De synthese, of het ontwerp, van vierstaafsmechanismen is belangrijk wanneer wordt gestreefd naar een gewenste uitgangsbeweging voor een specifieke ingangsbeweging. Om de kosten te minimaliseren en de efficiëntie te maximaliseren, zal een ontwerper het eenvoudigst mogelijke mechanisme kiezen om de gewenste beweging tot stand te brengen. Bij de keuze van een te ontwerpen mechanisme moet de lengte van de schakels worden bepaald door een proces dat dimensionale synthese wordt genoemd. Dimensionale synthese impliceert een iterate-and-analyze methodologie die in bepaalde omstandigheden een inefficiënt proces kan zijn; echter, in unieke scenario’s, kunnen exacte en gedetailleerde procedures om een nauwkeurig mechanisme te ontwerpen niet bestaan.
TijdratioEdit
De tijdratio (Q) van een mechanisme met vier staven is een maat voor het snelle rendement en wordt als volgt gedefinieerd:
Q = Tijd van langzamere slag Tijd van snellere slag ≥ 1 {\displaystyle Q={\frac {{Tijd van langzamere slag}}{{text{Tijd van snellere slag}}{geq 1}
Bij mechanismen met vier stangen zijn er twee slagen, de voorwaartse en de terugwaartse, die als ze bij elkaar worden opgeteld een cyclus vormen. Elke slag kan identiek zijn of verschillende gemiddelde snelheden hebben. De tijdverhouding geeft numeriek aan hoe snel de voorwaartse slag is in vergelijking met de snellere teruggaande slag. De totale cyclustijd (Δtcycle) voor een mechanisme is:
Δ t cycle = Tijd van langzamere slag + Tijd van snellere slag {Delta t_{\text{cycle}={\text{Tijd van langzamere slag}}+{\text{Tijd van snellere slag}}
De meeste mechanismen met vier stangen worden aangedreven door een roterende actuator, of krukas, die een specifieke constante snelheid vereist. Deze vereiste snelheid (ωcrank) is als volgt gerelateerd aan de cyclustijd:
ωcrank = ( Δ t cyclus ) – 1 {Displaystyle \omega _{text{crank}}=(\Delta t_{\text{cycle}})^{-1}}
Sommige mechanismen die een heen-en-weergaande, of zich herhalende, beweging voortbrengen, zijn ontworpen om een symmetrische beweging voort te brengen. Dat wil zeggen dat de voorwaartse slag van de machine in hetzelfde tempo beweegt als de teruggaande slag. Deze mechanismen, die vaak als in-line ontwerp worden bedoeld, doen gewoonlijk werk in beide richtingen, aangezien zij dezelfde kracht in beide richtingen uitoefenen.
Voorbeelden van symmetrische motiemechanismen omvatten:
- Ruitenwissers
- Motormechanismen of zuigers
- Automobiel raamzwengel
Andere toepassingen vereisen dat het te ontwerpen mechanisme een snellere gemiddelde snelheid in één richting dan de andere heeft. Deze categorie van mechanismen is het meest gewenst voor ontwerp wanneer het werk slechts in één richting wordt vereist om te werken. De snelheid waarmee deze ene slag werkt is ook zeer belangrijk in bepaalde machinetoepassingen. In het algemeen moeten de teruggaande en de werkloze slag zo snel mogelijk worden uitgevoerd. Op die manier wordt het grootste deel van de tijd in elke cyclus besteed aan de arbeidsintensieve slag. Deze snelle-retourmechanismen worden vaak offset genoemd.
Voorbeelden van offsetmechanismen zijn:
- snijmachines
- verpakkingsverplaatsers
Bij offsetmechanismen is het van groot belang te begrijpen hoe en in welke mate de offset van invloed is op de tijdverhouding. Om de geometrie van een specifieke hefinrichting in verband te brengen met de timing van de slag, wordt een onbalanshoek (β) gebruikt. Deze hoek is als volgt gerelateerd aan de tijdverhouding, Q:
Q = 180 ∘ + β 180 ∘ – β {{\displaystyle Q={\frac {180^{\circ }+\beta }{180^{\circ }-\beta }}}
Door een eenvoudige algebraïsche herschikking kan deze vergelijking worden herschreven om voor β op te lossen:
β = 180 ∘ × Q – 1 Q + 1 {\displaystyle \beta =180^{\circ }- maal {Q-1}{Q+1}}}
Timing chartsEdit
Timing charts worden vaak gebruikt om de beweging tussen twee of meer mechanismen te synchroniseren. Ze geven grafisch weer waar en wanneer elk mechanisme stilstaat of zijn voor- en retourslag uitvoert. Timing diagrammen stellen ontwerpers in staat om het vereiste kinematische gedrag van een mechanisme kwalitatief te beschrijven.
Deze diagrammen worden ook gebruikt om de snelheden en versnellingen van bepaalde vier-staafs schakels te schatten. De snelheid van een schakel is de tijd waarmee zijn positie verandert, terwijl de versnelling van de schakel de tijd is waarmee zijn snelheid verandert. Zowel snelheid als versnelling zijn vectorgrootheden, in die zin dat ze zowel een grootte als een richting hebben; in tijddiagrammen worden echter alleen hun grootheden gebruikt. Bij gebruik met twee mechanismen gaan tijddiagrammen uit van een constante versnelling. Deze aanname levert polynomiale vergelijkingen op voor de snelheid als functie van de tijd. Constante versnelling zorgt ervoor dat de snelheid-tijdgrafiek als rechte lijnen wordt weergegeven, waardoor een verband wordt aangegeven tussen verplaatsing (ΔR), maximale snelheid (vpeak), versnelling (a), en tijd (Δt). De volgende vergelijkingen tonen dit aan.
ΔR = 1/2vpeakΔt ΔR = 1/4a(Δt)2
Gegeven de verplaatsing en de tijd kunnen zowel de maximumsnelheid als de versnelling van elk mechanisme in een gegeven paar worden berekend.