Силы, действующие на механизм

При силовом расчете механизмов обычно предполагается, что заданы законы движения ведущих звеньев, хотя бы в первом прибли­жении, и часть внешних сил.

Основными силами, определяющими характер движения механизма, являются движущие силы, совершающие положительную работу, и силы полезного (производственного) сопротивления, возникающие в процессе выполнения механизмом полезной работы и совершающие отрицательную работу. К движущим силам относятся: сила давления рабочей смеси на поршень цилиндра двигателя внутреннего сгорания, момент, развиваемый электродвигателем на ведущем валу насоса или компрессора, и т. д. Силы полезного сопротивления — это те силы, для преодоления кото­рых предназначен механизм. Такими силами являются: силы сопротив­ления резанию в токарном станке, сопротивления ткани проколу иглы в швейной машине и т. д. Кроме этих сил необходимо учитывать также силы сопротивления среды, в которой движется механизм, и силы тяжести звеньев, производящие положительную или отрицательную работу в зависимости от направления движения центра тяжести зве­ньев — вниз или вверх. Напомним, что силой тяжести (силой веса) называют равнодействующую силы притяжения Земли и центробежной силы, возникающей при вращении тела вместе с Землей. Сила тяжести звена равна:

() - ускорение свободного падения.

Сила тяжести направлена вниз и прикладывается в центре тяжести звена.

Замечание: В некоторых заданиях на курсовой проект центр тяжести звеньев бывает задан. Если он не задан, то считать, что для всех звеньев (кроме кривошипа) центр тяжести находится на середине звена. Кривошип считаем однородным диском с центром тяжести, совпадающим с осью диска, т.е. сила тяжести приложена к шарниру, связывающему кривошип со стойкой.

При силовом расчете меха­низма в курсовом проекте силы полезного сопротивления должны быть заданы. Эти силы обычно задаются в виде так называемых механи­ческих характеристик.

Механической характеристикой двигателя или рабочей машины называют зависимость момента, приложенного к ведомому валу двига­теля или к ведущему валу рабочей машины, от одного или нескольких кинематических параметров. Механические характеристики опреде­ляют экспериментальным путем или же при помощи различных мате­матических расчётов. Механическая характеристика технологической машины может быть также задана в виде зависимости рабочего усилия на звене, связанном с инструментом, от величины рабочего хода этого звена.

а) в)

с)

Рис.1 Пример механических характеристик сил полезного сопротивления.

а) транспортировка, в) и с) вырубание изделий.

В курсовом проекте механические характеристики даны в задании в виде диаграмм изменения рабочего усилия от перемещения ползуна механизма, связанного с инструментом (рис.1).

Для определения силы полезного сопротивления необходимо вычертить в масштабе диаграмму, заданную в задании, зависимости полезной силы сопротивления от положения ползуна (рис.2). Откладываем по оси ординат заданное максимальное значение силы сопротивления , а по оси абсцисс максимальный ход ползуна , взятый из диаграммы перемещений ползуна. Далее из диаграммы необходимо найти положение ползуна для заданного положения механизма и отложив его на диаграмме сил сопротивления найти полезную силу сопротивления для рассчитываемого положения механизма.

Так, например, определим силу полезного сопротивления в диаграмме с) (рис.1) для 4-го положения рабочего хода механизма (рис.2).

Рис. 2. Определение силы полезного сопротивления с помощью заданной диаграммы.

При выполнении кинематического анализа механизма была построена диаграмма перемещения ползуна F в зависимости от положения кривошипа. Максимальное значение по оси ординат - максимальный ход ползуна. Значение по оси ординат, соответствующее 4-му положению рабочего хода механизма .

На диаграмме сил полезных сопротивлений откладываем по оси абсцисс значение и находим значение для этого положения по оси ординат .

Сила полезного сопротивления для 4-го положения рабочего хода будет равна:

Замечание: Так как в курсовом проекте силовой анализ выполняется только в двух положениях, то допускается принимать в заданном положении рабочего хода максимальную силу полезного сопротивления, а на холостом ходу – силу полезного сопротивления равную нулю.

При работе механизма в результате действия всех приложенных к его звеньям указанных сил в кинематических парах возникают реак­ции, которые непосредственно не влияют на характер движения меха­низма, но на поверхностях элементов кинематических пар вызывают силы трения. Эти силы являются силами вредного сопротивления. На данном этапе проектирования механизма (если нет специальных указаний в задании) силами трения в силовом анализе пренебрегаем.

Реакции в кинематических парах возникают не только вследствие воздействия внешних задаваемых сил на звенья механизма, но и вслед­ствие движения отдельных масс механизма с ускорением. Силы, возникающие в результате движения звеньев механизма с ускорением, называют силами инерции.

Основная задача кинетостатического анализа (расчета) состоит в определении реакций в кинематических парах механизмов или, иначе говоря, дав­лений, возникающих в местах соприкосновения элементов кинематических пар, а также в определении уравновешивающих моментов или уравновешивающих сил. Под последними обычно понимают те неиз­вестные и подлежащие определению силы или моменты, приложенные к ведущему звену, которые уравновешивают систему всех внешних сил и пар сил и всех сил инерции и пар сил инерции.

Если механизм имеет несколько степеней свободы, то для его рав­новесия необходимо столько уравновешивающих сил или пар сил, сколько имеется степеней свободы. В механизме, обладающем одной степенью свободы, уравновешивающей силой является одна сила или пара сил, приложенная к ведущему звену.

В теории механизмов и машин весьма широкое применение полу­чил так называемый кинетостатический метод силового расчета меха­низмов. Этот метод, как известно из курса теоретической механики, состоит в следующем. Если к точкам несвободной системы вместе с задаваемыми силами приложить силы инерции, то совокупность этих сил уравновешивается реак­циями связей. Этот прием, несмотря на свою условность, обладает тем важным для практики преимуществом, что позволяет свести решение задач динамики к решению задач статики (принцип Д’Аламбера). Это имеет место, когда по­ставленная задача относится к первой задаче дина­мики, т. е. задачи об определении сил по известному движению звеньев механизма.