Mechanisms Design MECN 4110

Mechanisms Design MECN 4110
Professor: Dr. Omar E. Meza Castillo Department of Mechanical Engineering

Kinematics Fundamentals
One thing you learn in science is that there is no perfect answer, no perfect measure. A. O. Beckman Topic 2: Mechanism and Kinematics Kinematics Fundamentals

THE GRASHOF CONDITION 3.- Coupler Link 4.- Follower Link 2.- Input Link 1.- Fixed Link

THE GRASHOF CONDITION The four bar linkage, shown in previous slide, is a basic mechanism which is quite common. Further, the vast majority of planar one degree-of-freedom (DOF) mechanisms have "equivalent" four bar mechanisms. The four bar has two rotating links ("levers") which have fixed pivots, (bodies 2 and 4 above). One of the levers would be an input rotation, while the other would be the output rotation. The two levers have their fixed pivots with the "ground link"(body 1) and are connected by the "coupler link" (body 3).

THE GRASHOF CONDITION - Definitions
Crank- a ground pivoted link which is continuously rotatable. Rocker- a ground pivoted link that is only capable of oscillating between two limit positions and cannot rotate continuously.

THE GRASHOF CONDITION - Definitions
Grashof Condition- is a very simple relationship which predicts the rotation behavior or rotability of a fourbar linkage's inversions based only on the link lengths Let: S=length of shortest link L=length of longest link P=length of one remaining link Q=length of other remaining link Then if: S+L<=P+Q

THE GRASHOF CONDITION The linkage is Grashof and at least one link will be capable of making a full revolution with respect to the ground plane. This is called a Class I kinematic chain. If the inequality is not true, then the linkage is non-Grashof and no link will be capable of a complete revolution relative to any other link. This is a Class II kinematic chain. The order of the assemble in the kinematic chain in S, L, P, Q, or S, P, L, Q or any other order, will not change the Grashof condition.

For the Class I case, S + L < P + Q
THE GRASHOF CONDITION The motions possible from a fourbar linkage will depend on both the Grashof condition and the inversion chosen. The inversions will be defined with respect to the shortest link. The motions are: For the Class I case, S + L < P + Q Ground either link adjacent to the shortest and you get a crank-rocker, in which the shortest link will fully rotate and the other link pivoted to ground will oscillate.

THE GRASHOF CONDITION

THE GRASHOF CONDITION Ground the shortest link and you will get a double-crank, in which both links pivoted to ground make complete evolutions as does the coupler. Ground the link opposite the shortest and you will get a Grashof double-rocker, in which both links pivoted to ground oscillate and only the coupler makes a full revolution.

For the Class II case, S + L > P + Q
THE GRASHOF CONDITION For the Class II case, S + L > P + Q All inversions will be triple-rockers in which no link can fully rotate.

For Class III case, S+L = P+Q
THE GRASHOF CONDITION For Class III case, S+L = P+Q All inversion will be either double-cranks, or crank-rocker

For Class III case, Special Grashof Case
THE GRASHOF CONDITION For Class III case, Special Grashof Case

LINKAGES OF MORE THAN FOUR BARS
Geared Fivebar Linkages

LINKAGES OF MORE THAN FOUR BARS
Sixbar Linkages

Application Problems

Find the Grashof condition and the Baker classification. Solution:
Example Statement: Find the Grashof condition and the Baker classification. Solution: Grashof Condition S + L < P + Q ( )<(26+30) 44<56 CRANK-ROCKER Baker Classification Type 2, L2=s=input Class I-2, Baker’s designation Grashof crank-rocker-rocker, Code GCRR, also known as crank-rocker. L2

Example– GRASHOF CONDITION - SOLIDWORKS
Examples of Grashof Criterion for Four-Bar Mechanisms Examples of links, planar joints in SolidWorks

Mecanismo de cuatro barras
ROTABILIDAD Mecanismo de cuatro barras

ROTABILIDAD Nomenclatura El eslabón 1, MN, cuya longitud es a1, se conoce como bastidor, marco o eslabón fijo. El eslabón 2, MA, cuya longitud es a2, se supone el motriz y se conoce como manivela, eslabón de entrada, motriz o conductor. El eslabón 3, AB, cuya longitud es a3, se conoce como eslabón acoplador. El eslabón 4, NB, cuya longitud es a4, se conoce como seguidor, eslabón de salida o conducido.

ROTABILIDAD Dependiendo de la capacidad de rotar de los eslabones motriz y conducido respecto a su eje de rotación, rotabilidad, los mecanismos de cuatro barras se clasifican en: Doble oscilatorio - double rocker - cuando ambos eslabones únicamente pueden oscilar, obviamente, el ángulo de oscilacion es menor a 360◦. Rotatorio oscilatorio - crank rocker - cuando uno de los eslabones motriz o conducido puede rotar, mientras que el otro solamente puede oscilar. Doble rotatorio - double crank - cuando ambos eslabones pueden rotar.

ROTABILIDAD – POSICIONES CRITICAS
La rotabilidad de los eslabones de entrada y salida de un mecanismo, esta íntimamente ligada a la aparición de ciertas posiciones conocidas como posiciones criticas. Existen dos diferentes tipos de posiciones criticas: Posición límite: Una posición límite para el eslabón de salida, en un mecanismo de cuatro barras, ocurre cuando el ángulo interior entre el eslabón acoplador y el de entrada es de 180o o 360o; es decir, las uniones M, A y B están en línea, vea la figura.

ROTABILIDAD – POSICIONES CRITICAS
Posición de puntos muertos: Una posición de puntos muertos para el eslabón de salida, en un mecanismo de cuatro barras, ocurre cuando el ángulo interior entre el eslabón acoplador y el de salida es de 180o o 0o, las uniones A, B y N están en línea, vea la figura.

ANALISIS DE ROTABILIDAD
Excepción del Criterio de Grubler: La primera condición que un mecanismo de 4 barras debe satisfacer es que el mecanismo pueda formarse y moverse, la condición viene dada por: Donde am es la longitud del eslabón más grande y ai es el eslabón del i-esimo eslabón. Si la relación es de igualdad el sistema es una estructura. Si por el contrario, la relación es una desigualdad del tipo >, la cadena no puede cerrarse.

El objetivo de este análisis consiste en determinar las relaciones que deben satisfacer las longitudes de los eslabones de un mecanismo plano de cuatro barras a fin de que el mecanismo sea doble rotatorio; como un subproducto se mostraran las posiciones criticas que se producen cuando los eslabones de entrada o salida solo oscilan. PRIMERAS CONDICIONES: Intuitivamente debe reconocerse que las situaciones más comprometidas ocurren cuando los eslabones de entrada y salida se alinean con el eslabón fijo; primero se analizaran las condiciones que aparecen cuando los eslabones de entrada y salida tratan de extenderse hacia el “exterior”.

Eslabón de Entrada: La primera situación critica para el eslabón de entrada se muestra en la figura. De la desigualdad del triángulo, se tiene (1) Si se satisface esta condición, el eslabón dos podrá tomar la posición θ2 =180o.

Si, por el contrario, se satisface que (2) Se presenta una posición de puntos muertos, un ejemplo de esa posición se muestra en la siguiente figura. El ángulo para el cual ocurre esta posición esta dada por

Como puede observarse, las condiciones (1 y 2) no son excluyentes y cuando se satisfacen ambas se obtiene que

El eslabón de entrada puede tomar la posición θ2=180o; mas sin embargo, se presenta una posición de puntos muertos que al mismo tiempo constituye una posición limite. Esta posibilidad se muestra en la siguiente figura. Esta situación se repetirá en los otros análisis pero en aras de una mayor fluidez, no se volvera a mencionar.

Eslabón de Salida: La primera situación crítica para el eslabón de salida se muestra en la siguiente figura. De la desigualdad del triángulo, se tiene (3) Si se satisface esta condición, el eslabón 4 podrá tomar la posición θ4=0o.

Si, por el contrario, se satisface que (4) Se presenta una posición limite tal como la mostrada en la siguiente figura. El ángulo para el cual ocurre esta posición esta dada por Donde:

A partir de identidades trigonométricas puede probarse que Por lo tanto,

SEGUNDAS CONDICIONES: Las segundas condiciones más comprometidas ocurren cuando los eslabones de entrada y salida tratan de extenderse hacia el “interior” del mecanismo. Es decir, cuando los eslabones de entrada y salida tratan de obtener las posiciones asociadas con θ2=0º y θ4=180º respectivamente. Eslabón de Entrada: Deben distinguirse dos diferentes situaciones: a2 > a1: Considere el mecanismo plano de cuatro barras mostrado en la siguiente figura. La desigualdad del triangulo aplicado a los eslabones 3 y 4 conducen a (5) (6)

a1 > a2: Considere el mecanismo plano de cuatro barras mostrado en la siguiente figura. La desigualdad del triangulo aplicado a los eslabones 3 y 4 conducen a (7) (8)

Las cuatro ecuaciones (5, 6, 7 y 8) pueden resumirse en Si por el contrario, se tiene que Se presenta una posición de puntos muertos, un ejemplo de la cual, cuando a4 > a3, se muestra en la siguiente figura. El ángulo para el cual ocurre esta posición es

Eslabón de Salida: Deben distinguirse dos diferentes situaciones: a1 > a4: Considere el mecanismo plano de cuatro barras mostrado en la siguiente figura. La desigualdad del triangulo aplicado a los eslabones 2 y 3 conducen a

(9) (10) a4 > a1: Considere el mecanismo plano de cuatro barras mostrado en la siguiente figura. La desigualdad del triangulo aplicado a los eslabones 2 y 3 conducen a

(11) (12) Las cuatro ecuaciones (9, 10, 11 y 12) pueden resumirse en

Si por el contrario, se tiene que Se produce una posición limite, semejante a la mostrada en la siguiente figura, esta posición límite ilustra la situación que ocurre cuando a3 > a2. El ángulo para el cual ocurre esta posición es Resumiendo, las condiciones

aseguran la rotabilidad del eslabón 2, que se ha supuesto es el motriz. El incumplimiento de estas condiciones o su cumplimiento en igualdad, conduce a una posición de puntos muertos por cada condición.

Similarmente las condiciones aseguran la rotabilidad del eslabón 4. El incumplimiento de estas condiciones o su cumplimiento en igualdad, conduce a una posición limite por cada relación. Bajo estas condiciones el mecanismo sería: Doble oscilatorio: Cuando sus longitudes no satisfagan alguna o ambas de las condiciones de rotabilidad del eslabón 2 y del eslabón 4.

Oscilatorio rotatorio: Cuando sus longitudes satisfagan ambas condiciones de rotabilidad del eslabón 2 y no satisfagan alguna o ambas del eslabón 4 o viceversa. En el primer caso el eslabón capaz de rotar será el 2 y se presentara al menos una posición limite. En el segundo caso el eslabón capaz de rotar será el 4 y se presentara al menos una posición de puntos muertos. Doble rotatorio: Cuando las cuatro condiciones anteriores se satisfagan.

Application Problems

Example Statement: Considere el mecanismo plano de cuatro barras mostrado en la figura cuyas longitudes son: a1=10; a2=2; a3=8; a4=6. Primeramente se determinara la clase del mecanismo empleando la condición de Grashof. En una segunda etapa, se confirmara este resultado empleando las condiciones de rotabilidad y, adicionalmente, se determinaran las, posibles, posiciones criticas de los eslabones de entrada y de salida. Solution: Grashof Condition S + L < P + Q (2 + 10)<(8+6) 12<14 Class I case, como a2=S es un CRANK-ROCKER

Example Eslabón 2 (entrada)

Example Eslabón 4 (salida)

Example

Homework2  http://facultad. bayamon.inter.edu/omeza/
Omar E. Meza Castillo Ph.D.

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