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

10 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

32850. Политическая сфера общественной жизни. Структура и соц функции. Государство,как основной политический институт 12.55 KB
  Общество как система состоит из нескольких подсистем или сфер основными из которых являются экономическая социальная политическая духовная и экологическая. Политическая сфера область общественной жизни включающая в себя политические отношения данного общества. и международные; политическая деятельность; политическое сознание политическая идеология и политическая психология.
32851. Экологическая сфера. Роль мед работников 11.81 KB
  Общество как система состоит из нескольких подсистем или сфер основными из которых являются экономическая социальная политическая духовная и экологическая. Экологическая сфера общества сформировалась во 2й половине ХХ в. Экологическая сфера подсистема общества формирующаяся на основе специализированной деятельности по охране воспроизводству улучшению и приумножению природных факторов человеческого бытия. Экологическая деятельность.
32852. Духовная сфера общ6ества. Основные формы и уровни. Общественная психология и идеология,их диалектическая взаимосвязь 14.08 KB
  Специфика идеологии проявляется в том что она возникает на основе существующих в обществе экономических отношений и отражает действительность через призму этих отношений. В классовом обществе экономические отношения выступают в форме классовых интересов поэтому специфику идеологии можно конкретнее представить как отражение действительности через призму интересов определенных классов как систему идей и взглядов классов. В классовом обществе нет и не может быть надклассовой или внеклассовой идеологии. Общественно историческая практика...
32853. Религия, как форма общественного сознания 16.61 KB
  1Мораль 2Религия 3Искусство4Наука 5Философия 6Политическое сознание 7Право 8Экологическое сознание Религия представления о мире основанные на вере в сверхъестественное и отражающие мир в иллюзорной форме. Религия как ФОС проявляется в религиозной психологии основанной на эмоциях и религиозной идеологии учении о Боге и его отношении к миру. Религия существует много веков повидимому также долго как существует человечество.
32854. Мораль, особенности медицинской этики 13.15 KB
  Особенности медицинской этики. Одним из важнейших разделов медицинской этики является деонтология наука о профессиональном долге врача. в связи с развитием новых медицинских технологий появилась необходимость пересмотра многих принципов медицинской этики. Сформировалась новая наука биоэтика этика живого дисциплина определяющая меру ответственности тех кто принимает решение о выборе метода лечения и о применении в медицинской практике новых научных знаний и медицинский технологий.
32855. Искусство 11.91 KB
  Искусство Общество это обособившаяся от природы часть материального мира высокоорганизованная материальная система подчиняющаяся всеобщим законам и в то же время имеющаяся специфические особенности функционирования и развития. 1Мораль 2Религия 3Искусство 4Наука 5Философия 6Политическое сознание 7Право 8Экологическое сознание Искусство как ФОС это средство отражения мира в форме художественных образов оно направлено на реализацию эстетических потребностей общества. Искусство не только ФОС но и деятельность общества по...
32856. ФИЛОСОФИЯ НОВОГО ВРЕМЕНИ В ЕВРОПЕ. ДЖ.БРУНО, ДЕКАРТ, Ф.БЭКОН, ГОББС, Д.ЛОКК. ФРАНЦУЗСКИЙ АТЕИЗМ И МАТЕРИАЛИЗМ 56.45 KB
  Лицо эпохи постепенно начинает определять наука ее авторитет постоянно растет вытесняя на периферию культурного пространства притязания религии. Отрицательное отношение церкви к Спинозе было вызвано неявной критикой им религии что нашло позднее наиболее полное выражение в работе Теологическополитический трактат 1670. Утверждение материалистических идей французские материалисты совмещали с резкой критикой религии и церкви. Антиклерикализм и деизм Вольтера Одним из первых выдающихся французских просветителей выступивших против религии и...
32857. КЛАССИЧЕСКАЯ НЕМЕЦКАЯ ФИЛОСОФИЯ. КАНТ, ФИХТЕ, ШЕЛЛИНГ, ГЕГЕЛЬ 46.21 KB
  Немецкая философия конца XVIII первой половины XIX века есть завершение традиции классической европейской философии в целом. Хотя все представители этого этапа развития философии самобытные и яркие мыслители их объединяет общность разрабатываемых проблем и единство исследовательских принципов. С известными оговорками к немецкой классической философии можно отнести и ее критиков Людвига Фейербаха и Карла Маркса. Все представители этого направления европейской философии поставили философию в сердце культуры показали неотделимость...
32858. ФИЛОСОФИЯ МАРКСА И ЭНГЕЛЬСА 36.68 KB
  ФИЛОСОФИЯ МАРКСА И ЭНГЕЛЬСА. Созданная Карлом Марксом 1818-1883 в содружестве с Фридрихом Энгельсом 1820-1895 марксистская философия явилась своеобразным порождением немецкой классической философии: перевернутый объективный идеализм Гегеля здесь превратился в материализм а перевернутый антропологизм Фейербаха превратился хотя и не сразу в социологизм. Другая ее особенность в том что философия у Маркса и Энгельса оказалась тесно связанной с политэкономией и теорией социализма на основе переосмысления классической английской...