1.Тема №1. Структурный анализ плоского механизма
1.1. Основные понятия
Теория механизмов - наука, изучающая строение, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом.
Механизм - система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.
Механизмы различают по характеру движения звеньев: плоские и пространственные. К плоским относятся механизмы, звенья которых совершают движения в одной плоскости или в параллельных плоскостях. К пространственным относятся механизмы, звенья которых движутся в произвольных (непараллельных) плоскостях.
1.2. Типы механизмов
Кроме того, механизмы следует различать по конструктивным особенностям. Среди них можно выделить три основных типа механизмов:
шарнирно-рычажные механизмы;
кулачковые механизмы;
зубчатые механизмы.
Шарнирно-рычажные механизмы. Это механизмы, звенья которых выполнены в виде стержней (рычагов), соединенных между собой посредством шарниров. В качестве примера можно привести кривошипно-ползунный механизм, лежащий в основе двигателя внутреннего сгорания и других поршневых машин (рис. 1.1).
Он состоит из трех подвижных звеньев 1, 2, 3 и трех шарниров А, В, С; одно неподвижное, принятое за стойку – 4. Соединение ползуна 3 со стойкой осуществляется с помощью неподвижной направляющей АС.
Рычажный механизм называется механизмом, звенья которого образуют только вращательные и поступательные пары.
Рычажный механизм, звенья которого образуют только вращательные кинематические пары, называется шарнирным.
Шарнирный четырехзвенный механизм (рис. 1.2) служит для преобразования одного вида вращательного движения в другое и может быть в зависимости от размеров звеньев кривошипно-коромысловым, двухкривошипным и двухкоромысловым; применяется в прессах и ковочных машинах, качающихся конвейерах, прокатных станах, муфтах сцепления, приборах и т.д.
Рис. 1.2.
На рис. 1.2. звено 1 - кривошип, 2 - шатун, 3 - коромысло, 4 - стойка.
Шарнирный четырехзвенник применяют и для случая, когда одна из его точек должна двигаться по заданной траектории. Например, на рис. 1.3 изображена структурная схема двухкоромыслового механизма портального крана со стрелой 2, точка F, которой на рабочей части своей траектории перемещается по прямой FF'; по характеру движения звенья 1,3- коромысла, 2 - шатун, 4 - стойка.
Рис. 1.3. Рис. 1.4.
Кулисный механизм служит для преобразования одного вида вращательного движения (звена 1) в другое (звена 3 на рис. 1.4) или непрерывного вращательного движения (звена 1) в возвратно-поступательное (звена 5) на рис. 1.5.
Рис. І.5 Рис. І.6
Шестизвенный механизм поперечно-строгального станка, в котором непрерывное вращательное движение входного звена (кривошипа 1) посредством 2, 3, 4 преобразуется в возвратно-поступательное движение выходного звена (ползуна 5 с резцовой головкой); звено 6 - неподвижная часть станка (стойка).
Такие четырех и шестизвенные кулисные механизмы применяют в строгальных и долбежных станках, поршневых насосах и компрессорах, гидроприводах, приборах и т.д. Кулисой обычно называют звено с пазом, по которому перемещается ползун (кулисный камень) 2. Кулиса 3 может быть качающейся, вращающейся, движущейся поступательно.
В гидроприводах широко применяется разновидность кулисного механизма, в котором с камнем заменяет цилиндр 3 с поршнем 2 (рис. 1.6).
Кулачковые механизмы.
Кулачковым механизмом называется механизм, одно из звеньев которого выполнено в виде диска некруглой формы. Такое звено называется кулачком (звено 1 на рисунке).
На рис.1.7 вращательное движение входного звена (кулачка 1) преобразует в возвратно-поступательное движение выходного звена (толкателя 2). Кулачковый механизм состоит: 1 – кулачок, 2 – толкатель, 3 – ролик, 4 – стойка.
Рис.1.7 Рис.1.8
Форма выходного звена кулачка определяет закон движения выходного звена толкателя; ролик применяют с целью уменьшить трение в механизме путем замены трения скольжения в высшей паре на трение качения (рис.1.8). В механизме на рис.1.8: 1 – кулачок, 2 – толкатель коромысловый, (совершающий возвратно-вращательное движение вокруг оси), 3 – ролик, 4 – стойка, 5 – пружина.
Кулачковый механизм с коромысловым (качающимся) роликовым толкателем применяется для привода выхлопного клапана, через который производится очистка цилиндра двигателя дизеля от продуктов сгорания.
Зубчатый механизм.
Зубчатым механизмом называется передаточный механизм, в котором подвижными звеньями 1, 2 являются зубчатые колеса, образующие со стойкой 3 цилиндрические вращательные пары, а между собой высшую кинематическую пару.
В практике часто применяются комбинированные механизмы, состоящие из двух (или более) механизмов различного вида. Например, шарнирно-рычажный с зубчатым и называться он будет соответственно – зубчато-рычажный и т.д.
Кинематическая схема механизма – это графическое изображение последовательности соединения звеньев в кинематические пары с указанием размеров звеньев.
Кинематическая цепь – система звеньев, связанных между собой кинематическими парами. Различают кинематические цепи замкнутые и незамкнутые (разомкнутые).
Незамкнутая кинематическая цепь есть такая цепь, в которой имеется хотя бы одно звено, входящее лишь в одну кинематическую пару.
В приведенной схеме звенья 1 и 4 входят только в одну кинематическую пару. Звено 1 – в пару А, а звено 4 – в пару С в отличие от звеньев 2 и 3, которые входят одновременно в две кинематические пары. Звено 2 – в пары А и В, а звено 3 –в пары В и С.
Замкнутая кинематическая цепь есть такая цепь, в которой все звенья входят как минимум в две кинематические пары (рис. 1.11). Так, звено 1 входит в пары О и А, звено 2 – в пару А и В и т.д.
Если одно из звеньев данной цепи выполнить неподвижным, а остальные звенья заставить двигаться относительно неподвижного звена, то можно сформулировать параллельное более строгое определение механизма.
Итак, механизм есть замкнутая кинематическая цепь, предназначенная для преобразования движения одних звеньев в движение других звеньев.
Каждая подвижная деталь или группа деталей, образующая одну жесткую неподвижную систему тел, называется подвижным звеном механизма.
Все неподвижные детали образуют одну жесткую неподвижную систему тел, называемую неподвижным звеном или стойкой.
Например, станина у любого станка, блок цилиндров у двигателя внутреннего сгорания и т.д.
Таким образом, в любом механизме имеется одно неподвижное звено и одно или несколько неподвижных звеньев.
Подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев называется кинематической парой.
Кинематические пары подразделяются:
по характеру соприкасания звеньев, образующих кинематическую пару;
по числу степеней свободы.
В зависимости от характера соприкасания звеньев, кинематические пары делятся на низшие и высшие.
Низшими называются кинематические пары, в которых соприкасание звеньев происходит по поверхности.
На рис. 1.12 показана вращательная кинематическая пара, в которой соприкасание звеньев происходит по цилиндрической поверхности. Пара допускает вращение одного звена относительно другого.
Рис. 1.12
Элементом кинематической пары является цилиндрическая поверхность. Эта пара на схемах изображена как на рис. 1.13 а, б – условные изображения вращательной кинематической пары.
Рис. 1.13
Поступательная кинематическая пара изображается на схемах как на рис.1.14.
Рис. 1.14
Высшей кинематической парой называется пара, в которой соприкасание звеньев происходит по линии или в точке. Представленная на рис. 1.15 пара, в виде двух соприкасающихся цилиндров, допускает относительное перекатывание, скольжение и поворот одного звена относительно другого.
Рис. 1.15
Кинематические пары подразделяются также по числу степеней свободы.
Степень свободы – возможное простейшее независимое движение, характеризуемое изменением одного параметра (линейной или угловой координаты).
Тело в пространстве имеет шесть степеней свободы (рис. 1.16).
В кинематических парах, соединяющих звенья, наложены ограничения на относительное движение звеньев. Ограничение, отнимающее одну степень свободы, называется связью. В сумме число степеней свободы и число связей равно шести.
По числу степеней свободы в соответствии с предложением В.В. Добровольского все кинематические пары делятся на пять видов:
1. Одноподвижные пары:
а) вращательная пара (рис. 1.17) – допускает одно относительное вращательное движение
Рис.
1.17
б) поступательная пара (рис. 1.18) – допускает одно относительное поступательное движение
Рис. 1.18
в) винтовая пара (рис. 1.19) – допускает одно относительное винтовое движение.
Рис. 1.19
В одноподвижных парах наложено пять связей
2. Двухподвижные пары. Если на рис. 1.12 убрать с вала два выступа, то получим двухподвижную пару. Эта цилиндрическая двухподвижная пара допускает два независимых движения: вращательное и поступательное и на нее наложено четыре связи (рис. 1.20).
Рис. 1.20
3
.
Трехподвижные
пары. Это
плоскостная пара (рис. 1.21), сферический
шарнир
(рис. 1.22).
Рис. 1.21 Рис. 1.22
Трехподвижные пары допускают три независимых движения и на них наложено три связи.
4
.
Четырехподвижные
пары. Допускают
четыре независимых движения и
на них наложено две связи (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Рис. 1.24
Пяти подвижные пары. Допускают пять независимых движений и на них наложена одна связь. Звенья соприкасаются в точке (рис. 1.24).
Одно-, двух-, трехподвижные пары – это низшие кинематические пары. Четырех- и пятиподвижные – это высшие кинематические пары.