cap 3

78
CAP. 3. ANALIZA CINETOSTATICĂ A MECANISMELOR CU BARE Acest capitol se ocupă cu studiul forţelor care acţionează asupra elementelor. cinematice ale mecanismelor presupunându-se cunoscută starea de mişcare a elementului conducător (motor). Cunoaşterea forţelor care acţionează asupra elementelor mecanismelor este utilă pentru: - studiul mişcării mecanismelor sub acţiunea forţelor aplicate. - dimensionarea elementelor (calculul de rezistenţă al elementelor mecanismului). Forţele aplicate trebuie să capete astfel de valori, încât să asigure mişcări precise elementelor cinematice ale mecanismelor şi maşinilor. Cinetostatica foloseşte pentru rezolvarea problemelor, principiul lui d’Alembert din mecanică, principiu care se enunţă astfel: Forţele şi momentele aplicate, de legătură şi de inerţie formează un sistem în echilibru. = + + = + + 0 0 i leg i M M M F R F (1) unde: M F , - forţe şi momente aplicate; leg M R , - forţe şi momente de legătură; i i M F , - forţe şi momente de inerţie. Analiza cinetostatică constă în: - se face analiza cinematică a mecanismului, determinându-se vitezele şi acceleraţiile elementelor; - se izolează corpurile (elementele cinematice); - se aplică principiul lui d’Alembert, scriind sistemul de ecuaţii (1). 3.1. Forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor mecanismelor şi maşinilor Asupra elementelor cinematice, care fac parte dintr-un mecanism sau maşină, acţionează în timpul funcţionării trei categorii de forţe şi momente: - Forţe şi momente exterioare (SARCINI) - Forţe şi momente interioare (EFORTURI)

Upload: nando-vasile

Post on 24-Jul-2015

28 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Cap 3

CAP. 3. ANALIZA CINETOSTATICĂ A MECANISMELOR

CU BARE

Acest capitol se ocupă cu studiul forţelor care acţionează asupra elementelor. cinematice ale mecanismelor presupunându-se cunoscută starea de mişcare a elementului conducător (motor).

Cunoaşterea forţelor care acţionează asupra elementelor mecanismelor este

utilă pentru: - studiul mişcării mecanismelor sub acţiunea forţelor aplicate. - dimensionarea elementelor (calculul de rezistenţă al elementelor

mecanismului). Forţele aplicate trebuie să capete astfel de valori, încât să asigure mişcări

precise elementelor cinematice ale mecanismelor şi maşinilor. Cinetostatica foloseşte pentru rezolvarea problemelor, principiul lui d’Alembert

din mecanică, principiu care se enunţă astfel: Forţele şi momentele aplicate, de legătură şi de inerţie formează un sistem în

echilibru.

⎪⎩

⎪⎨⎧

=++

=++

0

0

ileg

i

MMM

FRF (1)

unde: MF , - forţe şi momente aplicate;

legMR , - forţe şi momente de legătură;

ii MF , - forţe şi momente de inerţie.

Analiza cinetostatică constă în: - se face analiza cinematică a mecanismului, determinându-se vitezele şi

acceleraţiile elementelor; - se izolează corpurile (elementele cinematice); - se aplică principiul lui d’Alembert, scriind sistemul de ecuaţii (1).

3.1. Forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor

mecanismelor şi maşinilor

Asupra elementelor cinematice, care fac parte dintr-un mecanism sau maşină, acţionează în timpul funcţionării trei categorii de forţe şi momente:

- Forţe şi momente exterioare (SARCINI) - Forţe şi momente interioare (EFORTURI)

Page 2: Cap 3

- Forţe şi momente de legătură (REACŢIUNI)

A) FORŢE ŞI MOMENTE EXTERIOARE (SARCINI) În categoria acestor forţe şi momente intră:

A1) FORŢE ŞI MOMENTE MOTOARE: mm MF , (FIG. 3.1)

Fig. 3.1

Ele acţionează asupra elementului conducător (1) în sensul mişcării provocând accelerarea maşinii.

Unghiul o90ˆ <α .

Ele produc pe ansamblul ciclului energetic un lucru mecanic pozitiv:

0dML;0dSFLEE

0mm

S

0mm >ϕ=>= ∫∫

φ (2)

Exemplu de forţe motoare: Forţa gazelor de ardere la motoarele cu combustie internă; forţa apei, aburului

sau gazului asupra paletelor unei turbine hidraulice; forţele electromagnetice la maşinile şi aparatele electrice; forţa elastică a arcurilor. Determinarea acestor forţe şi momente motoare este posibilă numai dacă sunt cunoscute caracteristicile mecanice ale maşinii. Prin caracteristica mecanică se înţelege diagrama de variaţie a forţei motoare sau a cuplului motor în funcţie de unul sau mai mulţi parametrii cinematici (timp, deplasare, viteză, acceleraţie).

A2) FORŢE ŞI MOMENTE DE REZISTENŢĂ UTILĂ (TEHNOLOGICĂ):

rr MF , (FIG. 3.2)

Page 3: Cap 3

Fig. 3.2

Ele acţionează asupra elementului condus în sens contrar mişcării, provocând frânarea maşinii.

Unghiul . o90ˆ >αEle produc pe ansamblul ciclului energetic, un lucru mecanic negativ:

0dML;0dSFLEE

0mm

S

0mm <ϕ=<= ∫∫

φ (3)

Exemplu de forţe de rezistenţă tehnologică: Forţele de aşchiere la maşinile unelte; sarcina de ridicare a macaralei; forţa de

apăsare la o presă sau la o ştanţă. Ca şi forţele motoare, forţele de rezistenţă tehnologică sunt impuse prin

caracteristicile mecanice ale maşinii.

A3) FORŢELE DE GREUTATE: G .

Sunt aplicate în centrul de greutate al elementelor şi sunt orientate spre centru pământului. Pe un ciclu de funcţionare, lucrul mecanic produs de ele este nul.

00

=⋅= ∫ES

G dSGL (4)

A4) FORŢE ŞI MOMENTE DE FRECARE: ff MF ,

Acţionează asupra suprafeţelor în contact ale cuplelor cinematice. Ele produc lucru mecanic elementar negativ în orice moment al ciclului energetic.

0;0 <ϕ=<= dMdLdSFdL fRfR ff (5)

În anumite situaţii forţele de frecare sunt utile deoarece au un rol fundamental în funcţionarea mecanismelor cu transmisii prin fricţiune, prin curele şi cabluri, la frâne şi cuplaje prin fricţiune.

În general, lucrul mecanic consumat de forţele de frecare se transformă în energie calorică.

Page 4: Cap 3

A5) FORŢE ŞI MOMENTE DE INERŢIE: ii MF ,

- reprezintă reacţiunea cinetică a masei elementului la acceleraţia ce i se imprimă odată cu mişcarea sa. Ele au valori importante la piesele mari cu mişcare foarte variată cărora le produc modificarea regimului de solicitare mecanică. La maşinile lente efectul forţelor de inerţie poate fi neglijat comparativ cu valorile mari ale forţelor motoare şi rezistente.

Pe un ciclu de funcţionare, ele pot produce un lucru mecanic pozitiv, negativ sau egal cu zero.

NOTĂ: Aceste forţe exterioare pot fi: constante, variabile cu poziţia elementului, variabile cu viteza elementului, variabile cu timpul, variabile concomitent în raport cu mai mulţi dintre factorii menţionaţi.

B) FORŢE ŞI MOMENTE INTERIOARE (EFORTURI): sunt forţe şi momente care iau naştere în secţiunea elementelor cinematice sub acţiunea forţelor şi momentelor exterioare.

C) FORŢE ŞI MOMENTE DE LEGĂTURĂ (REACŢIUNI): iau naştere în cuplele cinematice şi ele se datorează forţelor şi momentelor exterioare. Ele nu produc şi nici nu consumă energie.

3.1.1. Determinarea forţelor de inerţieDeterminarea acestor forţe se face prin două metode: - Metoda reducerii la torsor. - Metoda concentrării maselor.

3.1.1.1. Metoda reducerii la torsor (vezi fig. 3.3)

Forţele de inerţie repartizate pe întreg corpul se reduc în centrul de greutate (G)

al corpului la un torsor: jGi

τ ce are două componente (jGi

F şi )jGi

M .

Fig. 3.3

⎪⎩

⎪⎨

ε⋅−=

⋅−=τ

jGi

Gji

ijjG

jjG

jG JM

amF

&: (6)

Page 5: Cap 3

unde: m - masa elementului [Kg] j - numărul de ordine al elementului cinematic;

jGJ - momentul de inerţie masic al elementului j în raport cu axa

perpendiculară pe planul ce trece prin centrul de greutate (Gj) al

elementului [ ]; 2mKg ⋅

jGa - acceleraţia liniară a centrului de greutate al elementului j

[m/s2].

jGε - acceleraţia unghiulară a centrului de greutate al elementului j

[rad /s2].

Acest torsor jGi

τ prezintă următoarele particularităţi:

A) Pentru un element cinematic în mişcare de translaţie (exemplu o culisă, un contact mobil de la un contactor) – vezi FIG. 3.4.

Fig. 3.4

Torsorul jGi

τ se reduce la o singură componentă: Gi amFG

−= aplicată în

centrul de greutate al elementului cinematic, deoarece 0=ε .

B) Pentru un element cinematic aflat în mişcare de rotaţie B1) Axa de rotaţie trece prin centrul de greutate al elementului cinematic – vezi FIG. 3.5.

Page 6: Cap 3

Fig. 3.5

Când mişcarea este uniformă: Când mişcarea este variabilă

0=Ga , deci 0=Gi

F 0=Ga , deci 0=Gi

F

0,. =ε=ω ct , deci 0=Gi

M 0,. ≠ω=ω

=ε≠ω &dtdct

deci: 0≠ε⋅−= Gi JMG

&

B2) Axa de rotaţie nu trece prin centrul de greutate al elementului cinematic – vezi FIG. 3.5.

- Când mişcarea este uniformă – vezi FIG. 3.6 a.

Fig. 3.6

)(||||; 02 GAaaaa n

GGnGG ω=≡≡

0≠⋅−= Gi amFG

,0,. =ε=ω ct deci: 0=GiM

- Când mişcarea este variabilă – vezi FIG. 3.6 b.

Page 7: Cap 3

0≠⋅−= Gi amFG

,0,. ≠ε≠ω ct deci: 0≠ε⋅−= Gi JMG

&

OBSERVAŢIE

Viteza unghiulară: •

ω=ω

=εdtd

.

Când nu se cunoaşte funcţia: )(tω=ω , nu se poate determina nici ε . Ca

urmare nu se poate calcula nici GiM .

Pentru rezolvarea problemei, trebuie să determinăm o forţă de inerţie rezultantă

( iF ) – care produce acelaşi efect ca torsorul de inerţie (jGi

τ ).

a) Pentru un element aflat în mişcare de rotaţie

Fig. 3.7

Forţa de inerţie rezultantă ( iF ) este paralelă cu ( GiF ) şi deplasată într-un punct (K) – numit centru de oscilaţie (vezi FIG. 3.7).

Să se determine poziţia centrului de oscilaţie (K).

i

iii F

MddFM G

G=⇒⋅=

Din triunghiul ϕ

=∆sin

: dGKGPK

Page 8: Cap 3

Însă: ϕ⋅==ε⋅−=ε⋅−= sin;;; GtG

tG

GiGi aaOGaamFJM

G&

Deci: ϕ

=sin

dGK ϕ⋅⋅

⋅=

ϕ⋅⋅−ε⋅−

=ϕ⋅

=sinsinsin G

tG

G

G

G

i

i

amOGaJ

amJ

FM

G&

&

OGi

OGmJ

OGamaJ GG

G

GG2

sinsin

=⋅

=ϕ⋅⋅⋅

ϕ⋅⋅=

&& (7)

unde : mJi G

G&

=2 (rază de inerţie) (8)

GRAFIC Pentru determinarea centrului de oscilaţie (K), pentru un element în mişcare de

rotaţie, se procedează astfel (vezi FIG. 3.8):

Se cunoaşte: şi poziţia lui (G). AAl 0

Se cere: Centrul de oscilaţie (K). Se duce prin centrul de greutate (G) al elementului cinetic (A0A) o

perpendiculară.

Fig. 3.8

Calculăm raza de inerţie (iG):

[ ]mmmJi G

G =

Punem iG [m m] pe această perpendiculară dusă prin (G) la element. Rezultă punctul B. GiGB = . Unim pe A0 cu B.

Ducem prin B o perpen-diculară la (A0B). La intersecţia cu elementul cinematic (A0A) rezultă centrul de oscilaţie (K).

Page 9: Cap 3

Iniţial elementul (A0A) - se reprezintă la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl .

b) Când elementul cinematic are o mişcare plan – paralelă vezi FIG. 3.9.

Fig. 3.9

Se cunoaşte: lungimea elementului ( ), poziţia centrului de greutate (G), se

cunosc acceleraţiile punctelor A, B şi G (

AAl 0

GBA aaa ,, ) –

din planul acceleraţiilor (FIG. 3.9 b). Se cere: Să se determine punctul de aplicaţie (T) al rezultantei forţelor de inerţie

( iF ), care să ia în considerare şi efectul lui ( iM ).

Rezolvare:

Iniţial elementul (AB) – se reprezintă la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl .

Se determină mai întâi centrul de oscilaţie (K). Acest lucrul se poate face analitic:

AGmJGK G 1

⋅=&

sau grafic (vezi punctul ,,a”).

Pentru determinarea punctului de aplicaţie (T) se procedează astfel:

- Prin (G) se duce o paralelă la ( apa ′ );

- Prin (K) se duce o paralelă la ( ga ′′ );

- La intersecţia lor rezultă punctul (T);

- Ducem prin (T) o paralelă la ( gpa ′ );

Page 10: Cap 3

- În sens contrar acceleraţiei ( Ga ) la scara forţelor ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , se reprezintă:

GAGGi amamamF •−•−=⋅−=

- )F( ti )F( r

i

unde: tiF - forţa de inerţie corespunzătoare mişcării de translaţie a

elementului (AB);

riF - forţa de inerţie corespunzătoare mişcării de rotaţie a

elementului (AB).

Această forţă de inerţie ( iF ), care acţionează în (T) ia în consideraţie şi efectul

lui ( iM ).

3.1.1.2. Metoda concentrării maselor

Se consideră un corp aflat în mişcare plană a cărei masă (m) este uniform distribuită (vezi FIG. 3.10).

Fig. 3.10

Se înlocuieşte această masă ,,m“ cu ,,n“ mase concentrate. Condiţiile sunt:

⎪⎩

⎪⎨⎧

′=

′=

)(

)(

IIMM

IFF

ii

ii

Page 11: Cap 3

unde: ii MF , - forţa de inerţie,

respectiv cuplul de inerţie al corpului de masă m.

ii MF ′′, - forţele respectiv

cuplurile de inerţie produse de cele n mase concentrate.

Gi amF ⋅−= iar )...( 321 nGi mmmmaF ++++⋅′=′ .

Pentru ca aceste mase n să producă aceiaşi forţă de inerţie ( iF ) independent de mişcare, trebuie ca centrul de greutate (G’) să rămână tot în (G), adică sa respecte conditia I:

)...( 321 nGG mmmmaam ++++⋅′=⋅−

unde: nmmmmm ++++= ...321 (9)

GG aa ′= , adică 01

=∑=

n

iii rm (Suma momentelor statice sa fie nula)

(10) Relaţia (10) proiectată pe axe:

⎩⎨⎧

=+++=+++

0...0...

2211

2211

nn

nn

ymymymxmxmxm

(10’)

Pentru ca aceste mase n să producă acelaşi cuplu de inerţie ( iM ) independent de mişcare trebuie ca centrul lor de greutate (G’) să rămână tot timpul în (G), adică sa respecte conditia II:

GGii JJMM '' && ⋅ε=⋅ε⇒= (deoarece 'GG ≡ ) , (11) GG JJ '&& =

Însă: 2233

222

211 ... nnG rmrmrmrmJ ++++=&

sau (11’) )(...)()( 2222

222

21

211 nnnG yxmyxmyxmJ ++++++=&

OBSERVAŢII: - Relaţiile (9) şi (10’), exprimă condiţia de concentrare statică. Concentrarea

statică se recomandă pentru elementele cinematice care au o mişcare de translaţie sau rotaţie uniformă.

- Relaţiile (9), (10’) şi (11’) exprimă condiţia de concentrare dinamică. Concentrarea dinamică se recomandă pentru elementele cinematice care au o mişcare variabilă.

APLICAŢII 1) Se dă elementul cinematic binar de masă (m) – vezi FIG. 3.11.

Se cere: să se facă concentrarea statică a acestei mase m în două puncte A şi B.

Page 12: Cap 3

Fig.3.11

RezolvarePentru concentrarea statică se vor folosi relaţiile (9) şi (10’).

BA

AB

BA

BA

AABB

BA

xxxmm

xxxmm

xmxmmmm

+=

+=⇒

⎩⎨⎧

=−=+

;0

Deci: BBiBAAiA amFamF ⋅−=⋅−= ;

2) Se dă: elementul cinematic binar din FIG. 3.12 de masă (m). Se cere: Să se facă concentrarea dinamică a acestei mase (m) în trei puncte: A, B şi G.

Fig.3.12

Rezolvare: Pentru concentrarea dinamică se vor folosi relaţiile (9), (10’) şi (11’)

⎪⎩

⎪⎨

=+

=+−=++

GBBAA

BBAA

GBA

Jxmxm

xmxmmmmm

&22

0

Prin rezolvarea sistemului rezultă: mA , mB , mG. 3) Se dă: elementul cinematic ternar din FIG. 3.13 de masă (m).

Se cere: să se facă concentrarea dinamică a masei (m) în punctele A, B, C şi G.

Page 13: Cap 3

Fig.3.13

Rezolvare: Se vor folosi relaţiile (9), (10’) şi (11’).

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=+++++

=−+−=++−

=+++

GCCBBBBAAA

CCBBAA

CCBBAA

GCBA

Jyxmyxmyxm

ymymymxmxmxmmmmmm

&)()()(

00

222222

Prin rezolvarea sistemului rezultă: mA , mB , mC , mG.

3.1.2. Forţele de frecare din cuplele cinematice

FRECAREA: este un proces de natură molecularo-mecano-energetica, ce se produce între două suprafeţe în contact, aflate în mişcare relativă sub acţiunea unei

forţe normale ( N ).

Ştiinţa care se ocupă cu studiul frecărilor se numeşte TRIBOLOGIE. Frecarea este uneori utilă, exemplu în cazul ambreiajelor, frânelor, asamblărilor

presate etc. Însă de cele mai multe ori ea este dăunătoare – ea produce în cuplele

cinematice căldură şi uzură. Frecarea în cuple poate fi: a) uscată;

b) limită; c) mixtă; d) fluidă.

a) Frecarea uscată: se produce între două suprafeţe în contact, aflate în mişcare relativă, între care nu se interpune nici un lubrifiant.

Frecarea uscată nu se poate produce decât în condiţii de laborator. b) Frecarea limită: se produce între două suprafeţe în contact aflate în mişcare

relativă, între care se află un strat subţire de lubrifiant mµ÷ −− )1010( 23 , dar puternic ancorat de suprafeţe.

Page 14: Cap 3

În condiţiile frecării limită, forţele de frecare scad de 2 – 3 ori faţă de frecarea uscată, iar uzura scade de câteva sute de ori.

c) Frecarea mixtă: se produce între două suprafeţe în contact aflate în mişcare relativă, intre care se interpune un strat de lubrifiant a cărei grosime în timpul funcţionării se rupe şi apoi se reface, astfel că se produc şi contacte directe între suprafeţe.

Acest regim este frecvent întâlnit la pornirea şi oprirea maşinilor. d) Frecarea fluidă: se produce între două suprafeţe în contact aflate în mişcare

relativă între care se interpune un strat continuu şi portant de lubrifiant, a cărei grosime depăşeşte suma asperităţilor suprafeţelor.

Acest regim de frecare reduce drastic forţele de frecare, iar uzura scade practic la zero.

La mecanisme se întâlnesc toate categoriile de frecare, însă predominantă este frecarea mixtă.

3.1.2.1. Frecarea în cupla de translaţie

Cupla de translaţie este formată din (vezi FIG. 3.14):

Fig.3.14

element cinematic (1) – care este o suprafaţă plană pe care se deplasează cu viteza

liniară V , elementul cinematic (2) – care este un corp paralelipipedic.

F - este rezultanta forţelor exterioare cu componentele ( nF - componentă

normală şi tF - componentă tangenţială);

N - reacţiunea normală;

T - forţa de frecare care se opune mişcării.

Rezultanta NTR +=

Page 15: Cap 3

Reacţiunea normală N şi rezultanta R , închid unghiul ( ) – numit unghi de frecare.

ϕ

Se defineste un con de frecare a cărui generatoare este rezultanta R .

µ==ϕNTtg (coeficient de frecare)

Dacă: TFt >ϕ>α : , produce mişcarea lui (2) pe (1) cu acceleraţia:

mTFa t −= .

Dacă: TFt =ϕ=α : , se obţine starea de echilibru a cuplei.

Dacă: TFt <ϕ<α : , are loc blocarea cuplei.

CONCLUZIE: Pentru ca mişcarea cuplei să poată avea loc, trebuie ca ( F ) să fie in afara conului de frecare.

3.1.2.2. Frecarea în cupla de rotaţie (fig. 3.15)

Fig.3.15

Cupla de rotaţie se compune din fusul (1) de rază (r) care se poate roti în interiorul cuzinetului (2).

F - forţa de exploatare (sarcină);

N - reacţiunea normală;

În FIG. 3.15 a, fusul se află în poziţia de repaus, deci nu avem frecare. În acest

caz FN = şi trec prin centrul fusului şi cuzinetului.

În FIG. 3.15 b, fusul (1) începe să se rotească – ia naştere forţa de frecare (T ) în sens invers mişcării. Fusul (1) are tendinţa să urce pe peretele cuzinetului (2), astfel încât contactul fus – cuzinet nu va mai fi în punctul (A), unde era iniţial, ci în punctul (B).

Page 16: Cap 3

)(µ= fAB

Reacţiunea N trece tot timpul prin centrul fusului (O1) şi al cuzinetului (O).

Rezultanta TNR += este tot timpul paralelă, egală şi de sens contrar cu

sarcina ( F ).

ϕ= cosRN , însă R = F, deci ϕ= cosFN

ϕ⋅µ=⋅µ= cosFNT , unde ϕ=µ tg , deci: ϕ= sinFT

Momentul de frecare:

µ⋅⋅=ρ⋅=ϕ⋅⋅=⋅= rFFrFrTM f sin (12)

unde: µ - coeficient de frecare;

ϕ - unghi de frecare;

ρ - raza cercului de frecare;

)sin(sin ϕ≈µµ⋅=ϕ⋅=ρ rr

3.1.2.3. Frecarea în cuplele cu suprafeţe înclinate (fig. 3.16)

02ˆsin2:0 =α

−=Σ NPyi , de unde:

2ˆsin2 α=

PN (13)

Forţa de frecare:

PPNT ⋅µ′=⋅αµ

=⋅µ=2ˆsin

2 (14)

unde: 2ˆsinα

µ=µ′ (coeficient de frecare aparent)

Page 17: Cap 3

Fig.3.16

3.1.3. Reacţiuni in cuplele cinematice a) Cupla de rotaţie (cupla de clasa a Va) – vezi FIG. 3.17: Transmiterea forţelor de la elementul (i) la elementul (j) – se face prin presiuni

radiale a căror rezultantă ij ji RR −= trece prin centrul articulaţiei având punctul de

aplicaţie necunoscut.

Rezultă două necunoscute scalare: modulul reacţiunii jiR şi punctul ei de

aplicaţie. În FIG. 3.17 b este dată reprezentarea convenţională. b) Cupla de translaţie (cupla de clasa a Va) FIG. 3.18. În FIG. 3.18 a – este reprezentată o cuplă de translaţie.

Fig.3.17

Page 18: Cap 3

Transmiterea forţelor de la elementul (i) la elementul (j) – se face prin presiuni

perpendiculare pe suprafaţa de contact a căror rezultantă: ij ji RR −= , având punctul

de aplicaţie necunoscut.

Rezultă două necunoscute scalare: modulul reacţiunii jiR şi punctul ei de

aplicaţie ( . )ijhÎn FIG. 3.18 b şi 3.18 c este dată reprezentarea convenţională. c) Cupla superioară (de clasa aIVa) FIG. 3.19: În FIG. 3.19 este reprezentată o cuplă superioară.

Pe direcţia normalei comune (n – n), ia naştere reacţiunea: ij ji RR −= al cărui

punct de aplicaţie este punctul de contact (A).

Rezultă o singură necunoscută scalară: modulul reacţiunii jiR .

Fig.3.18

Page 19: Cap 3

Fig.3.19

3.1.3.1. Algoritmul de calcul al reacţiunilor din cuplele cinematice

(vezi fig. 3.20)

Fig.3.20

- Se stabilesc mai întâi forţele şi momentele exterioare (sarcinile) care acţionează asupra elementelor cinematice ale mecanismului (forţe şi cupluri motoare, forţe şi cupluri de rezistenţă utilă, forţe de greutate, forţe şi cupluri de inerţie).

- Se împarte mecanismul în grupe cinematice. - Calculul reacţiunilor din cuple începe cu cea mai îndepărtată grupă

cinematică (cu ultima grupă cinematică). - Se introduc în cuple reacţiunile prin componentele lor:

- componenta normală ( nn RR 3212 , ) – paralelă cu axa elementului cinematic (vezi FIG. 3.20);

Page 20: Cap 3

- componenta tangenţială ( tt RR 3212 , ) – perpendiculară pe axa elementului cinematic (vezi FIG. 3.20).

- Scriem ecuaţiile de echilibru: - ecuaţii vectoriale pentru forţe (care se rezolvă grafo – analitic

construind poligonul forţelor); - ecuaţii de momente faţă de articulaţii (care se rezolvă analitic).

CONCLUZII: 1) O cuplă inferioară (de clasa aVa) introduce două necunoscute scalare şi ca

atare pentru calculul lor este nevoie de două ecuaţii de echilibru. 2) O cuplă superioară (de clasa aIVa) introduce o necunoscută scalară şi

pentru calculul ei este nevoie de o singură ecuaţie de echilibru.

3.1.4. Cinetostatica fără frecare a diadei

Se consideră cunoscute: forţele şi cuplele exterioare, forţele şi cuplele de inerţie,

reduse în raport cu centrul lor de greutate, sub forma torsorilor: ),( 222MFGτ şi

),( 333MFGτ .

Se cer: reacţiunile din cuple, considerându-se că diada este extrasă dintr-un mecanism.

a) Diada de aspect 1 (R.R.R.) – vezi FIG. 3.21 a:

Fig.3.21

Rezolvare: Se execută desenul diadei la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl , introdu-cându-se

forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor.

Page 21: Cap 3

|12tR| şi || 12

tR Determinarea lui

( )

( )3334333343)2(

2221222212)2(

10:0

10:0

hFMl

RhFMlRM

hFMl

RhFMlRM

BC

tBC

tB

AB

tAB

tB

+=⇒=−−⋅=Σ

+=⇒=−−⋅=Σ

Determinarea componentelor normale: || 12nR şi || 12

nR - rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru:

0:0)|(|

43433212)|(|

12)3,2( =+++++=Σ

BC

ntt

AB

nj RRFFRRF

Am subliniat cu două linii forţele care sunt cunoscute complet (direcţie, modul şi sens).

Am subliniat cu o linie numai forţele cunoscute numai ca direcţie. Determinarea modulului şi sensului lor va rezulta din poligonul

forţelor. Poligonul forţelor se va construi la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , scară arbitrar aleasă –

vezi FIG. 3.21 b. În ecuaţia vectorială de echilibru ( 0)3,2( =Σ iF ), necunoscutele se scriu la începutul şi sfârşitul ecuaţiei vectoriale.

[ ] [ ][ ] [ ]N)R()R(R;N)R()R(R

N)ed(k|R|;N)ep(k|R|2t

432n

43122t

122n

1212

Fn43fF

n12

+=+=

==

Determinarea reacţiunii din cupla cinematică interioară (B) – rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru:

0:0 3221212)2( =+++=Σ RFRRF tn

j

Reacţiunea 32R se va determina complet din polinomul forţelor (vezi FIG. 3.22

a), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ]NpckR fF )(|| 32 =

Page 22: Cap 3

Fig.3.22

Pentru verificare se va determina reacţiunea 32R , rezolvând ecuaţia vectorială de echilibru scrisă pentru elementul cinematic (3):

0:0 2343433)3( =++++=Σ RRRFF nt

j

Din poligonul forţelor (FIG. 3.22 b), rezultă:

== )(|| 23 fF pckR [ ]NR || 32− .

NOTĂ: Dacă din calculul sau din poligonul forţelor vreuna din componentele reacţiunilor rezultă negativă, înseamnă că în realitate ea are sens contrar celui ales iniţial.

b) Diada de aspect 2 (R.R.T.) – vezi FIG. 3.23 a

Rezolvare: Se execută desenul la scara: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl , introducându-se forţele şi

momentele care acţionează asupra elementelor.

Page 23: Cap 3

Fig.3.23

Determinarea componentei tangenţiale: || 12tR

( )2221222212)2( 10:0 MhF

lRhFMlRM

AB

tAB

tB −⋅=⇒=⋅−+⋅=∑

Determinarea lui || 12nR şi || 43R rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru:

0:0)(

433212)|(|

12)3,2( =++++=

∆⊥∑

C

t

AB

nj RFFRRF

Din poligonul forţelor (vezi FIG. 3.23 b), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , rezultă:

[ ] [ ]

[ ]NRRR

NdckRNpdkR

tn

FfFn

212

21212

4312

)()(

)(||;)(||

+=

==

|43R| Determinarea punctului de aplicaţie (h43) a reacţiunii

( )3343

43334343)3( 10:0 MlF

RhMlFhRM BCBCB +=⇒=−−=∑

Determinarea reacţiunii din cupla interioară (B)

Page 24: Cap 3

0:0 3221212)2( =+++=∑ RFRRF tn

j

Reacţiunea 32R se va determina complet din poligonul forţelor (vezi FIG. 3.23 c).

[ ]NpckR fFn )(|| 32 =

c) Diada de aspect 3 (R.T.R.) – vezi FIG. 3.24 a

Rezolvare: Se execută desenul diadei la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl , introducându-se

forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor.

Determinarea componentei tangenţiale: || 12tR

( ) [ ]NMhFMhFh

R

MhFMhFhRMC

2223331

12

333222112)3,2(

10:0

−++=

=−−+−=∑

Determinarea reacţinii || 32R şi a componentei || 12nR

)(32212

)|(|12

)2( :0AB

t

AB

nj RFRRF

+++=∑ (vezi FIG. 3.24 b)

Reacţiunile: nR12 şi 32R se vor determina complect din poligonul forţelor,

construit la scara: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ] [ ][ ]NRRR

NcbkRRNpckRtn

FFFn

212

21212

233212

)()(

)(||||;)(||

+=

=−==

Page 25: Cap 3

Fig.3.24

|43R| : rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru: Determinarea reacţiunii

0:0 43223)3( =++=∑ RFRFj

Reacţiunea 43R , se va determina complet din poligonul forţelor (vezi FIG. 3.24

c) construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ]NpbkR FF )(|| 43 =

|32R| : Determinarea punctului de aplicaţie (h32) a reacţiunii

( )22232

322223232)2( 10:0 hFM

RhhFMhRM A ′⋅+=⇒=′⋅−−⋅=∑

d) Diada de aspect 4 (T.R.T.) – vezi FIG. 3.25 a.

Rezolvare: Se execută desenul diadei la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl , introducându-se

forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor.

Page 26: Cap 3

Fig.3.25

|12R| şi || 43R : Determinarea reacţiunilor

0:0)(

4332)(

12)3,2( =+++=

∆⊥∆⊥∑

CAj RFFRF

Modulul reacţiunilor || 12R şi || 43R se va determina din poligonul forţelor (vezi

FIG. 3.25 b), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ] [ ]NcbkRNpckR FFF )(||;)(|| 4312 ==

|12R| : Determinarea punctului de aplicaţie (h12) a reacţiunii

( )22212

122221212)2( 10:0 hFM

RhMhFhRM B ⋅+=⇒=−′⋅+⋅=∑

|43R| : Determinarea punctului de aplicaţie (h43) a reacţiunii

( )33343

433334343)3( 10:0 hFM

RhMhFhRM B ⋅−=⇒=−⋅+⋅=∑

|32R| : rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru: Determinarea reacţiunii

0:0 32212)2( =++=∑ RFRFj

Page 27: Cap 3

Reacţiunea 32R , se va determina complet din poligonul forţelor (vezi FIG. 3.25 c).

[ ]NpbkR FF )(|| 32 =

e) Diada de aspect 5 (R.T.T) – vezi FIG. 3.26 a

Rezolvare: Se execută desenul diadei la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl , introducându-se

forţele şi momentele care acţionează asupra elementelor.

|43R| şi || 23R : Determinarea reacţiunilor

0:0)(

233)(

43)3( =++=

∆⊥∆⊥∑

BCj RFRF

Reacţiunile || 43R şi || 23R se vor determina complet din poligonul forţelor (vezi

FIG. 3.26 b), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ] [ ]NpbkRNbakRR FFF )(||;)(|||| 433223 ==−=

|12R| rezultă din ecuaţia vectorială de echilibru: Determinarea reacţiunii

0:0 12232)2( =++=∑ RFRFj

Reacţiunea || 12R se va determina complet din poligonul forţelor (vezi FIG. 3.26

c), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF .

[ ]NpbkR FF )(|| 12 =

Page 28: Cap 3

Fig.3.26

32R şi 43R : Determinarea punctelor de aplicaţie (h23) şi (h43) ale reacţiunilor

( )

( )22233343

43

2223334343)3,2(

22232

232222332)2(

10:0

10:0

MhFMhFR

h

MhFMhFhRM

MhFR

hMhFhRM

A

A

−⋅−+⋅=⇒

=+⋅+−⋅−⋅=

−⋅−=⇒=+⋅+⋅=

3.1.5. Cinetostatica cu frecare Problema calculului forţelor de frecare şi a momentelor de frecare este o

problemă static nedeterminată – deoarece ele se determină în funcţie de reacţiunile din cuple.

Pentru rezolvarea problemei se foloseşte metoda aproximaţiilor succesive care constă în:

a) Se determină reacţiunile din cuplele cinematice neglijând frecările (Aceste

reacţiuni se notează cu cifra zero, exemplu: ). 0ijR

b) Se calculează: - momentele de frecare din cuplele de rotaţie:

01ijf RrkM

ij⋅⋅µ⋅= (15)

unde: 57,1=k la fusuri nerodate;

27,1=k la fusuri rodate;

µ - coeficient de frecare;

Page 29: Cap 3

r - raza fusului;

- reacţiunea fără frecare dintre elementul (i) şi elementul (j). 0ijR

- forţele de frecare din cuplele de translaţie:

01ijf RF

ij⋅µ= (16)

Aceste mărimi: ( ) şi ( ) se introduc pe desenul mecanismului în cuplele

cinematice respective, astfel: momentul de frecare ( ) în sens contrar vitezei

unghiulare relative

1ijfM 1

ijfF1

ijfM

ijji ω−ω=ω , iar forţa de frecare ( ) în sens contrar vitezei

liniare

1ijfF

jiij vvv −= .

NOTĂ: În relaţiile (15) şi (16), indicele ,,1” – indică prima treaptă de aproximaţie. c) Se recalculează reacţiunile din cuplele cinematice (după ce au fost introduse

( ) şi ( ) în cuplele cinematice), se obţine ( ). 1ijfM 1

ijfF 1ijR

d) Cu noile valori ale reacţiunilor ( ) se recalculează : 1ijR

12ijf RrkM

ij⋅⋅µ⋅= (17)

12ijf RF

ij⋅µ= (18)

Aceste mărimi: ( ) şi ( ) se introduc pe desenul mecanismului în cuplele

cinematice astfel: momentul de frecare ( ) în sens contrar lui ( ), iar forţa de

frecare ( ) în sens contrar lui ( ).

2ijfM 2

ijfF2ijfM jiω

2ijfF ijv

NOTĂ: În relaţiile (17) şi (18), indicele ,,2” – indică a doua treaptă de aproximaţie. e) Se recalculează reacţiunile din cuplele cinematice (după ce au fost introduse

( ) şi ( ) în cuplele cinematice), se obţine ( ). 2ijfM 2

ijfF 2ijR

NOTĂ: Calculul cinetostatic cu frecare foloseşte de regulă două trepte de aproximaţie – rezultatul din a doua treaptă de aproximaţie fiind suficient de exact.

Exemplu: La diada de aspect 1 (R.R.R) – vezi FIG. 3.27.

Page 30: Cap 3

Fig.3.27

1) Se consideră că în cuplele A, B, C nu există frecare. Se determină reacţiunile din cuple (aşa cum am făcut în capitolul 3.1.4 punctul a), rezultând reacţiunile:

[ ]NRRRRRR tntn 243

243

043

212

212

012 )()(;)()( +=+=

[ ]NpckRR FF )(023

032 =−= - vezi FIG. 3.22 a şi b

||,|| 4312nn RR - determinate din poligonul forţelor – vezi FIG. 3.21 b.

[ ] [ ]NedkRNpekR Fn

FFn )(;)( 4312 ==

2) Se calculează momentele de frecare din cuple:

032

1043

1012

1 ;; RrkMRrkMRrkM BfCfAf BCA⋅⋅µ⋅=⋅⋅µ⋅=⋅⋅µ⋅=

unde: - razele fusurilor din A, B, C. CBA rrr ,, Sensul momentelor de frecare este determinat de sensul vitezelor relative unghiulare dintre elemente.

De exemplu, dacă 1221 ω−ω=ω roteşte în sens orar, atunci 1AfM va roti în

sens trigonometric.

Analog, dacă 323223 ω−=ω−ω=ω roteşte în sens trigonometric, atunci

va roti în sens orar, iar 1BfM 1

CfM va acţiona în sens invers lui . 34ω

3) Se reface calculul, determinând componentele tangenţiale din prima treaptă de

aproximaţie: || 112tR şi || 1

43tR - vezi FIG. 3.28 a.

Page 31: Cap 3

( )11222

112

11222

112

2

1

0:0

BA

BA

ffAB

t

ffABt

B

MMMhFl

R

MMMhFlRM

−++=

⇒=−+++⋅−=∑

( )1133343

1133343

)3(

1

0:0

1

1

CB

CB

ffBC

t

ffBCt

B

MMMhFl

R

MMMhFlRM

+−+=

⇒=−+−−⋅=∑

4) Pentru determinarea lui || 112

nR şi || 143nR , scriem ecuaţia vectorială de echilibru:

0)3,2( =∑ jF

0RRFFRR)BC|(|

n143

t14332

t112

)AB|(|

n112 =+++++

Fig.3.28

Din polinomul forţelor (vezi FIG. 3.28 b), construind la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , rezultă:

Page 32: Cap 3

[ ] [ ][ ]NRRRRRR

NedkRNpekRtntn

Fn

FFn

2143

2143

143

2112

2112

112

143

112

)()(;)()(

)(||;)(||

+=+=

==

5) Pentru determinarea reacţiunii || 132R din cupla interioară B: 0)2( =∑ jF

01322

112

112 =+++ RFRR tn

Din polinomul forţelor (vezi FIG. 3.28 c), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , rezultă:

[ ]NpckRR FF )(|||| 123

132 =−=

6) Se calculează momentele de frecare – pentru a se face a doua treaptă de aproximaţie.

143

2112

2112

2 ;; RrkMRrkMRrkM CfBfAf CBA⋅⋅µ⋅=⋅⋅µ⋅=⋅⋅µ⋅=

Aceste momente de frecare au sens invers sensului vitezelor unghiulare ale elementelor cinematice – vezi FIG. 3.29 a.

7) Se calculează componentele tangenţiale || 212

tR şi || 243

tR :

( )22222

212

22222

212

)2(

1

0:0

BA

BA

ffAB

t

ffABt

B

MMMhFl

R

MMMhFlRM

−++=

⇒=−+++⋅−=∑

( )22333

243

22333

243

)3(

1

0:0

CB

CB

ffBC

t

ffBCt

B

MMMhFl

R

MMMhFlRM

+−+=

⇒=−+−−⋅=∑

8) Pentru determinarea componentelor || 212

nR şi || 243

nR , scriem ecuaţia de

echilibru: 0)3,2( =∑ jF

0)|(|

243

24332

212

)|(|

212 =+++++

BC

ntt

AB

n RRFFRR

Din polinomul forţelor (vezi FIG. 3.29 c), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , rezultă:

Page 33: Cap 3

[ ] [ ][ ]NRRRRRR

NedkRNpekRtntn

Fn

FFn

2243

2243

243

2212

2212

212

243

212

)()(;)()(

)(||;)(||

+=+=

==

Fig3.29

9) Pentru determinarea reacţiunii || 232R din cupla interioară B: 0)2( =∑ jF

02322

212

212 =+++ RFRR tn

Din polinomul forţelor (vezi FIG. 3.28 c), construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , rezultă:

[ ]NpckRR FF )(|||| 223

232 =−=

OBSERVAŢII: În calculul cinetostatic al mecanismelor se pot întâlni câteva situaţii particulare: a) Element neâncărcat cu forţe exterioare – vezi FIG. 3.30

Page 34: Cap 3

Fig.3.30

În acest caz, forţele de legătură (reacţiunile) date de elementul anterior şi cel care urmează sunt egale şi de sens contrar.

În FIG. 3.30 a: 3212 RR −= şi au direcţia elementului (AB).

În FIG. 3.30 b, reacţiunea 23R este perpendiculară pe direcţia ghidajului )( B∆

şi 03R are punctul de aplicaţie în B, ( 0323 RR −= ).

b) Mecanisme ce au cuple superioare – vezi FIG. 3.31 În asemenea situaţii se construieşte mecanismul echivalent care are în

componenţa sa numai cuple inferioare de clasa a V-a. Astfel, în cazul din FIG. 3.31, cupla superioară (D) se înlocuieşte prin elementul

cinematic binar (4) având direcţia normalei comune (n - n) la cele două curbe care formează cupla superioară şi cuplele (A) şi (B) amplasate în centrele de curbură ale profilelor în punctul de contact (

32; DD CBCA ≡≡ ). Întrucât elementul înlocuitor

(4) este un element convenţional, el nu poate fi încărcat. Deci, 3424 RR −= acţionează pe direcţia (AB) şi reprezintă reacţiunea din cupla superioară.

Page 35: Cap 3

Fig.3.31

b) Mecanisme ce au cuple de translaţie cu ghidaj mobil (cuplă de rotaţie suprapusă peste cuplă de translatie) – vezi FIG. 3.32 b.

Dacă dimensiunile pietrei de culisă (2) sunt mai mici, atunci torsorul forţelor de

inerţie se reduce numai la forţa de inerţie G

F1

Fig.3.32

În FIG. 3.32 b cuplele din A s-au desenat separat pentru a se asigura scrierea corectă a ecuaţiei vectoriale de echilibru a forţelor:

0:0 32112)3,2( =++=∑ RFRF

Gj

Page 36: Cap 3

3.1.6. Determinarea reacţiunilor din cuple folosind metode analitice

A) METODA SOLIDIFICĂRII ŞI A ECHILIBRULUI PĂRŢILOR – din mecanică Teorema solidificării: Dacă fiecare solid dintr-un sistem este în echilibru, atunci şi

sistemul în ansamblu este în echilibru. Teorema echilibrului părţilor: Dacă un sistem de solide rigide este în echilibru,

atunci orice subsistem al său este în echilibru, dacă pe lângă forţele exterioare (sarcini) ce solicită subsistemul se introduc şi forţele de legătură (reacţiunile).

Metoda constă în introducerea reacţiunilor prin componentele lor şi calculul lor din ecuaţii de proiecţii pe axe şi de momente faţă de unele puncte (articulaţii, centre de masă).

Calculul reacţiunilor se începe tot cu ultima grupă cinematică. Exemplu: Să luăm o grupă cinematică (diada de aspect II) – considerând că ea

este ultima grupă a mecanismului – vezi FIG. 3.33.

Fig.3.33

Se cunosc: 232

,,,,, 32 iii MGGFFF

Se cer reacţiunile: ?,?,? === RRR CB

Rezolvare: Pentru cupla din B (vezi FIG. 3.33), se scriu: ecuaţiile de momente faţă de (C) şi

ecuaţiile de proiecţii pe axa (Ox):

⎪⎩

⎪⎨⎧

=

=

0

0)3,2(

2

x

C

F

M

Acest sistem se scrie în mod explicit:

⎪⎩

⎪⎨⎧

=+++

=+++×++×

0

0)()(

2

2

52

2222

iB

iBB

Fxxx

MGyxCCyxCB

Din a doua ecuaţie a sistemului, rezultă || Bx .

Page 37: Cap 3

Din prima ecuaţie a sistemului, rezultă || By .

Reacţiunea din (B): 22 )()( BBB yxR += .

Pentru cupla de rotaţie din (C) – vezi FIG. 3.34.

Fig.3.34

Se scriu ecuaţia de proiecţii pe axe (Ox) şi ecuaţia de momente faţă de (B):

⎪⎩

⎪⎨⎧

=

=

0

0)2(

)3(

B

x

M

F

Acest sistem scris în mod explicit:

⎪⎩

⎪⎨⎧

=+++×++×

=++

0)()(

0

2

3

2222 iCC

iC

MGyxBCyxBC

FFx

Din prima ecuaţie a sistemului, rezultă || Cx .

Din a doua ecuaţie a sistemului, rezultă || Cy .

22 )()( CCC yxR +=

Pentru cupla de translaţie din (C) – vezi FIG. 3.35.

Pentru determinarea reacţiunii || R , este suficient să scriem ecuaţia de momente faţă de (B):

0)32( =∑ +BM

( ) ( ) 023 22223 =+++×++++× ii MGyxBCFFGRBC

Din ecuaţia vectorială de echilibru de mai sus, rezultă || R .

Page 38: Cap 3

Fig.3.35

B. METODA NUMERELOR COMPLEXE Forţele şi cuplurile de inerţie ce acţionează asupra elementelor cinematice se pot

determina uşor, dacă în prealabil au fost determinate acceleraţiile şi acceleraţiile unghiulare.

Pentru uşurarea prezentării metodei, se va exemplifica pe mecanismul patrulater articulat din FIG. 3.36 cum pot fi determinate forţele de legătură (reacţiunile) din cuplele cinematice.

Fig.3.36

La mecanismul patrulater din FIG. 3.36 se consideră cunoscute viteza unghiulară

1ω şi momentul de torsiune 1tM la elementul conducător (1) ; acceleraţiile

centrelor de greutate 321

,, GGG aaa ;

acceleraţiile unghiulare 321 ,, εεε ; forţele de inerţie 321

,, iii FFF , plasate însă nu

în centrele de greutate ale elementelor ci în centrele de oscilaţie 321 ,, KKK , pentru a lua în considerare şi efectul cuplului de inerţie.

Page 39: Cap 3

Pentru simplificare, se va considera mai întâi efectul forţei de inerţie 2iF (ca în

FIG. 3.37) şi se vor determina reacţiunile din cuplele cinematice ce rezultă sub efectul acesteia.

Fig.3.37

Aplicând principiul suprapunerii efectelor, se pot determina şi influenţele forţelor

de inerţie, considerând pe rând mecanismul cu 21

, ii FF şi însumând apoi efectele.

Considerând deci o încărcare ca cea din FIG. 3.37 (numai cu o forţă de inerţie

2iF -cunoscuta, unde forţa de inerţie este deplasată cu distanta e2 faţă de linia de

acţiune a lui 2Ga pentru a cuprinde şi efectul cuplului de inerţie corespunzător, cu:

2222 iFJe ε⋅= & (19)

unde - momentul de inerţie masic al elementului (2). 2J&

Analiza cinetostatică se începe de la elementul condus final (3) spre elementul conducător (1) şi de desfac legăturile (cupele cinematice) introducând în ele reacţiunile ca în FIG. 3.38.

Mărimea forţei de inerţie 2iF este:

)(2

222

π+β⋅⋅= iGi eamF (20)

unde: - arată că sensul forţei de inerţie este opus lui )( 2 π+β2Ga iar m2

este masa elementului (2).

Page 40: Cap 3

Fig.3.38

În mod convenţional poziţia forţei 2iF a fost exprimată prin distanţa l2 (l2 = AK2 ,

K2 – centrul de oscilaţie).

)sin(:

)sin(

22

222

22

22

22

2

θ+β

ε⋅+=

θ+β+=

iG

G

FJrl

erl

&sau

(21)

Reacţiunile 1223322112 ,, RRRRR == şi 03R sunt necunoscute atât ca mărime cât şi ca direcţie. Ecuaţia de echilibru pentru forţe, scrisă pentru elementul cinematic (2) este:

0

0

22

2

2

32)(

12

3212

=⋅+⋅+⋅

=++

θπ+βγ⋅ iii

i

i

eReFeR

RFR (22)

Separând părţile reale şi imaginare din ecuaţia (4) rezultă:

0sin)sin(sin:)(

0cos)cos(cos:)(

3322212

3322212

2

2

=θ⋅+π+β⋅+γ⋅

=θ⋅+π+β⋅+γ⋅

RFRI

RFRR

i

i (23)

În ecuaţia (23) sunt 3 necunoscute mărimile reacţiunilor 12R şi 32R şi unghiul

. Direcţia lui 2γ 32R este cunoscută, deoarece elementul (3) este numai sub acţiunea

forţei 2iF .

Page 41: Cap 3

Pentru a determina cele trei necunoscute din ecuaţia (23) este necesară încă o ecuaţie suplimentară. Această ecuaţie este cea de momente în raport cu punctul A sau B. Scriind ecuaţia de momente în raport cu punctul A, se obţine:

)sin(r)sin(lFR

0)sin(lF)sin(rR

232

222i32

222i23232

2

2

sauθ−θ⋅θ−β⋅

=

=θ−β⋅⋅−θ−θ⋅⋅ (24)

După calculul lui 32R cu ecuaţia (24), din ecuaţiile (23) se determină

componenta reală şi imaginară a reacţiunii 12R :

)sin(sinsin:)(

)cos(coscos:)(

233221212

233221212

2

2

π+β⋅−θ⋅−=γ⋅=

π+β⋅−θ⋅−=γ⋅=

i

i

FRRRI

FRRRR (25)

Mărimea rezultantei 12R este:

212

21212 )()( RIRRR ⋅+⋅= (26)

iar direcţia reacţiunii 12R este:

12

122 RR

RI⋅⋅

=γ (27)

Pentru elementul (3) din FIG. 3.38 este de observat că reacţiunea din articulaţia

)( 03RC este egală cu 32R , deoarece în acest element acţionează numai cele două

forţe: 3203 RR = .

În mod similar: 1201 RR = .

Notând cu eM momentul de echilibrare corespunzător elementului conducător (1), acesta are valoarea:

)sin( 2112 γ−θ⋅−= RMe (28)

Calculele anterioare au avut ca scop determinarea reacţiunilor din cuplele cinematice ale mecanismului sub acţiunea efectului inerţiei din elementul cinematic (2). În mod asemănător se poate lua în considerare mecanismul numai sub acţiunea

forţei de inerţie 3iF şi se pot determina reacţiunile din cuplele corespunzătoare

acesteia. Reacţiunile rezultate din fiecare cuplă se obţine pe baza principiului suprapunerii efectelor, însumând separat partea reală şi imaginară a componentelor calculate, de exemplu pentru cupla ∑ ⋅ 12: RRA şi ∑ ⋅ 12RI , având rezultanta:

( ) ( )2122

1212' ∑∑ ⋅+⋅= RIRRR (29)

Page 42: Cap 3

iar poziţia rezultantei prin unghiul

∑∑

⋅⋅

=γ12

12'RRRI

(30)

Concluzia este că metoda numerelor complexe poate fi utilizată şi la determinarea reacţiunilor din cuplele cinematice ale mecanismelor, principiile fiind aceleaşi ca la calculul ,,clasic” care utilizează ecuaţiile de echilibru pentru forţe şi momente. Numai modul de rezolvare a acestor ecuaţii foloseşte scrierea vectorială sub formă complexă.

3.1.7. Cinetostatica elementului cinematic final

Elementul cinematic final este acel element component al mecanismului asupra

căruia acţionează forţa de echilibru ( eF ) sau cuplul de echilibru ( eM ) care sunt necunoscute. Elementul cinematic final poate fi:

a) Element conducător – când se cunoaşte forţa rezistentă ( rF ) sau cuplul

rezistent ( rM ). În această situaţie forţa de echilibru ( eF ) este forţă motoare. Exemplu la maşinile unelte.

b) Element condus – când se cunoaşte forţa motoare ( mF ) sau cuplul motor

( mM ). În această situaţie forţa de echilibru ( eF ) este forţă rezistentă. Exemplu la motoarele cu ardere internă.

Forţa de echilibru ( eF ) sau cuplul de echilibru ( eM ) sunt mărimi fictive care realizează echilibrul cinetostatic al mecanismului în fiecare moment al ciclului energetic.

În mărimea lor sunt incluse forţele exterioare aplicate (forţa motoare, cuplul motor, forţele şi cuplurile rezistente, forţa de greutate) şi forţele şi cuplurile de inerţie.

Drept consecinţă ( eF ) şi ( eM ) sunt mărimi variabile cu poziţia mecanismului, putând fi pozitive sau negative.

OBSERVAŢII:

1) Suportul forţei de echilibru ( eF ) se alege arbitrar şi este de regulă perpendicular pe manivelă (la elementele cinematice finale rotative) sau paralel cu direcţia ghidajului (la elemente cinematice finale de translaţie cu ghidaj fix).

2) Forţa de echilibru ( eF ) nu trebuie confundată cu forţa motoare necesară acţionării maşinii în regim dinamic, deoarece valorile lor pot diferi foarte mult în funcţie de gradul de neuniformitate al mişcării elementului conducător.

Pe baza valorilor lui ( eF ) sau ( eM ) – rezultate din calculul cinetostatic efectuat pentru un număr de poziţii ale elementului conducător – se pot trasa diagramele lor de variaţie care servesc:

Page 43: Cap 3

- la identificarea valorilor minime ale forţei sau cuplului de echilibru (atunci turaţia maşinii tinde să crească, apreciindu-se dacă este necesară sau nu montarea unui volant)

- la identificarea valorilor maxime ale forţei sau cuplului de echilibru în momentele când maşina se supraîncarcă, deoarece cuplul rezistent capătă valori superioare cuplului motor al maşinii.

- 3.1.7.1. Element cinematic final legat cu

cuplă de rotaţie

a) Determinarea lui eF – vezi FIG. 3.39.

Se cunoaşte: ,,),(,, 1210GMFRl

GGG iiiAA τ deasemeni se cunoaşte că

suportul forţei de echilibru ( eF ) este perpendicular pe (A0A) şi are punctul de aplicaţie în (E) – arbitrar ales.

Se cere: ?|| =eF ?|| 01 =R

Fig.3.39

Rezolvare:

- Se construieste la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

mkl elementul cinematic.

( )1112110

1102121

1

0:00

hGhRMhFEA

F

hGEAFhRMhFM

GG

GG

iie

eiiiA

⋅−⋅++⋅=⇒

=⋅−⋅−⋅++⋅=∑

Page 44: Cap 3

Dacă din calcul rezultă că forţei de echilibru ( eF ) este pozitivă, atunci ea are

sensul lui 1ω şi ea reprezintă o forţă motoare instantanee.

Dacă din calcul rezultă că forţei de echilibru ( eF ) este negativă, atunci ea are

sens contrar lui 1ω şi ea reprezintă o forţă rezistentă instantanee.

Reacţiunea ( 01R ) se determină scriind ecuaţia vectorială de echilibru pentru forţe:

001121 =++++ RGFFRGie

Din poligonul forţelor – vezi FIG. 3.39 b, rezultă:

[ ]NpdkR FF )(|| 01 =

b) Determinarea lui eM – vezi FIG. 3.40.

Fig3.40

Se cunosc 121 ,),(,,0

GMFRGGG iiiAA τl

Se cer ?|| =eM ?|| 01 =R

Rezolvare:

112121

112121 0:00

hGMhFhRM

hGMhFMhRM

GG

GG

iiie

iiieA

⋅−+⋅+⋅=⇒

=⋅−+⋅+−⋅=∑

Page 45: Cap 3

Pentru determinarea reacţiunii || 01R scriem ecuaţia vectorială de echilibru pentru forţe:

001121 =+++ RGFRGi

Din poligonul forţelor – vezi FIG. 3.40 b, construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF rezultă:

[ ]NpdkR FF )(|| 01 =

CAZURI PARTICULARE 1) Element conducător echilibrat (centrul de greutate G1 se află în articulaţia fixă

A0) care se roteşte cu viteza unghiulară .1 ct=ω (vezi FIG. 3.41 a).

Fig.3.41

În această situaţie torsorul 0=τGi , iar forţa de echilibru se determină din

ecuaţia vectorială de echilibru:

0')0()0|(|

0121 =++⊥ AA

eCA

FRR , unde: 01101' RGR +=

Întrucât asupra elementului cinematic acţionează trei forţe coplanare, pentru echilibru trebuie ca ele să fie concurente în (C).

Page 46: Cap 3

Din poligonul forţelor – vezi FIG. 3.41 b, construit la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF rezultă:

[NcakF Fe )(|| = ] şi [ ]NpdkR FF )(|| 01 = .

În cazul când se determină cuplul de echilibru ( eM ) – vezi FIG. 3.42.

Fig.3.42

01101

2121e

e2121

A

RG'R

hRM0MhR

0M0

+=

⋅==−⋅

=∑

2101

0121

j

R'R

0'RR

0F

−=⇒

=+

=∑

[ ]N)aA(k|'R| 0F01 =

2) Element condus echilibrat ( nGB ≡0 ) care se roteşte cu viteza unghiulară

.ctn ≠ω - vezi FIG. 3.43 a.

În acest caz torsorul de inerţie este constituit numai din nGiM , iar forţa de

echilibru ( eF ) sau cuplul de echilibru ( eM ) reprezintă forţa rezistentă care acţionează asupra elementului condus (n).

Din ecuaţia de momente:

Page 47: Cap 3

0:0 1,1,0)(

0=⋅−+⋅= −−∑ nnnnie

nB hRMEBFM

nG

şi ecuaţia vectorială de echilibru a forţelor:

0:0 01, =+++= −∑ nennnnj RFGRF

rezultă: ( )nGinnnne MhR

EBF −⋅= −− 1,1,

0

1

Fig.3.43

Reacţiunea || 0nR , rezultă din poligonul forţelor – vezi FIG. 3.43 b, construit la

scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF :

[ ]NpckR FFn )(|| 0 = .

3.1.7.2 Element cinematic final cu cuplă de

translaţie – vezi fig. 3.44 a

,,, 121 GFR GiSe cunosc cunoaştem că 01R este perpendicular pe ( 0∆ ) iar

eF este paralel cu ( ). 0∆

?||,?| 01 == RFe| , punctul de aplicaţie ?01 =h . Se cer

Rezolvare: Forţa de echilibru rezultă din rezolvarea grafică a ecuaţiei vectoriale de echilibru,

construind poligonul forţelor – vezi FIG. 3.44 b.

Page 48: Cap 3

Fig.3.44

)(||0)(

01211)(| 00|

FFeie pdkFRFRGF G =⇒=++++∆⊥∆

şi [ ]NdckR F )(|| 01 =

( )1101

01

110101

10:0

hGhFhFR

h

hFhFhGhRM

eeii

eeiiA

G

G

⋅−⋅+⋅=

⇒=⋅−⋅−⋅+⋅=∑

3.1.8. Calculul forţei de echilibru prin metoda Jukovski

Calculul cinetostatic al forţei de echilibru prezentat până acum prezintă avantaje

şi dezavantaje. Avantaje: Determinarea tuturor reacţiunilor din cuple care servesc mai departe la

calculul de rezistenţă al elementelor şi cuplelor cinematice. Dezavantaje: Calculul laborios şi scăderea preciziei calculului – datorită

acumulării erorilor pe care le introduce calculul grafic. Aceste dezavantaje pot fi eliminate dacă se utilizează metoda JUKOVSKI. Această metodă se bazează pe principiul puterilor virtuale, a cărei aplicaţie

conduce la obţinerea unei singure ecuaţii scalare din care rezultă direct forţa de echilibru a elementului cinematic final.

Folosind această metodă nu mai este necesar ca în prealabil să determinăm reacţiunile din cuple.

Principiul puterilor virtuale: Suma puterilor virtuale instantanee într-un sistem aflat în echilibru dinamic este nulă.

Page 49: Cap 3

011

=ω⋅+⋅ ∑∑==

m

jjj

n

kkk MVF (31)

În cazul mecanismelor plane ecuaţia (19) devine:

0coscos11

=β⋅ω⋅+α⋅⋅ ∑∑==

jm

jjj

n

kkkk MVF (32)

unde: kF - forţa care acţionează asupra elementului (k) - vezi FIG. 3.45 a

kV - viteza punctului de aplicaţie al forţei kF ;

- unghiul dintre sensul forţei kα kF şi sensul vitezei corespunzătoa-

re kV - vezi FIG. 3.45 a;

jM - momentul cuplului aplicat elementului cinetic ( j ) – vezi

FIG. 3.45 a;

jω - viteza unghiulară a elementului ( j );

jβ - unghiul dintre sensul momentului jM şi sensul vitezei

unghiulare jω .

3.1.8.1. Algoritmul de calcul al forţei de echilibru prin metoda jukovski (vezi fig. 3.45 a şi b)

a) Vitezele se rotesc cu în sens arbitrar (în FIG. 3.45 b planul vitezelor este rotit în două sensuri).

o90

Fig.3.45

Page 50: Cap 3

b) În vârful vectorilor viteză (exemplu în vârful vectorului viteză kV , în puntul k) se

transpun forţele exterioare ( kF ) şi cuplurile exterioare în acelaşi sens (ca

în FIG. 3.45 b) sau în sens contrar (ca în FIG. 3.45 b jos).

'jM

ABabMM jj

)('=

c) Se introduce în planul vitezelor rotit cu - vezi FIG. 3.45 b, forţa de echilibru o90)( eF perpendiculară pe viteza )( apV sau cuplul de echilibru necunoscut 'eM .

d) Se rezolvă ecuaţia de momente scrisă în raport cu polul vitezelor ,

rezultând forţa de echilibru

)( Vp)( eF .

Dacă în relaţia (32) se introduc următoarele notaţii:

ABabk

ABVhkhhV VBA

jkVkkkk)(;)(;cos ==ω==α

o0=β j sau o180rezultă relaţia (33):

0)()(11

=⋅+⋅ ∑∑== AB

abkMhkF Vm

jj

n

kVVk (33)

Dacă împărţim relaţia (33) cu , obţinem: )( Vk

0')(11

=+⋅ ∑∑==

m

jj

n

kkk MhF (34)

unde ABabMM jj

)('= .

Relaţia (34) a fost interpretată de savantul rus JUKOVSKI drept ecuaţia de

echilibru a planului vitezelor rabătut cu - considerat ca o pârghie cu punct fix (polul vitezelor) asupra căreia acţionează forţele exterioare şi momentele exterioare.

o90

Echilibrul acestei pârghii este realizat de forţa de echilibru )( eF sau cuplul de

echilibru )( eM - care acţionează asupra elementului cinematic final.

Scriind ecuaţiile:

0')(:0

0')(:0

1

11

11

=′−+⋅=

=−+⋅=

∑∑∑

∑∑∑

==

==

em

jj

n

kkkp

eem

jj

n

kkkp

MMhFM

hFMhFM

V

V

Page 51: Cap 3

unde AAapMM V

ee0

)('=

rezultă: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅= ∑∑

==

m

jj

n

kkk

ee MhF

hF

11')(1

(35)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅= ∑∑

==

1

11

0 ')()(

m

jj

n

kkk

Ve MhF

apAAM (36)

NOTĂ: metoda JUKOVSKI se aplică atunci când: - este necesară verificarea corectitudinii calculului cinetostastic.

- se doreşte determinarea forţei de echilibru )( eF pentru o poziţie oarecare ,, j

” a mecanismului, se poate calcula puterea instantanee şi puterea

efectivă :

)( jP)(

efjP

[ ] [kWVFCPVFVFP AeAeAej 10275

]⋅=

⋅=⋅= (37)

m

jj

PP

ef η= (38)

Cunoscând puterile instantanee ale mecanismului pentru diverse poziţii ocupate în timpul ciclului energetic, se poate trasa diagrama acestor puteri (vezi FIG. 3.46).

Fig.3.46

Diagrama de mai sus (FIG. 3.46) serveşte pentru: - calculul puterii medii:

∫φ

ϕφ

=E

dPP jE

m0

1 (39)

Page 52: Cap 3

- alegerea motorului de antrenare a mecanismului. -

3.2. Echilibrarea maselor mecanismului

În timpul funcţionării mecanismului, datorită maselor aflate în mişcare iau naştere forţe de inerţie.

Forţele de inerţie – produc solicitări suplimentare în elementele şi cuplele cinematice.

Deoarece forţele de inerţie variază în timp ele produc vibraţii. Aceste vibraţii sunt deosebit de periculoase în situaţia în care frecvenţa lor de

oscilaţie devine egală cu frecvenţa de oscilaţie a elementelor cinematice ale mecanismului.

În această situaţie este posibilă apariţia fenomenului de rezonanţă – fenomen care duce la distrugerea maşinii sau mecanismului.

Înlăturarea forţelor de inerţie este practic imposibilă – deoarece nu se pot construi elemente cinematice fără masă.

Însă efectul lor poate fi anihilat prin introducerea sau scoaterea de mase adiţionale (contragreutăţi) din masa totală a elementului cinematic.

Această operaţie de scoatere sau introducere de mase adiţionale din masa totală a elementului cinematic se numeşte echilibrare.

Un sistem mecanic este complet echilibrat dacă torsorul forţelor de inerţie este

nul: 0=τi .

adică ⎪⎩

⎪⎨⎧

=ε⋅−=

=⋅−=τ

0

0

iGi

Gii

i

i

JM

amF

& (40)

Dacă 0=iF iar 0≠iM , se realizează o echilibrare statică.

Dacă 0=iF şir 0=iM , se realizează o echilibrare dinamică.

Problemele pe care le vom aborda în acest subcapitol se referă la: - echilibrarea rotoarelor; - echilibrarea mecanismelor cu bare.

Echilibrarea implică parcurgerea a două etape: Etapa Ia constă în calculul teoretic al repartiţiei maselor. Etapa IIa constă în corectarea echilibrării cu ajutorul maşinilor de echilibrat, deoarece la execuţie sau la montaj apar cauze suplimentare de dezechilibrare.

3.2.1. Cazuri practice de dezechilibrare

Page 53: Cap 3

a) Dezechilibrarea statică

Exemplu: cazul unui rotor – vezi FIG. 3.47.

Fig.3.47

002

=≠ω⋅⋅−=⋅−=

i

GGi

MamamF

Centrul de greutate ,,C ” nu se află pe axa (OO’) ci pe axa (O1O1’).

Apar în lagăre reacţiuni suplimentare: 21iFR =

CAUZE: uzinarea greşită (prelucrare asimetrică). ECHILIBRAREA: se face prin adăugarea a două mase adiţionale (me), care să aducă centrul de greutate G pe axa (OO’).

b) Dezechilibrarea dinamică Exemplu cazul rotorului din FIG. 3.48.

Fig.3.48

Page 54: Cap 3

00≠=

i

i

MF

Centrul de greutate ,,C ” se află pe axa (OO’), iar axa de simetrie (O1O1’) (OO’). ≠

În lagăre apar reacţiuni suplimentare: l

MR i=′

CAUZE: neuniformitatea la turnare a roţilor, găuri ovale, găuri necoaxiale. ECHILIBRAREA se face prin adăugarea unei mase adiţionale (me) în stânga

sau în dreapta - care să producă o forţă de echilibrare eF , al cărui moment eFM să

fie egal cu )( iFi MMMe= .

c) Dezechilibrarea statică şi dinamică Exemplu cazul rotorului din FIG. 3.49.

Fig.3.49

Centrul de greutate ,,C ” nu se află pe axa de rotaţie (OO’), iar axa (O1O1’) (OO’). ≠

00

≠≠″−′=

i

iii

MFFF

CAUZE: prelucrarea asi-metrică şi neuniformitatea la turnare.

3.2.2. Echilibrarea statică a rotoarelor plane

a) Echilibrarea rotoarelor plane de lăţime mică – vezi FIG. 3.50 Exemple de astfel de rotoare: roţile de curea, discurile de ambreiaj, rotoarele de

ventilatoare, volanţii etc. Centrul de greutate al rotorului ,,C ” nu se află pe axa de rotaţie (OO’), se află la

distanţa (rC) de O (vezi FIG. 3.50).

2ω⋅⋅−= ci rmF

Page 55: Cap 3

Pentru echilibrare se introduce o masă adiţională (me) la o distanţă (re) aleasă

arbitrar – care va produce forţa . eee rmF ⋅ω⋅= 2

La echilibru . ei FF =

Fig.3.50

, de unde rezultă masa adiţio-nală (de echilibrare): eec rmrm ⋅ω⋅=ω⋅⋅ 22

e

ce r

rmm ⋅= (41)

b) Echilibrarea rotoarelor plane prin mase concentrate în plan

Fig.3.51

Page 56: Cap 3

Se consideră un sistem de trei mase concentrate coplanare m1, m2, m3 ce se rotesc cu .ct=ω în jurul unei axe perpendiculare pe planul mişcării (vezi FIG. 3.51 a). La un asemenea model pot fi reduse toate rotoarele plane.

Problema care se pune este determinarea mărimii şi poziţia masei de echilibrare – astfel ca centrul de greutate C al rotorului să fie readus pe axa de rotaţie.

Cele teri mase m1, m2, m3, vor produce în urma rotaţiei cu viteza unghiulară

.ct=ω , forţele de inerţie 321

,, iii FFF , a căror rezultantă este reziF - vezi FIG.

3.51 b,

321 iiirezi FFFF ++=

Forţa de inerţie rezultantă trebuie echilibrară. În acest scop se introduce o masă

punctiformă )( Im care dezvoltă o forţă de inerţie )( IiF în timpul rotaţiei cu .ct=ω

2

233

222

211

3

2

1

ω⋅ρ⋅=

ω⋅ρ⋅=

ω⋅ρ⋅=

ω⋅ρ⋅=

IIIi

i

i

i

mF

mF

mF

mF

Trebuie îndeplinită condiţia de echilibru static:

0321

=+++ Iiiii FFFF

Această ecuaţie vectorială de echilibru se rezolvă grafic, construind poligonul

forţelor la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF , arbitrar aleasă (vezi FIG. 3.51c).

[ ]NpckF FFIi )(=

La echilibru eIi FF =

Alegând distanţa )( Iρ de amplasare a masei de echilibrare )( Im , ea se calculează cu relaţia

22 ω⋅ρ=

ω⋅ρ=

I

e

I

IiI

FFm (42)

3.2.3. Echilibrarea statică şi dinamică a rotoarelor spaţiale

Se presupune un rotor spaţial, aproximat prin trei mase punctiforme relative m1,

m2, m3 aflate în plane paralele (vezi FIG. 3.52).

Page 57: Cap 3

Fig.3.52

Calculul maselor de echilibrare Datorită rotaţiei cu viteză unghiulară .ct=ω , fiecare din masele punctiforme va

produce o forţă de inerţie )3...1(2 =ω⋅ρ⋅= kmF kkki şi un cuplu de inerţie

)3...1( =×= kFzM kikki , perpendicular pe forţa de inerţie (FIG. 3.52).

)(;)(;)(

;;

333222111

321

321

233

222

211

iiiiiiiii

iii

FFzMFFzMFFzM

mFmFmF

⊥×=⊥×=⊥×=

ω⋅ρ⋅=ω⋅ρ⋅=ω⋅ρ⋅=

Torsorul de inerţie de reducere: ⎪⎩

⎪⎨⎧

=

kirezi

kirezii

MM

FF

.

.

Deci, torsorul de reducere iτ este format din forţa de inerţie )( .reziF şi un

cuplu rezistent )( .reziM , care urmează a fi echilibrat.

Întrucât sunt de îndeplinit două condiţii de echilibrare, vor trebui pentru echilibrare două mase Im şi IIm .

Aceste mase Im şi IIm vor produce forţele de inerţie: 2ω⋅ρ⋅= IIIi mF , 2ω⋅ρ⋅= IIIIIIi mF şi cuplurile 0=IiM şi IIiIIi FzM ×= 0 .

Considerând masele m1, m2, m3 în acelaşi plan şi dacă rabatem pe

321 ,, iii MMM cu în sensul lui (o90 ω ), obţinem FIG. 3.53 a.

Page 58: Cap 3

Fig.3.53

Ecuaţia vectorială de echilibru:

⎪⎩

⎪⎨⎧

=++

=+

0

0

IIiIiki

IIiki

FFF

MM

sau ⎪⎩

⎪⎨⎧

=++++

=+++

)(0

)(0

321

321

IIFFFFF

IMMMM

IIiIiiii

IIiiii

Rezolvăm ecuaţia de momente (I) grafic, prin construirea poligonului de

momente la scara ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ⋅mmmNkM , prin rotirea vectorilor momentelor cu (vezi FIG.

3.53 a şi FIG. 3.53 b).

o90

Din poligonul de momente (FIG. 3.53 b), rezultă:

[ ]mNpckM MMIIi ⋅= )(

Însă 200 ω⋅ρ⋅⋅=⋅= IIIIIIiIIi mzFzM

Prin alegerea distanţei IIρ se poate calcula masa de echilibrare ( IIm ),

greutatea ( IIG ) sau forţa de inerţie ( IIiF ).

Page 59: Cap 3

20

20 ω⋅ρ⋅

⋅=

ω⋅ρ⋅=

II

MM

II

IIiII z

kpc

z

Mm (43)

20 ω⋅ρ⋅

⋅=⋅=

II

MMIIII z

pckggmG (44)

00 z

pck

z

MF

MMIIiIIi

⋅== (45)

Se rezolvă grafic şi ecuaţia (II), luând o scară pentru forţe ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

NkF şi

construind poligonul forţelor (vezi FIG. 3.53 c). Din poligonul forţelor (FIG. 3.53 c) rezultă:

[ ]NpdkF FFIi )(=

Prin alegerea distanţei ( Iρ ), se poate calcula masa ( Im ) şi greutatea ( IG ):

2ω⋅ρ

⋅=

I

FFI

pdkm (46)

2ω⋅ρ

⋅=⋅=

I

FFII

pdkggmG (47)

Amplasarea maselor Im şi IIm

Masa ( Im ) în planul de reducere [P1] pe direcţia )(||1 Fpd∆ dusă din punctul

(O) la distanţa aleasă ( Iρ ).

Masa ( IIm ) în planul de reducere [P2] pe direcţia )(||2 Mpc∆ dusă din

punctul (O’) la distanţa aleasă ( IIρ ).

3.2.4. Echilibrarea statică a mecanismelor cu bare

La mecanismele cu bare se realizează numai echilibrarea statică a forţelor de

inerţie, deoarece cuplurile de inerţie sunt reduse ca valoare. Determinarea centrului de greutate al unui mecanism plan cu bare – prin metoda

vectorilor principali. Se consideră un mecanism format din n bare mobile de mase m1, m2, m3, ... mn –

vezi FIG. 3.54.

Page 60: Cap 3

Fig.3.54

Este necesar ca:

• 0a0m,amF GGi =⇒≠⋅−= , pentru orice poziţie a mecanismului;

• Centrul de greutate al mecanismului (G) să fie fix tot timpul funcţionării.

nll ...,, 21l (lungimile elementelor cinematice); Se cunosc

nSSSS ...,,, 321 (poziţiile centrelor de greutate).

Se determină vectorii de poziţie ai centrelor de greutate în raport cu (O):

.,,,

...,,,

321321211

321

etcSllrSlrSr

rrrr n

++=+==

iar vectorul de poziţie al centrului de greutate (G) al mecanismului este:

mSm

mmlSm

mmmmlSm

mmmmlSm

mrmr

nnnnnnn

niiG

⋅+

⋅+⋅++

+++⋅+⋅+

++++⋅+⋅

=⋅

=

−−−

11143222

32111

...)...(

)...(

Însă nn lSlSlSlS ||...,||,||,|| 332211

Vectorii principali:

mSmh

mmlSmh

mmmmlSmh

mmmmlSmh

nnn

nnnnn

n

n

=

+=

++++=

++++=

−−−−

)

)...(

)...(

1111

432222

321111

Page 61: Cap 3

Deci nG hhhhr ++++= ...321

unde DEhCDhBChABhOAh ||,||,||,||,|| 54321 (vezi FIG. 3.55)

Fig.3.55

.1

consthrn

iiG == ∑

= (48)

m

mlSmh

n

iiiii

i

∑=

+= 1 (49)

În concluzie: În G (centrul de greutate al întregului mecanism) se va plasa masa adiţională de echilibrare.

Construcţia se repetă pentru un număr de ( 2412÷ ) de poziţii ale elementului conducător, obţinându-se locul geometric al centrului de greutate, care este o curbă închisă.

3.2.5. APLICAŢII 1) Să se facă echilibrarea statică a mecanismului patrulater – articulat A0ABB0.

Se cunosc: lungimile elementelor cinematice , masele lor m321 ,, lll 1, m2, m3 şi poziţiile centrelor de greutate S1, S2, S3 (vezi FIG. 3.56 a). Rezolvare: Se face concentrarea statică a maselor în articulaţii (vezi FIG. 3.56 b, c,

d):

Page 62: Cap 3

Fig.3.56

1

111

1

1111

11111

111;

)( 00

0

lSmm

lSlmm

SlmSm

mmmAA

AA

AA=

−=⇒

⎪⎭

⎪⎬⎫

−=

=+

2

222

2

2222

22222

212;

)( lSmm

lSlmm

SlmSm

mmmBA

BA

BA=

−=⇒

⎪⎭

⎪⎬⎫

−=

=+

3

333

3

3333

33333

3330

0

0 ;)( l

Smml

SlmmSlmSm

mmmBB

BB

BB=

−=⇒

⎪⎭

⎪⎬⎫

−=

=+

Masa concentrată în A0:

001

1111 AA m

lSlmm =

−=

Masa concentrată în A:

2

222

1

1121 l

SlmlSmmmm AAA

−+=+=

Masa concentrată în B:

3

333

2

2232 l

SlmlSmmmm BBB

−+=+=

Masa concentrată în C:

Page 63: Cap 3

3

333 00 l

Smmm BB ==

Dintre aceste mase urmează a fi echilibrate numai masele A şi B, deoarece masele A0 şi B0 fiind fixe nu au nici o influenţă asupra mecanismului. Pentru echilibrarea statică a maselor din articulaţiile A şi B ale mecanismului patrulater sunt posibile două soluţii:

a) echilibrarea cu două mase adiţionale, una amplasată în prelungirea manivelei iar a doua amplasată în prelungirea elementului (3);

b) echilibrarea cu două mase adiţionale, una amplasată în lungul bielei (2) şi cealaltă masă aditionalã amplasată în lungul elementului (1) sau (3).

a) Echilibrarea cu două mase adiţionale Im şi IIIm amplasate în prelungirea manivelei (1) şi a elementului (3) În FIG. 3.57 a este indicată această soluţie de echilibrare.

Masa adiţională ( Im ) este amplasată în prelungirea manivelei (A0A) la distanţa

Iρ , iar masa adiţională ( IIIm ) este amplasată în prelungirea elementului (3) la

distanţa IIIρ - vezi FIG. 3.57 a.

Masele adiţionale Im şi IIIm se obţin din ecuaţia de momente statice scrisă în raport cu articulaţiile fixe A0 şi B0.

31 ; lmmlmm BIIIIIIAII =ρ=ρ , rezultă:

[ ] [ ]KglmmKglmmIII

BIIII

AI ρ=

ρ= 31 ;

Fig.3.57 a

Prin urmare, după echilibrare masa mecanismului patrulater este concentrată în articulaţiile fixe A0 şi B0 (vezi FIG. 3.57 b), având valorile:

Page 64: Cap 3

IIIBBB

IAAA

mmmm

mmmm

++=

++=

00

00

3*

1*

Fig.3.57 b

Masa întregului mecanism după echilibrare este:

IIIIe mmmm ++=

unde 321 mmmm ++=Drept consecinţă centrul de greutate (G) al mecanismului se va găsi pe linia

articulaţiilor fixe (A0 B0) şi va fi fix (vezi FIG. 3.57 b). Determinarea analitică a poziţiei centrului de greutate al mecanismului

Poziţia centrului de greutate )( 00BAG∈ se determină cu ajutorul vectorului de

poziţie ( Gr ), a cărui valoare rezultă din relaţia momentelor statice scrisă în raport de articulaţia (A0) – vezi FIG. 3.57 b.

[ ]mm

lmrlmrm

e

BGBGe

0*

0* 0

0=⇒=⋅

Determinarea grafică a poziţiei centrului de greutate al mecanismului: Se folosesc relaţiile (48) şi (49).

Se calculează vectorii principali ai mecanismului după echilibrare cu relaţia (49):

mSmh

mmlSmh

mmmlSmh 33

33222

221111

1 ;;)(=

+=

++=

în care: 3321*

32*

1 ;0;0;;0;00

lSSSmmmmm BA ====== .

Page 65: Cap 3

Înlocuind în relaţiile de mai sus, obţinem:

mlm

hm

lmh

mlm

h BBB 3*

32

*

21

*

1000 ;; ===

Se observă că

.*

03

3

2

2

1

1 0 ctmm

lr

lh

lh

lh

e

BG =λ=====

ceea ce înseamnă că la un mecanism plan articulat centrul său de greutate va fi fix dacă poligonul vectorilor principali este asemenea cu conturul mecanismului. Pe această bază se determină poziţia centrului de greutate (G) al mecanismului, făcând următoare construcţie grafică (vezi FIG. 3.58):

- se unesc între ele articulaţiile A0 şi B0, respectiv A0 şi B;

- se poziţionează vectorul principal ( 1h ) pe manivela (A0A) determinându-se punctul principal (h1).

Fig.3.58

- din (h1) se duce o paralelă la (AB) până intersectează diagonala (A0B) în

punctul (C), obţinându-se vectorul principal ( 2h ).

- din C se duce o paralelă la (BB0) până intersectează linia (A0B0) în centrul de greutate (G).

b) Echilibrarea mecanismului patrulater cu două mase

adiţionale ( III mm ,' ) amplasate în prelungirea manivelei şi a bielei

În FIG. 3.59. este prezentată soluţia de echilibrare în care masa adiţională ( 'Im )

este dispusă în prelungirea uneia din manivelele (A0A sau BB0) la distanţa ( Iρ ), iar

masa adiţională ( IIm ) este montată în prelungirea bielei (AB) la distanţa ( IIρ ).

Page 66: Cap 3

Fig.3.59

Masa ( IIm ) mută centrul de greutate al sistemului de mase IIBA mmm ,, în

articulaţia mobilă A. Din relaţia de momente statice în raport cu A: 2lmm BIIII =ρ ,

rezultă masa adiţională [ ]KglmmII

BII ρ= 2 .

Se consideră că în A există masa BAA mmm +=′ care se echilibrează cu

masa adiţională ( 'Im ).Din ecuaţia momentelor statice scri-să în raport cu A0:

1lmm AII ′=ρ′ , rezultă masa: [ ]KglmmI

AI ρ

′=′ 1 .

Prin urmare valorile maselor adiţionale sunt:

[KglmmII

BII ρ= 2 ] şi [ ]Kglmm

IAI ρ′=′ 1

unde: IIBBAIIBAA mmmmmmmm +++=++=′ )( 21

şi BBB mmm 32 +=

În acest fel centrul sistemului de mase 0

, AA mm′ şi 'Im se mută în A0.

După echilibrarea masa mecanismului este concentrată în articulaţiile fixe A0 şi B0 având valorile:

;00 1

*AIAA mmmm ′+′+=

00 3*

BB mm =

iar centrul de greutate (G) al mecanismului se va găsi pe dreapta (A0B0) fiind fix. Masa întregului mecanism după echilibrare are valoarea:

IIIe mmmm +′+=

Page 67: Cap 3

unde: m = m1 + m2 + m3

Poziţia centrului de greutate (G) se determină cu ajutorul construcţiei grafice a vectorilor principali folosită anterior.

Mărimea lui ( Gr ) rezultă din ecuaţia de momente statice scrisă în raport cu (A0)

pentru masa (me) a întregului mecanism după echilibrare şi masa din articulaţia

(B

*0Bm

0).

[ ]mmm

lrlmrme

BGBGe

*

00* 0

0=′⇒⋅=′⋅

NOTĂ: Din examinarea celor două soluţii prezentate la punctle (a) şi (b) se constată că

la soluţiile prezentate la punctul (b):

- masele adiţionale rezultate sunt mai mari ( ;II mm >′

IIIIIII mmmm +>+′ );

- centrul de greutate (G) al mecanismului este mai apropiat de articulaţia fixă

)'(0 GG rrA << .

Deci, această modalitate de echilibrare nu este avantajoasă. Cele două soluţii prezentate la punctele (a) şi (b), conduc la echilibrarea statică

totală a mecanismului patrulater. În practică însă adopta rareori una din aceste soluţii, deoarece masele adiţionale

de echilibrare rezultate sunt prea mari. De aceea cea mai frecventă utilizare este echilibrarea statică parţială, obţinută cu

o singură masă adiţională *Im amplasată în prelungirea manivelei (vezi FIG. 3.60):

[ ]KglmmI

AI ρ= 1*

unde AAA mmm 21 +=

Page 68: Cap 3

Fig.3.60

2) Să se facă echilibrarea statică a mecanismului manivelă – piston A0AB.

Se cunosc lungimile elementelor cinematice llrl ≡≡ 21 , şi masele

elementelor: m1, m2, m3 plasate în centrele lor de greutate BGGG ≡321 ,, ,

poziţionate faţă de articulaţia anterioară prin vectorii de poziţie 21 , SS (vezi FIG. 3.61 a).

Rezolvare: Se face concentrarea statică a maselor în articulaţii (vezi FIG. 3.61 a, b,

c, d).

rSmm

rSrmm

SrmSm

mmmAA

AA

AA 111

111

1111

111;

)( 00

0 =−

=⇒⎪⎩

⎪⎨⎧

−=⋅

=+

lSmm

lSlmm

SlmSm

mmmBA

BA

BA 222

222

2222

222;

)(=

−=⇒

⎪⎩

⎪⎨⎧

−=⋅

=+

33 mm B =

Dintre aceste mase urmează a fi echilibrate numai masele din A şi B, deoarece masa A0 fiind fixă nu influenţează mişcarea mecanismului.

Page 69: Cap 3

Fig.3.61

a) Echilibrarea statică totală a maselor mecanismului manivelă – piston Pentru echilibrarea maselor din articulaţiile A şi B se folosesc două mase

adiţionale: masa )( IIm amplasată în prelungirea bielei (AB) – la distanţa prestabilită

IIρ şi masa )( Im amplasată în prelungirea manivelei (A0A) – la distanţa aleasă Iρ (vezi FIG. 3.62).

Prin folosirea masei )( IIm , centrul de greutate al sistemului format din masele

BA mm , şi IIm este adus în articulaţia (A). Scriind ecuaţia momentelor statice în

raport cu (A): lmm BIIII =ρ , rezultă mărimea masei adiţionale )( IIm , adică:

[ ]KglmmII

BII ρ=

Page 70: Cap 3

Fig.3.62

Sistemul de mase BA mm , şi IIm poate fi înlocuit cu o masă

IIBAA mmmm ++=' amplasată în (A). Folosind masa adiţională Im , centrul de

greutate al maselor şi 0

,' AA mm Im este adus în articulaţia fixă (A0).

Din ecuaţia de momente statice scrisă în raport cu (A0): rmm AII ′=ρ , rezultă

mărimea masei adiţionale ( Im ), adică:

[ ]KgrmmI

AI ρ

′=

În acest fel masa întregului sistem (inclusiv masele adiţionale) este concentrată în articulaţia fixă (A0) care reprezintă centrul de greutate al sistemului.

Dacă se alege rI =ρ se obţine AI mm ′=

Masa totală a sistemului echilibrat este

IAAe mmmm +′+=01

Această soluţie, deşi realizează o echilibrare statică totală a mecanismului, nu se utilizează deoarece conduce la mase adiţionale de echilibrare mari, care îngreunează construcţia.

În practică (la motoarele cu ardere internă sau la compresoare) se aplică variante de echilibrare parţială, folosind o singură masă adiţională amplasată în prelungirea manivelei (A0A).

b) Echilibrarea statică parţială a mecanismului manivelă - piston Se determină forţele de inerţie, cunoscându-se masele ce urmează a fi

echilibrate:

AAA mmm 21 += (masă adiţională);

Page 71: Cap 3

32 mmm AB += (masă translantă).

unde l

SmmlSlmm

rSmm BAA

222

222

111 ;; =

−==

Aceste mase dezvoltă forţe de inerţie:

( ) =+ϕ+ϕ+ϕ+ϕω⋅⋅=⋅=

ω⋅⋅=⋅=

...6cos4cos2coscos 64221

21

BBBrmamF

rmamF

BBBBi

AAAAi

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ϕ+ϕω⋅⋅= ∑

=12

21 2coscos

kkB kBrm

sau nBiBiBiBiBiBi FFFFFF +++++= ...

6421

unde: 211

ω⋅⋅= rmF BBi - forţa de inerţie de ordinul 1;

ϕ⋅ω⋅⋅= 2cos2212

BrmF BBi - forţe de inerţie de ordinul 2;

ϕ⋅ω⋅⋅= 4cos4214

BrmF BBi - forţe de inerţie de ordinul 4;

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

ϕ⋅ω⋅⋅= kBrmF kBBi n2cos2

21 - forţe de inerţie de ordinul 2 k;

În relaţiile de mai sus:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

λ==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

λ−

λ−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

λ+

λ==

...512

66

...563

6444

...164

22

62

62

6

642

42

4

222

22

2

AB

AB

AB

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

lrAkB kk =λ= ;)2( 2

22

Se constată că forţa de inerţie BiF produsă de masa translantă ( Bm ) este compusă dintr-o sumă de termeni cu amplitudini şi perioade de variaţie având frecvenţe de variaţie diferite.

Evident că echilibrarea acestor forţe de inerţie se va putea face numai cu mase adiţionale care au frecvenţa de variaţie corespunzătoare.

Page 72: Cap 3

Forţele de inerţie de ordin superior (2,4,6, …) dezvoltate de masa ( Bm ) nu pot fi

echilibrate prin mase adiţionale care se rotesc cu viteza unghiulară , deoarece acestea produc numai forţe de inerţie de ordin 1.

Pentru forţele de inerţie de ordin superior se vor utiliza alte mase adiţionale care se rotesc cu viteza unghiulară ...),3,2,1(2 1 =ω kk .

Echilibrarea statică parţială a forţelor de inerţie de ordin 1 – se calculează modulul forţei de inerţie rezultantei de ordinul 1 şi ecuaţia curbei descrisă de vârful acestui vector în timpul ciclului cinematic.

Modulul forţei de inerţie rezultante de ordinul 1 se obţine însumând geometric proiecţiile pe axe ale forţelor de inerţie de ordinul 1 care sunt dezvoltate de masele

şi

Am

Bm . În acest scop se trasează planul acceleraţiilor rabatut cu direct pe mecanism (FIG. 3.63 a) pentru o poziţie oarecare a manivelei dată de unghiul (

o180ϕ ) şi se

figurează forţele de inerţie )'(|| apF aAi şi )'(|| bpF aBi .

Se proiectează forţele pe axele Ox şi Oy (vezi FIG. 3.61 b) obţinându-se componentele pe axe ale forţei de inerţie rezultante de ordinul 1.

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

ϕω=ϕ==

ϕ+ω=ϕω+ϕω=

+ϕ=+=

sinsin

cos)(coscos

cos

211

21

21

21

11

rmFFF

mmrrmrm

FFFFF

AAiyAiyi

BABA

BiAiBixAixi

(50)

Fig.3.63

Modulul forţei de inerţie rezultante de ordinul 1 este

Page 73: Cap 3

)(21

21

211 ϕω=+= iyixii frFFF

Unghiul de înclinare al acestei forţe faţă de axa Ox:

ϕ⋅+

==α tgmm

mF

Ftg

BA

A

xi

yi

1

1

Rezultă că modulul forţei de inerţie rezultante de ordinul 1, 1iF - este variabil în

timpul unui ciclu de funcţionare, depinzând de unghiul de pozitie (ϕ ) al manivelei, iar

direcţia suportului ei este de asemenea variabilă cu )(ϕ .

Ecuaţia curbei descrise de vârful vectorului forţei de inerţie rezultante de ordinul 1 în timpul unui ciclu cinematic se obţine eliminând unghiul (ϕ ) din ecuaţiile de proiecţii (50), prin ridicarea la pătrat şi însumarea lor:

ϕω=

ϕ+ω=224

122

1

2241

221

sin

cos)(

Ayi

BAxi

mrF

mmrF

sau 241

2

212

241

2

212 sin;

)(cos

A

yi

BA

xi

mr

F

mmrF

ω=ϕ

+ω=ϕ

Rezultă relaţia:

1)( 24

12

21

241

2

21 =

ω+

+ω A

yi

BA

xi

mr

F

mmrF

(51)

Relaţia (51), reprezintă ecuaţia elipsei având axele:

)(21 BA mmra +ω= în direcţia Ox;

Amrb 21ω= în direcţia Oy.

Pentru echilibrarea statică parţială a forţei de inerţie de ordinul 1, avem două soluţii:

SOLUŢIA NR.1: masa adiţională ( Im ) se amplasează în prelungirea manivelei

astfel încât momentul ei static în raport cu articulaţia fixă ( ) să fie proporţional cu

semiaxa mare (a) a elipsei descrise de vârful vectorului (

0A

1iF ).

Această soluţie se preferă atunci când planul orizontal care conţine axa (Ox) este mai puţin stabil (cazul maşinilor fixate pe fundaţii) şi are ca scop mutarea efectului forţei

de inerţie (1BiF ) din direcţia ghidajului în direcţia perpendiculară pe ghidaj. Dacă masa

adiţională ( Im ) este amplasată în punctul (C) situat la distanţa ( Iρ ) de articulaţia fixă (A0), atunci conform soluţiei de echilibrare se poate scrie relaţia:

Page 74: Cap 3

)(11 212

121

BAII mmram +ωω

=ρ ,

de unde rezultă mărimea mase adiţionale:

)( BAI

I mmrm +ρ

=

Această masă dezvoltă o forţă de inerţie 21ωρ= IICi mF care se

descompune după axele (Ox) şi (Oy) în componentele:

YY

Y

X

X

BiiBA

BAIICiCi

iBA

BAIICiCi

FFmmr

rmrmmFF

Fmmr

rmrmmFF

′+=ϕ+ω=

ϕω+ϕω=ϕωρ=ϕ=

=ϕ+ω=

ϕω+ϕω=ϕωρ=ϕ=

121

21

21

21

121

21

21

21

sin)(

sinsinsinsin

cos)(

coscoscoscos

Rezultă că se echilibrează componentele şi ale forţei de inerţie

rezultante de ordinul 1. Rămâne însă neechilibrată forţa de inerţie

, care transmite fundaţiei eforturi variabile după o sinusoidă.

XiF1 YiF1

ϕω=′ sin21 BBi mrF

Y

SOLUŢIA NR.2: masa adiţională *Im se amplasează în prelungirea manivelei

astfel încât momentul ei static în raport cu articulaţia fixă (A0) să fie proporţională cu semisuma axelor elipsei descrise de vârful vectorului ( ). 1iF Această soluţie se acceptă la motoarele de pe vehicule şi are ca scop

repartizarea egală a efectului forţelor de inerţie de ordinul 1 (1BiF ) în lungul ghidajului

şi perpendicular pe ghidaj, deoarece şasiul maşinii prezintă aceeaşi stabilitate în ambele direcţii. Semisuma axelor elipsei are valoare:

2)(

2

21

21 ABA mrmmrba ω++ω

=+

, adică: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

+22B

Ammba

Conform soluţiei de echilibrare:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

ω=ρ

2121

*1

bam I

din care, înlocuind şi alegând (2/)( ba + Iρ ), rezultă mărimea masei adiţionale de echilibrare.

Page 75: Cap 3

I

BAI

rmmmρ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

2*

Dacă se amplasează masa *Im în acelaşi punct C (vezi FIG. 3.63), forţa de

inerţie produsă 21

* ωρ= IICi mF se determină după axele (Ox) şi (Oy) în

componentele:

yBiAiB

AIICiCi

BiAiB

AIICiCi

FFrmrmmFF

FFrmrmmFF

YY

XXX

121

21

21

*

21

21

21

*

sin2

sinsinsin

cos2

coscoscos 1

′+=ϕω+ϕω=ϕωρ=ϕ=

″+=ϕω+ϕω=ϕωρ=ϕ=

Se echilibrează şi şi rămân neechilibrate: xAiF yAiF

- forţa de inerţie ϕω= cos2

" 211 rmF B

xBi ;

- forţa de inerţie ϕω= sin2

" 21rmF B

Bi

c) Echilibrarea statică a forţelor de inerţie de diferite ordine la motorul monocilindric

În acest scop se folosesc proprietăţile vectorilor rotitori. Conform acestor proprietăţi, orice vector de direcţie constantă şi modul variabil după o lege ciclică (sinusoidală, cosinusoidală) se poate înlocui cu doi vectori constanţi în modul care se rotesc în sensuri contrare cu viteze unghiulare egale cu frecvenţa de variaţie a vectorului iniţial. Drept urmare fiecare armonică a vectorului forţei de inerţie dezvoltate de masa translantă ( Bm )

...)4cos2cos(cos 4221 +ϕ+ϕ+ϕω= BBrmF BBi

poate fi înlocuită cu doi vectori rotitori. NOTĂ: Se face echilibrarea statică doar a forţelor de inerţie de ordinul1 şi ordinul 2, acestea fiind cele mai importante ca valoare dintre toate componentele.

Examinând celelalte componente ale forţelor de inerţie de ordin superior, se constată că valoarea lor scade cu ordinul acestora.

Echilibrarea statică a forţelor de inerţie de ordinul 1 (1BiF ) Forţa de inerţie de

ordinul 1 dezvoltată de masa translantă ( Bm ) – de modul ϕω= cos211

rmF BBi

poate fi considerată drept rezultantă a doi vectori

Page 76: Cap 3

Fig.3.64

rotitori constanţi în modul: CiF şi DiF şi care se rotesc în sensuri contrare cu

vitezele unghiulare ( ) şi respectiv (1ω 1ω− ) – vezi FIG. 3.64.

DiCiBi FFF += (a)

unde: 2111 ωρ== mFF DiCi .

Mărimea masei adiţionale de echilibrare (m1) rezultă din proiectare relaţiei vectoriale (a) pe axa (Ox).

ϕ= cos21 CiBi FF sau: ϕωρ=ϕω cos2cos 2

11121 mrmB

de unde se obţine [ ]Kgrmm B1

1 2ρ= .

De regulă se alege iar relaţia de sus devine: r=ρ1

Bmm21

1 =

Una din mase (m1) se amplasează în prelungirea manivelei (A0A) în punctul (C) la distanţa de axa de rotaţie (vezi FIG. 3.64 b), iar cealaltă masă în punctul D

pe o roată care se roteşte cu viteza unghiulară (

r=ρ1

1ω− ) prin folosirea unui angrenaj având acelaşi număr de dinţi (z1).

Page 77: Cap 3

Echilibrarea statică a forţelor de inerţie de ordinul 2 (2BiF ): ca şi în cazul

anterior, forţa de inerţie de ordinul 2 dezvoltată de masa translantă ( Bm ) de modul

ϕω=ϕω= 2cos)2(2cos 2122

212

ArmBrmF BBBi

se echilibrează cu două mase rotative (m2) care însă se rotesc cu viteze unghiulare de două ori mai mari (adică ) – vezi FIG. 3.65 a. 12ω

FiEiBi FFF +=2

(b)

unde 2122 )2( ωρ== mFF FiEi .

Mărimea maselor de echilibrare (m2) se determină proiectând relaţia (b) pe axa (Ox).

ϕ= 2cos22 EiBi FF sau ϕωρ=ω 2cos)2(2)2( 2

1222

12 mArmB

Rezultă 22

2 2Armm B ρ

=

unde 164

24

=A , iar lr

Page 78: Cap 3

Fig.3.65

Prima masă (m2) se amplasează pe roata (2) având numărul de dinţi 12 21 zz =

(care angrenează cu roata dinţată (1) ce are numărul de dinţi z1) iar a doua masă m2 se amplasează pe roata (2’) cu numărul de dinţi z2 (care angrenează cu roata (1’) cu numărul de dinţi z1) – vezi FIG. 3.65 b.