней ( aCCk x 2VCCx x x 2VCCx 0 0 ); aCCr x – относительное ускорение т. C относительно Cx ( aCCr x х-х); aCBn – соответствует отрезок (bn1), длина которого равна aCBn / a [мм].

По 1-му уравнению (4.6) из точки b плана проводят bn1 BC (от C к B), затем из т. n1 проводится луч BC (направление aCB ). По 2-му уравнению (4.6) так как aCx a 0 aCCk x , то из точки π проводят луч х-х (направление

ляется по ранее рассмотренному правилу.

Ускорения точек S и K определяются из подобия так же, как и при построении плана скоростей: aS s a [м с–2]; aK k a [м с–2].

4.4. Кинематический анализ кулисного механизма

Формула строения: I → II3 (рис. 4.4, а).

а б

Рис. 4.4. Планы кулисного механизма: а – скоростей; б – ускорений

Построение плана скоростей

а) Для этого механизма (рис. 4.4) рассматриваются точки B1, B2, B3, при-

48

Из полюса р плана скоростей проводят вектор pb1 AB (см. рис. 4.4, а), соответствующий VB1 .

скорости т. В3 вокруг т. C, VB3C B3C .

По первому уравнению (4.7) из т. b2 плана скоростей проводят луч, параллельный кулисе B3C, а по второму уравнению системы (4.7) из полюса р – луч, перпендикулярный B3C (т. р и c совпадают, так как VC Vp 0 ). На пе-

49