39359

Силовой расчет механизмов с учетом трения в кинематических парах

Лекция

Физика

Способность контактирующих поверхностей звеньев сопротивляться их относительному движению называется внешним трением. Трение обусловлено неидеальным состоянием контактирующих поверхностей (микронеровности, загрязнения, окисные пленки и т.п.)

Русский

2014-06-10

119.5 KB

11 чел.

Лекция N26

(для самостоятельной работы)

Силовой расчет механизмов с учетом трения

в кинематических парах.

Способность контактирующих поверхностей звеньев сопротивляться их относительному движению называется внешним трением. Трение обусловлено неидеальным состоянием контактирующих поверхностей (микронеровности, загрязнения, окисные пленки и т.п.) и силами межмолекулярного сцепления. Трение в кинематических парах характеризуется силами трения и моментами сил трения. Силой трения называется касательная составляющая реакции в КП (составляющая направленная по касательной к контактирующим поверхностям), которая всегда направлена против вектора скорости относительного движения звеньев.

Различают следующие виды трения:

трение покоя проявляется в момент, когда два тела находящиеся в состоянии относительного покоя начинают относительное движение (касательную составляющую, возникающую в зоне контакта до возникновения относительного движения, в условиях, когда она меньше силы трения покоя, будем называть силой сцепления; максимальная величина силы сцепления равна силе трения покоя);

трение скольжения появляется в КП при наличии относительного движения звеньев; для большинства материалов трение скольжения меньше трения покоя;

трение качения появляется в высших КП при наличии относительного вращательного движения звеньев вокруг оси или точки контакта;

трение верчения возникает при взаимодействии  торцевых поверхностей звеньев вращательных КП (подпятники).

Основные положения силового расчета с учетом трения такие же, как и расчета без учета трения. Это объясняется тем, что наличие трения не изменяет число неизвестных в кинематических парах. В кинематических парах добавляются силы трения и моменты сил трения.

Вспомним основные положения силового расчета.

Силовой анализ механизмов основывается на решении прямой задачи динамики – по заданному закону движения определить действующие силы.

Заданными обычно считаются:

  •  закон движения начальных (начального) звеньев;
  •  внешние силы, приложенные к звеньям механизма.

Подлежат определению только реакции в кинематических парах. Иногда внешние силы, приложенные к начальным звеньям, считают неизвестными, тогда в силовой анализ так же входит определение величин этих сил, при которых выполняются принятые законы движения начальных звеньев.

При решении обеих задач используется принцип Д’ Аламбера, согласно которому звено механизма может рассматриваться как находящееся в равновесии, если ко всем внешним силам, действующим на него, добавить силы инерции.

Уравнения равновесия в этом случае называют уравнениями кинетостатики.

Для плоской схемы число неизвестных, определяемых из какой либо системы уравнений NF = 2pн +pв + Wпл должно совпадать с числом уравнений  Nу = 3n,  т.е. NF = Nу.

3n = 2pн +pв + Wпл

Это условие совпадает с условием равенства нулю числа степеней свободы, т.е. кинетостатически определимыми группами являются структурные группы Ассура.

Для пространственной схемы это условие запишется в виде:

6n = 5pV + 4pIV + 3pIII + 2pII + 1pI.

 или 6n = 5p1 + 4p2 + 3p3 + 2p4 + 1p5.

Система сил для пространственной схемы должна быть пространственной, а для плоской схемы действующих сил должна быть плоской.

В случае кинетостатической определимости плоский механизм не должен иметь избыточных связей. Наличие избыточных связей увеличивает число неизвестных составляющих реакций, и для их определения дополнительно к уравнениям кинетостатики должны быть составлены уравнения деформаций (перемещений).

Силы в низших кинематических парах при учете трения.

При наличии трения скольжения сила взаимодействия звеньев отклоняется от общей нормали к соприкасающимся поверхностям на угол трения Т.

Тангенс угла трения численно равен коэффициенту трения скольжения tgТ  = f.

В поступательной паре (рис. 26.1) силаF12 воздействия звена 2 на звено 1 отклоняется от нормали nn на угол трения Т . При этом вектор силы F12  составляет тупой угол (90 + Т) с вектором скорости V12, c которой звено 1 движется относительно звена 2. Силу F12 можно разложить на нормальною силу N12 и касательную . Касательная составляющая  - сила трения – направлена против относительной скорости. В этом проявляется тормозящее действие трения. Координата h точки приложения силы F12 неизвестна и определяется в процессе силового расчета.

,  т.к. tgТ  = f.

Во вращательной паре (рис. 26.2)сила F12 так же отклоняется от нормали nn , а потому проходит не через центр шарнира, а касательно кругу трения, центр которого совпадает с центром шарнира – точкой А.

Радиус круга трения: . Т.к. Т мал, то sinТ  tgТ и тогда . Сила F12 действия звена 2 на звено 1 отклоняется и создает момент трения МТ=F12Т, направленный противоположно угловой скорости относительного движения 12. В этом проявляется тормозящее действие трения в шарнире.

Силы в высших кинематических парах при учете трения.

В плоском механизме высшая пара, в отличие от низшей, допускает два относительных движения: звенья 1 и 2 могут скользить по отношению друг другу и перекатываться друг по другу. Поэтому и трение в высшей паре проявляется в виде трения скольжения и трения качения (рис. 26.3).

Смещение реакции N12 , равное «К» - это коэффициент трения качения, который очень мал.

Момент трения качения  MF = k  N12.

Трение скольжения проявляет себя в высших парах, так же как и в низших: сила взаимодействия двух тел отклоняется от нормали на угол трения и составляет с вектором относительной скорости тупой угол, равный (90 + Т).

Учет сил трения при силовом расчете механизмов.

Существуют различные методики учета сил трения:

  •  Обобщенная (через коэффициент полезного действия);
  •  Методика последовательных приближений.

Рассмотрим подробнее второй метод. Наличие трения, как уже было сказано выше, не изменяет числа неизвестных в кинематических парах. Следовательно, структурные группы Ассура и при учете трения сохраняет свою статическую определимость. Поэтому силовой расчет проводится по структурным группам с использованием уравнений кинетостатики, в которые должны быть включены силы трения и моменты трения. Последнее обстоятельство, однако, в большинстве случаев очень сильно усложняет вычисления. Чтобы снизить их сложность, И.И. Артоболевский предложил применить метод последовательных приближений. В этом случае первое решение осуществляется без учета сил трения, далее вводят трение условно, умножая нормальные составляющие сил из первого решения. Рассмотрим пример определения сил с учетом трения в кинематических парах на примере кулачкового механизма с поступательно движущимся толкателем.

Дано:

  1.  схема механизма
  2.  1, 1;
  3.  F2;
  4.  m1, J1S, m2;
  5.  f13, f12, f23.

Определить:

силы в кинематических парах.

В начале проводится силовой расчет кулачкового механизма без учета сил трения, т.е. в первом приближении, в результате чего были получены силы взаимодействия во всех кинематических парах. Для выполнения силового расчета во втором приближении необходимо определить моменты и силы трения во всех кинематических парах и включить их в силовой расчет. Расчет проводится в том же порядке, что и в первом приближении.

Картина сил, приложенных к толкателю, показана на рис. 26.5

Помимо известных и расчетных сил F2, G2, ФS2 к толкателю приложены искомые внутренние силы: в высшей к.п. F21; в низшей к.п. FU,FW.

(эти силы показаны с учетом относительных скоростей V21 и V23).

Узел сил (F21,F2, G2, иФS2) расположен вне стойки в т. D, поэтому силовое воздействие стойки на толкатель выражается двумя силами FU и FW приложенными к кроям гнезда, к которым будет прижат толкатель. Эти силы направлены под углами (90 + 23) к вектору V23.

Равнодействующая F23 сил FU и FW проходит через т. H (пересечение линей действия сил) и через узел сил (т. D) и составляет угол (90 + ) с вектором V23.

Уравнения сил приложенных к толкателю имеет вид:

;  (26.1) 

или после замены равнодействующей силойF23 сил FU и FW:

;  (26.2)

Значения неизвестных сил находятся из плана сил, представленном на рис. 26.6. План сил должен быть выполнен строго в масштабе F. Картина сил, приложенных к кулачку, показана на рис. 26.7. К кулачку приложены известные внешние силы G1 и ФS1 = - m1  aS1, известный внешний момент МФS1 = -1  J1S, а так же известная сила F12= -F21. К кулачку так же приложен искомый момент М1 и искомая сила F13 с которой стойка через к. п. A воздействует на кулачок. Сила приходит касательно кругу трения. Направление M(F13) против  направлению 1.

Составим уравнение кинетостатического равновесия кулака:

.

Данное векторное уравнение решается графически методом планов. На рис.26.8 представлен план сил, выполненный строго в масштабе.

Неизвестный момент M1 находится из уравнения моментов МА= 0 

Плечи для определения моментов берутся непосредственно с чертежа механизма.

В результате силового расчета, выполненного во втором приближении, получены уточненные значения сил, действующих в кинематических парах. По полученным во втором приближении значениям сил можно определить моменты трения в шарнирах и силу трения в поступательной паре, а затем проделать расчет в третьем приближении. В результате чего получим еще более точные, более близкие к окончательному результату значения. Процесс последовательных приближений можно продолжать и дальше в зависимости от требуемой точности расчета. Однако опыт показывает, что достаточно второго приближения. Метод является приближенным и может применяться только в тех случаях, когда имеет место процесс сходимости и каждое последующее приближение дает меньшее изменение приращения силы или момента, чем предыдущее.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22424. Многочлены и рациональные дроби 259 KB
  Многочлены и рациональные дроби План Комплексные числа. Комплексносопряженные числа. Модуль и аргумент комплексного числа. Тригонометрические формы комплексного числа.
22425. Методы интегрирования 115.5 KB
  Он упрощается в следующих трех случаях: Функция Rx y нечетная относительно x Rx y = Rx y Rsin xcos x = Rsin xcos x sin x входит в нечетной степени в Rsin xcos x = R1sin2 xcos x sin x. Делаем подстановку t = cos x и получим . Функция Rx y нечетная относительно y Rx y = Rx y Rsin xcos x = Rsin xcos x cos x входит в нечетной степени в Rsin xcos x = R1sin xcos2 x cos x. Функция Rx y четная относительно x и y Rx y = Rx y Rsin xcos x = Rsin x cos x.
22426. Определители. Элементы векторной алгебры. Системы координат 700 KB
  Операция сложения векторов и ее свойства. Вычитание векторов. Пространство геометрических векторов. Базис векторного геометрического пространства Базис векторов прямой.
22427. Матрицы, системы линейных уравнений 659 KB
  Матрицы системы линейных уравнений План 1. Сложение матриц и умножение матрицы на число. Элементарные преобразования матрицы. Приведение матрицы к ступенчатому виду.
22428. Матрицы. Системы линейных уравнений. Прямые. Плоскости. Кривые и поверхности второго порядка 1.91 MB
  Прямые на плоскости Уравнение линии на плоскости. Каноническое уравнение эллипса. Каноническое уравнение гиперболы. Каноническое уравнение параболы.
22429. СТРУКТУРА АПК И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКА 47.5 KB
  СТРУКТУРА АПК И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКА Структура АПК и соотношение отраслей. Территориальная и продуктовая структура АПК и ее характеристика Производственная и социальная инфраструктура АПК Организационноэкономический механизм хозяйствования в АПК 1. Структура АПК и соотношение отраслей. АПК характеризуется особой сложностью.
22430. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ФОРМЫ КООПЕРАЦИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ 163 KB
  Межхозяйственные предприятия основы их создания и функционирования. Сельскохозяйственные предприятия выполняющие функцию МХП 4. К частным признакам относятся: глубина и устойчивость производственноэкономических связей между предприятиями организациями участвующими в кооперации; направление деятельности производство продукции переработка торговля производственное и бытовое обслуживание; специализация в рамках отдельной отрасли или территории; границы правовой и хозяйственной самостоятельности участников кооперации полное...
22431. СУЩНОСТЬ И ОБЪЕКТИВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ ИНТЕГРАЦИИ 154.5 KB
  Агропромышленные предприятия 2. Агропромышленные предприятия Агропромышленные предприятия это производственнохозяйственные единицы осуществляющие силами своего коллектива производство сельскохозяйственной продукции ее переработку а в ряде случаев и реализацию. В составе агропромышленного предприятия как сельскохозяйственное так и промышленное производство теряют юридическую самостоятельность и становятся новым производственным подразделением нового комбинированного предприятия имеют общий уставной фонд единый...
22432. СОЗДАНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СПК В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ 86 KB
  Сельскохозяйственный кооператив является юридическим лицом и имеет следующие правомочия: создавать представительства и филиалы; осуществлять виды деятельности предусмотренные законом; иметь в собственности покупать или иным образом приобретать продавать закладывать и осуществлять иные вещные права на имущество и земельные участки в том числе переданные ему в виде паевого взноса в паевой фонд кооператива; создавать резервный и другие неделимые фонды кооператива и вкладывать средства резервного фонда в банки и другие кредитные учреждения...