4. Силовой анализ плоских рычажных механизмов

Силы (моменты), действующие на звенья механизма, делят на движущие, развивающие положительную мощность, и сопротивления, развивающие отрицательную мощность, а так же на внутренние (реакции в кинематических парах) и внешние. К последним относят силы веса и силы (моменты) полезного сопротивления, для преодоления которых предназначен механизм.

Помимо перечисленных силовых факторов при силовом анализе механизмов вводят в рассмотрение так называемые уравновешивающие силы и моменты – такие условные внешние силы и моменты, которые, будучи приложенными к начальным звеньям, обеспечивают их движение по заданному закону.

Механизм – это неравновесная механическая система, так как в ней, как правило, нет ни одного подвижного звена, находящегося в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Но поскольку при силовом анализе механизмов предпочтительнее использовать приемы и уравнения статики, то к реальным, фактически действующим силам, искусственно добавляют инерционные силы и моменты, которые, согласно принципу Даламбера, любую систему сил дополняют до равновесной; эти силы и моменты также считают внешними.

Рис. 4.1

Для каждого звена инерционную силу считают приложенной в центре масс S и направленной противоположно его ускорению ; инерционный моментприкладывают к звену и направляют противоположно его угловому ускорению
(рис. 4.1).

Величины инерционных нагрузок

; ; (4.1)

здесь m – масса звена, – момент инерции звена относительно его центра массS.

Силовой анализ механизмов с учетом инерционных нагрузок называют кинетостатическим.

Целью силового анализа механизма является:

1. Определение сил взаимодействия звеньев (реакций в кинематических парах).

2. Определение уравновешивающих сил и моментов.

В данном пособии рассматриваем расчет без учета трения в кинематических парах.

Классическая задача силового анализа механизма обычно решается при таких исходных данных:

1) Кинематическая схема механизма.

2) Размеры и иные геометрические параметры звеньев.

3) Законы движения входных звеньев.

4) Массы и моменты инерции звеньев.

5) Силы и моменты полезных сопротивлений.

В дальнейшем будем считать, что к моменту начала силового расчета механизма выполнен его полный кинематический анализ и рассчитаны веса звеньев, их инерционные силы и моменты, а силы и моменты полезных сопротивлений заданы.

4.1. Характеристики реакций в кинематических парах

Вектор любой силы характеризуется точкой приложения, модулем (величиной) и направлением; вместо величины и направления нередко используют две составляющих этой силы по каким-либо выбранным направлениям.

Реакция в кинематической паре всегда действует в тех направлениях, в которых невозможно относительное движение звеньев.

В плоских механизмах встречаются кинематические пары только IV и V классов (рис. 4.2 и 4.3). Очевидно, что реакции в таких парах характеризуются следующими сочетаниями известных и неизвестных величин:

пара IV класса – известны точка приложения и направление (действует вдоль контактной нормали), неизвестна только величина;

вращательная пара V класса – известна точка приложения, неизвестны направление и величина (или две составляющих по выбранным направлениям);

поступательная пара V класса – известно направление (перпендикулярно направляющей поступательного движения), неизвестны величина и положение точки приложения.

Пара IV класса	Пары V класса
	а) вращательная	б) поступательная
Рис. 4.2	Рис. 4.3

Таким образом, при силовом анализе пара IV класса характеризуется одной неизвестной величиной, любая пара V класса – двумя.