Nivelnelikulmion toiminta ja mitoittaminen

Abstract

Tämä opinnäytetyö on tehty Tampereen Ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitysosastolle. Työn tarkoituksena oli tutkia nivelnelikulmion toimintaa ja siihen aiheutuvia rasituksia eräälle sovelluskohteelle. Työssä suoritettiin nivelnelikulmion kinematiikan ja kinetiikan laskenta sekä annetun sovelluskohteen suunnittelu ja lujuusopillinen mitoitus niiden avulla.

Opinnäytetyössä selvitettiin nivelnelikulmiosovelluksen toimintaa mekaniikan keinoin. Dynamiikan osuudessa selvitettiin nivelnelikulmion liiketilat jäykän kappaleen kinematiikan avulla. Tästä saatiin tulokseksi kulmien asennot, kulmanopeudet ja kulmakiihtyvyydet. Jäykän kappaleen kinetiikan avulla ratkaistiin eri jäsenien massojen kiihtyvyyksistä aiheutuvat voimat nivelissä ja kiinnityspisteissä.

Liiketilojen selvityksen ja reaktiovoimien ratkaisun jälkeen nivelnelikulmion jäsenet mitoitettiin kestämään kiihtyvyyksistä ja kuormasta aiheutuvat rasitukset. Jäsenien mitoituksen lisäksi työssä piti mitoitettiin jäsenien liitokset ja liitos-osat.

Edellä mainitut laskutoimitukset suoritettiin Mathcad -ohjelmalla. Opinnäytetyössä luotiin myös simulaatiomalli Matlabin SimMechanics -ohjelmalla, jolla mekanismin dynaamista käyttäytymistä voitiin tutkia ja visualisoida. Vertailu osoitti analyyttisten Mathcadilla laskettujen tulosten yhtenevän SimMechanicsilla laskettuihin tuloksiin.

This final thesis has been done for T&K department of Tampere University of Applied Sciences. The purpose of the work was to study a four-bar linkage in operation and the stresses affecting to it in a specific application. During the work, the kinematics and kinetics of the four-bar linkage were solved and, using these results, the planning and strength dimensioning of the given application were conducted.

The functioning of a four-bar linkage was studied using classical theory of mechanics. In the part concerning dynamics, the state of movement of the four-bar linkage was analyzed with the theory of solid body kinematics. The analysis gave results for the angles, angular velocities and angular accelerations of the bars. The reaction force components of the bars as well as forces in joints, caused by the acceleration components and external loads affecting the bodies, were solved using the theory of kinetics for solid bodies.

After kinematic and kinetic analyses for the four-bar linkage, the bars were dimensioned to sustain stresses caused by the reaction forces and the external loads. In addition to dimensioning the bars, the work included the dimensioning of the connection parts in joints.

Abovementioned calculations were implemented with Mathcad -program. Also a simulation model, with which the dynamical behavior of the four-bar linkage could be studied and visualized, was created using Matlab SimMechanics-program. Comparison between the analytic Mathcad results and SimMechanics results indicated excellent congruity, validating the analytical results.