Synteza, lub projekt, mechanizmów czterotaktowych jest ważna, gdy dąży się do wytworzenia pożądanego ruchu wyjściowego dla określonego ruchu wejściowego. W celu zminimalizowania kosztów i zmaksymalizowania wydajności, projektant wybierze najprostszy możliwy mechanizm, aby osiągnąć pożądany ruch. Przy wyborze typu mechanizmu do zaprojektowania, długości ogniw muszą być określone w procesie zwanym syntezą wymiarową. Synteza wymiarowa obejmuje metodologię iteracji i analizy, która w pewnych okolicznościach może być procesem nieefektywnym; jednakże, w wyjątkowych scenariuszach, dokładne i szczegółowe procedury projektowania dokładnego mechanizmu mogą nie istnieć.
Stosunek czasowyEdit
Stosunek czasowy (Q) mechanizmu czterotaktowego jest miarą jego szybkiego powrotu i jest definiowany w następujący sposób:
Q = Czas wolniejszego skoku Czas szybszego skoku ≥ 1 {{displaystyle Q={text{Czas wolniejszego skoku}}}}
W mechanizmach czterotaktowych występują dwa skoki, do przodu i do tyłu, które po zsumowaniu tworzą cykl. Każdy skok może być identyczny lub mieć różne średnie prędkości. Współczynnik czasu określa liczbowo, jak szybki jest skok do przodu w porównaniu z szybszym skokiem powrotnym. Całkowity czas cyklu (Δtcycle) dla mechanizmu wynosi:
Δ t cycle = Czas wolniejszego skoku + Czas szybszego skoku {Delta t_{text{cycle}}={text{Czas wolniejszego skoku}}+{text{Czas szybszego skoku}}}.
Większość mechanizmów czterotaktowych jest napędzana przez napęd obrotowy, czyli korbę, która wymaga określonej stałej prędkości. Ta wymagana prędkość (ωcrank) jest związana z czasem cyklu w następujący sposób:
ωcrank = ( Δ t cykl ) – 1 {{displaystyle {omega _{text{crank}}}=(delta t_{text{cykl}})^{-1}}}
Niektóre mechanizmy wytwarzające ruch posuwisto-zwrotny, lub powtarzający się, są zaprojektowane do wytwarzania ruchu symetrycznego. Oznacza to, że suw maszyny do przodu porusza się w tym samym tempie co suw powrotny. Mechanizmy te, które są często określane jako konstrukcje liniowe, zwykle wykonują pracę w obu kierunkach, ponieważ wywierają tę samą siłę w obu kierunkach.
Przykłady mechanizmów o ruchu symetrycznym obejmują:
- Wycieraczki do szyb
- Mechanizmy silnikowe lub tłoki
- Korba do okien samochodowych
Inne zastosowania wymagają, aby projektowany mechanizm miał większą średnią prędkość w jednym kierunku niż w drugim. Ta kategoria mechanizmów jest najbardziej pożądana przy projektowaniu, gdy wymagane jest działanie tylko w jednym kierunku. Prędkość, z jaką działa ten jeden suw, jest również bardzo ważna w niektórych zastosowaniach maszynowych. Ogólnie rzecz biorąc, ruch powrotny i ruch roboczy powinien być wykonywany tak szybko, jak to możliwe. W ten sposób większość czasu w każdym cyklu jest przeznaczona na suw intensywnej pracy. Te szybko powracające mechanizmy są często określane jako offset.
Przykłady mechanizmów offsetowych obejmują:
- Przecinarki
- Urządzenia do przenoszenia opakowań
W przypadku mechanizmów offsetowych bardzo ważne jest zrozumienie, jak i w jakim stopniu offset wpływa na stosunek czasu. Aby powiązać geometrię konkretnego podnośnika z czasem skoku, stosuje się kąt niewyważenia (β). Kąt ten jest związany ze stosunkiem czasowym, Q, w następujący sposób:
Q = 180 ∘ + β 180 ∘ – β {displaystyle Q={ {frac {180^{\irc }+\i0}180^{\irc }-\i0}}
Poprzez proste algebraiczne przekształcenie, to równanie można przepisać, aby rozwiązać dla β:
β = 180 ∘ × Q – 1 Q + 1 {{displaystyle β =180^{{circ }}} razy {{frac {Q-1}{Q+1}}}.
Wykresy czasoweEdit
Wykresy czasowe są często używane do synchronizacji ruchu pomiędzy dwoma lub więcej mechanizmami. Wyświetlają one graficznie informacje pokazujące, gdzie i kiedy każdy mechanizm jest nieruchomy lub wykonuje skoki w przód i w tył. Wykresy czasowe pozwalają projektantom na jakościowy opis wymaganego zachowania kinematycznego mechanizmu.
Wykresy te są również używane do szacowania prędkości i przyspieszeń niektórych ogniw czterotaktowych. Prędkość ogniwa to szybkość w czasie, z jaką zmienia się jego położenie, natomiast przyspieszenie ogniwa to szybkość w czasie, z jaką zmienia się jego prędkość. Zarówno prędkość, jak i przyspieszenie są wielkościami wektorowymi, tzn. mają zarówno wielkość, jak i kierunek, jednak w wykresach czasowych wykorzystuje się tylko ich wielkości. W przypadku użycia dwóch mechanizmów, wykresy czasowe zakładają stałe przyspieszenie. Przy takim założeniu otrzymuje się równania wielomianowe dla prędkości jako funkcji czasu. Stałe przyspieszenie pozwala, aby wykres zależności prędkości od czasu był linią prostą, wyznaczając w ten sposób zależność pomiędzy przemieszczeniem (ΔR), prędkością maksymalną (vpeak), przyspieszeniem (a) i czasem (Δt). Pokazują to poniższe równania.
ΔR = 1/2vpeakΔt ΔR = 1/4a(Δt)2
Dając dane o przemieszczeniu i czasie, można obliczyć zarówno prędkość maksymalną, jak i przyspieszenie każdego mechanizmu w danej parze.