Графоаналитический метод кинематического анализа

Графоаналитический метод называют методом планов скоростей и ускорений.

Задача о положениях решается графическим методом, то есть построением нескольких совмещённых планов механизма в выбранном масштабе длин.

Задачи о скоростях и ускорениях решаются построением планов скоростей и ускорений звеньев механизма при определённых (заданных) положениях ведущего звена на основе заранее составленных векторных уравнений скоростей и ускорений звеньев механизма.

Преимущество этого метода по сравнению с графическим в том, что он менее трудоёмок, так как позволяет определять скорости и ускорения (их величину и направление) на одном плане скоростей или плане ускорений для множества точек механизма.

Недостатком метода является то, что требуется построить планы скоростей и ускорений для нескольких положений механизма (если необходимо определять скорость и ускорение при различных положениях механизма и его звеньев).

Планы скоростей и ускорений шарнирного четырёхзвенник

При решении задач такого типа известны угловая скорость w₁ ведущего звена 1 – кривошипа, длины звеньев и координаты неподвижных точек.

Последовательность решения задачи:

1. Строится план механизма (рис. 2.2) в выбранном масштабе длин:

, м/мм,

где L_OA – длина кривошипа, м; AO – длина отрезка, изображающего кривошип на плане механизма, мм.

Для построения плана механизма остальные длины звеньев и координаты неподвижных точек шарнирного четырехзвенника (рис. 2.2) переводятся масштабом длин m_L в отрезки:

AB = L_AB/m_L, мм,

BC = L_BC/m_L, мм,

OC = L_OC/m_L, мм.

2. Составляются векторные уравнения линейных скоростей отдельных точек, принадлежащих звеньям механизма.

Векторное уравнение для звена 2 (шатуна)

V_В = V_А + V_ВА, (2.1)

где V_А = V_АО – скорость точки А, которая равна скорости точки А относительно оси вращения кривошипа точки О; V_ВА – вектор относительной скорости точки В шатуна относительно А имеет направление, перпендикулярное отрезку АВ на плане механизма.

Векторное уравнение для звена 3 (коромысла)

V_В = V_С + V_ВС. (2.2)

Так как точка С (ось вращения коромысла 3) неподвижна, то её скорость равна нулю (V_С = 0), а вектор относительной скорости точки В относительно С (V_ВС) имеет направление, перпендикулярное отрезку ВС на плане механизма.

3. Строится план скоростей механизма – это не что иное, как графическое изображение на чертеже векторных уравнений (2.1) и (2.2) в каком-либо масштабе.

План скоростей механизма и его свойства

План скоростей желательно строить рядом с планом механизма (рис. 2.2). Предварительно рассчитывается скорость точки А кривошипа:

, м/с.

Затем выбирается масштаб плана скоростей m_u по соотношению

, ,

где u_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 m_u должно быть удобным для расчётов (m_u должно быть круглым числом).

После этого можно приступать к построению плана скоростей механизма. Его следует проводить в последовательности, соответ-ствующей написанию векторных уравнений (2.1) и (2.2).

Сначала проводится из произвольно выбранной рядом с планом механизма точки Р_u (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 (2.1) и (2.2) на построенном плане наносятся направления (стрелки) векторов V_ВиV_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)m_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_ВАиV_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. 2.2). Примем угловую скорость кривошипа постоянной (w₁ = 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^t_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^t_АО рассчитывается по формуле

В нашем случае угловое ускорение кривошипа e₁= 0, тогда .

Векторное уравнение ускорений для звена 2 (шатуна)

а_В= а_А + аⁿ_ВА+ а^t_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^t_ВА перпендикулярна АВ.

Векторное уравнение ускорений для звена 3 (коромысла)

а_В= а_С + аⁿ_ВС+ а^t_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^t_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. 2.2) 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 ускорения

, m_u.

Запишем

где w₂ и e₂ – угловые скорость и ускорение шатуна.

где w₂ и e₂ не зависят от выбора (расположения) полюса Р_а плана ускорений, а отношение масштабов постоянно (m_L/m_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 e₂ определяются по а^t_ВА; угловые ускорения звеньев коромысла , c^-1, направление e₃ – по а^t_Вс.

Так как w₂ и e₂ 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^t_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.

Рис. 2.2. План механизма, скоростей, ускорений

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. 2.3).

Рис. 2.3. Определение положений мгновенных центров скоростей P_V₂

и ускорений Р_а₂ шатуна

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. 2.3), то её скорость будет равна нулю.

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.

Планы скоростей и ускорений кривошипно-ползунного механизма

Последовательность построения планов скоростей и ускорений кривошипно-ползунного механизма (рис. 2.4) аналогична той, которая приведена в предыдущем случае. В дальнейшем некоторые подробности (расчёты масштабов, длин m_е, масштабов планов скоростей m_v и ускорений m_а и т.д.) будут пропущены.

План скоростей кривошипно-ползунного механизма начинают строить после построения плана механизма в заданном положении, в выбранном масштабе длин m_L, составления векторного уравнения скоростей и выбора масштаба плана скоростей m_v.

Векторное уравнение скоростей шатуна 2 (рис. 2.4)

V_В = V_А + V_ВА,

где V_А = w₁ L_OA – скорость точки А, м/с; вектор этой скорости направлен перпендикулярно прямой ОА кривошипа 1 (рис. 2.4) на плане механизма; V_ВА – вектор скорости точки В относительно А; имеет направление, перпендикулярное прямой АВ на плане механизма; V_В – вектор полной (абсолютной), скорости ползуна 3; должен быть параллельным направлению движения ползуна.

Для построения плана скоростей сначала из полюса плана Р_v (рис. 2.4) проводится вектор скорости точки А относительно О – V_А, т.е. векторный отрезок Р_va. Затем через точку апроводится перпендикуляр к прямой АВ плана механизма и через полюс Р_v – прямая, параллельная движению ползуна 3. На пересечении этих двух прямых получается точка b. Направления векторов скоростей V_В иV_ВА обозначают стрелками.

Например, необходимо определить скорость точки S₂, принадлежащей шатуну 2 и расположенной на середине отрезка АВ. Используя теорему подобия, на отрезке ab плана скоростей находят его середину (точка S₂), которая, будучи соединенной с полюсом Р_v, даст вектор V_S2, изображающий абсолютную (полную) скорость точки S₂.

Рис. 2.4. Построение планов скоростей

и ускорений кривошипно-ползунного механизма

Рассчитаем величину линейных скоростей и угловую скорость шатуна:

, м/с,

, с^-1.

Направление вектора угловой скорости шатуна w₂ определяется следующим образом. Вектор скорости V_ВА условно переносится в точку В плана механизма. Куда он будет вращать шатун относительно точки А, в ту сторону и направлена угловая скорость w₂ шатуна.

План ускорений кривошипно-ползунного механизма строят после того, как будет составлено векторное уравнение ускорений шатуна, учитывая, что он совершает сложное движение:

а_В= а_А + аⁿ_ВА+ а^t_ВА,

где а_А – ускорение точки А; его величину и направление можно определить, используя векторное уравнение ускорения точки А относительно оси О вращения кривошипа:

а_А= а_О + а_АО,

причём ускорение точки А относительно О можно разложить на две составляющие – нормальное ускорение аⁿ_АО и тангенциальное а^t_АО, т.е.

а_АО = аⁿ_АО+ а^t_АО.

Так как точка О неподвижна и ускорение её равно нулю (а_О= 0 и а^t_АО = 0 при условии, что угловая скорость вращения кривошипа постоянна: w₁= const и его угловое ускорение e₁ = 0), то векторное уравнение ускорения точки А можно записать в виде

а_А= аⁿ_АО.

Величина нормальной составляющей ускорения (нормальное ускорение) рассчитывается по формуле

(его вектор направлен по радиусу вращения кривошипа от точки А к точке О).

Затем вычисляется нормальное ускорение точки В относительно А по формуле

(его вектор направлен от В к А).

После выбора масштаба плана ускорений по формуле

величина нормального ускорения aⁿ_BA переводится этим масштабом в векторный отрезок длиной

, мм.

Затем строится план ускорений (см. рис. 2.4). Из произвольно выбранного полюса Р_а параллельно отрезку ОА плана механизма проводится вектор ускорения aⁿ_AО, длина которого была выбрана произвольно при расчёте масштаба m_а. Из конца этого вектора (точки ) проводится вектор ускорения aⁿ_BA длиной , который должен быть параллелен отрезку АВ плана механизма и направлен от точки В к А. Перпендикулярно ему через точку n₂ проводят прямую до пересечения с прямой, проведённой через полюс Р_а параллельно линии движения ползуна 3. Полученная точка их пересечения b' определяет длины векторов ускорений a_BA и a_B.

Для нахождения величины ускорения точки S₂, принадлежащей шатуну, можно применить теорему подобия. При этом необходимо на векторе, изображающем на плане ускорений относительное ускорение a_BA, найти соответствующую точку S₂', делящую отрезок a'b' в той же пропорции, что и точка S₂ делит отрезок АВ на плане механизма.

Угловое ускорение шатуна вычисляется по формуле

, с^-1,

где n₂b' – длина вектора на плане ускорений, изображающего тангенциальное ускорение а .

Для определения направления вектора углового ускорения шатуна e₂ необходимо вектор тангенциального ускорения а условно перенести в точку В плана механизма. Куда он будет вращать шатун относительно точки А, в ту сторону и направлено ускорение e₂ шатуна.

Планы скоростей и ускорений кулисного механизма

Чтобы построить план скоростей, необходимо составить векторное уравнение скоростей. При этом следует иметь в виду, что точка А₁ (рис. 2.5), принадлежащая кривошипу 1, и точка А₂, принадлежащая ползуну 2 и совпадающая на плане механизма с точкой А₁, вращаются вокруг оси О с одинаковыми линейными и угловыми скоростями:

V_А1 = V_А2 и w₁ = w₂.

Рис. 2.5. Построение планов скоростей и ускорений кулисного механизма

Если задана величина w₁, то величину линейной скорости рассчитывают по формуле

V_А1 = V_А2= w₁L_ОА, м/с.

Векторы скоростей V_А1 иV_А2 направлены перпендикулярно радиусу ОА₁. Скорость точки А₃, принадлежащей кулисе 3, можно найти по векторному уравнению скоростей

V_А3 = V_А2 + V_А3А2,

где V_А3А2 – вектор скорости точки А₃ кулисы относительно точки А₂ ползуна, параллельный прямой А₁В плана механизма.

После выбора масштаба плана скоростей m_v (см. предыдущие примеры механизмов) строят план скоростей. Из полюса Р_v (см. рис. 2.5) перпендикулярно отрезку ОА плана механизма проводится вектор скорости V_А1, совпадающий с вектором скоростиV_А2 (см. рис. 2.5, вектор ). Через точку а₁ проводят прямую, параллельную прямой А₁В, а через полюс Р_v – прямую, перпендикулярную А₁В. На их пересечении получают точку а₃ и наносят направление векторов (стрелки), руководствуясь векторным уравнением скоростей.