background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna                   1         

Opracowali: J. Felis   H. Jaworowski 

DYNAMIKA MECHANIZMÓW I MASZYN 

ANALIZA KINETOSTATYCZNA MECHANIZMÓW BEZ UWZGLĘDNIENIA TARCIA 

 

Cel i zakres analizy dynamicznej mechanizmów 

Dynamika jest działem mechaniki zajmującej się badaniem ruchu członów, 

mechanizmów i maszyn wywołanego działaniem układu sił. W odróżnieniu od 
kinematyki, której celem jest jedynie obserwacja ruchu z geometrycznego 
punktu widzenia, dynamika ustala związki przyczynowo skutkowe pomiędzy 
układem sił działających na mechanizmy stanowiącymi przyczyny ruchu,  
a realizowanym przez te mechanizmy ruchem czyli skutkami działania sił. 

 
Problematyka dynamiki mechanizmów i maszyn obejmuje dwa 

podstawowe zagadnienia nazywane zadaniami mechaniki:  

 
Pierwsze zadanie dynamiki 
–  Dla zadanych kinematycznych równań  

ruchu mechanizmu gdy znane są przemieszczenia, prędkości  
i przyspieszenia członów, należy wyznaczyć układ sił działających na  
mechanizm, które ten ruch wywołują.
  

Drugie zadanie dynamiki –  Gdy znany jest układ sił działających na  

mechanizm i warunki początkowe ruchu czyli prędkość i położenie  
początkowe mechanizmu, należy wyznaczyć kinematyczne równania ruchu 
czyli przyspieszenia, prędkości i przemieszczenia członów.
  

 

Problematyka zawarta w pierwszym zadaniu dynamiki jest przedmiotem 

tzw.  Analizy Kinetostatycznej Mechanizmów. Natomiast zagadnienia 
zawarte w drugim zadaniu dynamiki będą rozpatrywane w rozdziale 
dotyczącym równań ruchu maszyny i ich całkowania. 

 
 

 
 
Rodzaje i charakterystyka sił działających na mechanizm 
 

Siłą uogólnioną nazywamy siłę skupioną powodującą przemieszczenie  

liniowe bryły lub parę sił powodującą przemieszczenie kątowe bryły.  
Przemieszczenia liniowe lub kątowe nazywamy również przemieszczeniami 
uogólnionymi
.
 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          2            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Podział sił według kilku wybranych kryteriów: 
 

1. Ze  względu na miejsce przyłożenia sił działających na mechanizm dzielimy 

je na siły wewnętrzne i zewnętrzne. Przez siły wewnętrzne rozumiemy 
wyłącznie siły reakcji występujące w parach kinematycznych mechanizmu. 
Wszystkie pozostałe siły nazywamy zewnętrznymi.  
Siły wewnętrzne reakcji mają tylko składowe normalne do powierzchni 
styku członów, gdy tarcie pomijamy, lub składowe normalne i styczne  
w przypadku, gdy tarcie uwzględniamy. Siły zewnętrzne są przyłożone  
w dowolnych punktach członów poza obszarem bezpośredniego styku  
w parze kinematycznej. 

2. Ze  względu na moc siły uogólnionej, siły możemy podzielić na siły czynne 

czyli napędzające, których moc jest dodatnia (

0

N

>

) oraz siły bierne 

czyli siły oporu, których moc jest ujemna (

0

N

<

).  

Siły czynne są z reguły siłami zewnętrznymi i są to najczęściej siły 
rozwijane przez silniki napędowe np. spalinowe, elektryczne, 
pneumatyczne  
i hydrauliczne i wiatrowe, wodne i inne. 
Siły bierne są to zewnętrzne siły oporów użytecznych nazywane siłami 
oporów technologicznych lub siły oporów szkodliwych np. zewnętrzny 
opór ruchu samochodu lub wewnętrzny opór tarcia w parze 
kinematycznej.  
Przykładami użytecznych zewnętrznych oporów technologicznych są np. 
opory skrawania w obrabiarkach, opory kruszenia w kruszarkach, siły 
oporów sprężania w pompach, sprężarkach itp. 

3. Ze względu na przyczynę powstawania siły działające na mechanizmy 

można podzielić na: 

-  siły ciężkości, czyli siły pola grawitacyjnego (

g

m

G

=

) zgodnie z prawem 

grawitacji zależne od położenia, w przypadku małych przemieszczeń 
przyjmujemy je jako stałe ponieważ przyspieszenie ziemskie przyjmujemy 

const

g

=

-  siły tarcia suchego, których wartość jest w przybliżeniu stała a zwrot  

zależny od prędkości względnej członów zgodnie z prawem Coulomba, 

-  siły tarcia wiskotycznego proporcjonalne do prędkości (pierwszej 

 

pochodnej przemieszczenia), 

-  siły bezwładności proporcjonalne do przyspieszenia (drugiej pochodnej 

przemieszczenia), 

-  siły zależne równocześnie od szeregu parametrów np. czasu, 

 

przemieszczenia prędkości, przyspieszenia itp. 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          3            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        a)                            b) 

 
 

Rys. 1a - Siła oporów użytecznych 

3

.  

Jest to siła bierna oporów sprężania. 

                     

         

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                 c)                             d) 
 
 

      
     Rys. 1d – wszystkie siły zewnętrzne     
     przyłożone do mechanizmu w tym  
     również moment równoważący 

1

r

,   

     przyłożony do członu napędzającego. 

 

 

Rys. 1. Siły zewnętrzne działające na mechanizm korbowo-suwakowy 

Rys. 1b - siły ciężkości 

3

2

1

G

,

G

,

G

 działające 

na poszczególne człony mechanizmu. 

Rys. 1c – siły bezwładności członów 

,

B

,

B

,

B

3

2

1

oraz moment od sił  

bezwładności - 

2

B

M

, działający  

na człon 2

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          4            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

 

 

Siły wewnętrzne czyli reakcje w parach kinematycznych oznaczono 

symbolami, które można ogólnie zapisać jako 

kl

R

. Indeks dolny symbolu siły 

wskazuje numery członów, które na siebie oddziaływają. Przykładowo symbol 

12

, oznacza reakcję z jaką człon  1 działa na człon  2 , a symbol 

01

,  

oznacza reakcje podstawy na człon 1

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 2.  Siły wewnętrzne w parach kinematycznych mechanizmu korbowo- suwakowego 
 

ANALIZA KINETOSTATYCZNA MECHANIZMÓW BEZ UWZGLĘDNIENIA TARCIA 

Cel i założenia analizy kinetostatycznej 

 

Celem analizy sił działających na poruszające się mechanizmy jest 

wyznaczenie reakcji w parach kinematycznych oraz uogólnionej siły 
równoważącej (siły 

r

 lub momentu 

r

) przyłożonej do członu 

napędzającego przy zadanym prawie ruchu mechanizmu i układzie sił 
zewnętrznych.
 Taka analiza jest więc rozwiązaniem pierwszego zadania 
dynamiki. 

W mechanizmach i maszynach wolnobieżnych, gdzie siły bezwładności są 

małe w porównaniu z pozostałymi siłami zewnętrznymi często w obliczeniach 
przybliżonych są one pomijane i wówczas analiza siłowa nosi nazwę analizy 
statycznej

W mechanizmach i maszynach szybkobieżnych siły bezwładności są duże  

i nie mogą zostać pominięte. Analiza siłowa mechanizmów z uwzględnieniem 
sił bezwładności nosi nazwę analizy kinetostatycznej. 

  

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          5            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Zasada d’Alemberta dla członów mechanizmów w ruchu płaskim 

 
Równania dynamiczne ruchu płaskiego  i – tego członu o masie 

i

m

 oraz  

o masowym momencie bezwładności względem  środka masy 

si

 mają  

postać: 

si

i

i

i

a

m

R

P

=

+

                            

  (1)

 

i

si

Ri

Pi

J

M

M

ε

=

+

                             

(2)

 

Równanie (1) jest dynamicznym równaniem Newtona postępowego ruchu 

unoszenia członu natomiast równanie (2) jest dynamicznym równaniem 
Newtona obrotowego ruchu względnego członu wokół jego środka masy. 

i

- wektor główny sił zewnętrznych działających na człon i

i

- wektor główny sił reakcji działających w parach kinemat. członu i

Si

- przyspieszenie środka masy członu i

Pi

- moment główny sił zewnętrznych działających na człon i

Ri

- moment główny sił reakcji działających w parach kinemat. członu i

i

ε

 - przyspieszenie kątowe członu i

Po przeniesieniu wyrazów równań (1) i (2) na lewą stronę otrzymamy: 

0

a

m

R

P

Si

i

i

i

=

+

                               

(3)

 

0

J

M

M

i

Si

Ri

Pi

=

+

ε

                             

(4)

 

Oznaczając: 

Si

i

i

a

m

B

=

   oraz 

ε

i

Si

Bi

J

M

=

                      

      (5),(6)

 

Ostatecznie równania (1) i (2) przyjmą postać : 

0

B

R

P

i

i

i

=

+

+

                                 

(7)

 

0

M

M

M

Bi

Ri

Pi

=

+

+

                              

(8)

 

Siłę 

i

 nazywamy siłą bezwładności, natomiast moment 

Bi

momentem od sił bezwładności lub parą sił bezwładności. Siłę i moment 
sił bezwładności nazywamy również siłami d’Alemberta. Są to siły, w sensie 
uogólnionym, o wartości równej odpowiednim iloczynom mas i przyspieszeń, 
w sensie uogólnionym, o zwrotach przeciwnych do zwrotów tych 
przyspieszeń. 

  
Zasada d’Alemberta. 
W czasie ruchu dowolnego członu mechanizmu siły 

zewnętrzne działające na ten człon równoważą się z odpowiednimi siłami  
reakcji w parach kinematycznych oraz siłami bezwładności.
 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          6            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

const

1

ω

Równania (7) i (8) przedstawiają zasadę d’Alemberta: pierwsze dla ruchu 

postępowego a drugie dla ruchu obrotowego. 

Zgodnie z zasadą d’Alemberta zagadnienia dynamiki zapisane równaniami 

(1) i (2) zostały sprowadzone do zagadnień statyki czyli równowagi statycznej 
układu sił, zapisanych równaniami (7) i (8).  

Na podstawie równań (7) i (8) przeprowadza się analizę kinetostatyczną 

mechanizmu. Jeżeli siły bezwładności są małe i pomijamy je w rozważaniach 
wówczas równania te przyjmują postać: 

0

R

P

i

i

=

+

                                 (9) 

0

M

M

Ri

Pi

=

+

                              (10) 

Na podstawie równań (9) i (10) przeprowadza się  analizę statyczną  
poruszającego się mechanizmu.  

 

 
Zasady wyznaczania sił bezwładności w ruchu postępowym, obrotowym 
i płaskim 

Najprostszym mechanizmem, którego człony wykonują wszystkie możliwe 

ruchy na płaszczyźnie jest mechanizm korbowo-suwakowy

.  

 
 
 
a) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
b) 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
Rys. 3. Mechanizm korbowo-suwakowy oraz przyspieszenia jego członów 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          7            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Siły bezwładności działające na człon w ruchu obrotowym 
Przypadek ogólny przedstawiony na Rys. 4 dotyczy sytuacji, gdy człon 1 

wykonuje ruch obrotowy zmienny: 

1

ω

const

0

1

ε

  i  środek masy 

członu nie leży na osi obrotu 

0

AS

1

. Znana jest masa członu 

1

m

 oraz 

jego moment bezwładności względem  środka masy 

2

1

S

1

1

S

i

m

J

=

,  

gdzie 

1

S

i

 - promień bezwładności. 

               

(11) 

 

(12) 

 

 

Rys. 4  Siły bezwładności działające na człon w ruchu obrotowym 

 
Przypadki  szczególne obciążenia członu  siłami bezwładności: 
a) człon wykonuje ruch jednostajny 

const

1

=

ω

0

1

=

ε

 i środek masy nie leży 

na osi obrotu 

0

AS

1

; wtedy 

n

1

1

S

1

1

B

a

m

B

=

=

, oraz  

0

M

1

B

=

b) człon wykonuje ruch jednostajny 

const

1

=

ω

0

1

=

ε

 i środek masy leży na 

osi obrotu 

0

AS

1

=

 ; wtedy 

0

B

1

=

, oraz 

0

M

1

B

=

c) człon wykonuje ruch zmienny 

1

ω

const

0

1

ε

 i środek masy leży na osi  

obrotu ; wtedy

0

B

1

=

, oraz 

1

1

S

1

B

J

M

ε

=

Siły bezwładności działające na człon w ruchu płaskim 
Człon 2 wykonuje ruch płaski, znana jest masa członu 

m

2

 oraz jego 

moment bezwładności względem środka masy 

2

2

S

2

2

S

i

m

J

=

,  

gdzie 

2

S

i

 - promień bezwładności.  

                               

(13) 

                             

(14) 

 

Rys. 5.  Siły bezwładności działające na człon w ruchu płaskim 

t

1

n

1

t

1

S

n

1

S

1

1

S

1

1

B

B

)

a

a

(

m

a

m

B

+

=

+

=

=

1

1

S

1

B

J

M

ε

=

2

S

2

2

a

m

B

=

2

2

S

2

B

J

M

ε

=

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          8            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Siły bezwładności działające na człon w ruchu postępowym 
Człon  3 wykonuje ruch postępowy zmienny po prostoliniowej prowadnicy 

0

a

3

S

, znana jest masa członu 3

Siły bezwładności wynoszą: 

3

S

3

3

a

m

B

=

                             

(15)

 

0

0

J

M

3

S

3

B

=

=

                          

(16)

 

W przypadku szczególnym, kiedy człon porusza się ruchem postępowym 

jednostajnym po prostoliniowej prowadnicy tzn. 

0

a

Si

=

, wtedy  

0

B

i

=

 
 
 
 
 

 

Rys. 6.  Siła bezwładności działająca na człon w ruchu postępowym prostoliniowym 

 

 
W celu obliczenia wartości liczbowych sił bezwładności i momentów od sił 

bezwładności należy dokładnie określić masę członu, położenie środka masy 
oraz wartość masowego momentu bezwładności obliczonego względem osi 
przechodzącej przez środek masy 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Rys. 7.  Przykład wyznaczania masy, położenia środka masy i momentu bezwładności 
członu w programie typu CAD. 

 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          9            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Zasady uwalniania od więzów członów mechanizmów płaskich 

 

Uwalnianie członów od więzów polega na ich odrzuceniu i zastąpieniu si-

łami oddziaływania sąsiednich członów, które nazywamy siłami reakcji. 

Siły reakcji są siłami wewnętrznymi, które zgodnie z trzecim prawem 

Newtona, nazywanym zasadą akcji i reakcji, równoważą się nawzajem. 

Wprowadzimy następującą umowę: 

kl

kl

M

,

R

  - jest to siła uogólniona z jaką człon k działa na człon l

lk

lk

M

,

R

 - jest to siła uogólniona z jaką człon l działa na człon k

lk

kl

lk

kl

M

M

R

R

=

=

  lub   

0

M

M

0

R

R

lk

kl

lk

kl

=

+

=

+

                  

(17)

 

PARA KINEMATYCZNA KL. 5  OBROTOWA - PRZEGUB WALCOWY 

Jeżeli pominiemy tarcie to kierunek reakcji przechodzi przez oś przegubu  

i jest do niej prostopadły. Nieznane są: kierunek reakcji oraz jej wartość 
(dwie niewiadome). 

   

a)                                 b) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 c) 
 
 
 
 
 

 
Rys. 8.  Uwalnianie od więzów członów w parze kinematycznej obrotowej 
a) dwa człony k i l połączone przegub. pomiędzy którymi działa siła reakcji 

lk

kl

R

R

=

b) dwa rozłączone człony oraz sposób przyłożenia sił reakcji  

x

lk

x

kl

R

R

=

y

lk

y

kl

R

R

=

  

stosowany w analitycznej metodzie kinetostatyki, 
c) dwa rozłączone człony oraz sposób przyłożenia sił reakcji, 

n

lk

n

kl

R

R

=

t

lk

t

kl

R

R

=

  

stosowany w grafoanalitycznej metodzie kinetostatyki, składowe reakcji są odpowiednio 
równoległe (

n

kl

R

) oraz prostopadłe (

t

kl

R

) do członu lub l.  

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          10            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Para kinematyczna kl. 5 postępowa - suwak i prowadnica 

Możliwe są trzy warianty uwalniania od więzów pary postępowej. 
 
Wariant A 
Znany jest punkt przyłożenia siły reakcji w środku suwaka oraz jej kie-

runek, który w przypadku pominięcia tarcia jest prostopadły do pro-
wadnicy.  

Nieznane są wartość siły oraz wartość momentu pary sił, który musimy 

przyłożyć aby układ był w równowadze - dwie niewiadome. Ten sposób uwal-
niania od więzów jest wygodny przy rozwiązywaniu zadań bez uwzględnienia 
tarcia. 

 
 

 a)                          b)                     c) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Rys. 9.  Uwalnianie od więzów członów w parze postępowej wg wariantu A 
a) para kinematyczna, suwak k i prowadnica l, w której działa siła reakcji 

lk

kl

R

R

=

, oraz moment pary sił 

lk

kl

M

M

=

b,c) dwa rozłączone człony z przyłożonymi siłami reakcji.  
 

k

P

 to dowolna siła zewnętrzna działająca na człon k

 

 

 

 
 
 
 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          11            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Wariant B 

 
Zakłada się, że suwak k styka się z prowadnicą l jedynie na swoich krawę-

dziach w punktach N.  Znane są kierunki reakcji, które są prostopadłe 
do prowadnicy 
(w przypadku gdy tarcie nie występuje). 

 
Nieznane są wartości dwóch sił reakcji
 - dwie niewiadome.  
 
Proponowany sposób oswobadzania od więzów jest wygodny przy rozwią-

zywaniu zadań z uwzględnieniem tarcia oczywiście po odchyleniu reakcji  
o kąt tarcia. 
  

 
a)                     b)                   c) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 10.  Uwalnianie od więzów członów w parze postępowej wg wariantu B 
a) para kinematyczna , suwak k i prowadnica l, w której działają siły reakcji 

M

lk

M

kl

R

R

=

, oraz 

N

lk

N

kl

R

R

=

 przyłożone w punktach M i N

b,c) dwa rozłączone człony z przyłożonymi siłami reakcji.  

 

Model suwaka pokazano w przekroju, aby wyjaśnić dlaczego reakcje wystę-
pują tylko na jego krawędziach. 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          12            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Wariant C 

W wariancie tym, który stosowany jest najrzadziej przyjmuje się, że znamy  

kierunek reakcji, który jest prostopadły do prowadnicy (w przypadku gdy 
tarcie pominięto). 

Nieznane są: wartość siły oraz jej punkt przyłożenia - dwie niewiadome. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
a)                     b)                                 c) 
 

 
Rys. 11.  Uwalnianie od więzów członów w parze postępowej wg wariantu C 
a) para kinematyczna , suwak k i prowadnica l, w której działa siła reakcji 

M

lk

M

kl

R

R

=

przyłożona w punkcie  B
b,c) dwa rozłączone człony z przyłożonymi siłami reakcji. 

 

 
Warianty A, B, C uwalniania od więzów pary postępowej są  równoważne  

i można przejść od jednego wariantu do drugiego. W tym celu wystarczy po-
równać równania momentów napisane dla skrajnych punktów suwaka leżą-
cych na osi prowadnicy jak to pokazano na Rys. 12.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
a)                   b)                       c) 

 
Rys. 12.  Równoważność wariantów uwalniania od więzów pary postępowej 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          13            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Wariant D (szczególny pary kinematycznej suwak-prowadnica). 

 

Znany jest punkt przyłożenia reakcji w środku przegubu i jej kierunek 
prostopadły do prowadnicy
 (w przypadku gdy tarcie nie występuje)
Nieznana jest wartość reakcji 
- jedna niewiadoma. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
a)                         b)                     c) 

 

Rys. 13.  Uwalnianie od więzów członów w parze postępowej wg wariantu D 
a) para kinematyczna, suwak k i prowadnica l, w której działa siła reakcji 

lk

kl

R

R

=

b,c) dwa rozłączone człony oraz przyłożone siły reakcji.

 

 
 
Para kinematyczna kl. 4 (wyższa) 

 
W tym przypadku znany jest punkt przyłożenia reakcji oraz jej kieru-

nek.  Punktem przyłożenia reakcji jest punkt styku, kierunek reakcji leży na 
prostej n-n normalnej do obydwu krzywizn i przechodzącej przez ich środki. 
Taki kierunek reakcji dotyczy przypadku analizy z pominięciem tarcia.  

 
Nieznana jest natomiast wartość siły reakcji -
 jedna niewiadoma. 

 
 

 
 
 
 
 
 

 
a)                                     b)                              c) 
 

Rys. 14.  Uwalnianie od więzów członów w parze wyższej kl. 
a) para kinematyczna dwie krzywki k i l, w której działa normalna siła reakcji 

lk

kl

R

R

=

b,c) rozłączone krzywki oraz przyłożone siły reakcji. 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          14            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

 Warunek statycznej wyznaczalności mechanizmu płaskiego 

 

Jak wynika z analizy przeprowadzonej w poprzednim rozdziale, w każdej 

parze klasy 5-tej przy wyznaczaniu reakcji wystąpią dwie niewiadome
natomiast w każdej parze klasy czwartej wystąpi jedna niewiadoma. Jeże-
li zatem w mechanizmie mamy  p

5

 par kinematycznych kl. 5 oraz  p

4

 par ki-

nematycznych kl. 4, to liczba niewiadomych  reakcji wynosi 

4

5

p

p

2

+

. Prze-

kształcimy wzór na ruchliwość mechanizmu płaskiego i zapiszemy go w po-
staci: 

w

p

2

p

n

3

5

4

+

+

=

                           

(18)

 

Równanie (18) można interpretować następująco: 
-  3n - liczba równań równowagi mechanizmu płaskiego o n członach  

ruchomych, ponieważ dla każdego członu możemy napisać 3 warunki 
równowagi, 

5

4

p

2

p

+

 - liczba niewiadomych dotyczących reakcji więzów, 

-  w - liczba szukanych sił równoważących 

r

 lub momentów równoważą-

cych 

r

przyłożonych do członów napędzających, gdyż liczba członów 

napędzających jest równa ruchliwości mechanizmu w . 

 Jeżeli w mechanizmie zastąpimy pary kinematyczne kl. 4 parami kl. 5, to     
  równanie (18) przyjmie postać: 

w

p

2

n

3

5

+

=

                             

(19)

 

Odłączamy od mechanizmu „w” członów napędzających a pozostałą część 

łańcucha kinematycznego podzielimy na grupy strukturalne. Ruchliwość      
grupy jak wiadomo wynosi 

0

p

2

n

3

w

5

=

=

. Stąd otrzymujemy dla grupy 

równanie: 

5

p

2

n

3

=

                               

(20)

 

Równanie (18) przestawia warunek statycznej wyznaczalności mechani-

zmu płaskiego zawierającego pary kl. 4 i kl.5.  

Równanie (19) przedstawia warunek statycznej wyznaczalności mechani-

zmu płaskiego zawierającego wyłącznie pary kinematyczne kl.5, natomiast 
równanie (20) jest warunkiem statycznej wyznaczalności grupy strukturalnej.  

Jak z tego wynika statycznie wyznaczalny jest cały mechanizm albo 

grupa strukturalna. Pojedynczy człon wyodrębniony z mechanizmu nie 
jest statycznie wyznaczalny.
 Jeżeli równania (18), (19) i (20) są spełnione 
to oznacza, że układ równań, z których wyznaczamy niewiadome siły reakcji 
jest układem oznaczonym. Wtedy liczba niewiadomych jest równa liczbie wa-
runków równowagi.  

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          15            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Analityczna metoda wyznaczania reakcji dynamicznych w parach  

kinematycznych 

 
Wyznaczanie sił reakcji w parach kinematycznych mechanizmów płaskich 

metodą analityczną zawiera następujące etapy: 
- określenie ruchliwości i analiza strukturalna mechanizmu, 
-  sprawdzenie warunku statycznej wyznaczalności mechanizmu, 
-  analiza kinematyczna mechanizmu, określenie przyspieszeń liniowych 

środków mas oraz przyspieszeń kątowych członów, 

- obliczenie 

sił ciężkości, 

- obliczenie 

sił bezwładności oraz momentów od sił bezwładności, 

- określenie pozostałych sił zewnętrznych, momentów sił zewnętrznych, 
-  oswobodzenie od więzów każdego członu, 
- zapisanie algebraicznych równań równowagi dla każdego członu  

w postaci: 

=

=

=

=

=

=

n

1

i

)

j

(

i

n

1

i

y

)

j

(

i

n

1

i

x

)

j

(

i

0

M

,

0

P

,

0

P

            

(21)

 

gdzie j – numer ruchomego członu mechanizmu.  

-  rozwiązanie układu równań algebraicznych i wyznaczenie reakcji w parach 

kinematycznych oraz sił (momentów) równoważących. 

 

Przykład 1 

Należy wyznaczyć reakcje w parach kinematycznych mechanizmu czworo-

boku oraz moment równoważący przyłożony do członu napędzającego 1 dla 
zadanego układu sił zewnętrznych Rys. 15. Przeprowadzić analizę statyczną 
z pominięciem sił ciężkości i bezwładności. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 15.  Czworobok przegubowy z zadanym układem sił zewnętrznych 

background image

Teoria maszyn i mechanizmów         Dynamika Mechanizmów. Analiza kinetostatyczna          16            

Opracowali: J. Felis  H. Jaworowski 

Rozwiązanie  
Sprawdzamy warunek (19) statycznej wyznaczalności mechanizmu: 

3

3 = 2

4 + 1 = 9.  Warunek jest spełniony. Zadanie może zostać rozwiązane 

analitycznie. Wymaga napisania dziewięciu warunków równowagi.  

Uwalniamy od więzów poszczególne człony mechanizmu (Rys. 16)  

a następnie piszemy warunki równowagi: 

=

=

=

=

=

=

=

=

=

0

M

,

0

P

,

0

P

0

M

,

0

P

,

0

P

0

M

,

0

P

,

0

P

)

3

(

iC

y

)

3

(

i

x

)

3

(

i

)

2

(

iB

y

)

2

(

i

x

)

2

(

i

)

1

(

iA

y

)

1

(

i

x

)

1

(

i

           

(P1.1)

 

 
Rozwiązujemy układ dziewięciu równań algebraicznych, z których wyzna-

czamy reakcje: 

)

R

,

R

(

R

y

01

x

01

01

)

R

,

R

(

R

y

12

x

12

12

)

R

,

R

(

R

y

32

x

32

32

)

R

,

R

(

R

y

03

x

03

03

 oraz moment równoważący przyłożony do członu 1  -  

1

r

M

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rys. 16.  Uwalnianie od więzów członów mechanizmu czworoboku przegubowego.          
               Metoda analityczna.