- •Основы механики машин и проектирования механизмов Учебное пособие
- •Введение
- •Современный машинный агрегат
- •1.Структура механизмов
- •1.1. Основные понятия и определения в теории механизмов и машин
- •1.2. Классификация кинематических пар
- •1.3.Структура и кинематика плоских механизмов
- •1.4.Структурная формула кинематической цепи общего вида
- •1.5.Структурная формула плоских механизмов
- •1.6.Пассивные связи и лишние степени свободы
- •1.7.Замена в плоских механизмах высших кинематических пар низшими
- •1.8.Классификация плоских механизмов
- •1.9.Структурные группы пространственных механизмов
- •2.Анализ механизмов
- •2.1.Кинематический анализ механизмов
- •2.1.1.Определение положений звеньев плоской незамкнутой кинематической цепи
- •2.1.2.Матричная форма уравнения преобразования координат точек звеньев
- •2.1.3.Определение положений, скоростей и ускорений звеньев пространственных механизмов
- •2.1.4.Графическое определение положений звеньев механизма и построение траектории
- •2.1.5.Определение скоростей и ускорений точек звеньев методом планов
- •2.1.6.Свойство планов скоростей
- •2.1.7.Построение плана скоростей и ускорений кулисного механизма
- •2.1.8.Аналоги скоростей и ускорений
- •2.2.Силовой анализ механизмов
- •2.2.1.Условие статической определимости кинематических цепей
- •2.2.2.Силы, действующие на звенья механизма
- •2.2.3.Силы инерции звена, совершающего возвратно-поступательное движение
- •2.2.4. Силы инерции звена, совершающего вращательное движение вокруг неподвижной оси
- •2.2.5.Силы инерции звена, совершающего плоское движение
- •2.3.Определение реакций в кинематических парах групп Ассура
- •2.3.1.Силовой расчет начального звена
- •2.4.Движение машин и механизмов под действием приложенных сил
- •2.4.1.Характеристика сил, действующих на звенья механизма
- •2.5.Приведение сил и масс в плоских механизмах
- •2.6.Методы интегрирования уравнения движения машинного агрегата
- •2.7.Регулирование неравномерности движения машин и механизмов
- •2.7.3.Метод н.И. Мерцалова (приближенный метод)
- •2.7.4.Метод б.М. Гутьяра (точный метод)
- •2.7.5.Определение момента инерции маховика (метод ф. Виттенбауэра)
- •2.8.Уравновешивание механизмов
- •2.8.1.Уравновешивание вращающихся звеньев
- •2.8.2.Уравновешивание механизмов
- •2.8.3.Статическое уравновешивание масс плоских механизмов
- •2.8.4.Приближенное статическое уравновешивание масс плоских механизмов
- •3.Пример выполнения структурного, кинематического и силового анализа плоского рычажного механизма
- •3.1.Исходные данные
- •3.2. Динамический синтез рычажного механизма
- •3.2.1.Построение схемы механизма
- •3.2.2.Структурный анализ
- •3.2.3.Построение повернутых планов скоростей
- •3.2.4.Приведение внешних сил
- •3.2.5.Определение работы приведенного момента.
- •3.2.6.Определение величины работы движущего момента
- •3.2.7.Определение приращения кинетической энергии
- •3.2.8.Определение приведенного момента инерции
- •3.2.9.Определение момента инерции маховика.
- •3.3.Динамический анализ рычажного механизма
- •3.3.1. Определение углового ускорения кривошипа
- •3.3.2.Построение планов скоростей и ускорений
- •4.Синтез механизмов
- •4.1.Постановка задачи синтеза механизмов
- •4.1.1.Задачи синтеза механизмов. Требования экономики, охраны труда и окружающей среды, учитываемые при синтезе механизмов
- •4.1.2.Входные и выходные параметры синтеза
- •4.1.3.Основные дополнительные условия синтеза
- •4.1.4.Целевая функция
- •4.1.5.Ограничения
- •4.1.6. Математическая постановка задачи синтеза механизма
- •4.2.Математические методы в синтезе механизмов
- •4.2.1.Методы оптимизации механизмов с применением эвм
- •4.2.2.Случайный поиск
- •4.2.3.Направленный поиск
- •4.2.4.Штрафные функции
- •4.2.5.Метод внутренних штрафных функций (метод барьеров)
- •4.2.6.Локальный и глобальный экстремумы
- •4.2.7.Комбинированный поиск
- •4.3.Методы теории приближения функций в синтезе механизмов
- •4.3.1.Необходимость использования в синтезе механизмов приближенных методов
- •4.3.2.Сведения из теории приближения функций
- •4.3.2.1.Квадратичное приближение функций
- •4.3.2.2.Наилучшее приближение функций
- •4.3.3.Постановка задачи приближенного синтеза механизмов по Чебышеву
- •4.4.Синтез четырехзвенных механизмов с низшими парами
- •4.4.1.Постановка задачи синтеза передаточного шарнирного четырехзвенника
- •4.4.2.Вычисление трех параметров синтеза
- •4.4.3.Коэффициент изменения средней скорости выходного звена механизма
- •4.4.4.Синтез шарнирного четырехзвенника по коэффициенту увеличения средней скорости коромысла
- •4.5.Синтез направляющих механизмов и мальтийских механизмов
- •4.5.1.Точные направляющие механизмы
- •4.5.2.Методы синтеза приближенных направляющих механизмов
- •4.5.3.Механизмы Чебышева
- •4.5.4.Теорема Робертса
- •4.5.5.Мальтийские механизмы
- •5.Механизмы с высшими парами
- •5.1.Зубчатые механизмы
- •5.1.1.Общие сведения. Основная теорема зацепления.
- •5.1.2.Геометрические элементы зубчатых колес
- •5.2.Методы изготовления зубчатых колес
- •5.2.1.Передаточное отношение
- •5.3.Планетарные и дифференциальные механизмы
- •5.4.Кулачковые механизмы
- •5.4.1.Виды кулачковых механизмов
- •5.4.2.Проектирование кулачковых механизмов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение 1
- •Приложение 2
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
5.4.Кулачковые механизмы
5.4.1.Виды кулачковых механизмов
Во многих отраслях техники получили широкое распространение кулачковые механизмы. Принципиальная схема кулачкового механизма показана на рис. 5.18.
Рис. 5.117
Кулачок 1 вращается относительно оси О; ролик 2 соприкасается с поверхностью кулачка и приводит в движение толкатель 3, который имеет направляющую 4.
В приборах с небольшими нагрузками применяют остроконечный толкатель без ролика. Кроме прямолинейно движущегося толкателя выходным звеном может быть коромысло О1А (рис. 5.19), которое вращается относительно закрепленной на стойке точки. Непрерывный контакт ролика с профилем кулачка может быть обеспечен внешней силой (пружиной и др.), приложенной к толкателю – силовое замыкание. Геометрическое замыкание обеспечивается выполнением в кулачке паза, в котором движется ролик.
Рис. 5.118
Кулачковые механизмы используются и как управляющие механизмы (например, управляющие работой клапанов), и как силовые, создающие крутящий момент на валу кулака (например, кулачковые разгружатели возмущающего момента). Основными входными параметрами синтеза являются функция положения толкателя или создаваемый кулачковым разгружателем крутящий момент; дополнительными параметрами синтеза – максимально допустимый угол давления в высшей кинематической паре [α] или минимально допустимый радиус кривизны профиля кулака ρmin. Выходными параметрами синтеза являются размеры кулачкового механизма и координаты профиля кулака.
5.4.2.Проектирование кулачковых механизмов
При проведении синтеза кулачковых механизмов можно выделить три этапа:
Выбор закона движения толкателя (или функции положения; обычно ее записывают в виде: s = s (q), где s – перемещение толкателя, рис. 5.20);
Определение минимальных размеров механизма (радиуса начальной шайбы r0, эксцентриситета е);
Определение профиля кулака.
Рис. 5.119
Рассмотрим более подробно эти этапы.
I этап. В законе движения толкателя можно выделить в общем случае четыре фазы, которые представлены на циклограмме (рис. 5.21): удаления, дальнего стояния, возвращения и ближнего стояния. На фазе удаления происходит перемещение толкателя из самого ближнего к кулаку положения. На фазе возвращения толкатель возвращается в ближнее положение. На фазах дальнего и ближнего стояния перемещения толкателя не происходит. Выбор закона движения толкателя проводится для фаз удаления и возвращения.
Рис. 5.120
Четырем фазам соответствуют углы поворота кулака: qI, qII, qIII, qIV. В некоторых механизмах (например, кулачковых разгружателях) фаза qII или qIV может оказаться равной 0. Углы qI, qII, qIII, qIV обычно определяются технологическим процессом, для которого проектируется механизм, и поэтому являются заданными. Также заданным является ход толкателя – Smax.
Обычно выбирают не саму функцию s(q), а ее вторую производную – аналог ускорения . Самая простая функция – ступенчатая (рис. 5.22, а). Рассмотрим ее.
Введем единичную функцию :
. (5.16)
Рис. 5.121
Тогда можно записать в следующем виде:
(5.17)
Здесь С1 и С2 – постоянные интегрирования, которые найдем из начальных условий:
.
Отсюда С1 = 0, С2 = 0. Для отыскания амплитуды а0 воспользуемся условием: s(qI) = smax, следовательно:
(5.18)
Зная амплитуду а0, можно построить графики функций s(q) и (рис. 5.23, б, в).
Недостаток рассмотренного закона – скачок аналога ускорения (и, следовательно, ускорения) при q = 0, q = qI/2 и q = qI, что приводит к скачкообразному изменению сил инерции толкателя в этих положениях и появлению ударной нагрузки на механизм. Скачкообразное изменение ускорения называют мягким ударом. (Существует понятие и жесткого удара, при котором скачкообразно изменяется скорость толкателя, при этом ускорение стремится к бесконечности.) Для избежания ударной нагрузки используют синусоидальный закон изменения аналога ускорения (рис. 5.23).
Обозначив амплитуду аналога ускорения а0, запишем в виде:
(5.19)
Найдем постоянные интегрирования из условий: . Отсюда следует, что С2 = 0, . Подставляя значение С1, перепишем аналог скорости в виде:
(5.20)
Рис. 5.122
Максимальный ход толкателя s = smax будет в конце участка удаления, т.е. при q = qI. Подставляя s(qI) = smax в выражение для перемещения толкателя, получим значение амплитуды a0:
. (5.21)
Из сравнения выражений (5.21) и (5.18) видно, что безударная работа кулачкового механизма достигается за счет увеличения амплитуды а0 в /21,57 раза.
II этап. Определение минимальных размеров кулачкового механизма.
Рассмотрим пример с остроконечным поступательно движущимся толкателем (рис. 5.24, а). В таком механизме надо выбрать минимальный радиус r0 начальной шайбы и эксцентриситет e (расстояние от линии действия толкателя до оси вращения кулака). В этом механизме уменьшение радиуса r0 приводит к увеличению угла давления ; при большом угле давления возможно заклинивание механизма. Поэтому минимальные размеры механизма выбирают из условия ограничения «сверху» угла давления.
Рис. 5.123
Рассмотрим графический метод. Исключая q из полученных функций s(q) и , построим в координатах две кривые, называемые характеристиками угла давления: в первой четверти – для фазы возвращения, а во второй – для фазы удаления (рис. 5.24, б). Отметим, что аналог скорости толкателя для вращающегося кулака и поступательно движущегося толкателя измеряется в единицах длины, так же, как и перемещение толкателя s(q). Масштаб по осям s и должен быть одинаковым!
Обозначим: [у], [в] – допустимые углы давления на фазе удаления и возвращения соответственно. Проведем касательные к характеристикам угла давления под углами к вертикальной оси: [у] – на фазе удаления, [в] – на фазе возвращения. Касательные пересекутся в некоторой точке О. Если радиус начальной шайбы выбрать равным длине отрезка ОО1, а эксцентриситет е – равным расстоянию от точки О до вертикальной оси (рис. 5.24, б), то получим минимально возможные размеры, при которых ни одно значение угла давления на фазе удаления и на фазе возвращения не превышает допустимых [у] и [в], причем в двух положениях максимальные значения углов давления равны [у], [в] (а именно в тех положениях, в которых касательные соприкасаются с характеристиками угла давления). Если начало отрезка r0 выбрать в заштрихованной области, то радиус начальной шайбы кулака увеличится, а максимальные значения угла давления уменьшатся. Поэтому, в частности, округлять значение r0 следует в большую сторону.
Рассмотрим пример кулачкового механизма с плоским толкателем. В таком механизме угол давления всегда постоянный, в частности, равен 0, как на рис. 5.25, а, поэтому внутренние условия передачи сил благоприятные, опасности заклинивания нет.
Рассмотрим графический метод определения радиуса начальной шайбы. Можно показать, что радиус кривизны ρА в точке контакта А определяется следующей суммой (рис. 5.25, а):
(5.22)
Чтобы выполнялось условие ρА > 0, надо, чтобы
. (5.23)
Для того чтобы минимальный радиус кривизны кулака , надо увеличить r0 на длину ρmin; тогда условие (5.23) перепишется в виде:
. (5.24)
Рис. 5.124
Аналог ускорения толкателя при вращающемся кулаке и поступательно движущемся толкателе измеряется в единицах длины, так же, как и перемещение толкателя s(q). Для графического определения r0, удовлетворяющего условию (5.23), необходимо выполнить следующие построения. Из функций s(q) и исключается q и строится кривая в координатах (рис. 5.6, б), причем масштаб осей выбирается одинаковым. Под углом 450 проводится касательная к отрицательной части кривой. Откладывая вниз от точки пересечения касательной с вертикальной осью отрезок, равный ρmin, получаем точку О. Выбирая радиус r0 больше, чем длина отрезка ОО1, мы получим выполнение условия (9) в любой точке профиля кулака.
III этап. Определение профиля кулака.
Рассмотрим пример с остроконечным толкателем. Предварительно были найдены: s(q), r0, e. Требуется найти профиль кулака, т.е. положение точки контакта А кулака и толкателя в локальной системе координат х10у1, связанной с кулаком (рис. 5.26). Эти данные вводятся в станок с ЧПУ для изготовления кулака.
Рис. 5.125
Введем векторы-столбцы:
. (5.25)
и матрицу перехода во вращательной кинематической паре О:
. (5.26)
По аналогии с пространственными механизмами запишем выражение для перехода от локальной системы координат х10у1 к неподвижной системе координат х0у:
. (5.27)
Отсюда найдем :
. (5.28)
Матрица перехода H01(q) является ортогональной; для нее справедливо:
, (5.29)
где – транспонированная матрица. С учетом (5.29) раскроем выражение (5.28):
(5.30)
Для замены трения скольжения на трение качения остроконечный толкатель снабжают роликом (рис. 5.27).
В этом случае расчетный профиль (его называют теоретическим) заменяют на эквидистанту (отстающую от теоретического профиля на радиус ролика rp кривую), называемую рабочим профилем. Радиус ролика rp выбирают из условия:
. (5.31)
В этом случае вектор-столбец неподвижных координат точки контакта А примет следующий вид:
. (5.32)
Рис. 5.126
Получим выражение для профиля кулака с роликовым толкателем:
(5.33)
Угол давления α в каждом положении может быть найден по следующей формуле, полученной из геометрических построений (рис. 5.28):
. (5.34)
В кулачковом механизме с плоским толкателем (рис. 5.11) изменится только вектор-столбец неподвижных координат точек контакта А:
. (5.35)
Рис. 5.127
Тогда локальные координаты кулака, взаимодействующего с плоским толкателем, равны:
. (5.36)
При расчете кулачкового механизма на разных этапах использовались графические и аналитические методы. В этом нет противоречия, т.к. графический метод использовался при определении минимальных размеров, где не требуется высокая точность (полученные результаты округляются); аналитические методы использовались при интегрировании закона движения и при профилировании кулака, где от точности вычислений зависит точность воспроизведения заданного закона движения.