43288

Основы геометро-кинематического синтеза механизмов с высшими кинематическими парами

Лекция

Физика

Значительно большие возможностями для воспроизведения почти любого закона движения имеют механизмы с высшими кинематическими парами, так как условие касания взаимодействующих поверхностей звеньев высшей пары по линиям и точкам могут быть выполнены бесчисленным множеством различных поверхностей.

Русский

2014-06-10

747 KB

15 чел.

Лекция N13

Основы геометро-кинематического синтеза механизмов  

с высшими кинематическими парами.

В предыдущих лекциях рассматривались задачи синтеза механизмов с низшими парами. Эти пары обеспечивают передачу значительных сил, так как звенья пары обычно соприкасаются по поверхности. Но условие постоянного соприкосновения звеньев по поверхности ограничивает число возможных видов низших пар.

Значительно большие возможностями для воспроизведения почти любого закона движения имеют механизмы с высшими кинематическими парами, так как условие касания взаимодействующих поверхностей звеньев высшей пары по линиям и точкам могут быть выполнены бесчисленным множеством различных поверхностей.

 Механизмы с высшими кинематическими парами обладают, по крайней мере, тремя существенными достоинствами в сравнении с механизмами, содержащими только низшие кинематические пары:

  •  во-первых, они могут воспроизводить любой заданный закон движения теоретически точно;
  •  во-вторых, для реализации одного и того же закона движения может быть использован более простой по структуре механизм, содержащий меньшее количество звеньев и кинематических пар;
  •  в-третьих, механизмы с высшими кинематическими парами могут быть менее чувствительными к погрешностям изготовления и монтажа как в отношении точности воспроизведения заданного закона движения, так и в отношении нагрузочной способности.

При воспроизведении возвратного движения можно иметь одну пару сопряжённых профилей (поверхностей). Если же требуется воспроизвести непрерывное движение в одном направлении, то надо иметь несколько последовательно взаимодействующих пар сопряжённых поверхностей, которые располагаются на выступах, называемых зубьями.

К механизмам с высшими кинематическими парами относятся:

  1.  Кулачковые механизмы (рис. 13.1)
  2.  Фрикционные механизмы (в том числе и планетарные) (рис. 13.2)
  3.  Зубчатые передачи с неподвижными осями (рис. 13.3)
  4.  Планетарные механизмы, в которых хотя бы одно звено имеет подвижную ось в пространстве (рис. 13.4, а-е)
  5.  Мальтийские механизмы и другие механизм  прерывистого действия (рис. 13.5, а, б)

Синтез зацепления состоит в отыскивании сопряжённых поверхностей по заданному закону их относительного движения. Для решения этой задачи используется основная теорема зацепления, устанавливающая связь между геометрией профилей (сопряженных поверхностей) и заданным законом их относительного движения.

Взаимодействующие поверхности звеньев высшей пары, обеспечивающие заданный закон их относительного движения, называется сопряжёнными поверхностями.

Теорема:

Сопряжённые поверхности долж-ны быть выбраны так, чтобы в любой точке их контакта общая нормаль к ним была перпендикулярна вектору скорости точки контакта в заданном относительном движении поверх-ностей.

В аналитическом виде условие основной теоремы зацепления записывается как условие перпендикулярности векторов:

 

где  - орт нормали в точке контакта.

Теорема доказывается «от противного». Если условие теоремы не выполнено, т.е. общая нормаль n-n к выбранным поверхностям не перпендикулярна относительной скорости Vотн., то имеется составляющая этой скорости, направленная по общей нормали, и, следовательно, происходит либо отрыв одной поверхности от другой, либо вдавливание, что невозможно.

В общем случае контакт поверхностей может происходить в нескольких точках и по линиям (линейчатый контакт). При этом условие основной теоремы зацепления должно быть выполнено во всех точках контакта.

Зацепление, в котором оба звена совершают плоское движение, параллельное одной и той же неподвижной плоскости, называется плоским. Для плоского зацепления вместо сопряжённых поверхностей можно рассматривать сопряжённые профили, т.е. кривые получаемые в сечении сопряжённых поверхностей плоскостью, параллельной плоскости движения.

Мгновенный центр вращения в относительном движении звеньев плоского зацепления принято называть полюсом зацепления. Относительная скорость точки контакта профилей перпендикулярна радиусу-вектору, соединяющему эту точку с полюсом зацепления.

Основная теорема плоского зацепления.

Общая нормаль в контактной точке сопряжённых профилей проходит через полюс зацепления и делит линию центров на части, обратно пропорциональные угловым скоростям.

На рис. 13.6 показан общий случай взаимодействия двух плоских звеньев с произвольными, но сопряжёнными профилями. Они должны иметь общую нормаль n-n и общую касательную  . Общая нормаль пересекает линию центров в точке P, называемой полюсом зацепления. Точку «К» можно рассматривать как две слитные точки К1 и К2, принадлежащие соответственно профилям первого и второго звеньев.

  (13.1)

2  можно определить, используя условие существования высшей кинематической пары.

т.е. равенство проекций скоростей на общую нормаль, обеспечивающее непрерывность контакта. Проецируя V1 и V2 на общую касательную получим: V1  V2. Это означает что контакт профилей осуществляется со скольжением.

  (13.2)

Установим связь между  и :

  (13.3)

Из подобия треугольниковO1N1P и O2N2P имеем:

   (13.4)

Отсюда имеем: – эта зависимость для внешнего зацепления.

У внутреннего заце-пления (рис 13.6 б) направление  и  одинаковы, поэтому зависимость (13.4) имеет вид:

А в общем виде:

   (13.5)

Скорость скольжения профиля.

Скорость скольжения профилей в высшей кинематической паре равна произведению скорости относительного вращения на расстояние от контактной точки до полюса зацепления:

 (13.6)

Для внутреннего зацепления

В полюсе зацепления lKP = 0 и следовательно скорость скольжения равна нулю Vck = 0 , т.е. профили перекатываются без скольжения.

В случае цилиндрических передач рассматривают:

а) Внешнее зацепление

б) Внутреннее зацепление

Vp = Vp1 = Vp2


в)
Зацепление реечное

Vp2 = Vp1 = 1  rw1

Ввиду ограниченности объема курса предметом дальнейшего изучения будут прямозубые и эвольвентные косозубые зубчатые передачи, у которых u = const. Геометрию таких колёс передачи определяют эвольвента окружности.

Эвольвента окружности и её свойства и уравнение.

Эвольвентой окружности называется кривая, описываемая любой точкой прямой линии при перекатывании её без скольжения по окружности. При этом прямая линия называется производящей прямой, а окружность – основной окружностью. 

Текущий радиус-вектор точки Ky эвольвенты обозначим через ry.

Начальный радиус-вектор этой кривой равен радиусу rb основной окружности.

Угол y называется углом профиля.

Угол, образованный началь-ным радиус-вектором эвольвенты OKв и её текущим радиусом OKy называется углом развёрнутости эвольвенты или эвольвентным углом.

По построению эвольвенты имеем:

KвNy = KyNy , подставив в это выражение значение дуги и отрезка получим:

    откуда  (13.8)

Это уравнение выражает функциональную зависимость между углами invy и y, измеренных в радианах.

Связь между ry, rb и y устанавливается из KyONy зависимостью:

  (13.9)

Для геометрической теории зацепления важное значение имеют следующие свойства эвольвенты:

  1.  Эвольвента – симметричная кривая с двумя ветвями, сходящимися в точке Kв, которая лежит на основной окружности.
  2.  Эвольвента не имеет точек внутри основной окружности
  3.  Форма эвольвенты зависит только от радиуса основной окружности. При увеличении радиуса rb радиус кривизны эвольвентного профиля постепенно увеличивается при rb =  эвольвента преобразуется в прямую.
  4.  Нормаль к любой точке эвольвенты направлена по касательной к основной окружности.
  5.  Центр кривизны эвольвенты лежит в точке касания нормали с основной окружностью.

Эвольвентное зацепление.

Пусть профиль зуба звена 1 очерчен по эвольвенте основной окружности радиуса rb1, а профиль зуба звена 2 по эвольвенте окружности rb2. Центры вращения этих окружностей O1 и О2. Приведём в соприкосновение эвольвенты Э1 и Э2  в точке «К» (рис. 13.9)


Нормаль к
Э1 – является касательной к окружности радиусом rb1.

Нормаль к Э2 – является касательной к окружности rb2.  Т.к. в точке К эвольвенты касаются друг друга, то и линии N1K и KN2, а следовательно и N1N2 является общей нормалью к эвольвентам Э1 и Э2, т.к. профили являются сопряжёнными.

 

Рассматривая новое положение эвольвент Э1 и Э2 приходим к аналогичному выводу.

Таким образом, линию N1N2 можно рассматривать как геометрическое место точек касания сопряженных профилей. В процессе зацепления, т.е. смены точек контакта прямая N1N2 не меняет своего положения. Этим доказывается первое существенное свойство эвольвентного зацепления.

  1.  Эвольвентное зацепление обеспечивает постоянство передаточного отношения в процессе зацепления, т.е.:

Точка пересечения общей нормали к эквивалентам с межосевой линией (полюс зацепления Р) занимает неизменное положение.

Центроиды в относительном движении звеньев представляют собой окружности. Эти окружности называются поллоидными или для плоского зацепления начальными.

По свойству центроид начальные окружности с радиусами rw1 и rw2 перекатываются без скольжения.

Угол w – угол между линией зацепления и прямой, перпендикулярной межосевой линии называется углом зацепления.

  1.  Из этих формул и рис. 13.9, б, видно, что изменение межосевого расстояния аw = rw1+ rw2 не влияет на величину передаточного отношения вследствие неизменности размеров основных окружностей.

  1.  При внешнем зацеплении эвольвентные профили являются сопряжёнными только в пределах линии зацепления N1N2.

Эвольвенты Э1 и Э2, проходящие через точку х,  расположенную вне участка N1N2 ниже точки N2 (рис 13.9, а) не имеют общей нормали. Это означает, что эвольвенты в точке х не касаются, а пересекаются. То же произойдет выше точки N1 вне участка линии зацепления N1N2.


Контрольные вопросы к лекции
N13.

  1.  Что называется внешней кинематической парой?
  2.  Назовите известные Вам механизмы с высшими кинематическими парами?
  3.  Как записывается условие существование высшей кинематической пары?
  4.  Дайте определение основной теоремы зацепления.
  5.  Дайте определение линии зацепления в эвольвентной передаче.
  6.  Сформулируйте основные свойства эвольвенты.
  7.  Запишите уравнения описывающее эвольвенту
  8.  Что называется эвольвентной зубчатой передачей?
  9.  Изменяется ли передаточное отношение эвольвентной передаче при уменьшении межосевого расстояния?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40104. Синтез алгоритмов управления нестабильным объектом 449.5 KB
  Для достижения цели проекта необходимо решить следующие задачи: 1 составить нелинейную математическую модель объекта и провести анализ методом компьютерного моделирования; 2 провести анализ устойчивости управляемости и наблюдаемости объекта по линеаризованной модели; 3 синтезировать регулятор состояния методом размещения собственных значений [2]; 4 синтезировать наблюдатель состояний и динамический регулятор; 5 оценить размеры области притяжения положения равновесия нелинейной системы с непрерывным регулятором; 6 построить...
40105. Двойственный симплекс-метод, основные принципы, алгоритм. Случаи, когда удобно применять двойственный симплексный метод 178 KB
  ДСМ ДСМ как и СМ называется методом последовательного улучшения оценок и применяется для решения задачи: исходным пунктом этого метода является выбор такого базиса . Таким образом основные принципы ДСМ заключаются в том чтобы: каждый раз выполнялось 2 значения целевой функции убывало. Для этого воспользуемся 2м принципом ДСМ. Чтобы обеспечить это надо выбрать так что: 6 Алгоритм ДСМ формулируется так: Выбираем базис и строим I симплекстаблицу Если все то решение оптимально иначе переход к 3.
40106. Задача максимизации прибыли при заданных ценах на продукцию и ресурсы. Анализ оптимальных решений с помощью множителей Лагранжа 34.5 KB
  Требуется решить задачу максимизации прибыли при заданных P0 и p: mx P0fx p x 1 x  0 2 Исследование задачи будем проводить с помощью функции Лагранжа: балансовое соотношение В оптимальном плане x для любых используемых ресурсов отношение цены к предельной эффективности постоянно. Для этих же ресурсов показали что соотношение предельных эффективностей равно соотношению цен. Наибольшая отдача будет от тех ресурсов которые имеют самую большую предельную эффективность в текущей точке.
40107. Теорема о необходимых и достаточных условиях оптимальности смешанных стратегий 167.5 KB
  Пусть игра определена матрицей и ценой игры V. оптимальная стратегия 1 игрока х является первой координатой некоторой седловой точки фции выигрыша Мх у. СЛЕДСТВИЕ: Если для смешанных стратегий и числа V одновременно выполняются 1 и 2 то будут оптимальными стратегиями игроков а V цена игры. Докво: умножим 1 на y и просуммируем: умножим 2 на x и просуммируем: Получаем Тогда по следствию Т о седловой точке точка седловая и ...
40108. Функция выигрыша в матричных играх без седловой точки. Смешанные и оптимальные смешанные стратегии. Метод сведения решения матричных игр к задаче линейного программирования 119.5 KB
  Функция выигрыша в матричных играх без седловой точки. Парная игра с нулевой суммой задается формально матрицей игры матрицей А = {ij} элементы которой определяют выигрыш первого игрока и проигрыш второго если первый игрок выберет iю стратегию а второй jю стратегию. Пара i0j0 называется седловой точкой матрицы решением игры если выполняются условия: mx по столбцу I игрок min по строке II игрок Значение функции выигрыша в седловой точке называется ценой игры. Тогда выигрыш первого игрока при условии что он выбирает...
40109. Методы штрафных функций и методы центров в выпуклом программировании 90 KB
  Методы штрафных функций и методы центров в выпуклом программировании Метод штрафных функций Постановка задачи Даны непрерывно дифференцируемые целевая функция fx = fx1 xn и функции ограничений gjx = 0 j = 1 m; gjx 0 j = m1 p определяющие множество допустимых решений D. Требуется найти локальный минимум целевой функции на множестве D т. Стратегия поиска Идея метода заключается в сведении задачи на условный минимум к решению последовательности задач поиска безусловного минимума вспомогательной функции: Fx Ck =...
40110. Методы наискорейшего и координатного спуска для минимизации выпуклой функции без ограничений. Их алгоритмы и геометрическая интерпретация 94.5 KB
  Все методы спуска решения задачи безусловной минимизации различаются либо выбором направления спуска, либо способом движения вдоль направления спуска. Решается задача минимизации функции f(x) на всём пространстве Rn. Методы спуска состоят в следующей процедуре построения последовательност
40111. Субградиент как обобщение понятия градиента. Субградиент для функции максимума. Субградиентный метод и его геометрическая интерпретация в R2 141 KB
  Субградиент для функции максимума. Градиентом дифференцируемой функции fx в точке называется вектор частных производных.x0 y0 а значение lim называется частной производной функции f по x в т. Вектор называется субградиентом опорным вектором функции fx в точке если выполняется: Таких с множество но это множество ограничено и замкнуто.
40112. Типичные производственные функции с несколькими ресурсами: линейная ПФ, степенная ПФ, ПФ с постоянными пропорциями. Коэффициенты эффективности использования ресурсов для этих типов функций 162 KB
  Коэффициенты эффективности использования ресурсов для этих типов функций. Производственные возможности н х в любой момент времени определяются 2мя группами факторов: технологические условия производства которые выражают зависимости между затратами разных ресурсов и выпуском продукции объем и качество используемых ресурсов fx производственная функция зависимость результата производства объема выпуска продукции от затрат ресурсов. X = х1 хm вектор затрат ресурсов. ПФ характеризует максимально возможный выпуск продукции при...