Коромысло это в механике

Коромысло — звено плоского механизма, которое образует вращательную пару с неподвижной осью, но не может совершать полный оборот вокруг этой оси. Обычно имеет вид двуплечего рычага и совершает качательное движение. Одно из применений коромысло находит в двигателях внутреннего сгорания, где коромысло клапана используется для преобразования движения распределительного вала в открытие и закрытие клапанов.

Содержание

История [ править | править код ]

Двуплечий рычаг применялся со времен глубокой древности, однако прообразом коромысла может считаться только рычаг на фиксированной оси (примитивный без втулок, с подшипником скольжения, с подшипником качения). Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прообраз современных кранов, устройство для поднятия сосудов с водой. [1]

Эта схема применялась в подъёмных механизмах, осадных машинах и везде, где надо было поменять направление движения звена на противоположное (тогда как в чистом рычаге основной упор делался на усиление и соотношение плечей велико). В современных ДВС, например, в коромыслах соотношение плечей относительно мало и находится в диапазоне 1:1 — 1:2.

Описание [ править | править код ]

Конструкция [ править | править код ]

В различных схемах ГРМ ДВС [ править | править код ]

• Исторически коромысло присутствует в газораспределительном механизме определенного типа — с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительного вала. Такой тип обозначается аббревиатурой OHV. Оно призвано инвертировать направление движения толкателя (вверх) на требуемое направление движения клапана (вниз) [2][3] .
• В схеме с верхним расположением распределительного вала при одном вале (схема SOHC) распредвал приводит впускной клапан (слева на схеме) непосредственно, а выпускной (справа) — через коромысло [4][3] .
  
  Внешние изображения

  Коромысло (рокер) с роликом в центре и опорой на конце

• В схеме с верхним расположением коленвала (SOHC или DOHC) коромысло может опираться концом полусферическую опору (обычно с гидрокомпенсатором), роликом на кулачок распредвала, а вторым концом на торец клапана. Это сделано для снижения трения и износа кулачков распредвала [5][3] .
• Наконец, в десмодромном газораспределительном механизме применяют два коромысла на клапан (одно отвечает за подъём клапана, второе за опускание). [6] .

• Коромысла в ГРМ типа OHV

  Коромысло в ГРМ типа SOHC.

  Коромысла десмодромного ГРМ Дукати

  По управлению тепловым зазором [ править | править код ]

• В архаичных ГРМ с открытым расположением вала коромысел и низкой теплонагруженностью такие узлы отсутствовали.
• В классических ГРМ середины XX века устанавливался винтовой механизм, позволяющий регулировать начальный тепловой зазор [7] .
• В современных ГРМ в коромысле может быть установлен гидрокомпенсатор теплового зазора [8] .

Внешние изображения

Гидрокомпенсатор в коромысле

По узлу контакта с клапаном [ править | править код ]

• Узел скольжения, шлифованный полуцилиндрический боёк коромысла и плоский торец клапана.
• Узел скольжения, шлифованный полусферический боёк коромысла и полусферический торец клапана.
• Узел качения, ролик на шариковом или игольчатом подшипнике. За ним закрепилось название рокер — калька с английского [5] .

• Коромысло с осью в центре и бойком (пара скольжения)

  Коромысло с осью вращения на конце (пара скольжения)

  Коромысло с осью в центре роликом на конце (пара качения)

  Система смазки [ править | править код ]

  В ранних тихоходных ДВС смазка ГРМ, и в частности коромысел, осуществлялась мотористом периодически вручную из маслёнки.

  Внешние изображения

  Каналы смазки коромысла

  С появлением систем смазки под давлением, смазка коромысла осуществляется через каналы оси коромысел, далее через радиальное сверление оси ко втулке коромысла и далее по круговой проточке втулки [9] .

  Если в коромысле установлен гидрокомпенсатор теплового зазора к нему идет ещё один канал подачи масла [8] .

  Материалы, технологии изготовления и термообработки [ править | править код ]

  Внешние изображения

  Штамповка. Матрицы коромысел на заводе КамАЗ

  В коромыслах используются среднеуглеродистые, легированные стали, ранее использовались чугуны. Получение заготовок осуществляется штамповкой с последующей механической обработкой. Далее проводится поверхностная цементация бойка и закалка, например токами высокой частоты (ТВЧ). После этого поверхность бойка подвергается шлифовке [3] .

  Показатели качества изготовления в Российский Федерации регламентируются ГОСТ Р 53812-2010. Двигатели автомобильные. Толкатели клапанов. Технические требования и методы испытаний [10] .

  Использование в измерительных приборах [ править | править код ]

  В лабораторных аналитических весах применяются равноплечие коромысла (соотношение плечей 1:1) [11] .

  В промышленных механических весах применяются неравноплечие коромысла (соотношение плечей 1:10 — 1:100). Однако термин неравноплечее коромысло чаше заменяют термином неравноплечий рычаг [12] .

  В первых механических часах XII—XVI веков роль осцилятора выполнял особый вид коромысла — билянец, позднее он уступил место маятниковому осцилятору Гюйгенса. [13]

  Аналитические весы с равноплечим коромыслом.

  Рычажные весы с неравноплечим коромыслом (ил. из словаря Брокгауза и Ефрона).

  Коромысло (билянец) в роли осцилятора (первый ряд, третий слева)

  Кинематика соединений с другими деталями [ править | править код ]

  Исходя из классификации И. И. Артоболевского в соединениях деталей выделяют кинематические пары двух типов:

• низшие, (контакт в точке или по линии);
• высшие, (контант по поверхности) [14] .

Читайте также:  Иномарки до 400000 рублей с пробегом

Коромысло имеет, в зависимости от конструктивного исполнения, оба вида кинематических пар:

• высшие: ось коромысла — втулка, полусферическая опора — полусферическое отверстие коромысла.
• низшие: боек коромысла — торец клапана или кулачок распределительного вала — боёк коромысла (в зависимости от схемы).

Внешние изображения

Износ бойка коромысла

В низших парах высокие удельные нагрузки, что вызывает увеличенный износ (характерный наклеп бойка коромысла [15] ), высшие сложнее в изготовлении. В малонагруженных соединениях разница в износе несущественна.

Перспективы применения в ГРМ [ править | править код ]

В современных двигателях наблюдается устойчивая тенденция к постепенному повышению частоты вращения [16] . Применение схемы ГРМ OHV сейчас ограничено относительно тихоходными ДВС с большими рабочими объёмами. Схема SOHC уступает место DOHC. Применимость коромысел в быстроходных ДВС поэтому уменьшается, что обусловлено такими причинами:

• чем больше деталей между кулачком и клапаном, тем выше инерция привода;
• чем больше деталей между кулачком и клапаном, тем меньше жёсткость.

В тихоходных, например судовых, ДВС применение схемы OHV является основным поэтому коромысла сейчас используют все основные производители [17] .

Шарни́рный четырёхзве́нник — плоский механизм из четырёх звеньев, соединенных между собой вращательными кинематическими парами [1] . Одно из этих звеньев в теории механизмов и машин принимают за стойку, т. е. неподвижное звено (хотя, например, для механизмов транспортных машин понятие неподвижности стойки оказывается условностью, поскольку в этом случае сама стойка движется) [2] .

Для звеньев плоских механизмов в теории механизмов и машин используют [1] следующую терминологию:

• кривошип — звено плоского механизма, которое образует вращательную пару со стойкой и может совершать вокруг оси пары полный оборот;
• коромысло — звено плоского механизма, которое образует вращательную пару со стойкой, но не может совершать полный оборот вокруг оси пары;
• шатун — звено плоского механизма, связанное вращательными парами с подвижными его звеньями, но не со стойкой.

Читайте также:  Надо ли смывать преобразователь ржавчины перед покраской

Для шарнирного четырёхзвенника справедлива доказанная немецким механиком Ф. Грасгофом теорема Грасгофа о шарнирном четырёхзвеннике (иногда её также называют [3] правилом Грасгофа): «Наименьшее звено является кривошипом, если сумма длин наименьшего и любого другого звена меньше суммы длин остальных двух звеньев [4] (под «наименьшим» понимается звено минимальной длины).

Содержание

Разновидности шарнирных четырёхзвенников [ править | править код ]

Применяя правило Грасгофа, удаётся подразделить [5] все шарнирные четырёхзвенники на 3 группы:

• механизм будет кривошипно-коромысловым, если длины его звеньев удовлетворяют правилу Грасгофа и за стойку принято звено, соседнее с наименьшим;
• механизм будет двухкривошипным, если сумма длин самого короткого и самого длинного звеньев меньше суммы длин остальных звеньев, и за стойку принято самое короткое звено;
• механизм будет двухкоромысловым, если либо правило Грасгофа не выполнено, либо оно выполнено, но самое короткое звено не соединено со стойкой (т. е. оно является шатуном и потому не может быть кривошипом).

Так, представленный на приведённом выше рисунке шарнирный четырёхзвенник представляет собой двухкоромысловый механизм, поскольку правило Грасгофа для него не выполняется.

Справа дано анимированное изображение кривошипно-коромыслового механизма (здесь стойкой служит звено A B <displaystyle AB> , кривошипом — звено A D <displaystyle AD> , коромыслом — звено B C <displaystyle BC> и шатуном — треугольник D C E <displaystyle DCE> ).

Кинематический анализ [ править | править код ]

Кинематический анализ шарнирного четырёхзвенника можно [6] выполнить, применяя методы, основанные на построении плана скоростей. Можно воспользоваться и аналитическими методами — как общего характера (например, методом кинематических графов [7] ), так и методами, специально предназначенными для кинематического анализа шарнирного четырёхзвенника.

К числу последних относится предложенный в 2002 г. М. Н. Кирсановым метод, основанный на составлении уравнений трёх угловых скоростей [8] . Составим такие уравнения для механизма, представленного на верхнем рисунке.

Для этого присвоим шарнирам O , A , B , C <displaystyle O,,A,,B,,C> номера 1 , 2 , 3 , 4 <displaystyle <mathit <1>>,,<mathit <2>>,,<mathit <3>>,,<mathit <4>>> ; при этом для декартовых координат шарнира O <displaystyle O> получаем обозначения x 1 <displaystyle x_<1>> и y 1 <displaystyle y_<1>> , и т. п.

Уравнения трёх угловых скоростей для рассматриваемого шарнирного четырёхзвенника имеют вид

ω 1 z ( x 2 − x 1 ) + ω 2 z ( x 3 − x 2 ) + ω 3 z ( x 4 − x 3 ) = 0 <displaystyle <omega >_<1z>,(x_<2>, — ,x_<1>),+,<omega >_<2z>,(x_<3>, — ,x_<2>),+,<omega >_<3z>,(x_<4>, — ,x_<3>),;=;,0> , ω 1 z ( y 2 − y 1 ) + ω 2 z ( y 3 − y 2 ) + ω 3 z ( y 4 − y 3 ) = 0 <displaystyle <omega >_<1z>,(y_<2>, — ,y_<1>),,+,<omega >_<2z>,(y_<3>, — ,y_<2>),,+,<omega >_<3z>,(y_<4>, — ,y_<3>),;=;,0> ,

где ω 1 z , ω 2 z , ω 3 z <displaystyle <omega >_<1z>,,<omega >_<2z>,,<omega >_<3z>> — угловые скорости звеньев 1 , 2 , 3 <displaystyle <mathit <1>>,,<mathit <2>>,,<mathit <3>>> .

Пользуясь данными уравнениями, можно, например, найти для текущей конфигурации механизма значения угловых скоростей двух его звеньев, если значение угловой скорости третьего подвижного звена известно.

Применение [ править | править код ]

Примеры практического применения шарнирного четырёхзвенника — механизм насоса, механизм сеноворошилки, механизм тестомесильной машины, механизм подъёмного крана. К шарнирным четырёхзвенникам относятся и четырёхзвенные приближённо-направляющие механизмы, предложенные П. Л. Чебышёвым (в них обеспечивается приближённое прямолинейное движение одной из точек шатуна). Частным случаем шарнирного четырёхзвенника является механизм шарнирного параллелограмма — четырёхзвенника с попарно равными по длине и попарно параллельными сторонами [9] .

Деталь

Деталь – составная часть механического устройства, выполненная без применения сборочных операций (например: болт, гайка, вал, станина станка, полученная литьем и т.д.).

Деталь является элементарной составной частью машины. Типы деталей, их расчет, выбор формы, создание рабочего чертежа подробно рассматриваются в курсе «Детали машин и основы конструирования». В теории механизмов и машин в качестве элементарной составной части рассматривается более сложная конструкция – звено.

Читайте также:  Камазовское масло м10г2к технические характеристики

Звено

Звено – это деталь или группа деталей, представляющих с кинематической точки зрения единое целое (т.е. группа деталей, жестко соединенных между собой и движущихся как единое твердое тело).

На рисунке 1 изображен шатун поршневого двигателя (или поршневого компрессора). Он состоит из относительно большого количества деталей (непосредственно сам шатун, шатунная крышка для присоединения его к коленчатому валу, запрессованные в отверстия бронзовые втулки для уменьшения трения, болты и гайки для соединения шатунной крышки с шатуном – рисунок 1а), но в собранном виде представляет собой жесткую конструкцию, неизменяемую в процессе работы машины (рисунок 1б). Таким образом, шатун является отдельным звеном механизма.

В реальном механизме звенья часто имеют довольно сложную конфигурацию (конструкцию), поэтому при анализе и синтезе механизмов используют кинематические схемы. Кинематическая схема – это условное изображение звеньев и всего механизма, выполненное строго в масштабе.

При составлении кинематической схемы выделяются основные элементы звена, которыми оно присоединяется к другим звеньям механизма (отверстия, направляющие и т.д.). Эти элементы изображаются условно (например, отверстии – в виде окружностей произвольного радиуса) и соединяются жесткими стержнями. На рисунке 1в представлена кинематическая схема шатуна, изображенного на рисунке 1б.

Под масштабом в теории механизмов и машин понимают количество истинных единиц измеряемой величины, заключенное в одном миллиметре чертежа. Другими словами – это «цена» одного миллиметра. Такое понимание масштаба (иногда его называют масштабным коэффициентом) очень удобно при анализе работы механизма, т.к. является универсальным и позволяет представлять в виде отрезка любую физическую величину, что очень важно при использовании графических и графоаналитических методов исследования.

Масштаб в такой интерпретации является размерной величиной. Обычно истинная величина представляется без черты над ее обозначением, а обозначение с чертой (аналогично обозначению вектора) представляет собой отрезок на чертеже в миллиметрах, изображающий данную величину.

AB – истинный размер звена в метрах;
__
AB – отрезок, изображающий звено АВ на кинематической схеме в миллиметрах,
Тогда масштаб длин (масштаб данной кинематической схемы механизма)

Примечание: масштаб обычно обозначают латинской буквой K или греческой буквой μ.

Аналогично можно представлять в виде отрезков любые величины (перемещения звеньев, скорости, ускорения, время, силы и т.д.) на планах, диаграммах, различных графиках и др.

В зависимости от характера движения звенья могут иметь собственные названия. Ниже приведены некоторые из них:

• кривошип – звено, совершающее вращательное движение вокруг неподвижной оси и делающее при этом полный оборот;
• коромысло – звено, совершающее возвратно-вращательное движение;
• ползун – звено, движущееся поступательно;
• шатун – звено, совершающее сложное плоскопараллельное движение;
• кулиса – коромысло (или, иногда, кривошип), по которому движется ползун;
• стойка – звено, принятое за неподвижное (по определению звена стойка в механизме может быть только одна – все неподвижные детали обязательно крепятся на некоторой станине, корпусе, картере, основании и представляют одну жесткую конструкцию, т.е. одно звено).

На кинематической схеме стойка обычно изображается в виде отдельных фрагментов в тех местах, где к ней присоединяются другие звенья механизма, что резко упрощает эту схему.

Примечание: в процессе изложения курса могут встретиться другие названия звеньев, которые будут введены по мере необходимости.

Источник: autobryansk.info