Чебоксарский политехнический институт (филиал)

ЧЕБОКСАРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Кафедра «Транспортно-технологические машины и системы»

МЕХАНИКА.

Теория механизмов и машин

Учебное пособие

Задания, методические указания и пример выполнения

курсовой работы для студентов специальности

13.03.02 «Электротехника и электроника»

Чебоксары – 2014

УДК 621.01

Рецензенты:

зав. кафедрой «Детали машин и теория механизмов»,

канд. техн. наук, доцент Волжского филиала МАДИ

Иванов М.Ю.

канд. техн. наук, доцент кафедры транспортно-технологические

машины и системы Чебоксарского политехнического института (филиала) МГМУ (МАМИ) Васильев А.Г.

МЕХАНИКА. Теория механизмов и машин. Задания, методические указания и пример выполнения курсовой работы для студентов специальности 13.03.02 «Электротехника и электроника» / И. В. Никулин. – Чебоксары : ЧПИ (ф) МГМУ (МАМИ), 2014. – 38 с.

Учебное пособие составлено доцентом Никулиным И.В. и одобрено на заседании кафедры «Транспортно-технологические машины и системы» (протокол № 3 от «04» октября 2014 г.)

Утверждено методическим советом института

© Никулин И.В.

ЧПИ (ф) МГМУ (МАМИ), 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………….
Содержание работы………………………………………………………...
1. Структурный анализ……………………………………………………..
2. Кинематический анализ…………………………………………………
2.1. Построение кинематической схемы……………………………….
2.2. Определение скоростей……………………………………………..
2.3. Определение ускорений…………………………………………….
3. Силовой расчет (динамический анализ) механизма…………………...
3.1. Расчет структурной группы 2 класса 2 вида (звенья 4, 5)………..
3.2. Расчет структурной группы 2 класса 1 вида (звенья 2, 3)………..
3.3. Расчет ведущего звена………………………………………………
3.4. Определение уравновешивающей силы методом Жуковского…..
Оформление курсовой работы……………………………………………..
1.1. Основные требования……………………………………………….
1.2. Построение таблиц………………………………………………….
1.3. Формулы и расчеты…………………………………………………
1.4. Библиографическое описание литературы………………………...
Вопросы для подготовки к защите курсовой работы…………………….
Приложение-содержание графической части…………………………….

Введение

В соответствии с требованиями образовательных стандартов студенты специальности и направления 13.03.02 «Электротехника и электроника» по дисциплине «Механика» выполняют курсовую работу по разделу «Теория механизмов и машин».

Курсовая работа предусматривает выполнение 1 листа графических построений на формате А-1 или А-2 и расчетно-пояснительной записки на формате А-4 объемом до 15 страниц.

Работа включает 3 раздела:

1. Структурный анализ механизма.

2. Кинематический анализ.

3. Силовой расчет (кинематическое исследование).

Содержание работы

1. Структурный анализ – определение степени подвижности и класса механизма (в записке).

2. Кинематический анализ графоаналитическим методом – построение кинематической схемы механизма и плана скоростей и ускорений.

3. Силовой расчет – определение реакций в кинематических парах и уравновешивающей силы графоаналитическим методом и методом Жуковского.

Номер задания курсовой и контрольной работы выбирается по предпоследней цифре шифра студента, а номер варианта – по последней.

Методические указания по выполнению курсовой работы.

Структурный анализ.

При структурном анализе определяют степень подвижности и класс механизма.

Степень подвижности плоских механизмов определяют по формуле П.Л. Чебышева

W = 3п – 2 р₅ – 1р₄

где, п – число подвижных звеньев;

р₅ – количество кинематических пар 5-го класса (низших);

р₄ – количество пар 4-го класса (высших).

Класс механизма определяется наивысшим классом структурной группы, входящей в состав механизма.

Для выполнения структурного анализа в пояснительной записке строится структурная схема механизма, которая после выделения основной цепи – ведущее звено со стойкой (цепь I класса) разделяется на структурные группы. После этого записывается формула строения механизма и определяется класс.

Пример:Провести структурный анализ плоского механизма, изображенного на рис. 1.

Рис. 1

Определяем степень подвижности:

W= 3n – 2р₅ – 1р₄

n = 5 – число подвижных звеньев;

p₅ = 7 – число пар 5-го класса (А,В,С,D,F,E ,E);

р₄ = 0 – число пар 4-го класса.

W = 3·5 – 2·7 – 1·0 = 15 – 14 = 1

Следовательно, для работы механизма необходимо иметь одно ведущее звено (один привод).

Определяем класс механизма.

Отбрасываем основную цепь – звенья 1 и 6 (I кл.)

1 класс

Оставшуюся группу звеньев разделяем на 2 структурные группы 2 класса 1 и 2 видов.

2 класс 1 вид. 2 класс 2 вид.

Кинематический анализ.

При кинематическом анализе находят положение всех звеньев при заданном положении ведущего звена (построение кинематической схемы механизма), определяют скорости и ускорения отдельных точек и угловые скорости и ускорения звеньев.

Кинематическая схема строится методом засечек. Кинематические параметры чаще всего определяют графоаналитическим методом (метод планов скоростей и ускорений).

Рассмотрим порядок кинематического анализа на примере механизма изображенного на рис. 1 Используем исходные данные:

х₁ – координата шарнира D, м.

l_AB – длина кривошипа м.

l_BC – длина шатуна ВС, м.

l_CD – длина коромысла СD, м.

l_CF – длина рычага коромысла м.

l_FE – длина шатуна FE, м.

ω₁ – угловая скорость кривошипа, с^-1.

φ₁ – обобщенная координата, определяющая положение ведущего звена, град.

Центры масс звеньев 2.3 и 4 лежат на их серединах, центра масс кривошипа совпадает с центром шарнира А, центр масс ползуна 5 совпадает с центром шарнира Е.

2.1. Построение кинематической схемы (рис. 1а приложения)

В левом верхнем углу формата строится кинематическая схема механизма в масштабе = / (м/мм)

где: l_AB – длина кривошипа, (м),

– отрезок на чертеже, (мм).

Вычисляются отрезки, изображающие размеры остальных звеньев, координаты отдельных точек и методом засечек находят положение их:

= / (мм). = / (мм).

= / (мм). = / (мм).

= Х / (мм).

Вначале радиусом, равных длине отрезка из центра шарнира «А» проводится окружность. От заданного направления оси отсчета обобщенной координаты откладывается угол φ₁ и проводится отрезок АВ. От точки А по горизонтали откладывается отрезок и находится т. D. Из точки «В» радиусом, равным длине отрезка проводится часть дуги окружности, а из точки «D» - часть дуги радиусом, равным длине отрезка . Точки их пересечения и будет точкой «С». Далее откладывается отрезок ; из точки «F» радиусом, равным отрезку , делается засечка на горизонтальной направляющей.Тем самым найдено положение центра шарнира Е. В результате решена первая задача анализа – найдены положения всех звеньев механизма при заданном положении ведущего (входного) звена. В соответствии с координатами, показываются положения центров масс звеньев и проставляются номера звеньев.

В рассматриваемом примере центр масс кривошипа 1 совпадает с центром шарнира А, центр масс ползуна 5 совмещается с центром шарнира Е, а центры масс звеньев 2, 3 и 4 лежат на их серединах.

Определение скоростей.

Скорость т. В кривошипа .

Для точки С, являющейся общей для звеньев 2 и 3, составляется и решается система векторных уравнений:

где: – вектор скорости точки В, известный по величине и направлению – перпендикулярно оси кривошипа АВ в сторону его вращения (подчеркнут двумя чертами);

– вектор относительной скорости точки С шатуна по отношению к точке В, известный по направлению – перпендикулярно оси шатуна ВС (подчеркнут одной чертой);

– вектор скорости точки D. Так как точка D неподвижна, то υ_D=0;

– вектор относительной скорости точки C коромысла по отношению к точке D, известный по направлению – перпендикулярно оси коромысла CD.

Графическое решение (рис. 1б приложения) приведенной выше системы векторных уравнений называют планом скоростей. Предварительно выбирают масштаб плана скоростей.

,

где, – скорость точки В, (мс^-1),

– отрезок (вектор) произвольной длины, (мм).

Отрезок можно взять в пределах 50-80 мм.

Пусть к примеру = 1,42 мс^-1.

Примем = 71мм. Тогда = 1,42 / 71 = 0,02 (мс^-1 / мм).

Итак, проводим вектор перпендикулярно оси кривошипа АВ по направлению его вращения. Через точку «b» проводим линию, перпендикулярную оси шатуна ВС. Так как υ_D=0 , то точка «d» совмещается с полюсом «р» и через точку «d» или через полюс «p» проводим линию перпендикулярную оси коромысла CD. Точки пересечения последних двух линий дает точку «C».

С плана скоростей:

Скорость точки F коромысла определяется по правилу подобия.

(мм).

Проводим отрезок , сходственный с отрезком DF на схеме механизма. Тогда .

Для нахождения скорости точки E решается система векторных уравнений

Здесь:

– вектор скорости точки F известной по величине и направлению (см. точку «f» на плане скоростей);

– вектор относительной скорости точки «E» шатуна 4 по отношению к точке «F», известный по направлению – перпендикулярно оси шатуна FE;

– скорость точки E, принадлежащей стойке (звено 6) и совпадающей в данный момент с точкой «E» ползуна 5. Так стойка 6 звено неподвижное, то и на плане скоростей точки «е₆» совмещается с полюсом «P»;

– вектор относительной скорости точки «E» ползуна по отношению к стойке, известный по направлению – вдоль направляющей. В нашем примере – по горизонтали.

Достраиваем план скоростей. Для этого через точку «f» проводим перпендикуляр к оси шатуна FE до пересечения с горизонталью. Получаем точку «e». Тогда .

Скорость точек центров масс звеньев 2, 3 и 4 находим по правилу подобия. Так как центры масс этих звеньев лежат на их серединах, то и на плане скоростей точки S₂, S₃ и S₄ лежат на серединах соответствующих отрезков.

Тогда

, , .

Угловые скорости звеньев

(c^-1)

(c^-1)

(c^-1)

Здесь: , , - отрезки на плане скоростей, мм.

, , - длины звеньев, м.

Определение ускорений.

Так как кривошип вращается равномерно, то полное ускорение точки В равно нормальному (центростремительному) ускорению

(мс^-2)

Для определения ускорения точки «C» решается графически система векторных уравнений

где, – вектор ускорения точки В кривошипа, известный по величине и направлению – вдоль кривошипа от «В» к «А»;

– вектор нормальной составляющей (центростремительное ускорение) относительного ускорения точки «С» шатуна по отношению к точке «B», известный по величине и направлению – вдоль оси шатуна от «C» к «B»; .

– вектор тангенциальной составляющей относительного ускорения точки «C» по отношению к точке «B», известный по направлению – перпендикулярно ВС;

– вектор ускорения точки D. Так точка D механизма неподвижна, то d_D = 0;

– вектор нормальной составляющей (центростремительное ускорение) относительного ускорения точки «С» коромысла по отношению к точке «D», известный по величине и направлению - вдоль оси коромысла от «C» к «D»; .

– вектор тангенциальной составляющей относительного ускорения точки «C» по отношению к точке «D», известный по направлению – перпендикулярно CD;

Строим план ускорений в масштабе (мс^-2 / мм), (рис. 1в приложения). К примеру: a_B = 12,8 мс^-2. Изобразим это ускорение отрезком = 64мм.

Тогда = 12,8 / 64 = 0,2(мс^-2 / мм).

Откладываем от полюса «π» отрезок длиной 64 мм в направлении вдоль кривошипа АВ от «B» к «A». Длина вектора нормального ускорения будет (мм). Откладываем этот отрезок параллельно шатуну ВС в направлении от С к В, а через точку n₁ проведем перпендикуляр к этому отрезку (направление ). Точку «d» совмещаем с полюсом «π», так как = 0. Длина вектора нормальной составляющей будет (мм). Проводим отрезок πn₂ параллельно коромыслу CD в направлении от «C» к «D» и через точку «n₂» - перпендикуляр к этому отрезку (направление ).

Точка пересечения направлений тангенциальных составляющих даёт точку «C».

Тогда (мс^-2). Здесь – длина отрезка на плане ускорений. Тангенциальные составляющие относительных ускорений

; .

Ускорение точки F определим по графику подобия:

(мм)

CD и DF – отрезки на кинематической схеме механизма,

и – отрезки на плане ускорений .

(мс_-2)

Для определения ускорения точки Е решается система векторных ускорений

Здесь:

– вектор ускорения точки F, известный по величине и направлению;

– вектор нормальной составляющей относительного ускорения точки E по отношению к точке F, известный по направлению – вдоль шатуна от E к F и по величине ;

– вектор тангенциальной составляющей, известный по направлению – перпендикулярно FE;

– ускорение точки Е, принадлежащей стойке (звену) 6 и совпадающей в данный момент с точкой Е ползуна. Так стойка – звено неподвижное, то ;

– вектор кориолисова ускорения. Так как ползун совершает только поступательное движение, то ;

– вектор относительного (релятивного) ускорения, известный по направлению – вдоль оси направляющей. В нашем случае – по горизонтали.

Достраиваем план ускорений. Длина вектора нормального ускорения будет ; (мм). Откладываем этот отрезок параллельно шатуну FE в направлении от EкF, а через точку n₃ проводим перпендикуляр к этому отрезку (направление ).Точку e₆ совмещаем с полюсом и через неё проведём горизонталь – направление .Тогда ускорение точки Е:

(мс^-2) ; (мс^-2).

Ускорение центров масс звеньев 2, 3 и 4 находим по правилу подобия. Так как точки S₂, S₃, S₄ лежат на серединах звеньев BC, DF и FE, то и на плане ускорений эти точки должны лежать на серединах соответствующих отрезков. Тогда:

; ; .

Определяем угловые ускорения звеньев:

(с^-2);

(с^-2);

(с^-2).

Для определения направления угловых ускорений звеньев векторы тангенциальных составляющих относительных ускорений переносим мысленно с плана ускорений на схему механизма в искомые точки и возможный поворот звеньев под действием этих векторов указывает направление их угловых ускорений. Вектор , приложенный в т.C шатуна BC, стремится повернуть его против часовой стрелки (см. кинематическую схему механизма). Вектор , приложенный в т.C коромысла CD поворачивает его против часовой стрелки. Вектор , приложенный в т.E , тоже поворачивает шатун FE против часовой стрелки.

Расчёт ведущего звена.

Строим кинематическую схему ведущего звена (рис. 4а приложения).

Определяем уравновешивающую силу, направив вектор её перпендикулярно кривошипу в сторону его вращения. В шарнире B прикладываем так же вектор , направление которого взято противоположно вектору на плане сил для группы 2, 3.

; ( ).

Определяем реакцию в кинематической паре A:

; .

Строим план сил ведущего звена в масштабе , (рис. 4б приложения):

; ;

С плана сил: ( ).

Оформление курсовой работы

1. Основные требования

Пояснительная записка (ПЗ) оформляется по ГОСТ 2.105-91 «Общие требования к текстовым документам» и выполняется рукописным или компьютерным способом на одной стороне листа формата А-4. Все листы, кроме титульного и задания, должны иметь обведённую рамку с отступлениями на 20 мм от левого края и на 5 мм от трёх других краёв и контур основной надписи по форме 2а, в которой в отведённой графе проставляется номер страницы.

Титульный лист записки является первой её страницей. На первом листе текста заполняется основная надпись по форме 2 (40 185).

Текст располагается следующим образом: расстояние от рамки слева до границ текста в начале строк не менее 5 мм, в конце строк – не менее 3 мм, от верхней и нижней строк – не менее 10 мм. Высота цифр и букв не менее 2,5 мм. Число строк – не более 30.

Текст пояснительной записки разделяют на разделы и подразделы.

Разделы должны иметь порядковые номера в пределах всей записки, обозначенные арабскими цифрами с точкой. Номера подразделов состоят из номера раздела и подраздела, разделённые точкой (например, 1.2. – второй подраздел первого раздела).

Наименования разделов и подразделов должны быть краткими. Наименования разделов записывают в виде заголовков (симметрично тексту) прописными буквами. Наименования подразделов записывают в виде заголовков (с абзаца) строчными буквами (кроме первой – прописной). Переносы слов в заголовках не допускаются. Точку в конце заголовка не ставят.

Расстояние между заголовком и текстом 15 мм. Расстояние между заголовками раздела и подраздела 7 мм.

Каждый раздел рекомендуется начинать с новой страницы.

В конце записки приводится список литературы.

Построение таблиц

Таблица позволяет представить цифровой материал ПЗ в компактной форме. Для таблицы рекомендуется заголовок, раскрывающий в полной мере её содержание. Заголовок должен быть выразительным и кратким.

Таблицы нумеруют. Номер таблицы состоит из номера раздела и порядкового номера, разделённых точкой. Слово «Таблица» и номер записывают над заголовком таблицы справа у линии рамки (см. пример 1).

Формулы и расчёты

Расчёты излагаются в той последовательности, которая определяется характером решаемой задачи.

Наиболее важные из формул, на которые ссылаются в тексте, нумеруют арабскими цифрами.

Номер формулы состоит из номера раздела и её порядкового номера разделённой точкой. Номер формулы заключают в круглые скобки. Например (3.1.), что означает первую формулу третьего раздела.

Использованные в формуле символы последовательно расшифровываются. Расшифровку начинают со слова «где», непосредственно после которого приводят первый поясняемый символ. Все последующие символы отделяют от предыдущей расшифровки точкой с запятой. Перед словом «где» после формулы ставят запятую.

Пример. Мощность привода [2]

, (3.1)

где, - угловая скорость, ( );

- крутящий момент, ( Нм);

- частота вращения, ( мин^-1);

N=100·155=15·10³Вт=15кВт

После основной части проекта располагают «Заключение», которое является структурной неотъемлемой частью любого проекта. В нём подводится итог проектирования.

Заключение должно содержать оценку результатов проекта, выводы по проделанной работе, предложения по использованию полученных результатов.

П Р И Л О Ж Е Н И Е

Содержание графической части

Рис. 1 Кинематическая схема механизма – а,

план скоростей – б и план ускорений – в

Рис. 2 Кинематическая схема структурной группы II класса 2 вида (звенья 4-5) – а и план сил для нее – б

Рис. 3 Кинематическая схема структурной группы II класса 1 вида (звенья 2-3) – а и план сил для нее – б

Рис. 4 Кинематическая схема ведущего звена – а

и план сил для него – б

Рис. 5 Рычаг Жуковского

Задание № 1

Анализ плоского шестизвенного механизма вытяжного пресса.

Параметры	Обо-зна-чение	Раз-мер-ность	Номера вариантов и числовые значения параметров
Размеры звеньев механизма	lOA	м	0,1	0,09	0,09	0,09	0,1	0,11	0,12	0,1	0,09	0,1	0,12	0,1	0,09	0,1	0,12
lAB	м	0,32	0,38	0,29	0,4	0,46	0,45	0,43	0,43	0,36	0,4	0,45	0,4	0,35	0,4	0,45
lBC	м	0,3	0,35	0,25	0,35	0,4	0,4	0,35	0,4	0,3	0,3	0,4	0,3	0,3	0,35	0,4
lCD	м	0,42	0,45	0,37	0,45	0,5	0,5	0,45	0,45	0,42	0,45	0,5	0,45	0,4	0,45	0,5
lDF	м	0,2	0,22	0,2	0,22	0,24	0,25	0,2	0,22	0,2	0,25	0,25	0,22	0,2	0,25	0,25
Координаты	a		0,16	0,13	0,14	0,14	0,15	0,14	0,13	0,16	0,13	0,14	0,15	0,15	0,14	0,14	0,12
b		0,29	0,28	0,3	0,32	0,3	0,3	0,35	0,3	0,28	0,3	0,35	0,3	0,25	0,3	0,35
c		0,45	0,5	0,4	0,5	0,55	0,6	0,5	0,5	0,45	0,5	0,6	0,5	0,45	0,5	0,6
Частота вращения кривошипа	N1	мип-1							6-5
Массы звеньев	m1	кг		5,5	6,0	5,0	4,5		6,5	5,5	4,5	5,0		5,0	5,0	5,0	6,0
m2	кг
m3	кг
m4	кг
m5	кг
Среднее усиление выпрессовки	PC	кн.	0,72	0,8	0,76	0,54	0,8	0,74	0,64	0,78	0,9	0,7	0,72	0,76	0,81		0,8
Обобщенная координата	Φ1	град.

Примечание: 1. центры масс звеньев 2, 3 и 4 лежат на их серединах;

2. центральные моменты инерции звеньев 2, 3 и 4 определить по формуле: J_Si =0,1 × m_i × l_i² (кг × м²).

Задание № 2

Анализ плоского шестизвенного механизма конвейера.

Параметры	Обо-зна-чение	Раз-мер-ность	Номера вариантов и числовые значения параметров
Размеры звеньев	lOA	м	0,09	0,1	0,11	0,12	0,14	0,1	0,12	0,14	0,15	0,1	0,12	0,14	0,15	0,1
lAB	м	0,38	0,42	0,44	0,46	0,46	0,4	0,42	0,44	0,45	0,4	0,44	0,5	0,5	0,4
lBC	м	0,3	0,35	0,36	0,38	0,4	0,3	0,32	0,34	0,4	0,3	0,4	0,45	0,4	0,35
lBD	м	0,76	0,84	0,88	0,92	0,94	0,82	0,8	0,85	0,9	0,8	0,9	0,9	0,85	0,8
Координаты	X1	м	0,3	0,32	0,34	0,35	0,32	0,34	0,4	0,41	0,42	0,35	0,4	0,45	0,42	0,4
y	см
Угловая скорость кривошипа	ω1	с-1	6,0	6,2	6,5	7,0	6,8	7,2	6,6	6,2	6,4	6,5	6,8	7,0	8,0	7,0
Массы звеньев	m1	кг	4,5	4,8	4,9	4,8		4,6	5,0	4,8	5,5	4,5	4,5	4,8	5,0	4,0
m2	кг
m3	кг
m4	кг
m5	кг
Сила сопротивления движению ползуна 5	Pc	кН	1,5	1,4	1,2	1,5	1,4	1,2	1,4	1,5	1,6	1,2	1,4	1,5	1,6	1,2
Обобщенная координата	φ1	град.

Примечание: 1. центры масс звеньев 2, 3 и 4 лежат на их серединах;

2. центральные моменты инерции звеньев 2, 3 и 4 определить по формуле:

J_Si =0,1 × m_i × l_i² (кг × м²).

Задание № 3

Анализ плоского шестизвенного механизма подачи.

1. λ_DC = 1,5 λ_ВС

Параметры	Обо-зна-чение	Раз-мер-ность	Номера вариантов и числовые значения параметров
Длина кривошипа	λОА	м	0,2	0,22	0,20	0,18	0,16	0,15	0,16	0,18	0,2	0,22	0,18	0,16	0,15	0,2	0,2
Длина шатуна	λАВ	м	0,5	0,52	0,54	0,45	0,4	0,4	0,45	0,45	0,5	0,5	0,45	0,5	0,4	0,5	0,45
Длина коромысла	λВС	м	0,4	0,42	0,45	0,45	0,4	0,45	0,4	0,45	0,4	0,4	0,4	0,45	0,35	0,4	0,35
Координаты	Х	м						0,5
Y1	м						0,25
Y2	м						0,5
Обобщенная координата	φ1	град
Угловая скорость	ω1	с-1
Масса кривошипа	m1	кг	1,5	2,0	1,5	1,5	1,5	1,5	1,6	1,8	1,5	2,0	1,8	1,5	1,5	1,6	1,8
Масса шатуна	m2	кг	3,5	3,8	4,0	3,0	3,0	3,2	3,2	3,3	3,6	3,8	3,2	3,6	3,2	3,4	3,5
Масса коромысла	m3	кг	3,2	3,6	3,8 < Наши рекомендации Чебоксарский институт (филиал) Современный гуманитарный институт. Чебоксарский филиал. Волжский политехнический институт (филиал) Политехнический институт (филиал) Чебоксарский политехнический институт (филиал) Чебоксарский институт (филиал) Политехнический институт - филиал Чебоксарский институт экономики и менеджмента (филиал) Чебоксарский кооперативный институт (филиал) Арзамасский политехнический институт (филиал) ← Предыдущая страница | Следующая страница →