3.1.2 Определение движущих сил. Механические характеристики машин

Внешние силы могут быть постоянными, например: силы тяжести, силы сопротивления резанию металла и др. Внешние силы также могут зависеть от положения звена, от скорости движения звена, от времени. Определение величины внешней силы возможно только в том случае, если задана ее характеристика. Покажем на примере механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (рисунок 3.1.).

Закон изменения давления газа Р_Гв цилиндре задается индикаторной диаграммой, т.е. зависимостью давления газа от перемещения поршняS

P_Г = (S).

Полный цикл работы двигателя заканчивается в течение двух оборотов кривошипа. За первую половину оборота происходит расширение горючей смеси – участок ab (рисунок 3.1), за вторую половину первого оборота – ее выхлоп (bc). Далее происходит всасывание горючей смеси (cd) и ее сжатие (dеa). Каждая из этих фаз отмечена на индикаторной диаграмме, на которой нанесены соответствующие кривые изменения давления газа в цилиндре.

Рисунок 3.1, а- Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

и его индикаторная диаграмма

При расчете давления газа на поршень обычно принимают избыточное давление при всасывании и выхлопе равным атмосферному, т.е. р_и = 98066,5 Па. При сжатии и расширении для каждого положения поршня избыточное давление будет определяться по формуле:

р_иi = у_i p_maxилир_иi = у_i μ_p, (3.1)

где у_i - соответствующая ордината, замеренная на индикаторной диаграмме, p_max - максимальное индикаторное давление (обычно задается),μ_p - масштабный коэффициент индикаторной диаграммы.

Тогда силы давления газов на поршень будут равны:

Р_Г = р_иi π d² / 4, (3.2)

где d- диаметр цилиндра (поршня) вм.

Силы давления газов на поршень, как известно, являются движущими силами. Поэтому, определив их, можно найти приведенный момент:

М^пр_дв.с.= Р_Г υ_B cosα /ω₁=(Нм) (3.3)

и мощность двигателя

N = М^пр_дв.с. ω₁ = (Вт), (3.4)

где υ_В - скорость поршняВ, к которому приложена силаР_Г,α- угол между направлением силы и вектором скорости,ω₁ - угловая скорость ведущего звена.

Данная методика распространяется на любой тепловой поршневой двигатель или компрессор, в которых давление на поршень задано в функции перемещения и приведенный момент от сил сопротивления является величиной постоянной (). Но существуют механизмы, например, механизм пресса, у которыхявляется величиной переменной. Тогда механическая характеристика будет иметь вид, показанный на рисунке 3.1,б.

Рисунок 3.1, б– Механическая характеристика пресса

Сила полезных сопротивлений Р_ПСзадана также в функции перемещения ползунаS (P_ПС = (S)).

3.1.3 Определение сил тяжести и сил инерции звеньев механизма

3.1.3.1 Определение сил тяжести

По заданной массе звена легко определить силу тяжести:

G=mg =(H), (3.5)

где m(кг) - масса звена,g= 9,81 (м/с²) - ускорение свободного падения. Сила тяжести прикладывается в центрах масс (тяжести) механизма и направлена вертикально вниз (рисунок 3.2).