La sintesi, o progettazione, di meccanismi a quattro barre è importante quando si vuole produrre un movimento in uscita desiderato per un determinato movimento in entrata. Per minimizzare i costi e massimizzare l’efficienza, un progettista sceglierà il meccanismo più semplice possibile per realizzare il movimento desiderato. Quando si seleziona un tipo di meccanismo da progettare, le lunghezze dei collegamenti devono essere determinate da un processo chiamato sintesi dimensionale. La sintesi dimensionale implica una metodologia di iterazione e analisi che in certe circostanze può essere un processo inefficiente; tuttavia, in scenari unici, possono non esistere procedure esatte e dettagliate per progettare un meccanismo accurato.
Rapporto di tempoModifica
Il rapporto di tempo (Q) di un meccanismo a quattro barre è una misura del suo ritorno rapido ed è definito come segue:
Q = Tempo della corsa più lenta Tempo della corsa più rapida ≥ 1 {displaystyle Q={\frac {{Testo{Tempo della corsa più lenta}}{Testo{Tempo della corsa più rapida}}}geq 1}
Con i meccanismi a quattro barre ci sono due corse, quella di andata e quella di ritorno, che sommate creano un ciclo. Ogni corsa può essere identica o avere diverse velocità medie. Il rapporto di tempo definisce numericamente quanto è veloce la corsa di andata rispetto alla corsa di ritorno più veloce. Il tempo di ciclo totale (Δtcycle) per un meccanismo è:
Δ t cycle = Tempo della corsa più lenta + Tempo della corsa più veloce {displaystyle \Delta t_{{ciclo}}={Testo della corsa più lenta}+{Testo della corsa più veloce}}
La maggior parte dei meccanismi a quattro barre sono azionati da un attuatore rotazionale, o manovella, che richiede una specifica velocità costante. Questa velocità richiesta (ωcrank) è legata al tempo di ciclo come segue:
ω crank = ( Δ t ciclo ) – 1 {\displaystyle \omega _{{{text{crank}}=(\Delta t_{\text{cycle}})^{-1}}
Alcuni meccanismi che producono movimento alternato, o ripetitivo, sono progettati per produrre un movimento simmetrico. Cioè, la corsa in avanti della macchina si muove allo stesso ritmo della corsa di ritorno. Questi meccanismi, che sono spesso indicati come design in linea, di solito lavorano in entrambe le direzioni, in quanto esercitano la stessa forza in entrambe le direzioni.
Esempi di meccanismi di movimento simmetrico includono:
- Tergicristalli
- Meccanismi o pistoni del motore
- Manovella dei finestrini delle automobili
Altre applicazioni richiedono che il meccanismo da progettare abbia una velocità media più veloce in una direzione che nell’altra. Questa categoria di meccanismo è più desiderata per la progettazione quando il lavoro è richiesto solo per operare in una direzione. La velocità con cui questa corsa opera è anche molto importante in certe applicazioni della macchina. In generale, il ritorno e la corsa di lavoro non intensiva dovrebbero essere eseguiti il più velocemente possibile. In questo modo la maggior parte del tempo in ogni ciclo è destinata alla corsa ad alta intensità di lavoro. Questi meccanismi di ritorno rapido sono spesso chiamati offset.
Esempi di meccanismi offset includono:
- Macchine da taglio
- Dispositivi di movimentazione dei pacchi
Con i meccanismi offset, è molto importante capire come e in che misura l’offset influenza il rapporto temporale. Per mettere in relazione la geometria di un attacco specifico con la tempistica della corsa, si usa un angolo di squilibrio (β). Questo angolo è correlato al rapporto di tempo, Q, come segue:
Q = 180 ∘ + β 180 ∘ – β {\displaystyle Q={frac {180^{\circ}+\beta }{180^{\circ}-\beta }}
Per mezzo di un semplice riordinamento algebrico, questa equazione può essere riscritta per risolvere β:
β = 180 ∘ × Q – 1 Q + 1 {displaystyle \beta =180^{{\circ}}times {\frac {Q-1}{Q+1}}
Grafici di sincronizzazioneModifica
I grafici di sincronizzazione sono spesso utilizzati per sincronizzare il movimento tra due o più meccanismi. Essi visualizzano graficamente le informazioni che mostrano dove e quando ogni meccanismo è fermo o esegue le sue corse di andata e ritorno. I grafici di temporizzazione permettono ai progettisti di descrivere qualitativamente il comportamento cinematico richiesto di un meccanismo.
Questi grafici sono anche usati per stimare le velocità e le accelerazioni di certi collegamenti a quattro barre. La velocità di un link è il tasso di tempo al quale la sua posizione cambia, mentre l’accelerazione del link è il tasso di tempo al quale la sua velocità cambia. Sia la velocità che l’accelerazione sono quantità vettoriali, nel senso che hanno sia la grandezza che la direzione; tuttavia, solo le loro grandezze sono usate nei grafici di cronometraggio. Quando vengono usati con due meccanismi, i grafici temporali assumono un’accelerazione costante. Questa assunzione produce equazioni polinomiali per la velocità in funzione del tempo. L’accelerazione costante permette al grafico della velocità in funzione del tempo di apparire come linee rette, designando così una relazione tra spostamento (ΔR), velocità massima (vpeak), accelerazione (a) e tempo (Δt). Le seguenti equazioni lo dimostrano.
ΔR = 1/2vpeakΔt ΔR = 1/4a(Δt)2
Dati lo spostamento e il tempo, sia la velocità massima che l’accelerazione di ogni meccanismo in una data coppia possono essere calcolate.