پایان نامه طراحي و ساخت وسايل اعمال نيروي داخلي
مقدمه:
اكثريت بندوارهها نمايانگر حركتي هستند كه تمام اهرمها در صفحات موازي حركت ميكنند. اين نوع حركت، حركت صفحهاي يا دو بعدي ناميده ميشود. حركت صفحهاي جسم صلب شامل چرخش حول محور عمود بر آن صفحه و انتقالي ميباشد كه در آن تمام نقاط جسم در امتداد خطوط موازي و مستقيم يا منحني الخط حركت ميكنند به طوري كه تمام خطوط داخل جسم به موازات موقعيت اصلي خود باقي ميماند تركيب چرخش حول سه محور غير موازي و انتقال در سه جهت بسته به قيدهايي كه توسط اتصالات (كروي، مارپيچي، سيلندري و غيره) بين اهرمها اعمال ميگردد ممكن ميشود.
1 ـ 2 اهرمبندي چهار ميله:
بندوارهها در انواع متعدد ماشينها و ابزارهاي مكانيكي بكار برده ميشوند. سادهترين اهرمبندي با حلقه بسته چهار ميله ميباشد كه داراي سه اهرم متحرك (به اضافة يك اهرم ثابت) و چهار اتصال «چرخان»، «لولا شده» يا «پين شده» ميباشد (شكل 1 ـ 1). اهرمي كه به منبع تغذيه يا متحرك اولي وصل شده است، اهرم ورودي نام دارد A) 0 (A . اهرم خروجي لولاهاي متحرك B را به لولاي زمين 0 B وصل ميكند. كاپلر (ميله رابط) يا ميله شناور دو لولاي متحرك A و B را به هم وصل ميكند يعني رابط بين ورودي و خروجي ميباشد.
شكل 1 ـ 2 سه كاربرد بندواره چهار ميله را نشان ميدهد كه براي انجام كارهاي مختلف بكار رفته است. جرثقيل جابجا كنندة افقي در شكل 1 ـ 2 الف يك نوع خاص از بندوارة چهار ميله است كه حدوداً حركت مستقيم الخط براي مسيرياب (نقطة P ) توليد ميكند اين نوع جرثقيلها تا 50 تن ظرفيت و نوعاً بطور تقريب مسير ميله رابط تا 9 متر طول دارد.
شكل 1 ـ 2 ب اهرمبندي محرك آبپاش چمن است كه براي بدست آوردن دامنههاي مختلف نوسان سر آبپاش قابل تنظيم است. اين اهرمبندي قابل تنظيم با تغيير طول زاوية اهرم خروجي به توسط گيره و پيچ عمليات خود را به تنوع دارا ميباشد.
شكل 1 ـ 2 پ طرح اهرمبندي درپوش موتور اتومبيل كه چهار ميله ميباشد را نشان ميدهد. اين اهرم حركت نسبي بين درپوش موتور و اطاق اتومبيل را كنترل ميكند.
سه نوع كاربردي كه در شكل 1 ـ 2 نشان داده شده كاملاً با يكديگر متفاوت است و در حقيقت سه كار مختلف را بيان ميكند. يعني تمام بندوارهها بسته به نوع كاربردشان كه عبارتند از: ايجاد مسير، ايجاد تابع و ايجاد حركت (يا هدايت يك جسم صلب). در ايجاد مسير (شكل 1 ـ 2 الف)، مسير حركت يك نقطه از بندواره موردنظر ميباشد.
ايجاد عمليات (شكل 1 ـ 2 ب) يك اهرمبندي است كه حركت (يا نيروي) نسبي بين اهرمهائي (بطور عمومي) كه به بدنه وصل هستند مورد توجه ميباشد. در ايجاد حركت (شكل 1 ـ 2 پ)، حركت كامل ميلة رابطه مورد ملاحظه ميباشد. در بندواره چهار ميله چنانچه يك يا چند ميله داراي طول بينهايت باشد حالات خاصي از بندواره چهار ميله را ايجاد ميكند. بندوارة لنگ ـ لغزنده (يا لنگ و لغزنده) در شكل 1 ـ 3 يك زنجير چهار ميله است كه لغزنده به جاي ميله خروجي كه طول بينهايت دارد جايگزين شده است.
موتور احتراق داخلي بر اين اساس ساخته شده است بطوريكه ميل لنگ ميلة 2، شاتون ميلة رابطه (ميله 3) و پيستون لغزنده (ميلة 4) ميباشد.
انواع ديگري از بندواره چهار ميله وجود دارد بطوريكه لغزنده به جاي حركت روي ميله ثابت روي ميله متحرك هدايت ميشود. اين حالت را بندوارة لنگ ـ لغزندة معكوس نامند و هنگامي كه اهرم ديگري (مثل ميل لنگ، ميله رابطه يا لغزنده) ثابت شود بوجود ميآيد.
1 ـ 3 علم حركت نسبي:
تمام حركاتي كه در طبيعت مشاهده ميشوند حركت نسبي هستند؛ يعني جسم مورد مشاهده نسبت به مشاهده كننده. براي مثال، مسافر نشسته در داخل اتوبوس نسبت به مشاهده كننده در صف خط اتوبوس بطور نسبي در حركت است، اما نسبت به مسافر ديگري كه در داخل اتوبوس نشسته است، در حال سكون ميباشد. به عكس مسافر در حال حركت در راهروي اتوبوس نسبت به مسافر نشسته در داخل اتوبوس حركت نسبي دارد و همچنين نسبت به مسافر منتظر در صف خط اتوبوس نيز داراي حركت نسبي است.
به مطالعه حركت يعني سينماتيك، علم حركت نسبي اطلاق ميگردد. طراحي و تحليل ماشين و بندوارهها بستگي به توان طراح از تجسم حركت نسبي اجزاء ماشين دارد.
شكل 1 ـ 3 ب يك اهرمبندي لنگ لغزنده را با ميلة رابط مثلثي ABP نشان ميدهد. هر نقطه از ميلة رابط مسيرهاي مختلفي را ايجاد ميكند كه به منحنيهاي كاپلر نسبت به بدنه (ميله 1) معروف هستند.
نقطة A يك قوس دايرهاي شكل به مركز 0 A را طي ميكند. نقطة B در امتداد خط مستقيم حركت ميكند و نقطة P يك منحني خيلي پيچيدهاي را ايجاد ميكند. تمام اين منحنيهاي كاپلر قسمتي از حركت مطلق ميله 3 ميباشد.
فرض كنيد كه مسير نقطه P اين بار نسبت به ميلة 4 به جاي ميلة 1 مورد نظر باشد. اين حركت نسبي را ميتوان بگونهاي بدست آورد كه بطور خيالي يك نفر روي ميله 4 نشسته باشد و حركت ميلة 3 را مشاهده كند، مشخصاً نقطة P از ميلة 3 را نگاه كند. به عبارت ديگر بندواره را معكوس كردهايم، يعني ميلة 4 (لغزنده) بجاي ميلة 1 ثابت شده و بقية بندواره را نسبت به ميلة 4 به حركت درآوردهايم (از جمله ميلة ثابت قبلي). در اينجا مسير نسبي نقطة P نسبت به ميلة 4 يك قوس دايرهاي شكل به مركز B ميباشد. بنابراين حركت مطلق يك حالت خاص از حركت نسبي است.
1 ـ 4 نمادهاي سينماتيكي:
اگرچه بندواره چهار ميله و بندواره لنگ ـ لغزنده ا زاهرمبندهاي خيلي مفيد بوده و هزارها موارد و كاربرد دارند، بعداً خواهيم ديد كه اين اهرمبندي قابليت اجرائي محدودي دارند.
اهرمبنديهائي با تعداد اعضاء بيشتر اغلب در شرايطي كه خواستههاي زيادي از بندواره انتظار ميرود بكار برده ميشوند. شكل 1 ـ 3 يك كاربرد معمولي از بندواره چند حلقهاي را نشان ميدهد كه اهرمبندي از نوع مكانيكي آن مورد تقاضا است. پنجره بايد 90 درجه نسبت به چارچوب به طرف بيرون باز شود و مسافت كافي از يك طرف پنجره براي تأمين دسترسي به خارج از پنجره و از طرف ديگر دسترسي به سطح خارجي پنجره براي تميز كردن را داشته باشد. همچنين نيروي لازم براي حركت بندواره كه به كمك دست عملي بشود نياز است. شكل 1 ـ 4 الف و ب يكي از انواع مشهور پنجرههاي مجهز به بندواره را براي زاويه باز شوي 90 و 30 درجه نشان ميدهد.
اغلب تجسم حركت اهرمبندي چند حلقه مثل آنچه در شكل 1 ـ 4 نشان داده شد مشكل است، بخصوص وقتي كه در روي شكل بندواره اجزاء ديگري هم ظاهر شده باشند.
اولين قدم در تحليل حركت بندوارههاي خيلي پيچيده عبارتست از ترسيم نماي سينماتيكي يا نماي اسكلتي آنها. اين مستلزم جدا شدن اجزاء و سپس اتصال آنها به يكديگر ميباشد. همانگونه كه در شكل 1 ـ 5 نشان ميدهد.
نماي اسكلتي بندوارهها همان مقاصدي كه شماتيك الكتريكي يا نماي مداري اعمال ميكند دارا است و فقط اسكلت اصلي بندواره را نمايش ميدهد كه البته ابعاد اصلي مؤثر در حركت بندواره را دربردارد.
نماي سينماتيكي يكي از دو صورت ذيل را شامل ميشود: نقشه ساده (متناسب ولي نه چندان دقيق با مقايس) و ديگري نماي سينماتيكي برمبناي مقياس (كه معمولاً براي تحليل موقعيت، تغيير مكان، سرعت، شتاب، نيرو گشتاور انتقال و غيره بكار برده ميشود). براي راحتي در ارجاع دادن، اهرمها شمارهبندي ميشوند (از اتصال بدنه با شماره 1 شروع ميكنند)، در حالتي كه اتصالها را با حروف مشخص ميكنند.
همچنين اهرمهاي ورودي و خروجي نامگذاري ميشوند. جدول 1 ـ 1 نماي اسكلتي معمول اهرمبنديهاي صفحهاي را نشان ميدهد.
يكي از اهداف نماي اسكلتي تهيه شماتيك سينماتيكي حركات نسبي بندوارهها است. براي مثال، اتصال لولايي دوران نسبي را تجسم ميكند، لغزنده حركت انتقالي مستقيم الخط نسبي را نشان ميدهد و به همين ترتيب.
شكل 1 ـ 5 نماي سينماتيكي (نقشه ساده) براي پنجره مجهز به بندواره را نشان ميدهد. توجه شود كه شش ميله، پنج اتصال لولايي، يك اتصال لغزشي و يك غلطك اجزاء تشكيلدهندة آن است. همچنين توجه شود كه يك حلقه بندواره شامل يك اهرمبندي لنگ ـ لغزنده است (1، 5، 4، 6) متصل به لنگ ـ لغزنده يك ميله و يك غلطك است (2، 3) كه حركت ورودي براي باز و بسته شدن پنجره را تأمين ميكند.
نماي سينماتيكي بندواره را براي بررسي عيني آسان ميسازد و اگر براساس مقايس ترسيم شده باشد در تحليلهاي بعدي معنادار خواهد بود.
1 ـ 5 زنجيرههاي شش ميلهاي:
اگر اهرم بندي چهار ميله، نوع عمل كردي را كه در يك كاربرد خاص مورد نياز است، تأمين نكند يكي از دو نوع اهرمبندي شش ميله (با هفت اتصال لولايي) كه داراي يك جفت آزادي است معمولاً در نظر ميگيرند: زنجير وات يا زنجيرة استيفنس (شكلهاي 1 ـ 6 تا
1 ـ 10) اين طبقهبندي به تغيير مكان اهرمهاي سه لولايي بستگي دارد (عضوهايي كه داراي سه اتصال لولايي هستند جدول 1 ـ 1) در زنجيرة وات اهرمهاي سه لولايي قابل تنظيم هستند، در زنجيرةاستيفنسون اهرمهاي سه لولايي توسط اهرمهاي دولايي (عضوي كه فقط دو اتصال لولائي داشته باشد) از يكديگر جدا شدهاند. كابردهاي متعدد اين زنجيرههاي شش ميلهاي بكار گرفته شده است كه در آشنايي بيشتر با اين اهرمبنديها به ما كمك خواهند كرد.
1 ـ 6 درجات آزادي:
گام بعدي در تحليل سينماتيكي بندوارهها، پس از ترسيم شماتيك آنها، تعيين درجات آزادي آنها ميباشد. با بيان درجة آزادي منظور تعداد حركتهاي ورودي مستقل مورد نياز براي تعيين موقعيت تمام ميلههاي بندواره نسبت به زمين است صدها هزار نوع مختلف بندواره وجود دارد كه ميتوان اختراع نمود، يك مجموعه متنوع بزرگي از اجزاء اهرمبنديها در جداول 1 ـ 1 و 1 ـ 2 شامل عضو دولولايي، عضو سه لولايي، عضو چهار لولايي، و به همين منوال، اهرمها؛ داراي اتصالات لولايي، اتصالات لغزنده؛ بادامكها و پيروها؛ چرخدندهها، زنجيرهها، چرخ زنجيرها، تسمهها، پوليها و به همين منوال تصور كنيد. (در اينجا اتصالات كروي و مارپيچي و ساير اتصالاتي كه حركت نسبي سه بعدي را فراهم ميسازند مطرح نشدهاند. و فقط حركت دو بعدي در صفحات موازي مورد بحث ميباشد) علاوه بر اين تصور كنيد امكانات متعددي كه در شكلگيري انواع اهرمبنديها با سر هم كردن اين اجزاء نتيجه خواهد شد.
براي مثال چندين عضو دو لولايي ممكن است با اتصالات لولايي به هم وصل شوند. آيا قواعدي وجود دارد كه كمك كند به حاكميتي كه اين بندوارهها شكل گرفتهاند؟ براي مثال آيا اهرمبندي شكل زير براي ايجاد تابع قابل استفاده است؟ جائيكه ميخواهيم رابطه زاويهاي بين متغير مستقل j و متغير غير مستقل y بدست آوريم.
مشكل آشكار با اهرمبندي شكل 1 ـ 11 اين است كه، اگر يك موتور به محور ميله ورودي وصل شود، حركت ميلة خروجي ممكن نيست مستقيماً حاصل گردد زيرا تعداد زيادي ميلههاي مبدل وجود دارد. بطور آشكارا نياز به قانوني براي قابليت حركت است كه توسط آن اهرمبنديهاي مشكل گرفته باشند. براي توسعه چنين قانوني ميتوان مطالعه روي يك ميله تكي را شروع كرد. فرض كنيد موقعيت دقيق ميله صلب k در مختصات xy مطابق شكل 1 ـ 12 مورد نياز باشد.
چه تعداد متغيرهاي مستقل بطور كامل موقعيت اين ميله را مشخص خواهند كرد. محل قرار گرفتن نقطة A از مبدأ مختصات روي محور x عبارتست از A x و روي محور y خواهد بود. A y . بنابراين اين دو مختصات بيانگر دو انتقال براي استقرار نقطه A ميباشد. اطلاعات بيشتري نياز است تا موقعيت كامل ميله k بيان گردد. اگر زاويه بين خطي كه از نقطة A به B وصل ميشود نسبت به محور x معلوم باشد، موقعيت ميله k از صفحة xy مشخص ميگردد.
بنابراين سه متغير مستقل A x ، A y و q (دو انتقال و يك دوران يا سه مختصات مستقل) در ارتباط با موقعيت يك ميله در صفحه وجود دارد، به عبارت ديگر يك ميلة صلب غير مقيد در صفحه داراي سه درجه آزادي ميباشد.
اگر همبست n ميلهاي را در نظر بگيريم، آنگاه داراي n 3 درجه آزادي قبل از اينكه آنها به همديگر متصل شوند و يك اهرمبندي تشكيلدهنده خواهند بود. اتصالات بين ميلهها موجب كاهش درجه آزادي كل مجموعه ميلهها ميشود. يك اتصال پين (يا لولايي) را اتصال مرتبه ـ پايين صفحهاي مينامند، در بعضي از كتب پيشين به اتصالي اطلاق ميشد كه سطح تماس بين اجزاء آن مانند پين و بوش بود. چه تعداد از درجات آزادي اهرمهاي فوق در اثر اين اتصال پين كاهش خواهد يافت؟ اگر نقطة A روي ميله شكل 1 ـ 12 يك اتصال پين بين ميله k با بدنه باشد، آنگاه دو متغير مستقل A x و A y ثابت باقي خواهند ماند و q تنها درجه آزادي ميله خواهدشد.
در همبست ميلهها مطابق شكل 1 ـ 11، هر اتصال پين دو درجه آزادي حركت نسبي دو ميله متوالي را كم خواهد كرد. اين مشاهده پيشنهاد معادلهاي را ميدهد كه در آن ميتوان درجات آزادي زنجيرة n ميلهاي را كه بوسيله 1 f اتصال پين (با احتساب بدنه به عنوان يك ميله) بهم وصل شده است، محاسبه نمود.
درجات آزادي F = 3 (n – 1 ) – 2 f 1 (1 ـ 1)
معادلة (1 ـ 1) به نام معادلة گرويبلر معروف است. تعداد ميلههاي متحرك ) 1 (n – عدد ميباشد. اتصال پين يك درجه آزادي نسبي بين دو ميله را مجاز ميكند، پس با نماد 1 f نشان ميدهيم. اين معادله يكي از مشهورترين معادلات قابليت تحركت است كه عملاً بكار برده ميشود.
اغلب اهداف بندوارهها بر اين است كه حركت ورودي را به يك حركت خروجي تبديل كنند. بنابراين بندوارههاي با يك درجه ازادي آنهائي هستند كه داراي حركت مقيد بوده و در انواع بسيار متداول ميباشند براي مثال درجات آزادي بيل مكانيكي شكل 1 ـ 13 اينچنين بدست ميآيد. اين مجموعه اهرمبندي داراي عضوي است كه در بحث درجه ازادي كه تا اينجا بيان شده است منظور نگرديده است و آن (اين حالت سيلندر هيدروليكي) ميباشد.
بنابراين ميتوان تعيين كرد چه تعداد درجات آزادي در حركت نسبي يك اتصال لغزنده از دو ميله مجاور هم كسر خواهد كرد. به عبارت ديگر، چه تعداد قيد نسبي يك لغزنده اعمال ميكند. در شكل 1 ـ 3 الف، لغزنده (عضو 4) نسبت به بدنه (عضو 1) مقيد شده است. در مقابل هر حركت عمودي و همچنين مقيد شده است در مقابل هر دوراني در صفحه.
بنابراين اتصال لغزنده مجاز به جابجائي فقط در طول محور لغزش ميباشد و دو درجه آزادي از حركت نسبي را كاهش ميدهد، يكي دوران و ديگري انتقال. اكنون معادلة (1 ـ 1) ممكن است توسعه داده شود به طوري كه 1 f برابر است با مجموع تعداد اتصالهاي پين به اضافه تعداد اتصالهاي لغزنده، چون هر دو آنها فقط يك درجه حركت نسبي را مجازميكنند.
بيل مكانيكي داراي 12 ميله (كابين دستگاه را ميله بدنه در نظر بگيريد) و 12 اتصال پين و سه اتصال لغزنده ميباشد. (تركيب سيلندر و پيستون). در صورت شمردن 11 اتصال، به نقطة Q در شكل دقيقتر نگاه كنيد.
سه ميله به يكديگر وصل و در يك پين مقيد شدهاند. پس دو اتصال پين در Q وجود دارد، يكي ميلههاي 9 و 10 را به هم وصل كرده و ديگر ميلههاي 10 و 11 را به يكديگر اتصال داده است. به طور كلي تعداد اتصالات پين در اتصال مشترك عبارت است از:
f 1 = m – 1 (1 ـ 2)
كه در آن m تعداد ميلههاي به هم وصل شده در يك پين ميباشد بنابراين تعداد درجات آزادي بيل مكانيكي خواهد شد.
F = 3 + = (15) 2 – (1 – 12) 3
1 ـ 7 تحليل تغيير مكان: شاخصهاي مفيد براي تحليل موقعيت اهرمبنديها
يكي از سادهترين و مفيدترين بندوارهها اهرمبندي چهار ميله ميباشد. سه هدف كاربرد بندوارهها (بخصوص چهار ميله) ايجاد مسير، ايجاد حركت و ايجاد عمليات است. همچنين از معادلة گرويبلر نتيجه ميشود كه اهرمبندي چهار ميله داراي يك درجه آزادي است. چهار ميله ممكن است به شكل معروف اهرمبنديهاي لنگ ـ آونگ، آونگ ـ دوتايي يا لنگ ـ دوتايي (با دو ميله دوراني) بسته به دامنه حركت دو اهرمي كه به زمين اتصال دارند ايجاد نمايد. در شكلهاي 1 ـ 14 تا 1 ـ 17 چهار امكان متفاوت نشان داده شده است.
لنگ ورودي در نوع لنگ آونگ شكل 1 ـ 14 ميتوانند به طور پيوسته 360 درجه بچرخد در حاليكه اهرم خارجي فقط «ميجنبد» (يا نوسان ميكند). هر دو اهرمبنديهاي ورودي و خروجي در نوع لنگ ـ دوتايي يا با دو ميله دوراني (شكل 1 ـ 15) دوران كامل ميزنند، در حالي كه در نوع آونگ ـ دوتايي روي هر دو اهرم ورودي و خروجي محدوديت دوران وجود دارد. (شكل 1 ـ 16) در اهرمبندي متوازي الاضلاع (شكل 1 ـ 17)، طول اهرم ورودي برابر با اهرم خروجي بوده و همچنين طولهاي ميله رابطه و ميله بدنه يكسان ميباشند، هر دو اهرم ورودي و خروجي ممكن است كاملاً دوران يافته و يا شكل ضربدري به خود بگيرند كه در اين صورت معروف به اهرمبندي غيرمتوازي الاضلاع ميباشند، حدس زده ميشود كه يك چهار ميله خاص بسته به رابطه بين طولهاي اهرمهاي تشكيلدهنده آن ممكن است يكي از اين انواع را شامل بشود. معيار گراشف اين رابطه را تعيين ميكند. قانون گراشف بيان ميكند كه مجموع كوتاهترين و بلندترين اهرم يك اهرمبندي چهار ميله صفحهاي، نميتواند بزرگتر از مجموع دو اهرم ديگري باشد اگر قرار است چرخش نسبي پيوسته بين دو اهرم وجود داشته باشد، اگر بلندترين اهرم را با L و كوتاهترين را با s و دو اهرم باقي مانده را با p و q مشخص كنيم، شكلهاي زير حاصل ميشود (شكل 1 ـ 18):
1 ـ اگر L + s < p + q باشد، چهار امكان يا بندوارههاي گراشف وجود دارد.
الف: بندوارة لنگ ـ آونگ حاصل ميشود. اگر كوتاهترين اهرم را لنگ انتخاب كنيم، اتصال بدنه عضو مجاور به آن خواهد بود (شكل 1 ـ 19 الف)
ب: بندواره لنگ ـ دوتايي (dray-link) نتيجه شود اگر كوتاهترين اهرم، اتصال بدنه باشد (شكل 3 ـ 6 ب)
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.