Mecanisme Si Organe de Masini

MECANISME ŞI ORGANE DE MAŞINI

B i b l i o g r a f i e

[Slămnoiu, G. Bejan, M., ş. a., 2008] Mecanisme şi organe de maşini -

Fundamente. Editura BREN, 2008.

[Alexandru, P., 1972] Teoria mecanismelor şi organe de maşini, Volumul 1,

Teoria mecanismelor. Universitatea din Braşov, 1972.

[Buzdugan, Gh., 1986] Rezistenţa materialelor. Editura Academiei Republicii

Socialiste România, Bucureşti, 1986.

[Constantinescu, V.N. ş.a., 1980] Lagăre cu alunecare. Editura Tehnică, Bucureşti,

1980.

[Deciu, O., Rădoi, D., 1984] Mecanică. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,

1984.

[Gafiţanu, M. ş.a., 1981] Organe de maşini, volumul 1. Editura Tehnică, Bucureşti,

1981.

[Gafiţanu, M. ş.a., 1983] Organe de maşini, volumul 2. Editura Tehnică,

Bucureşti, 1983.

Capitolul 1

Noţiuni introductive

G e n e r a l i t ă ţ i p r i v i n d m e c a n i s m e l e ş i m a ş i n i l e

([Slămnoiu, G. Bejan, M., ş. a., 2008], C a p . 1 , , p.13)

O parte importantă din activitatea umană se materializează în construcţii care, în

raport cu un sistem de referinţă considerat fix, pot fi i m o b i l e (locuinţe, poduri,

şosele etc.) şi m o b i l e (sisteme mecanice, sisteme electrice etc.)

Sistemul mecanic reprezintă un ansamblu de corpuri materiale conceput,

proiectat şi realizat pentru atingerea unuia dintre obiectivele următoare:

• efectuarea unui lucru mecanic util sau transformarea energiei mecanice într-

o formă de energie nemecanică, prin utilizarea unei instalaţii mecanice;

• transformarea unei forme de energie nemecanică în altă formă de energie

nemecanică, prin utilizarea unui transformator de energie;

• dirijarea unor procese nemecanice sau a fluxului de energie, prin utilizarea

unui utilaj.

M.L.

sau G.E.

M.M. M.M.T.M.

S.C.R.C.

M.L. sau G.E.

S.C.R.C.

a) b)

fluxul energiei mecanice ; fluxul semnalului informaţional

F i g u r a 1 . 1

Transmisia mecanică este sistemul mecanic care transmite energia

mecanică de la maşina motoare la maşina de lucru (generatorul de energie), cu

modificarea parametrilor şi/sau a tipului mişcării. Transmisia mecanică permite:

optimizarea regimului de funcţionare a maşinii motoare – de exemplu la turaţii

(viteze) mari gabaritul maşinii motoare scade – şi totodată asigură adaptarea

parametrilor cinematici ai maşinii motoare la cerinţele maşinii de lucru prin

modificarea turaţiei (de regulă reducerea acesteia); asigurarea posibilităţii modificării

în timp a turaţiei şi modificarea tipului de mişcare mecanică.

Transmisiile mecanice pot fi: transmisii prin roţi dinţate, transmisii prin roţi

de fricţiune, transmisii prin curele, transmisii prin lanţuri, transmisii prin cabluri etc.

Exemple de utilizare a transmisiilor mecanice:

• reductorul de turaţie cu roţi dinţate transmite energia mecanică de la motorul

principal al unei nave (maşina motoare) la linia de arbori şi elice (maşina de

lucru);

• transmisia prin curea transmite energia mecanică de la motorul electric la

pânza unui fierăstrău circular.

Mecanismele intră ca părţi componente în subsistemele mecanice (maşini

motoare sau de lucru; transmisii mecanice; generatoare de energie; sisteme de

comandă, reglare şi control; transformatoare de energie; utilaje) şi se pot defini, într-o

primă accepţiune, ca sisteme tehnice ale căror elemente au mişcări bine determinate.

Astfel mecanismul manivelă-piston apare ca parte componentă în motorul cu

ardere internă (maşină motoare), în compresorul cu piston (generator de energie),

în presa mecanică (maşină de lucru) etc.

Scopul principal al unui mecanism este transmiterea sau transformarea

mişcării mecanice.

În T e o r i a m e c a n i s m e l o r ş i a m a ş i n i l o r , noţiunile de e l e m e n t

şi o r g a n d e m a ş i n ă (de exemplu: manivelă, bielă, cilindru, piston, culisă, camă,

tachet, roată dinţată, şurub melc etc.) sunt sinonime.

Studiul mecanismelor şi al maşinilor se bazează pe principiile şi teoremele

din mecanică şi pe noţiuni de analiză matematică, geometrie clasică şi analitică.

Analiza mecanismelor are scopul de a studia, sub aspect structural,

cinematic şi dinamic, mecanisme existente (deja construite).

Analiza structurală cuprinde: noţiunile de bază despre mecanisme, analiza

mobilităţii mecanismelor şi clasificarea structurală a mecanismelor plane după

criteriul grupelor cinematice. Partea de analiză structurală care vizează

descompunerea mecanismelor plane în grupe cinematice este necesară pentru

rezolvarea problemelor de analiză cinematică şi dinamică.

Analiza cinematică cuprinde metodele de determinare a câmpurilor de viteze

şi acceleraţii la mecanismele cu bare, mecanismele cu came, mecanismele cu roţi

dinţate şi mecanismele pentru transmiterea mişcării de rotaţie cu intermitenţă.

Analiza dinamică a mecanismelor cuprinde: studiul tipurilor de forţe şi

momente care acţionează în mecanisme şi în maşini, determinarea torsorului de

inerţie, determinarea reacţiunilor din cuplele cinematice, echilibrarea rotorilor,

echilibrarea mecanismelor şi a maşinilor şi studiul mişcării reale a maşinilor.

Sinteza mecanismelor are scopul de a crea (proiecta) noi mecanisme care

să realizeze anumite funcţii, de natură geometrică, cinematică sau dinamică,

prestabilite.

Sinteza mecanismelor cuprinde trei subdiviziuni: sinteza mecanismelor plane

articulate, sinteza mecanismelor cu came, sinteza mecanismelor cu roţi dinţate şi a

mecanismelor pentru transmiterea mişcării de rotaţie cu intermitenţă.

Sinteza mecanismelor plane cu bare studiază metodele de proiectare

multipoziţională în care condiţiile geometrice şi cinematice impuse de procesul

tehnologic pot căpăta cele mai variate aspecte. Rezolvarea problemelor din acest

domeniu necesită cunoştinţe temeinice de geometrie clasică, geometrie diferenţială,

analitică şi afină precum şi de teoria funcţiilor de variabilă complexă.

Sinteza mecanismelor cu came cuprinde metodele de proiectare a profilului

camelor şi de determinare a dimensiunilor acestora pe baza legii de mişcare impuse

tachetului.

Sinteza mecanismelor cu roţi dinţate şi a mecanismelor pentru transmiterea

mişcării de rotaţie cu intermitenţă tratează diferitele tipuri de profile conjugate,

elementele cinematice si geometrice ale angrenajelor, generarea angrenajelor cu

profil în evolventă, a celor cu dinţii înclinaţi conice şi elicoidale, a şurubului melc –

roată melcată etc.

Capitolul 2

Analiza structurală a mecanismelor

N o ţ i u n i d e b a z ă

E l e m e n t e c i n e m a t i c e


Elementele sunt corpurile materiale care intră în componenţa mecanismelor şi, prin

extensie, a maşinilor. Din punct de vedere al stării fizice elementele pot fi: solide,

lichide sau gazoase.

În continuare prin noţiunea de elemente se denumesc corpurile solide rigide

întâlnite în practică şi sub numele de piese sau organe de maşini.

Elementul fix este piesa fixă (sau ansamblul de piese care formează un rigid

fix) fără de care un mecanism nu poate exista şi faţă de care se studiază mişcarea

celorlalte elemente ale mecanismului. Acesta se mai poate numi: element de bază,

suport, batiu, şasiu.

Elementul mobil (cinematic) este piesa (sau ansamblul de piese care

constituie un rigid) care în mecanism se găseşte în mişcare şi are rolul de a transmite

mişcarea şi forţa.

Elementele cinematice se pot clasifica după următoarele criterii:

• rangul lor;

• modul în care primesc mişcarea. Nr.

crt

Denumirea

elementului

Reprezentarea convenţională

1.

Element monar

(j = 1)

2.

Element binar ............................................................

T a b e l u l 2 . 1

C u p l e c i n e m a t i c e

Cupla cinematică este legătura mobilă şi directă dintre două elemente realizată

continuu sau periodic, pe o suprafaţă, linie sau punct, cu scopul transmiterii mişcării

şi forţei. Cupla cinematică permite anumite mişcări relative între elemente iar pe

altele le împiedică.

C l a s i f i c a r e a c u p l e l o r c i n e m a t i c e d i n p u n c t d e

v e d e r e s t r u c t u r a l

După acest criteriu cuplele cinematice se împart în cinci clase în funcţie de numărul

condiţiilor de legătură impuse mişcării relative a elementelor componente.

Nr. crt.

Denumirea şi clasificarea (1

Reprezentarea constructivă şi convenţională

Caracterul contactului

1 2 3 4 1.

Sferă pe plan- C1 (m = 1; l = 5) - superioară - spaţială - deschisă

Permanent

2.

Cilindru pe plan - C2 (m = 2; l = 4) - superioară - spaţială - deschisă

..........................

T a b e l u l 2 . 2


v e d e r e a l c o n t a c t u l u i î n t r e e l e m e n t e

• cuple cinematice inferioare

• cuple cinematice superioare


v e d e r e c i n e m a t i c

• cuple cinematice plane

• cuple cinematice spaţiale


v e d e r e c o n s t r u c t i v

• cuple cinematice închise;

• cuple cinematice deschise.

L a n ţ u r i c i n e m a t i c e

Lanţul cinematic reprezintă un ansamblu de elemente cinematice legate între ele

prin cuple cinematice.

Schemele constructive ale lanţurilor cinematice. Sunt reprezentările în

care se indică unele forme constructive ale elementelor componente.

Schemele cinematice ale lanţurilor cinematice

Schemele structurale ale lanţurilor cinematice

Lanţurile cinematice se clasifică după următoarele criterii:

• rangul elementelor (structură);

• forma lanţului;

• felul elementelor.

Mecanismul este un lanţ cinematic desmodrom închis cu un element fix.

Mecanismele, ca şi lanţurile cinematice din care provin, pot fi simple sau

complexe, respectiv plane sau spaţiale.

A n a l i z a m o b i l i t ă ţ i i m e c a n i s m e l o r

Grad de mobilitate Analiza mobilităţii mecanismelor are drept scop determinarea

gradului de mobilitate.

Clasificarea mecanismelor în familii

C l a s i f i c a r e a s t r u c t u r a l ă a m e c a n i s m e l o r p l a n e d u p ă

c r i t e r i u l g r u p e l o r c i n e m a t i c e

E c h i v a l a r e a c u p l e l o r c i n e m a t i c e s u p e r i o a r e

G r u p e c i n e m a t i c e

F o r m a r e a ş i d e s c o m p u n e r e a m e c a n i s m e l o r p l a n e c u

a j u t o r u l g r u p e l o r c i n e m a t i c e

Capitolul 3

Analiza cinematică a mecanismelor


A n a l i z a c i n e m a t i c ă a m e c a n i s m e l o r p l a n e c u b a r e

Generalităţi

Cinematica studiază mişcările elementelor mobile ale mecanismului, fără a lua în

considerare masele acestora şi forţele care acţionează asupra lor.

Cinematica mecanismelor se împarte în două părţi şi anume:

• analiza cinematică, care are scopul de a determina anumiţi parametri

cinematici dintr-un mecanism cu schema cinematică cunoscută;

• sinteza cinematică, care are scopul de a proiecta un mecanism ce poate

executa, cu o precizie acceptabilă, o condiţie cinematică impusă.

Analiza poziţională

Analiza poziţională are drept scop determinarea poziţiilor elementelor

cinematice şi a traiectoriilor descrise de unele puncte particulare ale mecanismului,

în timpul ciclului cinematic.

A n a l i z a c i n e m a t i c ă a m e c a n i s m e l o r p l a n e c u c a m e

Generalităţi

Mecanismele cu came fac parte din categoria mecanismelor cu cuple superioare şi

sunt formate dintr-un element profilat numit camă 1, de regulă element conducător,

care transmite, prin contact direct, elementului condus numit tachet 2, o mişcare a

cărei lege este determinată de profilul camei (fig. 3.1). Contactul direct dintre camă

şi tachet concretizează cupla superioară de clasa a IV-a din punctul A.

F i g u r a 3 . 1

Clasificarea mecanismelor cu came după mişcarea camei, forma şi mişcarea

tachetului

Clasificarea mecanismelor cu came după fazele de mişcare ale tachetului

comandate de cama de rotaţie

A n a l i z a c i n e m a t i c ă a m e c a n i s m e l o r c u r o ţ i d i n ţ a t e

Generalităţi

Roţile dinţate sunt elemente cinematice care transmit mişcarea de rotaţie

între doi arbori situaţi la distanţă mică unul de altul, prin forţa de apăsare a dintelui

roţii conducătoare pe cel al roţii conduse, exercitată datorită angrenării lor.

După numărul roţilor dinţate care intră în componenţa mecanismelor, se

disting:

• mecanisme elementare cu roţi dinţate numite angrenaje, alcătuite din

două roţi;

• mecanisme complexe cu roţi dinţate numite trenuri cu roţi dinţate,

constituite din cel puţin trei roţi.

În analiza mişcării, roţile dinţate cilindrice se reprezintă grafic ca discuri

delimitate de cercul de rostogolire (rulare) propriu ( rC ).

a) b) c)

F i g u r a 3 . 2

Clasificarea angrenajelor se poate face după următoarele criterii:

• după poziţia axelor arborilor;

• după forma suprafeţelor exterioare ale roţilor;

• după felul angrenării;

• după raportul de transmitere realizat;

• după starea cinematică a axelor arborilor.

A n a l i z a c i n e m a t i c ă a u n o r m e c a n i s m e d i v e r s e

Se vor trata analiza mişcării la următoarele mecanisme simple:

• mecanismul cardanic;

• mecanisme cu mişcare intermitentă;

• mecanismul cu curele.

Mecanismul cardanic (fig. 3.87, a) se utilizează pentru transmiterea mişcării

de rotaţie între arborele motor 1 şi arborele condus 2, ce se intersectează sub un

unghi , prin intermediul furcilor 3 şi 4 şi a crucilor cardanice 5 şi 6, fiecare cruce

cardanică fiind prevăzută cu patru fusuri aşezate la . Mecanismul are o largă

utilizare la autovehicule, ambarcaţiuni, macarale, vinciuri, maşini unelte etc.

α

o90

F i g u r a 3 . 3

Analiza cinematică a mecanismelor cu cruce de Malta

Aceste mecanisme sunt compuse dintr-un element conducător 1 reprezentat de o

manivelă (în formă de disc sau de pârghie) prevăzută cu o rolă 3 şi dintr-un element

condus 2 (crucea de Malta) realizat în formă de disc cu 3, 4 sau 6 ghidaje radiale

sau dezaxate (fig. 3.4).

a) b)

F i g u r a 3 . 4

Analiza cinematică a mecanismelor cu curele

Mecanismele cu curele transmit mişcarea de rotaţie prin înfăşurarea aderentă

a curelei la periferia roţilor de curea, datorită întinderii sale iniţiale (pretensionarea

curelei prin scurtarea ei sau prin tensionarea cu rolă de întindere) şi a frecării care

are loc pe porţiunile de înfăşurare a curelei pe roţi. Aceste mecanisme au o largă

aplicabilitate în tehnica actuală fiind utilizate la maşini unelte, motoare cu ardere

internă, compresoare etc.

Mecanisme cu o singură curea

Cel mai simplu mecanism cu curele este constituit din roata motoare 1 (roata

mică), roata condusă 2 (roata mare) şi cureaua 3 (elementul flexibil) aşa cum se

prezintă în figura 3.5.

Atunci când cureaua este montată ca în figura 3.5, a, mecanismul se numeşte

paralel deschis, roata condusă având acelaşi sens de rotaţie ca şi roata motoare.

Dacă montarea curelei se face ca în figura 3.5, b, mecanismul se numeşte paralel

încrucişat, roata condusă având sens de rotaţie contrar roţii motoare.

a) b)

F i g u r a 3 . 5

Capitolul 4

Analiza dinamică a mecanismelor şi a

maşinilor


T i p u r i d e f o r ţ e ş i m o m e n t e c a r e a c ţ i o n e a z ă î n

m e c a n i s m e

În general, asupra unui mecanism sau maşină pot acţiona următoarele

categorii de forţe şi momente:

• forţe şi momente motoare;

• forţe şi momente utile (de rezistenţă tehnologică);

• forţe de greutate;

• forţe şi momente pasive (de frecare);

• forţe şi momente elastice;

• forţe şi momente de inerţie (masice).

T o r s o r u l f o r ţ e l o r d e i n e r ţ i e

C a l c u l u l t o r s o r u l u i f o r ţ e l o r d e i n e r ţ i e a l e

e l e m e n t e l o r c i n e m a t i c e p l a n e p r i n m e t o d a

r e d u c e r i i l a t o r s o r

C a l c u l u l t o r s o r u l u i f o r ţ e l o r d e i n e r ţ i e p r i n m e t o d a

r e d u c e r i i l a o f o r ţ ă u n i c ă

C a l c u l u l t o r s o r u l u i f o r ţ e l o r d e i n e r ţ i e p r i n m e t o d a

c o n c e n t r ă r i i m a s e l o r

D e t e r m i n a r e a r e a c ţ i u n i l o r d i n c u p l e l e c i n e m a t i c e

G e n e r a l i t ă ţ i

Determinarea reacţiunilor din cuplele cinematice este necesară atât pentru

dimensionarea cuplelor cinematice cât şi pentru dimensionarea elementelor şi

rezolvarea problemelor energetice (determinarea randamentelor mecanice).

S p e c i f i c a r e a r e a c ţ i u n i l o r c a r e a p a r î n c u p l e l e

c i n e m a t i c e

Articulaţia simplă

În cazul încărcării spaţiale reacţiunile sunt în număr de: trei componente pentru

forţă şi două componente pentru moment (fig.4.1).

Încărcarea plană presupune numai două componente pentru forţă. Numărul

de necunoscute a scăzut la două din cauza celor trei condiţii comune de legătură,

specifice mecanismelor plane (fig.4.2).

F i g u r a 4 . 1 F i g u r a 4 . 2

E c h i l i b r a r e a r o t o r i l o r


Una dintre principalele probleme ale dinamicii maşinilor o constituie echilibrarea lor. Prin echilib

va fi studiată în acest capitol.

Anularea torsorului inerţiei poate fi realizată:

• parţial, atunci când se anulează doar forţa de inerţie rezultantă, echilibrarea

purtând numele de echilibrare statică;

• total, atunci când se anulează atât forţa de inerţie rezultantă cât şi momentul

rezultant al forţelor de inerţie, echilibrarea purtând numele de echilibrare

dinamică.

Teoremă asupra echilibrării rotorilor

În continuare va fi demonstrată teorema asupra echilibrării rotorilor care are

următorul enunţ:

Un rotor dezechilibrat poate fi echilibrat cu ajutorul a două mase

punctiforme situate în două plane arbitrare perpendiculare pe axa de rotaţie.

Reciproca teoremei este valabilă şi are enunţul următor:

Orice dezechilibru al unui rotor, poate fi considerat ca fiind produs de

două mase punctiforme situate în două plane arbitrare perpendiculare pe axa

de de rotaţie. Aceste mase se consideră suprapuse peste un rotor perfect

echilibrat.

Echilibrarea mecanismelor şi a maşinilor

Noţiuni introductive

Maşina (mecanismul) se fixează pe o fundaţie sau pe un suport (în corpul navei,

autovehiculului, etc.). În timpul funcţionării aceasta transmite fundaţiei (suportului)

reacţiuni dinamice (fig. 4.3).

F i g u r a 4 . 3

Aceste reacţiuni, pe de o parte pot avea intensităţi foarte mari, iar pe de altă

parte, fiind variabile, determină vibraţiile forţate ale fundaţiei şi împreună cu aceasta

vibraţiile întregii maşini. La majoritatea maşinilor aceste vibraţii sunt dăunătoare şi

de aceea sunt permise numai în anumite limite, astfel încât să se asigure condiţiile

normale de funcţionare.

Mecanismul sau maşina se consideră echilibrate dacă reacţiunile

dinamice transmise fundaţiei sunt constante în tot timpul mişcării.

Pentru a explica natura acestor reacţiuni se consideră sistemul mecanic

format din elementele mobile şi elementul fix al maşinii.

Aplicând principiul d’Alembert pentru întregul sistem se obţine: (a) (i) (f )R R R+ = ,

(a) (i) (f )O O OM M M+ = ,

în care s-au notat: (a)R , (a)

OM - forţa rezultantă şi momentul rezultant al forţelor active

exterioare sistemului, (i)R , (i)

OM - forţa rezultantă şi momentul rezultant al forţelor de inerţie în

mişcarea elementelor mobile faţă de corpul (batiul) maşinii, (f )R , (f )

OM - forţa rezultantă şi momentul rezultant al reacţiunilor transmise

de maşină prin intermediul corpului (batiului) către fundaţie.

Capitolul 5

Sinteza mecanismelor


E l e m e n t e d e s i n t e z ă a m e c a n i s m e l o r p l a n e c u b a r e


Sinteza mecanismelor are drept scop determinarea parametrilor structurali şi

geometrici ai mecanismelor capabile să realizeze anumite cerinţe constructiv-

funcţionale prestabile prin tema de proiectare.

Marea diversitate a maşinilor şi mecanismelor face imposibilă tratarea unitară

a sintezei mecanismelor.

Printre problemele fundamentale puse sintezei mecanismelor pot fi amintite:

•transformarea unei mişcări a elementului conducător într-o anumită mişcare

impusă de procesul tehnologic a elemenetului condus;

•realizarea de către unul din elemenetele mecanismului a unor poziţii discrete

sau a unor poziţii continue impuse, mai general a unei legi de mişcare impuse,

în funcţie de legea de mişcare a elementului conducător (sinteza mecanismelor

de transmitere);

•realizarea de către anumite puncte ale elementelor mecanismului a unor

traiectorii date (sinteza mecanismelor de ghidare) etc.

Sinteza mecanismelor trebuie să parcurgă următoarele etape:

•sinteza structurală (numerică), în cadrul căreia se determină structura

(optimă) a mecanismului ce urmează a realiza cerinţele temei de proiectare;

•sinteza dimensională (geometrică), în cadrul căreia se determină elementele

geometrice (lungimile) ale mecanismului căutat.

Metodele de sinteză pot fi:

1. empirice , care se bazează pe intuiţia, experienţa proiectantului şi pe

folosirea unor cataloage;

2. grafice , care se bazează pe o serie de construcţii geometrice;

3. analitice, care se bazează pe utilizarea aparatului matematic în

determinarea lungimilor elementelor mecanismului ;

4. grafo-analitice care se bazează pe transpunerea în formule analitice a

unor construcţii geometrice.

Condiţia de existenţă a manivelei .Teorema lui Grashof

Pentru ca un mecanism patrulater să admită cel puţin o manivelă, este

necesar şi suficient ca suma dintre lungimile celui mai mic şi a celui mai

mare element cinematic să fie mai mică decât suma lungimilor celorlalte

două elemente cinematice. În această situaţie cel mai mic element este

manivela.

a) b) c)

F i g u r a 5 . 1

Sinteza mecanismelor pe baza impunerii a două poziţii discrete ale bielei

Sinteza mecanismelor pe baza impunerii poziţiilor asociate

Sinteza mecanismelor pe baza poziţiilor extreme

Sinteza mecanismelor pe baza limitării unghiului de transmitere

E l e m e n t e d e s i n t e z ă a m e c a n i s m e l o r p l a n e c u c a m e

Sinteza mecanismelor cu camă are drept scop determinarea profilului camei şi a

dimensiunilor principale ale mecanismului când se cunoaşte legea de mişcare a

tachetului impusă de procesul tehnologic.

Mecanisme Si Organe de Masini

Documents

Transcript of Mecanisme Si Organe de Masini