Динамика машин и механизмов

Экспериментальный метод кинематического исследования.

Метод преобразования координат (Манипуляторы)

При использовании метода преобразования координат задача о положении выходного звена решается путем перехода из системы, в которой это положение известно в систему, в которой его требуется определить. Переход от системы к системе осуществляется перемножением матриц перехода в соответствующей последовательности.

При экспериментальном исследовании кинематики механизмов кинематические характеристики звеньев и точек механизма определяются и регистрируются с помощью чувствительных элементов - датчиков, которые, используя различные физические эффекты, преобразуют кинематические параметры в пропорциональные электрические сигналы. Эти сигналы регистрируются измерительными самопишущими приборами (самописцами, осциллографами и др.). В последнее время для регистрации и обработки экспериментальных данных все более широко используются специальные или универсальные компьютеры.

Краткое содержание: Динамика машин и механизмов. Динамические параметры машины и механизма. Задачи динамики. Силы и их классификация. Механические характеристики двигателей и рабочих машин. Силы в КП без учета трения.

Динамика - раздел механики машин и механизмов, изучающий закономерности движения звеньев механизма под действием приложенных к ним сил. Есть 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:

1. Прямая задача динамики – по заданному закону движения входного звена определяют силы, действующие на механизм, в том числе и усилия, возникающие в КП. Эта задача решается в вашем 2 ДЗ «Силовой расчет» с применением кинетостатики (составляют уравнения силового равновесия с учетом сил инерции по принципу Д'Аламбера).

2. Обратная задача динамики - определение закона движения ведущего звена в зависимости от силового воздействия. Эта задача решается в самом объемном листе КП «Динамическое исследование основного механизма».

3. Балансировка и уравновешивание механизмов.

Классификация сил, действующих в механизмах.

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.

Все силы, действующие в механизмах, условно подразделяются на:

реальные	расчетные
На самом деле присутствуют в работе механизма	Силы, которые не существуют в реальности, а только используются в различных расчетах с целью их упрощения. Вводятся обычно равнодействующей.
Внешние – приложенные к механизму извне, т.е. действующие на исследуемую систему со стороны внешних систем и совершающие работу над системой.	Внутренние - действующие между звеньями механической системы Работа этих сил не изменяет энергии системы.
1. Движущие силы и моменты, совершающие положительную работу. Эти силы и моменты прикладывают к звеньям механизма, которые называют ведущими. 2. Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работу - Силы полезного (технологического) сопротивления - возникающие при выполнении механической системой ее основных функций. Эти силы и моменты прикладывают к звеньям механизма, которые называют ведомыми. - Силы и моменты сопротивления среды (газа, жидкости) в которой движутся звенья механизма. Обычно малы по сравнению с другими, поэтому в дальнейшем их не учитываем. 3. Силы тяжести и упругости.. На отдельных участках движения механизма эти силы могут совершать как положительную, так и отрицательную работу, однако за полный кинематический цикл работа этих сил равна нулю, (за исключением тех случаев, когда сила тяжести является силой полезного сопротивления – механизмы подъемников, транспортеров эскалаторов и пр.)	Активные силы	1. Силы реакций в КП. где - номер звена, на которое действует сила (рассматриваемое), - номер звена, со стороны которого рассматривается действие (отсоединенное).	1. 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). 2. Приведенные (обобщенные) силы – силы, совершающие работу по обобщенной координате равную работе соответствующей реальной силы на эквивалентном перемещении точки ее приложения.
4. Силы трения (диссипативные) - возникающие в месте связи в КП и определяемые условиями физико-механического взаимодействия между звеньями (работа всегда отрицательна, потери на силы трения уменьшают КПД механизма). Выводятся из класса внутренних сил.

Наибольшее влияние на закон движения механизма оказывают движущие силы и моменты, а также силы и моменты сопротивления. Их физическая природа, величина и характер действия определяются рабочим процессом машины или прибора, в которых использован рассматриваемый механизм. В большинстве случаев эти силы и моменты не остаются постоянными, а изменяют свою величину при изменении положения звеньев механизма или их скорости. Эти функциональные зависимости, представленные графически, или массивом чисел, или аналитически, носят название механических характеристик и при решении задач считаются известными.

При изображении механических характеристик будем придерживаться следующего правила знаков: силу и момент будем считать положительными, если на рассматриваемом участке пути (линейном или угловом) они производят положительную работу.

Механические характеристики двигателей и рабочих машин

Схема механизма двигателя внутреннего сгорания

Для поршневого двигателя закон изменения движущих сил задается в виде индикаторной диаграммы, показывающей изменение давления рабочей смеси (газа, пара, сжатого воздуха) в течение цикла. Давление задано в зависимости от перемещения поршня, и указывает на перепад давления в рабочей и нерабочей полости цилиндра (Рис.1а). В нерабочей полости давление равно атмосферному. Диаграмма сил (Рис. 1б) отличается от диаграммы давлений (Рис. 1а) аргументом, величиной функции и знаком.

1. Давление задается в зависимости от перемещения поршня, сила строится как функция угла поворота кривошипа. Аргументом является угол поворота кривошипа, который можно считать обобщенной координатой механизма.

3. Знак силы определяется по знаку работы, которую выполняет сила. Работа положительна, если направление силы действующей на поршень совпадает с направлением движения поршня, и отрицательна, если направление силы и перемещение поршня противоположны (Рис.б).

Силы в кинематических парах плоских механизмов (без учета трения).

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. Вращательная КП. Во вращательной КП V класса результирующая реакции проходит через центр шарнира. Величина и направление этой реакции не известны, так как они зависят от величины и направлений заданных сил, приложенных к звеньям пары (рис.5а).

2. Поступательная КП. В поступательной КП V класса реакция перпендикулярна к оси движения этой пары, т. о. известно направление, но не известны точка приложения реакции и ее величина (рис.5б).

Вывод: в любой низшей КП плоского механизма могут возникнуть 2 неизвестные.

3. В высшей КП IV класса реакция приложена в точке контакта и направлена по общей нормали проведенной в точке контакта к соприкасающимся профилям звеньев. Т.е. для высшей пары известно направление реакции и точка ее приложения и неизвестна ее величина (рис.5в).