Teoria maszyn i podstawy automatyki semestr zimowy 2019/2020

(1)

Teoria maszyn i podstawy automatyki semestr zimowy 2019/2020

dr inż. Sebastian Korczak

(2)

Wykład 5

Mechanizmy krzywkowe.

Dynamika mechanizmów płaskich.

(3)

Mechanizmy krzywkowe

Inspiracje

(4)

Mechanizmy krzywkowe

Inspiracje w sztuce

Mechanics Alive! Cabaret Mechanical Theatre Automata Exhibition

https://www.youtube.com/watch?v=kv1CpJi60xQ

The "Draughtsman-Writer" automaton by Henri Maillardet

(5)

Mechanizmy krzywkowe

Podstawowe informacje

Mechanizm krzywkowy – mechanizm składający się z krzywki i popychacza tworzących parę kinematyczną wyższą klasy IV.

Krzywka porusza się najczęściej ruchem obrotowym (czasem postępowym, a popychacz ruchem postępowo zwrotnym (czasem wahadłowym).

zalety

 prosta konstrukcja,

 łatwość wykonania,

 dowolne wymiary,

 łatwość uzyskania skomplikowanych

wady

 niska wytrzymałość przy dużych obciążeniach,

 brak adaptacyjności

(6)

Mechanizmy krzywkowe

Podział mechanizmów krzywkowych:

płaskie / przestrzenne

z popychaczem centralnym / z popychaczem mimośrodowym z zamknięciem kinematycznym / z zamknięciem siłowym

Podstawowe informacje

(7)

Mechanizmy krzywkowe

Przykłady popychaczy

talerzykowy rolkowy

ostrzowy

grzybkowy

(8)

Mechanizmy krzywkowe

Przykłady

wahadłowy mimośrodowy

płaski ramkowy

źródło: T. Kołacin, „Podstawy teorii maszyn i automatyki”, OW PW

(9)

Mechanizmy krzywkowe

Przykłady

przestrzenna krzywka walcowa

przestrzenna krzywka

globoidalna

krzywka o ruchu postępowym

(10)

Analiza i synteza mechanizmów krzywkowych

Analiza mechanizmu krzywkowego – wyznaczenie przebiegu przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia popychacza w funkcji kąta obrotu krzywki dla zadanej konstrukcji i geometrii mechanizmu.

Synteza mechanizmu krzywkowego – zaprojektowanie geometrii krzywki dla danej konstrukcji mechanizmu krzywkowego w celu uzyskania pożądanego przebiegu przemieszczenia, prędkości lub przyspieszenia popychacza w funkcji kąta obrotu krzywki. Dodatkowo narzuca się pewne ograniczenia, np. maksymalny wznios popychacza, maksymalną prędkość lub przyspieszenie. Należy sprawdzić również trzecią pochodną wzniosu popychacza (udar), która powinna mieć skończone wartości.

(11)

Analiza i synteza mechanizmów krzywkowych

Analiza Synteza

 zastąpienie pary IV klasy parami V klasy i zastosowanie metod

wykreślnych (plany prędkości i przyspieszeń)

 graficzne wyznaczenie przebiegu wzniosu popychacza i jego

różniczkowanie graficzne

 zastosowanie metody analitycznej (zastąpienie mechanizmu

wielobokiem wektorów)

 graficzne konstruowanie zarysu krzywki poprzez obracanie koła

bazowego i odkładanie pożądanego wzniosu popychacza

 analityczne projektowanie zarysu krzywki poprzez opis funkcyjny

(12)

Analiza mechanizmów krzywkowych

Analiza mechanizmu krzywkowego metodą wykreślną poprzez zastępowanie pary IV klasy parami V klasy.

O O

A B

AB – promień krzywizny krzywki w punkcie styku z

popychaczem

(13)

Analiza mechanizmów krzywkowych

Analiza mechanizmu krzywkowego metodą wykreślną poprzez zastępowanie par IV klasy parami V klasy.

O

A

dla fragmentu prostoliniowego

O

(14)

Analiza mechanizmów krzywkowych

Analiza mechanizmu krzywkowego poprzez graficzne kreślenie wzniosu popychacza i graficzne różniczkowanie

(15)

Analiza mechanizmów krzywkowych

(16)

Analiza mechanizmów krzywkowych

(17)

nios

Analiza mechanizmów krzywkowych

(18)

...

kąt

wznios

...

kąt

prędkość

Analiza mechanizmów krzywkowych

(19)

nios

dkość ...

...

eszenie

Analiza mechanizmów krzywkowych

(20)

Metoda analityczna

Analiza mechanizmów krzywkowych

(21)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

Dane:

wznios popychacza

(22)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

φ (t)=ω t

Assumption: constant angular velocity of a cam

(23)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

wznios[mm]

0 time

angle

0

2 π

2 π ω

(24)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t ω=const.

koło

zasadnicze o założonym

promieniu

(25)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(26)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(27)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(28)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(29)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(30)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(31)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(32)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(33)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(34)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(35)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(36)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(37)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(38)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(39)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(40)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(41)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(42)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(43)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(44)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(45)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(46)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(47)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(48)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(49)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(50)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

ω=const.

(51)

Metoda graficzna

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas

wznios[mm]

zał.: φ (t )=ω t

(52)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

(53)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

Dla danego przebiegu przyspieszenia lub prędkości wzniosu popychacza w funkcji czasu (lub kąta obrotu) charakterystykę wzniosu popychacza otrzymuje się poprzez całkowanie.

(54)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

Przebieg wzniosu popychacza w funkcji kąta obrotu krzywki możemy wprost wykorzystać do wygenerowania zarysu krzywki (lub po przekształceniu do współrzędnych biegunowych).

(55)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

Zastosowanie popychacza ostrzowego pozwala dokładnie odzwierciedlić zadaną funkcję wzniosu popychacza.

(56)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

Zastosowanie popychacza rolkowego wprowadza ograniczenie maksymalnej prędkości wzniosu popychacza – wymaga ustalenia proporcji między wielkością krzywki a promieniem rolki.

(57)

Metoda analityczna

Synteza mechanizmów krzywkowych

Zastosowanie popychacza rolkowego wprowadza ograniczenie maksymalnej prędkości wzniosu popychacza – wymaga ustalenia proporcji między wielkością krzywki a promieniem rolki.

Często projektuje się krzywki o symetrycznym zarysie oraz gładkie

(58)

Metoda analityczna – przykład

Synteza mechanizmów krzywkowych

Dobrać zarys profilu krzywki współpracującej z popychaczem ostrzowym niecentralnym aby uzyskać stałe przyspieszenie wznoszenia i opadania dla stałej prędkości kątowej krzywki.

(59)

Synteza mechanizmów krzywkowych

kąt

przyspieszenie[m/s2 ]

π 2 π

0

(60)

Synteza mechanizmów krzywkowych

kąt

φ (t )=ω t

π 2 π

0

^{czas [s]}

przyspieszenie[m/s2 ]

ω π 2 π ω

0

(61)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

(62)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

(63)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

+C

₁

t +C

₂

a

₂

=

⁻

a

₀

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +C

₃

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 +C

₃

t +C

₄

(64)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

Promień koła zasadniczego krzywki

a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

2 +C

₁

t +C

₂

a

₂

=

⁻

a

₀

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +C

₃

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 +C

₃

t +C

₄

h

₁

(t=0)=h

₂

(t=2 π ω )=R C

₂

= R

C

₄

=R+2 a

₀

π

²

ω

²⁻

2 C

₃

π

ω

(65)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

Promień koła zasadniczego krzywki

h

₁

(t=0)=h

₂

(t=2 π ω )=R C

₂

= R

C

₄

=R+2 a

₀

π

²

ω

²⁻

2 C

₃

π ω

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +C

₃

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 +C

₃

t + R+2 a

₀

π

²

ω

²⁻

2 C

₃

π ω a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

+C

₁

t + R

a

₂

=

⁻

a

₀

(66)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

h

₂

(t= π ω )=h

¹

(t= π ω )

Ciągłość zarysu krzywki

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +C

₃

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 +C

₃

t + R+2 a

₀

π

²

ω

²⁻

2 C

₃

π ω a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

2 +C

₁

t + R

a

₂

=

⁻

a

₀

(67)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

h

₂

(t= π ω )=h

¹

(t= π ω )

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +C

₃

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 +C

₃

t + R+2 a

₀

π

²

ω

²⁻

2 C

₃

π ω a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

+C

₁

t + R

a

₂

=

⁻

a

₀

C

₃

=a

₀

π

ω

⁻

C

₁

(68)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

h

₂

(t= π ω )=h

¹

(t= π ω )

C

₃

=a

₀

π

ω

⁻

C

₁

a

₁

=a

₀

v

₁

(t )=a

₀

t +C

₁

h

₁

(t)= a

₀

t

²

2 +C

₁

t + R

a

₂

=

⁻

a

₀

v

₂

(t)=

⁻

a

₀

t +a

₀

π

ω

⁻

C

₁

h

₂

(t)=

⁻

a

₀

t

²

2 + R+a

₀

π

ω t +C

¹

(2 π ω

⁻

t )

(69)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

ω π 2 π ω

0

1

2

czas [s]

prędkość[m/s]

ω π 2 π ω

0

wznios[m]

C

₁

=0

(70)

Synteza mechanizmów krzywkowych

h(t )= { ^a

⁰

² ^t

²

^+C

¹

t + R , for t

^∈

(0 , π ω )

−

a

₀

t

²

2 + R+a

₀

π

ω t+C

¹

(2 π ω

⁻

t ), for t

∈

( π ω ,2 π

ω )

(71)

Synteza mechanizmów krzywkowych

h(t )= { ^{a t} ²

²

^+C

¹

t + R , dla t

^∈

(0 , π ω )

−

a t

²

2 + R+a

₀

π

ω t +C

¹

(2 π ω

⁻

t ), dla t

^∈

( π ω ,2 π ω )

Uwzględnienie mimośrodu popychacza

ρ(t)= √ ^h

²

^{(t )+m}

² ^m

ρ(t) h(t)

(72)

Synteza mechanizmów krzywkowych

h(t )= { ^{a t} ²

²

^+C

¹

t + R , dla t

^∈

(0 , π ω )

−

a t

²

2 + R+a

₀

π

ω t +C

¹

(2 π ω

⁻

t ), dla t

^∈

( π ω ,2 π ω )

Uwzględnienie mimośrodu popychacza

x (t )=ρ(t )cos ω t y (t )=ρ(t )sin ω t

Przejście ze współrzędnych biegunowych na prostokątne

ρ(t)= √ ^h

²

^{(t )+m}

² ^m

ρ(t) R h(t)

(73)

Synteza mechanizmów krzywkowych

(74)

Synteza mechanizmów krzywkowych

czas [s]

przyspieszenie [m/s2 ]

ωπ 2 πω 0

czas [s]

prędkość [m/s]

ωπ 2 πω 0

czas [s]

wznios [m]

ωπ 2 πω 0

(75)

Metoda analityczna – przykład 2

Synteza mechanizmów krzywkowych

Dobrać zarys profilu krzywki współpracującej z popychaczem ostrzowym centralny aby uzyskać przyspieszenie o przebiegu sinusoidalnym przy stałej prędkości kątowej krzywki.

kąt

π

2 π 0

do domu

(76)

Kąt i odległość nacisku

Mechanizmy krzywkowe

n n n

(77)

Mechanizmy krzywkowe

n α

n n

α

(78)

Mechanizmy krzywkowe

x x x

(79)

Mechanizmy krzywkowe

(80)

Warunki ograniczające z warunków wytrzymałościowych

Mechanizmy krzywkowe

Warunek 1: minimalny promień krzywizny zarysu ze względu na wytrzymałość i odporność na zużycie.

(81)

Mechanizmy krzywkowe

Warunek 2: największy dopuszczalny kąt nacisku z warunku wytrzymałości na zginanie popychacza i nacisków maksymalnych w prowadnicy.

n

α

(82)

Mechanizmy krzywkowe

x n

α

x n

α

Warunek 2: największy dopuszczalny kąt nacisku z warunku wytrzymałości na zginanie popychacza i nacisków maksymalnych w prowadnicy.

Uwaga: przesunięcie popychacza w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu krzywki zmniejsza wartości kąta nacisku.

(83)

Mechanizmy krzywkowe

Warunek 3: największa dopuszczalna odległość nacisku (dla popychaczy talerzykowych) z warunku na zginanie trzonu popychacza.

n

(84)

Oprogramowanie

Mechanizmy

http://www.ehu.eus/compmech/software/

(85)

Dynamika mechanizmów

(86)

Przegląd zagadnień

Dynamika mechanizmów

Opis mechanizmu płaskiego za pomocą brył sztywnych i punktów materialnych.

Wykreślne wyznaczanie sił i momentów sił bezwładności.

Reakcje w parach kinematycznych.

Siły napędzające i robocze.

Pierwsze i drugie zadanie dynamiki mechanizmów.

Zastosowanie metod wykreślnych, analityczno-wykreślnych i analitycznych.

Tarcie w parach kinematycznych.

(87)

Reprezentacja członów mechanizmu

Dynamika mechanizmów

Dla członu mechanizmu płaskiego jako bryły sztywnej podajemy:

(88)

Dynamika mechanizmów

Dla członu mechanizmu płaskiego jako bryły sztywnej podajemy:

 masa

 położenie środka masy

 masowy moment bezwładności względem osi prostopadłej do płaszczyzny ruchu i przechodzącej

przez środek masy

 położenie punktów łączenia w pary kinematyczne

(89)

Dynamika mechanizmów

układ punktów materialnych Metoda mas skupionych

(90)

Dynamika mechanizmów

Metoda mas skupionych

 równość mas

 położenie środka masy

 równość momentów bezwładności

układ punktów materialnych

(91)

Dynamika mechanizmów

Metoda mas skupionych - przykład Dane:

Geometria, masa m, położenie środka masy (pkt. C) i moment

bezwładności I_C

C

(92)

Dynamika mechanizmów

m

₁

m

₂

m

₃

m C

a b

x

(93)

Dynamika mechanizmów

m

₁

m

₂

m

₃

m C

m

₁

+m

₂

+m

₃

=m

x

_C

=

⁻

a m

₁

+b m

₃

m

₁

+m

₂

+m

₃

=0 a b

m

₁

a

²

+m

₃

b

²

=I

_C