План скоростей механизма и его свойства

План скоростей желательно строить рядом с планом механизма (рис. 2). Предварительно рассчитывается скорость точки А кривошипа:

, м/с.

Затем выбирается масштаб плана скоростей m_ по соотношению:

, ,

где _A – скорость точки А, м/с;

P_Va – длина отрезка, изображающего на будущем плане скоростей скорость V_A, выбирается произвольной длины в мм; при выборе желательно придерживаться условий: во-первых, план скоростей должен размещаться на отведённом месте чертежа, во-вторых, численное значение масштаба _ должно быть удобным для расчётов (_ должно быть круглым числом).

После этого можно приступать к построению плана скоростей механизма. Его следует проводить в последовательности, соответствующей написанию векторных уравнений (1) и (2).

Сначала проводится из произвольно выбранной рядом с планом механизма точки Р_ (полюса плана скоростей) вектор скорости V_А, который перпендикулярен отрезку ОА на плане механизма и имеет длину P_Va, выбранную нами при определении масштаба плана скоростей m_u. Затем через точку a проводится линия, перпендикулярная отрезку АВ плана механизма, а через полюс P_V – линия, перпендикулярная отрезку ВС. Пересечение этих линий даёт точку b. В соответствии с векторными уравнениями (1) и (2) на построенном плане наносятся направления (стрелки) векторов V_В и V_ВА.

Определим скорость точки К, принадлежащей шатуну. Для неё можно записать векторные уравнения скоростей:

V_К = V_А + V_КА,

V_К = V_В + V_КВ,

где вектор скорости V_КА перпендикулярен отрезку АК на плане механизма, а вектор V_КВ – отрезку КВ.

Построением этих векторных уравнений получаем точку k на плане скоростей. При этом из точки a плана скоростей проводим линию, перпендикулярную отрезку АК, а через точку b плана скоростей – линию, перпендикулярную отрезку ВК плана механизма. Величину скорости точки К можно вычислить по формуле

V_К = (Р_Vk)_V,

где Р_Vk – длина соответствующего вектора на плане скоростей.

Можно заметить, что треугольники на плане скоростей и плане механизма подобны:

,

так как стороны их взаимно перпендикулярны. Это свойство можно использовать для определения скорости любой другой точки, принадлежащей какому-либо звену механизма. Отсюда следует теорема подобия: отрезки относительных скоростей на плане скоростей образуют фигуру, подобную фигуре соответствующего звена на плане механизма. Стороны фигур взаимно перпендикулярны.

Угловые скорости шатуна 2 и коромысла 3 рассчитываются по формулам

, c^-1,

, c^-1.

Направления угловых скоростей определяются по направлениям векторов V_ВА и V_BC. Для этого вектор V_ВА условно переносится в точку В плана механизма. Куда он будет вращать шатун 2 относительно точки А, в ту сторону и будет направлена угловая скорость шатуна ω₂.

Аналогично поступают со скоростью V_ВА. В каком направлении будет вращаться коромысло относительно точки С, туда и будет направлена угловая скорость ω₃.

План ускорений механизма и его свойства

Последовательность построения плана ускорений рычажного механизма аналогична построению плана скоростей. Рассмотрим её на примере механизма шарнирного четырехзвенника (рис. 1). Примем угловую скорость кривошипа постоянной (₁ = const, что является наиболее распространённым и рациональным видом движения в реальных механизмах).

Векторное уравнение ускорений для звена 1 (кривошипа)

а_А = а_АО = аⁿ_АО + а^_АО ,

где нормальная составляющая ускорения точки A относительно O рассчитывается по формуле .

Вектор аⁿ_АО параллелен отрезку АО на плане механизма. Тангенциальная составляющая ускорения а^_АО рассчитывается по формуле

.

В нашем случае угловое ускорение кривошипа ₁ = 0, тогда .

Векторное уравнение ускорений для звена 2 (шатуна)

а_В = а_А + аⁿ_ВА + а^_ВА,

где нормальная составляющая ускорения точки В относительно точки А рассчитывается по формуле .

Вектор аⁿ_ВА параллелен отрезку АВ и направлен от В к А, а тангенциальная составляющая а^_ВА перпендикулярна АВ.

Векторное уравнение ускорений для звена 3 (коромысла)

а_В = а_С + аⁿ_ВС + а^_ВС,

где ускорение точки С а_С = 0; нормальная составляющая ускорения точки В относительно точки С рассчитывается по формуле .

Вектор аⁿ_ВС направлен параллельно отрезку ВС плана механизма от В к С, а вектор а^_ВС – перпендикулярно ВС.

Выбираем масштаб плана ускорений: , , где Р_аа^’ – длина отрезка, изображающего ускорение на плане ускорений. Его длина выбирается произвольно из расчета, чтобы план ускорений разместился на отведенном месте чертежа и численное значение μ_а было удобным для расчетов (μ_а должно быть круглым числом).

Тогда ускорение аⁿ_ВА будет изображаться на плане ускорений вектором, имеющим длину , мм, а ускорение аⁿ_ВС – вектором длиной , мм.

Затем строится план ускорений (рис. 1) с использованием составленных векторных уравнений ускорений. Из произвольно выбранного полюса Р_а параллельно отрезку ОА плана механизма проводится вектор ускорения , длина которого Р_аа′ была выбрана произвольно при расчете масштаба μ_а. Из конца этого вектора (точки а′) проводится вектор ускорения длиной а′n₂, который должен быть параллелен отрезку АВ плана механизма и направлен от точки В к точке А. Перпендикулярно ему через точку n₂ проводят прямую. Затем из полюса Р_а проводят вектор ускорения длиной Р_аn₃. Перпендикулярно ему через точку n₃ проводят прямую до пересечения с прямой, проведенной через точку n₂ перпендикулярно отрезку АВ. Точка пересечения обозначается буквой b′, которая, будучи соединена с полюсом Р_а, образует отрезок Р_аb′, изображающий вектор полного ускорения точки В.

Используя план ускорений, можно вычислить ускорении:

, _.

Запишем

,

Рис. 1. План механизма, скоростей, ускорений

где ₂ и ₂ – угловые скорость и ускорение шатуна.

,

где ₂ и ₂ не зависят от выбора (расположения) полюса Р_а плана ускорений, а отношение масштабов постоянно (_L/_a= const) для данного плана ускорений. Поэтому для любой точки (например, К, принадлежащей шатуну) можно записать пропорции:

.

Отсюда формулируется теорема подобия: отрезки полных относительных ускорений на плане ускорений образуют фигуру, подобную соответствующей фигуре звена на плане механизма.

Величину ускорения точки К можно вычислить по формуле:

.

Угловые ускорения звеньев шатуна , c^-1, направление ₂ определяются по а^_ВА; угловые ускорения звеньев коромысла , c^-1, направление ₃ – по а^_Вс.

Так как ₂ и ₂ направлены в противоположные стороны, вращение шатуна является замедленным.

Использование плана скоростей и плана ускорений

для определения радиуса кривизны

траектории движения точки

Радиус кривизны траектории движения точки (например, точки К) можно вычислить по формуле:

,

где аⁿ_К – нормальная составляющая ускорения точки К.

Для определения величины (и направления) аⁿ_К следует вектор полного ускорения а_К на плане ускорений разложить на нормальную и тангенциальную составляющие, причём аⁿ_К перпендикулярна вектору скорости V_К, а^_К параллельна последнему. Для этого сначала через полюс плана ускорений Р_а проводится прямая, параллельная вектору скорости точки К, а через точку k` – перпендикуляр к этой прямой; на их пересечении получают точку m.

Использование плана скоростей и плана ускорений

для определения мгновенного центра скоростей (МЦС)

и мгновенного центра ускорений (МЦУ) звена

Для определения МЦС и МЦУ используют теорему подобия, а на плане механизма строят фигуры, подобные фигурам (треугольникам) на планах скоростей и ускорений (рис. 3).

Из теоретической механики известно, что плоскопараллельное движение звена механизма в каждый момент времени может быть представлено как вращение вокруг некоторой точки, которую называют мгновенным центром вращения или мгновенным центром скоростей (МЦС). Если данная точка относится к станине (стойке) механизма, т.е. является неподвижной, то соответствующий МЦС называют мгновенным центром скоростей в абсолютном движении рассматриваемого звена. Таким образом, если мы представим, что точка P_V2 принадлежит шатуну (рис. 2), то её скорость будет равна нулю.

Рис. 2. Определение положений мгновенных центров скоростей P_V2 и ускорений Р_а2 шатуна

Если же рассматривается движение звена относительно любого подвижного звена механизма, то соответствующий МЦС называют мгновенным центром скоростей в относительном движении рассматриваемых звеньев.

Аналогично может быть найдена условная точка, принадлежащая звену, абсолютное ускорение которой в данный момент времени равно нулю. Эта точка называется мгновенным центром ускорений (МЦУ) звена. Если звено механизма совершает сложное плоскопараллельное движение, то меняются и положения МЦС и МЦУ.