Исследование кривошипно-ползунного и кулачкового механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Механизм, анализ, звено, структура, группа ассура, кинематическая пара, скорость, ускорение, реакция, синтез, кулачок

Целью курсового проекта является изучение кривошипно-ползунного и кулачкового механизма, расчет параметров этих механизмов.

Проводится исследование кривошипно-ползунного механизма, определение скоростей и ускорений точек и угловых скоростей и ускорений шатуна, для положений механизма, соответствующих полному обороту кривошипа.

Определена реакции в кинематических парах и уравновешивающий момент, построена зависимость момента от угла поворота кривошипа.

Выполнен синтез кулачкового механизма, определен минимальный радиус по допускаемому углу давления и построен профиль кулачка.

Содержание

• Введение
• 1. Нормативные ссылки
• 2. Исследование кривошипно-ползунного механизма
• 2.1 Этапы исследования кривошипно-ползунного механизма
• 2.2 Структурный анализ механизма
• 2.3 Кинематический анализ механизма
• 2.4 Силовой анализ механизма
• 3. Исследование кулачкового механизма
• 3.1 Этапы проектирования кулачкового механизма
• 3.2 Анализ законов движения толкателя
• 3.3 Определение закона движения толкателя
• 3.4 Динамический синтез кулачкового механизма
• 3.5 Профилирование кулачка
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение
• Кривошипно-ползунный механизм служит для преобразования движения. В рассматриваемой работе вращательное движение кривошипа преобразуется в поступательное движение.
• При данном заданном законе движения входного звена механизма с одной степенью свободы движение остальных звеньев является вполне определенным. Каждому положению входного звена соответствуют определенные положения, скорости и ускорения остальных подвижных звеньев и точек механизма.
• Основными задачами кинематического анализа являются определение положений звеньев и траектории движения, скоростей и ускорений звеньев и точек механизма.
• Движение механизма периодически повторяется, поэтому достаточно исследовать его движение за период выходного звена.
• Начальные данные для первой части расчетов соответствуют 12 варианту заданий.
• Решение указанных задач может осуществляться аналитическим или графоаналитическим методами. В работе используется графоаналитический метод.
• Кулачковым называется механизм, в состав которого входит кулачок, толкатель и стойка. Контакт звеньев может быть точечным или линейным. Ведущим звеном в кулачковом механизме является кулачок. Двигаясь по заданному закону, кулачок воздействует на толкатель, заставляя его двигаться по требуемому закону, который обеспечивается соответствующим профилем кулачка. Движение толкателя имеет периодический характер, цикл которого соответствует данному обороту кулачка.
• Основной особенностью кулачковых механизмов является возможность осуществления заданного закона движения выходного звена, в том числе с остановками, при непрерывном движении выходного звена.
• Начальные данные для второй части расчетов соответствует 12 варианту заданий.
• Кулачковые механизмы используются в станках-автоматах, устройствах подачи, включения двигателя и других случаях, когда требуются получить возвратно-вращательное движение выходного звена по требуемому закону.
• 1. Нормативные ссылки
• В настоящем курсовом проекте использованы ссылки на следующие стандарты:
• 7.1-84 Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления
• 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов
• 2.103-68 ЕСКД. Стадии разработки
• 2.104-68 ЕСКД. Основные надписи
• 2.104-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам
• 2.106-96 ЕСКД. Текстовые документы
• 2.109-73 ЕСКД. Основные требования к чертежам
• 2.118-73 ЕСКД. Техническое предложение
• 2.119-73 ЕСКД. Эскизный проект
• 2.120-73 ЕСКД. Технический проект
• 2.301-68 ЕСКД. Форматы
• 2.302-68 ЕСКД. Масштабы
• 2.303-68 ЕСКД. Линии
• 2.304-81 ЕСКД. Шрифты чертежные
• 2.305-68 ЕСКД. Изображение, виды, размеры, сечения
• ГОСТ 2.316-2008 ЕСКД. Правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах. Общие положения.
• ГОСТ 2.703-2011 Правила выполнения кинематических схем
• ГОСТ 2.271-74 ЕСКД. Обозначения условные и графические в схемах. Обозначения общего применения
• ГОСТ 2.770-68 ЕСКД. Обозначения условные и графические в схемах.
• Элементы кинематики
• ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин
• 2. Исследование кривошипно-ползунного механизма
• 2.1 Этапы исследования кривошипно-ползунного механизма
• Исследование кривошипно-шатунного механизма состоит из трёх видов анализа:
• 1) Структурный анализ:
• - определение количества звеньев и кинематических пар, их классов;
• - определение количества степеней свободы механизма в зависимости от числа подвижных звеньев, числа и класса кинематических пар;
• - разделение механизма на структурные группы и определение их класса.
• 2) Кинематический анализ:
• - определение положения звеньев и построение траектории отдельных точек за рабочий цикл;
• - определение скоростей и ускорений точек, угловых скоростей и ускорений звеньев. Решение данных задач проводится графическим методом.
• 3) Кинемостатический анализ:
• Позволяет некоторые задачи динамики механизмов свести к задачам статики.
• -определение реакций в кинематических парах механизма при его движении, а также уравновешивающих сил или моментов.
• 2.2 Структурный анализ механизма
• Обозначим порядковые номера звеньев, начиная с ведущего. Тогда подвижные звенья будут обозначены: кривошип - 1, шатун - 2, ползун - 3, неподвижные звенья - 4.
• Кинематические пары обозначим буквами: стойка 4 и кривошип 1 образуют вращательную пару А 5-го класса, кривошип 1 и ползун 2 - вращательную пару B 5-го класса, шатун 2 и ползун 3 - вращательную пару C 5-го класса, ползун 3 и направляющее 4 - поступательную пару C 5-го класса.
• Поскольку кривошипно-ползунный механизм является плоским, то степень подвижности определяется по формуле Чебышева:
• (1)
• Где W - число степеней свободы, подвижность механизма;
• n - число подвижных звеньев;
• p₅ - число кинематических пар 5-го класса;
• p₄ - число кинематических пар 4-го класса.
• В данном случае n = 3, p5 = 4, p4 = 0.
• W=3*3-2*4-0=1
• При анализе структуры механизма отсоединим структурную группу Ассура - диаду 2-го класса (звенья 2 и 3) от ведущего звена 1. Если такую отсоединённую структурную группу присоединить к стойке, то она будет иметь нулевую подвижность:
• W=3*2-2*3=0
• При этом степень подвижности начального механизма 1-го класса осталась неизменной:
• W_н.м.=3*1-2*1=1
• Поскольку класс механизма соответствует классу наивысшей группы, входящей в его состав, то кривошипно-ползунный механизм будет относиться к механизмам 2-го класса.

2.3 Кинематический анализ механизма

Определение скоростей точек механизма

Определим масштаб кинематической схемы:

Угловая скорость ведущего звена (кривошипа):

Линейная скорость точки B:

Запишем векторное уравнение для определения скорости точки C группы Ассура, принадлежащей одновременно шатуну и ползуну:

Где: вектор переносной скорости точки C;

вектор относительной скорости точки C относительно точки B (перпендикулярен звену CB)

Построим план скоростей механизма, для чего примем масштаб построения, удобный для вычислений и достаточный для наглядности чертежа:

Где: отрезок на плане скоростей, изображающий вектор скорости точки B.

Определим величины скоростей:

Угловая скорость 2-го звена равна:

Вычисление ускорений точек механизма

Ускорение точки B кривошипа при постоянной частоте его вращения равно нормальному, :

Векторное уравнение для определения ускорения точки C имеет вид:

Вектор направлен вдоль AB к точке A; вектор - от точки C к точке B вдоль CB, или ; вектор

Уравнение решается построением плана ускорений в масштабе.

Выберем масштаб плана ускорений:

Где: отрезок на плане ускорений, отображающий ускорение точки B и направленный параллельно BA из полюса плана ускорений

Рассчитаем ускорение :

Рассчитаем отрезок (bn), отображающий нормальное относительное ускорение :

Из плана ускорений измерим отрезки:

Определим ускорения:

Угловое ускорение звена 1 равно нулю, т.к. тангенциальное ускорение 1-го звена равно нулю.

Угловое ускорение 2-го звена равно:



Параметры остальных положений механизма рассчитываем по примеру и помещаем в таблицу 1.

Таблица 1 - Параметры механизма

№	Vcb	Vc	Vs2		(bn)	ac	(pac)	as2	(paS)		(cn)	?
1	0,80	1.83	1.79	5,402	2,814	33.13	17	58.47	30	85,75	44	724,64
2	0	1,83	0	0	0	0	0	0	0	97,45	50	812,09
3	0,91	1,35	1,53	6,976	3,63	66,26	34	70.46	36	86,73	44.5	722,75
4	1,57	0,69	1,13	20,64	10,75	70,46	36	79,90	41	46,77	24	389,8
5	1,83	0	0	27,90	14,54	69,30	35,5	0	0	0	0	0
6	1,57	0,69	1,13	20,64	10,75	70,4	36	79,90	41	46,77	24	389,8
7	0,91	1,35	1,53	6,976	3,63	66,26	34	70.46	36	86,73	44.5	722,75
8	0	1,83	0	0	0	0	0	0	0	97,45	50	812,09
9	0,80	1.83	1.79	5,402	2,814	33.13	17	58.47	30	85,75	44	724,64
10	1,57	1,24	1,35	20,64	10,75	100,37	51,5	97,45	50	48,72	25	406,4
11	1,83	0	0	27,90	14,54	97,45	50	0	0	0	0	0
12	1,57	1,24	1,35	20,64	10,75	100,37	51,5	97,45	50	48,72	25	406,04

2.4 Силовой анализ механизма

Силовой расчёт структурной группы

Группа Ассура (звенья 2 и 3):

Сила полезного сопротивления задана по вариантам и направлена противоположно :

Сила тяжести шатуна:

Сила тяжести ползуна:



Сила инерции шатуна (направлена противоположно ):

Сила инерции ползуна (направлена противоположно ):

Момент инерции звена 2:

Составим уравнение равновесия - суммы моментов сил, действующих на звено, относительно точки C:

;

;

Составим векторное уравнение равновесия сил, действующих на группу Ассура (звенья 2 и 3):

;

Данное уравнение решаем с помощью построения плана сил в масштабе

Находим отрезки, выражающие в масштабе известные значения сил:

Силы в нашем случае ничтожно малы, поэтому ими можно пренебречь.

Определим значения неизвестных сил из формулы (29):

Силовой расчёт группы начальных звеньев (звенья 4 и 1)

Изобразим группы начальных звеньев в масштабе

Определим реакцию . Для этого составим векторное уравнение сил, действующих на звено 1:

Где: , отсюда следует:

Определим величину и направление уравновешивающего момента , для этого составим уравнение моментов сил, действующих на звено 1, относительно точки А:

;



Уравновешивающий момент направлен против часовой стрелки.

Мгновенная потребная мощность для данного положения:

Параметры для остальных положений механизма рассчитываем по примеру и помещаем в таблицу 2.

Таблица 2 - силовые параметры механизма

№								P
1	233,88	132,3	72,464	700,314	3240	360	168,48	8,821
2	0	0	81,2	670,78	3465	1725
3	281,856	265	72,275	632,623	2490	105	49,8	2,607
4	319,636	281,856	38,98	348,525	2370	114	23,7	1,240
5	0	277,228	0	19,6	277,86	19.5
6	319,636	281,853	38,98	358,409	3660	750	36,6	1,916
7	281,856	265	72,275	654,167	3810	1440	76,2	3,989
8	0	0	81,2	682,546	3000	300
9	233,88	132,3	72,464	710,114	3120	1350	162,24	8,494
10	389,79	401,498	40,604	425,764	2370	660	61,62	3,226
11	0	389,802	0	19,6	390.48	19.5
12	389,79	401,498	40,604	50,386	3690	495	95,94	5,023

Таблица 3 - значения параметров

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
h1	15	18	15	9	60	9	15	18	15	9	60	9
h2	52		20	10		10	20		52	26		26

3. Исследование кулачкового механизма

3.1 Этапы проектирования кулачкового механизма

Исследование и проектирование кулачкового механизма делится на следующие этапы: назначение закона движения толкателя, выбор структурной схемы, определение перемещения толкателя в зависимости от закона изменения его скорости или ускорения

Задачи синтеза состоит в воспроизведении заданного закона движения толкателя, то есть построении профиля кулачка по заданным законам движения кулачка и толкателя и некоторым конструктивным параметрам, который включает в себя:

- выбор типа механизма, то есть правильной кинематической схемы, обеспечивающей требуемый закон движения;

- выбор и обоснование закона движения толкателя;

- определение основных размеров звеньев;

- профилирование кулачка.

Одной из важнейших задач динамики кулачковых механизмов является анализ сил и условий нормального взаимодействия звеньев. При этом существенное значение имеют угол давления и КПД механизма.

3.2 Анализ законов движения толкателя

Полный цикл работы кулачкового механизма состоит из четырёх фаз:

- фаза удаления толкателя, соответствующая углу поворота кулачка на угол ;

- фаза дальнего выстоя, соответствующего углу поворота кулачка на угол , ();

- фаза возвращения толкателя, соответствующая углу поворота кулачка на угол , ();

- фаза ближнего стояния, соответствующая углу поворота кулачка на угол , ().

Сумма фазовых углов поворота кулачка равна одному полному его обороту:

;

При этом, рабочий угол поворота - сумме углов удаления, дальнего выстоя и возвращения:

.

В нашем случае имеем:

После преобразования получаем:

Откуда следует, что

Следовательно:

3.3 Определение закона движения толкателя

Сначала строим заданную диаграмму аналога скорости Для этого в масштабе по оси абсцисс откладываем фазовые углы

.

Масштаб оси абсцисс при этом равен:

Максимальную ординату графика, которая соответствует максимальной скорости толкателя, принимаем равной 100 мм. Разбиваем по оси углы на 6 частей каждый.

Диаграмму перемещения толкателя строим как интегральную кривую функции .

Интегрируем в следующем порядке:

- построим на графике пунктиром ординаты, соответствующие серединам интервалов 0-1, 1-2,..., и снесём их вершины на ось ординат (точки 1`, 2` и т.д.);

- соединим точку Р (полюс), взятую на продолжении оси (расстояние H), с точками 1`, 2`,… . Для упрощения дальнейших построений расстояние H вычисляем по формуле:

- соединяем ломаной линией полученные точки и получаем кривую, представляющую диаграмму .

Определяем масштабы построения:

-масштаб оси ординат диаграммы перемещений

Где: замеренное максимальное значение ординаты S;

- масштаб оси ординат диаграммы аналога скорости толкателя при этом будет равен масштабу :

3.4 Динамический синтез кулачкового механизма

Задачей динамического синтеза является определение такого минимального радиуса вектора центрового профиля кулачка , при котором переменный угол давления ни в одном положении кулачкового механизма не будет превышать .

Определим :

- из точки , расположенную на линии абсциссы диаграммы , отложим вертикальный отрезок ;

- через полученные точки проводим перпендикуляры, на которых откладываем отрезки (1-1`,2-2`…), взятые из графика аналога скоростей.

Отрезки откладываются в том же масштабе, что и перемещение толкателя S. Соединив концы отрезков плавной кривой, получаем диаграмму .

К полученной кривой слева и справа под углом к направлению движения толкателя проводим касательные. Заштрихованная область и есть область выбора центра вращения кулачка.

За центр вращения кулачка принимаем точку O, находящуюся на расстоянии заданного эксцентриситета справа от оси перемещения толкателя S:

Соединив точки O и прямой, получаем искомый минимальный радиус-вектор теоретического профиля кулачка, который равен:

3.5 Профилирование кулачка

Построение профиля кулачка выполняем в следующей последовательности:

- с центром в точке O строим две окружности радиусами , при этом соблюдая масштаб ;

- к окружности радиуса проводим вертикальную касательную. Точка , которая является пересечением касательной и окружности радиуса , определяет нижнее положение толкателя;

- от линии , в направлении обратном угловой скорости кулачка откладываем фазовые углы и делим их на части в соответствии с диаграммой ;

- через полученные точки проводим плавную кривую, которая является центровым профилем кулачка;

- выберем радиус ролика толкателя исходя из условия :

- примем , что на чертеже в масштабе будет равно:

- строим действительный профиль кулачка, для этого проводим ряд дуг окружностей радиуса внутри центрового профиля с центрами на этом профиле. Огибающая этих дуг и есть действительный профиль кулачка.

скорость кривошип шатун кулачок

Заключение

В первой части курсового проекта исследуется кривошипно-ползунный механизм. В результате структурного анализа определяется класс механизма и производится выделение группы Асура и начального механизма. Методом планов скоростей и ускорений определены скорости точек механизма для двенадцати положений кривошипа, построены диаграммы скоростей и ускорений.

Выполнен кинетостатический расчет механизма для 12 положений и построена диаграмма уравновешивающих моментов.

Во второй части курсового проекта выполнен синтез кулачкового механизма по заданной схеме и закону изменения скорости толкателя.

Графическим интегрированием функции изменения скорости толкателя определяем закон перемещения толкателя. Определяем минимальный радиус кулачка по заданному углу давления и строим профиль кулачка.

Список использованной литературы

1. Техническая механика часть 2. Методическое указание по выполнению курсового проект/ Сост.: Журавлёва С.Н., Юнин В.В.; Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. Технической механики и гидравлики.- Краснодар: Изд. КубГТУ, 2016. -62с.

2. Теория механизмов и механика машин / К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов, Г.А. Тимофеев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2009. - 688с.

3. Тимофеев Г.А. Теория механизмов и машин: учеб. пособие. - М.: Изд-во «Юрайт», 2011. - 351с.

4. Борисенко Л.А. Теория механизмов, машин и манипуляторов: учеб. пособие. - Минск : Новое знание; М.:ИНФРА - М, 2011. - 285 с.

5. Теория механизмов и машин: учеб. пособие / Ю.А. Матвеев, Л.В. Матвееева. - М.: Альфа - М: ИНФРА - М, 2011. - 320с.

6. Тимофеев С.И. Теория механизмов и машин. - Ростов н/Д.: Феникс, 2011. - 349с.

Размещено на Allbest.ru