УДК 531.8 042.4

БЕК К 412 Я 73-2

В 753

Рецензенти: завідуючий кафедрою Національного аграрного університету, канд.техн.наук, доцент В.Ф.Ярошенко; ст.науковий співробітник Інституту механіки НАН України, канд.техн.наук С.Я.Антонюк

Затверджено на засіданні секції механічного факультету редради КМУЦА 12 грудая 1996 року.

Воронкін М.4., Цимбалюк А. А.

В 753 Основи теорії механізмів і машин: Конспект лекцій,- К.; КМУДА, 2000. - 208 с.

Розглянуті питання структури, кінематики та динаміки ме­ханізмів і машин, викладені принципи структурного аналізу та синтезу механізмів, методи кінематичного дослідження важільних, зубчастих та кулачкових механізмів, розглянуті питання силового розрахунку та методи зрівноваження меха­нізмів і машин. Використані як графічні, так і аналітичні методи аналізу і синтезу.

Призначений для студентів технічних спеціальностей Київського міжнародного університету цивільної авіації очної та заочної форм навчання.

ББК К 412 Я 73-2

М.Ф.Воронкін, А.А.Цимбалюк, 2000

ВСТУП

Механіка - це наука, яка вивчає рух та напружений стан різ­них фізичних об’єктів. Вона ділиться на теоретичну та прикладну, які діалектично зв’язані між собою. В теоретичній механіці вста­новлюються загальні закономірності механіки без зв’язку їх з конкретним застосуванням.

В прикладній механіці вивчається рух та напружений стан ре­альних технічних об'єктів - машин, конструкцій, приладів.

Складовою частиною прикладної механіки є теорія механізмів та машин (ТММ) - наука про загальні методи дослідження власти­востей механізмів та машин і проектування їхніх схем.

В теорії механізмів та машин вказані дослідження проводяться незалежно від конкретного призначення механізму: буде це механізм літального аппарату, автомобіля чи іншої машини. При цьому розглядаються найбільш загальні та суттєві признаки механізму.

Однією з найбільш важливих наукових абстракцій в ТТМ є роз­рахункова схема механізму, яка, якщо вона складена вірно, відоб­ражає загальні властивості механізму ліпше, вірніше та повніше ніж креслення конкретного механізму.

В процесі розвитку техніки зміст понять машини та механіз­му змінювались. Сучасне їхне визначення таке.

Машина - це технічний пристрій, в якому виконується механіч­ні рухи для перетворення енергії, матеріалів та інформації з метою заміни, чи облегшення фізичної та розумової праці людей.

Машини бувають енергетичні, технологічні, транспортні та інформаційні.

В енергетичних машинах має місце перетворення енергії з одного виду в другий (двигун, генератори тощо).

В технологічних машинах змінюється форма, розміри, власти­вості початкових матеріалів (металообробні станки, прокатний стан тощо).

За допомогою транспортних машин здійснюється переміщання ван­тажів, людей та інших об'єктів у просторі з потрібнеє швидкістю (літаки, електровози, ліфти).

Перетворення вхідної інформації для контролю, регулювання та управління рухом здійснюється в інформаційних машинах.

Виконання робочого процесу в машинах зв’язане з виконанням механічних рухів. Носіями механічних рухів, як правило, в різні механізми. Ще зовсім недавно вважали, що механізм може складатися тільки із твердих тіл. Сучасне визначення цього поняття перед­бачає, що в механізм можуть входити також рідини та гази.

Механізм - це є система зв’язаних тіл, яка служить для пе­ретворення рухів одного чи декількох твердих тіл в необхідні ру­хи інших твердих тіл. Якщо у склад механізму крім твердих тіл входять рідини чи газ, то такі механізми називаються відповідно гідравлічними чи пневматичними. Отже, неможливо вважати механіз­мом технічні пристрої, в яких немає перетворення рухів. Наприк­лад, ротор електродвигуна, що обертається в підшипниках. Механіз­ми складають важливішу, хоча і не єдину частину більшості машик. Існує ряд машин, в які не входять механізми. Наприклад, турбіни реактивних двигунів, або технологічні машини, в яких виконуючий орган приводиться в рух від індивідуального електродвигуна чи гідродвигуна без перетворення рухів. Ототожнювати поняття "маши­на” та "механізм" неможливо ще й тому, що до складу машини завж­ди входять допоміжні технічні пристрої, які зв'язані з керуванням механізмів (пуск, зупинка тощо).

Задачі теорії механізмів та машин дуже різноманітні. Най­більш важливими з них є аналіз механізмів та синтез механізмів.

Аналіз механізмів заключається в дослідженні властивостей механізму (кінематичних, дінамічних, структурних) за заданою його схемою.

Синтез механізмів - це проектування схеми механізму і виз­начення його параметрів за заданими властивостями.

У курсі ТММ виділяють такі основні розділи: структура, кіне­матика та динаміка механізмів, причому в кожному з наведених роз­ділів вирішуються як задачі аналізу, так і синтезу.

Значення курсу ТММ для підготовки інженерів, які проектують нові машини і механізми, очевидне, оскільки загальні методи дос­лідження властивостей механізмів, що розглядаяться в цьому курсі, дають можливість конструкторам визначити параметри будь-яких проектувальних машин з необхідними властивостями. Трохи інше зна­чення має цей курс дяя технологічних і експлуатаційних спеціаль­ностей у тому числі і спеціальностей, пов’язаних з експлуатацією та ремонтом аьіаційної техніки. Інженери цього профілю також по­винні знати основні види механізмів, які використовуються в ма­шинобудуванні, та їх властивості.

Ці знання необхідні для ясного розуміння принципів роботи окремих механізмів і їх взаємодії в машинах. У'процесі експлуа­тації будь-якої машини завади можливе виникнення неполадок та відказів у роботі. Ліквідувати ці несправності, дати завдання на модернізацію механізму чи проектуванню: нового може тільки інженер, який добре знає властивості різних механізмів.

1. Структурний аналіз механізмів

1.1. Основні поняття та визначення

Будь-який механізм або машина складається з твердих тіл, рухомо з’єднаних між собою.

Тверде тіло, що входить до складу механізму і рухомо з’єд­нане з іншими тілами, називається ланкою. Так, механізм двигуна внутрішнього сгорання (рис.1.1) складається з таких ланок, як колінчастий вал 1, шатун 2, поршень 3, циліндр 4. У цьому меха­нізмі обернено-постулальний рух ланки 3 (поршня) перетворюється в обертальний рух ланки 1 (колінчастого вала).З таких же ланок складається і механізм авіаційного повітряного компресора, приз­наченого для стискання повітря та подачі його в повітряну систе­му літака. Але в компресорові обертальний рух колінчастого вала перетворюється у обернено-постулальний рух поршня.

Ланка може складатись з однієї або кількох деталей. Деталлю називається тверде тіло, що входить до складу ланки. Деталь виготовляють без скадальних операцій. Наприклад, ланка 2 (шатун двигуна) складається із тіла шатуна, запресованої в нього втул­ки, кришки шатуна, болтів із шайбами та шплінтами. Але всі ці деталі жорстко з’єднані між собою І рухаються ж одне тверде ті­ло. Точно так циліндр І, картер і інші деталі, що жорстко з’єд­нані з циліндром або картером, утворюють одну ланку (ланку І).

Ланки бувають рухомі та нерухомі. У стаціонарних машинах корпус двигуна разом а циліндром і і поний деталями є дійсно не­рухомою ланкою. У рухомих машинах, наприклад, у двигуна автомо­біля або літака, нерухомою ланкою вважається картер І Інші дета­лі, що постійно зв'язані з корпусом автомобіля або літака. Неру­хома ланка механізму називається стояком. Огже, корпус двигуна та інші деталі, що жорстко зв’язані з ним, утворюють одну нерухому ланку, або стояк. Всі ншіі ланки, по рухаються відносні стояк*, або одна відносно іншої, називаються рухомими. У двигу­на внутрішнього згоряння рухомими ланками е колінчастий вал І, шатун 2, поршень 3; нерухома ланка - корпус двигуна (ланка 4).

Таким чином у будь-якому механізмі або машині завжди маємо одну нерухому ланку та сущу або кілька рухомих ланок.

а б

Рис. 1.1. Механізм двигуна внутрішнього згорання (а) та його схема (б)

1 – колінчастий вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – циліндр; 5 – кулачок;

6 - клапан

Із рухомих ланок виділяють вхідні та вихідні ланки.

Вхідною (входом) називають ланку, якій надається рух, що перет­ворюється механізмом у потрібний рух інших ланок.

Вихідною (виходом) називають ланку, яка здійснює рух, для виконання якого призначений механізм Решту рухомих ланок механізму називають з’єднуючими, або проміжними.

Як правило, у механізмі є один вхід та один вихід. Вхідна ланка отримує рух від двигуна, а вихідна ланка зв’язана з робо­чим виконавчим органом машини. Але є механізми, в яких с декіль­ка вхідних і вихідних ланок. Наприклад, в автомобільному дифе­ренціалі один вхід, який отримує рух від двигуна, та два виходи, які з’єднані із задніми колесами.

У динаміці механізмів і машин рухомі ланки ще ділять на ве­дучі та ведені.

Ведучою називають таку ланку, для якої елементарна робота зовнішніх сил, що прикладаються до неї, додатна.

Веденою називають ланку, для якої елементарна робота зов­нішніх сил, що прикладені до неї, від'ємна.

У деяких механізмів вхідна ланка на окремих ділянках руху може бути то ведучою, то веденою. Так само і вихідна ланка на окремих ділянках руху в залежності від співвідношення сил, що діють на ланку механізму, може бути то веденою, то ведучою.

У механізмах і машинах ланки з’єднуються одна з одною так, що завади забезпечується можливість їхнього відносного руху. Ру­хоме з’єднання двох ланок, які стикаються, називаються кінематичною парою.

У механізмі двигуна внутрішнього згорання (рис.1.1) колін­частий вал 1 і стояк 4 утворюють кінематичну пару. Ця пара до­пускає лише один обертальний рух ланки 1 відносно ланки 4. Така кінематична пара називається обертальною. Колінчастий вал І і шатун 2 також утворюють обертальну кінематичну пару, бо вона допускає лише один обертальний рух однієї ланки (наприклад, ша­туна) відносно іншої ланки (колінчастого вала). Так само шатун 2 та поршень 3 утворюють обертальну кінематичну пару, бо вона до­пускає лише один обертальний рух, наприклад, шатуна відносно поршня. Але поршень 3 та циліндр 4. утворюють поступальну кінематиичну пару, бо вона допускає лише один поступальний рух поршня відносно стояка.

Характер відносного руху ланок визначається формою елемен­тів ланок, якими вони стикаються. Сукупність поверхонь, ліній або точок, які належать ланкам і які стикаються при відносному русі ланок, називають елементами кінематичних пар.