3. Звенья механизмов

Какой бы сложной ни была машина (механизм), она состоит только из звеньев и кинематических пар.

В современном машиностроении применяются машины и механизмы с абсолютно твердыми (недеформируемыми), упругими, гибкими, жидкими и газообразными звеньями.

К упругим звеньям относят пружины, мембраны и другие элементы, упругая деформация которых вносит существенные изменения в работу механизма.

К гибким звеньям относят ремни, цепи, канаты.

К жидким и газообразным телам (звеньям) относят: масло, воду, газ, воздух и другие подобные среды.

При структурном анализе и синтезе машин и механизмов звенья рассматриваются только как абсолютно твердые (недеформируемые). Поэтому в дальнейшем под звеньями будем понимать только абсолютно жесткие (твердые) тела.

Звенья механизмов разделяют на простые и сложные.

Если звено имеет больше двух элементов кинематических пар, которыми оно присоединяется к другим звеньям механизма, его называют сложным, все остальные звенья считают простыми.

На рис. 1.2 показаны чертежи и условные изображения простого и сложного звеньев.

Рис. 1.2. Звенья механизмов и их условные изображения:

а – простое звено; б – сложное звено

Звенья механизмов разделяют на подвижные и неподвижные.

Неподвижное звено называют стойкой. За стойку принимают то звено, относительно которого изучают законы движения всех других звеньев. Например, в станках это станина, в редукторах  корпус, в автомобилях  шасси или кузов, в самолетах  планер и т.п. Стойка в исследуемом механизме только одна, а подвижных звеньев может быть любое количество.

Подвижные звенья могут совершать простые и сложные движения относительно стойки. В зависимости от характера движения и назначения звенья имеют определенные названия (кривошип, шатун, коромысло, кулиса, ползун, камень, кулачок, зубчатые и фрикционные колеса, рейка и т.п.).

Кривошип  вращающееся звено механизма, которое совершает полный оборот вокруг оси, связанной со стойкой.

Шатун  звено механизма, образующее кинематические пары только с подвижными звеньями.

Коромысло  звено механизма, которое совершает только колебательные движения при неполном обороте вокруг неподвижной оси, связанной со стойкой.

Ползун (толкатель)  звено, образующее поступательную пару со стойкой.

Камень  звено, образующее поступательную пару с кулисой.

Кулиса  подвижное звено механизма, являющееся направляющей для камня.

Кулачок  звено, поверхность которого имеет переменный профиль.

Зубчатое колесо  звено с замкнутой на нем системой выступов, обеспечивающее взаимодействия с соответствующими выступами другого колеса.

Фрикционное колесо  звено, которое осуществляет передачу движения за счет сил трения прижимаемым к нему телам.

Рейка  подвижное звено, у которого два размера значительно меньше третьего. На рейке могут быть нарезаны зубья, в этом случае она называется зубчатой рейкой.

Перечисленные звенья и их условные изображения представлены в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

Основные виды звеньев механизмов

№ п/п	Название	Условное обозначение	Движение	Особенности
1	Стойка		Отсутствует
2	Стойка		Отсутствует
3	Кривошип		Вращательное	Полный оборот

П р о д о л ж е н и е т а б л. 1.1

№ п/п	Название	Условное обозначение	Движение	Особенности
4	Шатун		Сложное	Нет пар, связанных со стойкой
5	Коромысло		Качательное	Неполный оборот
6	Ползун		Возвратно-поступательное	Направляющая неподвижна
7	1 Кулиса 2 Камень		Вращательное, колебательное	Направляющая подвижна
8	1 Кулиса 2 Камень		Сложное	Направляющая подвижна
9	1 Кулиса 2 Камень		Возвратно-по-ступательное	Направляющая подвижна

О к о н ч а н и е т а б л. 1.1

№ п/п	Название	Условное обозначение	Движение	Особенности
10	1 Шток 2 Качаю- щийся ползун		Колебательное вращательное и поступатель-ное	Ползун вра-щается
11	1 Кула- чок 2 Толка- тель		Вращательное, колебательное	Профиль определяет закон движения ведомого звена
12	1 Кула- чок 2 Толка- тель		Возвратно-по-ступательное	Профиль определяет закон движения ведомого звена
13	Зубчатое колесо		Вращательное, качательное	Зубчатый контур
14	Фрикционное колесо		Вращательное, качательное
15	Рейка		Возвратно-поступательное	Может иметь зубчатый контур

Подвижные звенья разделяют: на ведущие, ведомые и соединительные (промежуточные); входные и выходные; начальные.

Ведущим (движущим) называют звено, для которого в данный момент времени сумма элементарных работ приложенных к нему внешних сил является положительной. Ведущее звено движет весь механизм. На разных этапах работы механизма ведущим звеном могут быть разные звенья. Так, например, на фазе сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания (см. рис. 1.1) ведущим звеном будет поршень 6, а на фазе всасывания – кривошип 13, который обычно жестко связан с маховиком.

Ведомым звеном называется звено, для которого в данный момент времени сумма элементарных работ приложенных к нему внешних сил является отрицательной или равна нулю. Аналогично предыдущему в зависимости от назначения машины ведомое звено может быть блуждающим.

Все остальные звенья механизма называются соединительными или промежуточными.

Входным называется звено, движение которого преобразуется в заданные движения других звеньев.

Выходным называется звено, которое совершает требуемое движение, т. е. движение, для получения которого и был создан механизм.

Так, например, если механизм по рис. 1.1 предназначается для выполнения функций компрессора, то кривошип 13 является входным звеном, а поршень 6 выходным. Если этот механизм будет выполнять функции двигателя внутреннего сгорания, то входным звеном в этом случае станет поршень 6, а выходным – кривошип 13.

Обычно механизмы имеют один вход и один выход. Однако бывают механизмы с одним входным звеном и несколькими выходными звеньями -дифференциальные механизмы, а также с несколькими входными звеньями и одним выходным- их называют суммирующими.

Звено, которому при исследовании механизма приписывается обобщенная координата, называется начальным звеном. За начальное звено принимается такое звено, при котором анализ механизма получается проще. В механизме с одной степенью свободы будет одно начальное звено. Если механизм имеет несколько степеней свободы, то он также имеет несколько начальных звеньев. Начальное звено не обязательно является входным, оно может быть любым, даже промежуточным, если с него легче анализировать механизм.

4. Кинематические пары

Связи, налагаемые в механизмах на подвижные звенья, в теории машин и механизмов принято называть кинематическими парами.

Кинематической парой называется подвижное соединение двух звеньев, обеспечивающее их определенное относительное движение.

В табл. 1.2 приведены названия, рисунки, условные обозначения наиболее распространенных на практике кинематических пар, а также произведена их классификация.

Т а б л и ц а 1.2