Основные понятия и определения теории механизмов и машин

Энергетической машиной называется машина для преобразования энергии. К ним относятся двигатели и генераторы.

Двигатели преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).

Генераторы преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).

Рабочая машина предназначена для преобразования материалов, причем транспортная машина преобразует материал только путем изменения положения объекта, а технологическая - форму, свойства и положение материала или объекта.

Информационная машина служит для получения и преобразования информации.

Контрольно-управляющая машина преобразует информацию с целью управления энергетическими или рабочими машинами, а математическая машина - с целью получения математических образов, соответствующих свойствам объекта.

Математическая машины преобразует входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Кибернетическая машина имитирует или заменяет человека в процессах деятельности, присущих только ему или объектам живой природы, и обладает элементами искусственного интеллекта.

Виды существующих машин показаны на схеме (рис. 1.3).

Машина

Кибернетическая

Информационная

Рабочая

Энергетическая

Математическая Технологическая Генератор

Контрольно-управляющая Транспортная Двигатель

Рисунок 1.3 – Схема существующих машин

Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких машин, соединенных последовательно или параллельно, и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций (рис. 1.4).

Передаточная машина (ПМ)

Рабочая машина (РМ)

Двигатель (Д)

Контрольно-управляющая машина (Р)

Рисунок 1.4 – Схема машинного агрегата

В состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм (их может быть несколько или не быть совсем) и рабочая (или энергетическая) машина. В состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины.

Устройство для приведения в действие машины (Д + ПМ + Р) называется приводом.

Составные элементы машин

Для машины, представляющей собой механическую систему, функциональными элементами могут быть: деталь, звено, группа, узел, простой или типовой механизм.

Деталь - элемент конструкции не имеющий в своем составе внутренних связей (состоящий из одного твердого тела).

Звено - твердое тело, или система жестко связанных твердых тел (может состоять из одной или нескольких деталей), входящее в состав механизма и совершающее особое относительное движение по отношению к другим телам.

Основные виды звеньев: стойка, кривошип, коромысло, ползун, кулиса, кулачок, зубчатое колесо. Кроме перечисленных жестких звеньев, в механизмах применяют гибкие (цепи, ремни), упругие (пружины, мембраны) звенья, а также жидкие и газообразные (масло, вода, газ, воздух и т.д.).

Стойка - звено, которое при исследовании механизма принимается за неподвижное (корпус механизма). Движение остальных звеньев механизма относительно стойки, считается условно-неподвижным.

Узел - несколько деталей связанных между собой функционально, конструктивно или каким-либо другим образом.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение называется кинематической парой.

Кинематическая цепь - система звеньев, образующих между собой кинематические пары.

Группа - кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев, связанных между собой кинематическими парами (отношениями), и удовлетворяющая некоторым заданным условиям.

Механические соединения могут быть подвижными (кинематические пары) и неподвижными. Неподвижные соединения делятся на разъемные (винтовые, штифтовые) и неразъемные (сварные, клеевые).

Составной частью любой машины является механизм.

Механизмом называется система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемое движение других твердых тел. Главное назначение создаваемого механизма - осуществление технической операции в результате движения его элементов.

Число степеней свободы или подвижность механизма - число независимых обобщенных координат, однозначно определяющее положение всех его звеньев на плоскости или в пространстве.

Звенья различают входные (ведущие), выходные (ведомые) и промежуточные. Входное звено - это звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение других звеньев. Выходное звено - это звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен данный механизм. Звенья обозначают цифрами, причем нумерация ведется от ведущего звена, а стойке присваивается «ноль».

Кинематические пары (табл. 1.1) обозначают заглавными латинскими буквами (A,B,C,D и т.д.).

Кинематическая схема механизма – чертеж механизма в выбранном масштабе с соблюдением условных обозначений звеньев и кинематических пар.

Различают высшие и низшие кинематические пары.

Высшая кинематическая пара – звенья соприкасаются по линии или в точке.

Низшая кинематическая пара – звенья соприкасаются по поверхностям (цилиндрический или шаровой шарниры, ползун и кулиса)

Высшие пары изнашиваются сильнее, чем низшие, так как чем больше поверхности, тем меньше удельное давление (давление на единицу площади).

Таблица 1.1 - Основные виды кинематических пар

Число степеней свободы (подвижность) кинематической пары (Н) – число независимых координат, необходимых для описания относительного положения звеньев кинематических пар. Известно, что свободно движущееся в пространстве тело имеет шесть степеней свободы – шесть движений (три поступательных, три вращательных).

Число условий связи S, наложенных на относительное движение звена кинематической пары может изменяться в пределах 1 ≤ S ≤ 5.

Различают одно-, двух-, трех, четырех- и пятиподвижные кинематические пары. Следовательно, имеет место соотноше­ние H = 6 – S.

Число уравнений связей принимают за номер класса (I…V).

На рисунке 1.5 изображены одноподвижные пары (кинематические пары V класса).

а) б) в)

Рисунок 1.5 - Одноподвижные кинематические пары V класса

На рисунке 1.5 а – вращательная пара (цилиндрический шарнир), в которой наложены пять условий связи, т.е. исключены все движения, кроме вращательного. В поступательной паре (рис. 1.5 б) наложено пять условий связи: исключены все движения, кроме одного поступательного. В винтовой паре (рис. 1.5. в) наложено пять условий связи: исключены все движения, кро­ме поступательного.

На рисунке 1.6 изображены пары двух-, трех-, четырех-, и пятиподвижные (соответственно кинематические пары IV, III, II и I классов).

а) б) в) г)

Рисунок 1.6 – Кинематические пары IV, III, II и I классов

Пара двуподвижная (рис. 1.6 а) - втулка на валике. Наложено четыре условия связи, исключе­ны поступательные и вращательные движения вдоль осей О_Х и О_Z.

Пара трехподвижная (рис. 1.6 б) - шаровой цилиндр. Наложено три условия связи: исключены поступательные движения вдоль всех трёх осей.

Пара четырехподвижная (рис. 1.6 в) - цилиндр на плоскости. Наложено два усло­вия связи: исключено поступательное движение вдоль оси O_Z и вращательное вокруг оси O_X.

Пара пятиподвижная (рис. 1.6 г) - шар на плоскости. Наложено одно условие связи: исключено поступательное движение вдоль оси O_Z.

По характеру сопряжения различают кинематические пары с силовым замыканием (соприкосновение звеньев обеспечивается действием какой - либо силы, например, веса или пружины) и кинематическим (постоянный контакт звеньев достигается за счет конструктивной формы элементов).

Группа Ассура – кинематическая цепь, присоединение которой к механизму или ее отсоединение образует механизм, имеющий подвижность, равную подвижности исходного механизма, не разделяемая на другие цепи с теми же свойствами.

В зависимости от характера относительного движения звеньев кинематические пары подразделяют на поступательные, вращательные, винтовые, цилиндрические, сферические, плоскостные.

Т аблице 1.2 - Основные типы звеньев механизмов

П родолжение таблицы 1.2