Учет процессов трения при композиции механизмов
(The account of processes of friction at a composition of mechanisms)
Б.П. Семенов, Б.Б. Косенок
г. Самара
Поиск принципиальных схем механизмов с требуемыми функциональными свойствами составляет основное содержание композиции механизмов. Частными случаями композиции является структурный синтез, а также кинематический и динамический синтез механизмов при известной структурной схеме.
Основой метода композиции являются обобщенные математические модели механизмов и топологическое описание многообразия их конструктивно-кинематических схем. Любая функциональная зависимость с допустимой точностью может быть реализована в одном или в системе взаимосвязанных векторных контуров, в общем случае может быть создана не одна, а несколько таких систем, при этом каждой векторной системе может быть поставлено в соответствие множество вариантов конструкций механизмов. Экспертная оценка позволяет выбрать из этого множества наиболее оптимальные варианты.
Обобщенные модульные кинематические и динамические модели наиболее удобны для описания многоконтурных векторных системе и позволяют оценить их конструктивное, кинематическое и динамическое совершенство.
Любой векторный замкнутый контур имеет несколько вариаций в зависимости от порядка следования векторов. Так, например, четырехзвенный контур имеет три вариации, для каждой из вариаций векторного контура может быть создано множество вариантов конструктивно-кинематических схем механизма. Для каждой из вариаций векторного контура может быть создано множество вариантов конструктивно-кинематических схем механизма. Например, шарнирный четырехзвенник может быть реализован в виде 1296 вариантов, отличающихся сочетаниями конструктивных вариантов различных кинематических пар.
Проведение экспертной оценки вариантов механизмов, удовлетворяющих на первом этапе её проведения ограничениям по габаритам, связано с анализом их кинематического и динамического совершенства.
Недооценка влияния процессов трения на этапе экспертной оценки иногда приводит к существенным трудностям его практической реализации.
В роторно-поршневом двигателе Ванкеля реализовано принципиально "сильная" кинематическая идея, кривошипо-ползунный механизм заменен планетарным, сателлит которого в трех точках имеет теоретически постоянный контакт с цилиндром, поперечное сечение которого выполнено по эпитрохоиде. Одно принципиальная особенность - наличие контакта с поверхностью переменной кривизны - ограничивала и ограничивает до сих пор, как ресурс, так и надежность этого двигателя.
Орбитальный двигатель Сарича не имеет вращающегося ротора, его "орбитон" совершает плоско-параллельное перемещения. Уплотнительные пластины контактируют с сопряженными деталями по плоскостям. Однако относительно большие линейные перемещения этих пластин с интенсивными ускорениями при действии больших рабочих нагрузок, определяющих необходимость увеличения площади поперечного сечения пластин, а, следовательно, и их массы, приводят к высокому уровню динамических нагрузок на контактные поверхности.
Приведенные примеры недооценки явлений трения при выборе принципиальной схемы механизма не является исключением. В реальной инженерной практике подобные проблемы возникают достаточно часто.
При создании кинематического макета нового двигателя с циклической остановкой поршня в нижней мертвой точки продолжительностью 180 градусов угла поворота кривошипа, используя топологические схемы конструктивно-кинематических вариантов традиционного кривошипо-ползунного механизма, кривошип заменили эксцентриком. "Инженерная интуиция" подсказала преимущества подобного варианта конструкции, но испытания этого механизма убедили в его ... неработоспособности. При обращении шатуна в эксцентрик усилия от поршня попали в "угол трения" и самостоятельно поршень из нижней мертвой точки можно было вывести лишь за счёт приложения дополнительной внешней нагрузки.
В практике реального проектирования подобные случаи чаще всего встречаются при проектировании нестандартных стержневых механизмов, когда на этапе эскизного проектирования ограничиваются оценкой лишь предельных углов между звеньями.
Объективной причиной всех подобных недоразумений можно считать недостаточно полно разработанный математический аппарат динамических моделей механизмов, основанный на традиционном курсе теории механизмов. По этой причине дальнейшее развитие обобщенной модульной динамической модели механизма планируется вести с учетом трения в кинематических парах.
(В сб. Тезисов докладов Российского симпозиума по трибологии с международным участием. Часть 2 . – Самара: СГТУ, 1993)
|
|
|