Koblingsstang-veivsystem

Den forbindelsesstang-sveiv -systemet er et mekanisk system som har sitt navn fra de to mekaniske deler som karakteriserer det: den forbindelsesstangen og sveiv . Denne enheten forvandler den frem- og tilbakegående lineære bevegelsen til enden av koblingsstangen til en kontinuerlig rotasjonsbevegelse tilgjengelig på veiv ( veivaksel ), og omvendt.

Vises i det romerske imperiet ( sagbruk i Hierapolis ), og utgjør en stor innovasjon som supplerer de fem enkle maskinene som er arvet fra den greske mekanikken. Den tilsynelatende enkle kinematikken skjuler et teknologisk trekk av største betydning som brukes veldig ofte i mange mekanismer: motor, pumpe, sag, automatisk barriere,  etc.

I det XVIII th  århundre er det brukes i enkle innretninger for å konvertere muskelkraft til bevegelse rotere (spinne hjul). I XIX th  århundre vises en ny bruk med dampmaskiner . I dag er det fortsatt den tekniske løsningen som vanligvis implementeres i stempelmotorer for å oppnå den sykliske variasjonen i volum i forbrenningskammeret.

Historie

De stavkranksystem virker kjent av Romans ved enden av den III th  århundre. Denne mekanismen synes å ha blitt brukt i sagbruk Hierapolis og to sagbrukene i VI th  tallet oppdaget ved Efesos og Jerash . Den omdanner vannhjulets rotasjonsbevegelse til en lineær bevegelse som driver sagene. Disse sagbrukene er de eldste maskinene som er kjent for å kombinere en forbindelsesstang med en sveiv.

Tidens designere for å korrigere mulige stopp på de to døde punktene som kunne blokkere systemet, assosierte et svinghjul med rotasjonsaksen. Det er et svinghjul som består av et hjul eller firkantede stenger utstyrt med masser og som regulerer systemets rotasjonshastighet. Denne innovasjonen er faktisk forfedren til ballregulatoren .

Veivsystemet er gjenoppdaget XV -  tallet. Et anonymt manuskript, datert ca 1430 , kjent som Anonymous of the Hussite War , inneholder flere tegninger av håndmøller som er den første visse figurative representasjonen av denne mekanismen: man kan tydelig skille forbindelsesstengene som betjenes med armer, og sveivene.

På slutten av middelalderen utgjorde forbindelsesstang-veivsystemet begynnelsen på et nytt maskineri, i utgangspunktet av liten størrelse med pedalmaskiner som frigjør arbeiderens hånd, som dreiebenk , slipesteinen eller spinnhjulet. (1470). Forbudet mot sistnevnte, lang inkludert i forskrift av selskaper , viser hvor mye dette innovasjon er relevant fordi det er destabiliserende fra synspunkt av organiseringen av arbeidet. Deretter kommer større maskiner, drevet av hjul på møller , som hydraulisk sag ( Francesco di Giorgio Martini ), trykk- og sugepumpe ( XVI th  century) eller hydraulisk hammer ( pisk ), som tillater smiing av deler med store dimensjoner.

I XIX th  århundre vises en ny bruk med dampmaskiner og veksten vil være rask på verdensbasis.

Eksempler på applikasjoner

Noen eksempler på systemer:

Beskrivelse og terminologi

Koblingsstang-veivsystemet tillater transformasjon av den lineære bevegelsen av enden av forbindelsesstangen til en kontinuerlig rotasjonsbevegelse tilgjengelig på veiv ( veivaksel ), og omvendt. Den består av 4 hoveddeler:

Systemet suppleres vanligvis med et svinghjul som stabiliserer veivens rotasjonshastighet.

Veiv og effektor utgjør de to inngangs- og utgangsdelene av mekanismen.

Veiv (driv eller mottak) drives av en kontinuerlig rotasjonsbevegelse , mens effektoren drives av en alternerende lineær bevegelse, rettlinjet eller ikke. Forbindelsesstangen er utstyrt med to leddforbindelser, på den ene siden til sveiven og på den andre til effektoren. Avhengig av hvilken type tilkobling som påføres effektoren, utfører systemet følgende bevegelseskonverteringer:

Kontinuerlig rotasjon frem og tilbake rettlinjet bevegelse.

Dette er tilfelle der enden av forbindelsesstangen er festet til et stempel som kan beveges i en sylinder eller mer generelt til en glideforbindelse. Enden på koblingsstangen beskriver et rett segment. Eksempler:

Kontinuerlig rotasjon vekselvis rotasjon.

Dette er tilfelle der enden på koblingsstangen er koblet til en annen veiv, en pedal eller en leddarm. Forbindelsesstangenden beskriver et sirkulært kurvesegment. Eksempler:

og mer generelt hvilken som helst firestangsmekanisme

Kinematisk modellering

Koblingsstang-veivmekanismen har et syklomatisk tall lik 1, og har nyttig mobilitet. Tabellen nedenfor viser de viktigste kinematiske løsningene ved å indikere typen for hver mekanisk lenke , grader av hyperstatisme og mobilitet.

Eksempel O 1/2 lenke Lenke A 2/3 Lenke B 3/4 Obligasjon C 4/1 Mobilitet Mc Hyperstatisme

-Ms

Transdannelse: kontinuerlig rotasjon frem og tilbake rettlinjet bevegelse.
Klassisk pumpemotor Pivot (5) Pivot (5) Glidende pivot (4) Glidende pivot (4) 1 1
Avlang seksjonstempel Pivot (5) Pivot (5) Glidende pivot (4) Lysbilde (5) 1 2
Dampmotor
(veldig lange forbindelsesstenger)
Pivot (5) Pivot (5) Pivot (5) Glidende pivot (4) 1 2
Ovalt formet stempel eller sett Pivot (5) Pivot (5) Glidende pivot (4) Ringformet lineær (3) 1 0
annen tillatt kombinasjon Pivot (5) Glidende pivot (4) Kuleledd (3) Glidende pivot (3) 2 0
Transformasjon: kontinuerlig rotasjon Alternativ rotasjon.
Automatisk veibom
Wiper
Pivot (5) Pivot (5) Glidende pivot (4) Pivot (5) 1 2
Treningspedaler Pivot (5) kuleledd (3) kuleledd (3) Pivot (5) 2 0

{*} Den mulige lenken til svinghjulet, hvis den er til stede, er en innebygd lenke.

Time-ligninger

Det anses her at forbindelsesstang-veivsystemet er i konfigurasjonen der tilkoblingen av enden av koblingsstangen er en glideforbindelse (i tilfelle motorer og pumper); at mekanismen er en plan mekanisme og at stempelets akse krysser veivaksen (samtidige akser). Geometrien, i henhold til diagrammet motsatt, er beskrevet av:

I vårt konfigurasjonspunkt er B på (O, y) aksen. Posisjonen til mekanismen identifiseres av vinkelposisjonen til sveiven. Vevaksel roterer, vinkelen er en funksjon av tiden. Ved å skrive lengden på segmentet h (t) = OB, kommer det (se detaljert beregning i kinematikken §):

med i tilfelle rotasjon ved konstant hastighet. Ved avledning oppnår man hastigheten og deretter akselerasjonen (se i § kinematikk).

Vinkelposisjonen til veiv θ som en funksjon av posisjonen til stempelet (OB) bestemmes med den gjensidige formelen:

Geometriske hensyn Døde flekker

Det er to punkter der hastigheten kanselleres for å skifte tegn:

Løp

Avstanden som skiller de to døde og verdt 2R kalles slag av stempelet. For et forbindelsesstang-veivsystem med stempel i aksen:

Lov om bevegelse kurvene motsatt, hentet fra timeligningen, gir slag, hastighet og akselerasjon av forbindelsesstang-veivsystemet for forskjellige forhold mellom kulelengde / veivradius . Vi ser, avhengig av saken:

Noen eksempler på konvensjonelle verdier når det gjelder varmemotorer:

Statisk oppførsel

Den statiske studien av mekanismen gjør det mulig å bestemme forholdet mellom kraften som påføres stempelet og dreiemomentet som utøves / er tilgjengelig på veiven. Man vurderer mekanismen i likevekt under effekten av alle de ytre kreftene, og man neglisjerer treghetskreftene (spesielt tilfelle av et stoppet system). Dette er beregningsprinsippet som er vedtatt av elementær mekanisk simuleringsprogramvare, som gir utviklingen av krefter og dreiemoment som en funksjon av vinkelposisjoner.

Statisk metode

I denne studien er følgende konvensjoner vedtatt:

Det statiske problemet kan løses ved hjelp av torsorer, men symmetrien til systemet tillater en grafisk oppløsning. Koblingsstangen, stempelet og veivsystemet isoleres suksessivt og de mekaniske likevektslovene blir brukt:

Studien utføres på samme måte ved å bare reversere de to siste trinnene.

Energimetode

Ved å ta i betraktning at systemet har effektivitet 1, at sveiven roterer med konstant hastighet, og at tregheten er ubetydelig, etableres en forenklet relasjon som gir som en funksjon av , fra likheten mellom forbrukte og tilførte krefter ( ):

Analyse:

Kino

Ta i betraktning:

Vi kan skrive de geometriske relasjonene:

(1) (2) (3)

Pythagoras teorem gir: la (4)

Vi må skille mellom to tilfeller: stempelaksen kan være samtidig med veivaksen, eller ikke.

Tilfelle av samtidige akser

Ved å erstatte med (2) og (3) i (4) kommer den fra: hvor

Tilfeller av ikke-samtidige akser

Legg merke til forskyvningen mellom aksene og definer som:

Forholdene skrevet ovenfor forblir uendret bortsett fra (2) som blir:

Ved å erstatte (2) i (4) får vi:


Hastighet

Hastigheten som en funksjon av oppnås ved å utlede forholdet oppnådd ovenfor:

Hastigheten som en funksjon av tiden med

Akselerasjon

Akselerasjon som en funksjon av tid:

Forholdet mellom dreiemoment og kraft

Likestillingen mellom de forbrukte og tilførte kreftene er skrevet . Ved å erstatte i ligningen ovenfor kommer det:


Fra hvor :

Hvis systemet vårt dreier med klokken (i motsetning til diagrammet)

og:

Merknader og referanser

  1. [PDF] (de) Klaus Grewe ( red. ), “  Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte. Internationale Konferenz 13. - 16. Juni 2007 i Istanbul  ” , Bautechnik im antiken und vorantiken Kleinasien , Istanbul, Ege Yayınları / Zero Prod. Ltd., byzas, vol.  9,2009, s.  429–454 (429) ( ISBN  978-975-807-223-1 , les online )
  2. (in) Tullia Ritti Klaus Grewe og Paul Kessener, "  A relief of a Water-powered Stone Saw Mill was at Hierapolis Sarcophagus and Its Implications  " , Journal of Roman Archaeology , vol.  20,2007, s.  138–163 (161)
  3. (es) Klaus Grewe, “  La máquina romana de serrar piedras. Representasjonen i bajorrelieve av en sierra de piedras de la antigüedad, i Hierápolis de Frigia y su relevancia para la historia técnica  ” , Las técnicas y las construcciones de la Ingeniería Romana , v Congreso de las Obras,2010, s.  381–401 ( les online )
  4. Bertrand Gille , Ingeniørene fra renessansen: Thesis History , Paris, Seuil , koll.  "Poengvitenskap", 1960, 1978, 282  s. ( ISBN  978-2-02-004913-9 og 2-02-004913-9 )
  5. "  Det forandrer ikke kinematikken til stemplet  "mce-5.com/ (nås på en st oktober 2016 )

Se også

Relaterte artikler

Eksterne linker

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">