Тема 3.10. Общие сведения о некоторых механизмах.

3.10.1. Основные определения составных частей механизмов.

3.10.2. Классификация кинематических пар.

3.10.3. Рычажные механизмы возвратно - поступательного и колебательного движения.

3.10.4. Кулачковые механизмы.

3.10.5. Мальтийские механизмы.

3.10.6. Храповые механизмы.

В курсе детали машин вместо термина «тело», используемого в теоретической механике, принят термин «звено». Звенья в за­висимости от вида их материалов могут быть твердые и гибкие.

Твердым звеном называется деталь или совокупность деталей механизма, соединенных между собой неподвижно. Гибкие звенья (цепи, ролики, тросы и др.) отличаются изменением своей формы вследствие относительной непод­вижности их частей или частиц. Звенья могут состоять из одной или нескольких жестко связанных между собой деталей. Подвижные детали или группы деталей, обра­зующие одну жесткую неподвиж­ную систему, называют подвиж­ными звеньями.

Механизм игловодителя швей­ной машины состоит из четырех зве­ньев. Звено 1, которое может со­вершать вращение на полный оборот, называют кривошипом; звено 2, совершающее сложное движение, — шатуном; звено 3 (игла, перемещающаяся поступательно) — ползуном. Неподвижное звено (корпусная деталь машины) 4 называется стойкой. Рассмотренный механизм называют кривошипно-шатунным. Это — самый распро­страненный четырехзвенный механизм, применяемый в современной технике.

Независимо от формы конструкций кинематическая схема кривошипно-шатунных механизмов изображается одинаково. Определенность движения механизма обеспечивается по­следовательным соединением звеньев в кинематические пары, а ки­нематических пар — в цепи.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, образует кинематическую пару. Относи­тельное движение звеньев может быть вращательным и поступа­тельным. Так, кривошип 1 и шатун 2 образуют кинематическую пару с вращательным движением; ползун 3 и стой­ка 4 — пару с поступательным движением.

Звенья, к которым приложены силы, приводящие механизмы в движение, называют ведущими; звенья, получающие движение, для выполнения которого предназначен механизм, называют ве­домыми. Иногда ведомые звенья называют рабочими или исполни­тельными. В рассматриваемом примере ползун 3 и шатун 2 составляют ведущее звено, а кривошип 1, жестко соеди­ненный с валом — ведомое (рабочее) звено.

Поверхности, линии, точки звена, по которым оно может сопри­касаться с другим звеном кинематической пары, называются элементами звена кинематической пары.

Если элементы звеньев механизма движутся параллельно одной неподвижной плоскости, то механизм называют плоским. Механизм называют пространственным, если точки его звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях. В настоящем курсе рассматриваются в основном плоские механизмы.

3 .10.2. Кинематические пары отличаются следующими признаками: чис­лом простейших относительных движений, которых звенья лишают­ся при соединении их в кинематические пары; видом элементов ки­нематических пар; свойством обрати­мости; видом относительного движе­ния звеньев.

Любое перемещение свободного тела в пространстве можно рассмат­ривать как совокупность шести не­зависимых друг от друга движений: трех поступательных движений па­раллельно осям координат x, y, z и трех вращательных движений отно­сительно осей, параллельных осям x, y, z.

Допустим, что два звена соеди­нены неподвижно и образуют кине­матическую пару. В этом случае эти звенья уже нельзя счи­тать свободными, так как их соединение налагает определенные условия связи. В зависимости от вида соединения одно из звеньев сможет совершать одно, два, три, четыре или пять движений отно­сительно другого звена из шести движений, перечисленных выше. Это же обстоятельство можно сформулировать так: из шеста воз­можных движений одного из звеньев кинематической пары отно­сительно другого звена этой же пары обязательно будет исключено пять, четыре, три, два или одно движение. В соответ­ствии с изложенным И. И. Артоболевский разделяет кинематиче­ские пары на пять классов, причем класс пары определяется ко­личеством отнятых свобод (количеством потерянных простейших относительных движений звеньев кинематической пары). Если оста­лась не уничтоженной одна степень свободы, то пару относят к I ро­ду, при двух оставшихся степенях свободы — ко II роду и т. д. В дальнейшем на схемах и таблицах род (класс) кинематической пары обозначается римскими цифрами I, II и т. д.

В таблице 1 приведены примеры кинематических пар всех пяти классов, прямыми или круговыми стрелками показаны возможные перемещения, сохраняемые звеньями после образования пары. В современных механизмах применяют преимущественно кинемати­ческие пары III, IV, V классов. При изучении механизмов, поль­зуясь условными изображениями наиболее распространенных ки­нематических пар, их представляют на чертеже в виде структурной кинематической схемы. Структурной схемой механизма называется графическое изображение механизма, по­зволяющее установить количество его звеньев, виды кинематиче­ских пар и их взаимное расположение. Кинематическая схема ме­ханизма отличается от структурной тем, что в ней указаны размеры, необходимые для кинематического расчета механизма. Таким образом, чтобы выполнить кинематическое и силовое исследование ме­ханизма, необходимо составить его кинематическую схему.

В зависимости от вида элементов кинематических пар разли­чают: низшие кинематические пары, элементами которых являются поверхности, и высшие, элементами которых яв­ляются точки или линии. Низшими кинематически­ми парами являются: вин­товая, вращательная, по­ступательная, шаровая.

Так как звенья низших кинематических пар сопри­касаются по поверхности, то удельное давление в них меньше, чем в высших. По­этому низшие пары мень­ше, чем высшие, подвер­жены износу и позволяют, при прочих равных усло­виях, передавать значи­тельные нагрузки от одного звена к другому. Нагру­зочная способность высших кинематических пар сравнительно невелика, поскольку усилия в ней передаются через малые контактные площадки, возни­кающие в местах соприкосновения звеньев под воздействием на­грузок. Однако эти пары оказываются более рациональными в от­ношении потерь мощности на преодоление трения ввиду того, что трение скольжения в них полностью или частично можно заменить трением качения.

В целом высшие кинематические пары позволяют получать бо­лее разнообразные законы движения их звеньев, чем низшие.

Кинематические пары по своим свойствам делятся на обратимые и необратимые. Свойство обратимости состоит в том, что при закреплении любого из звеньев, образующих кинематическую пару; вид траектории, описываемой точкой другого звена, не меняется. Рассмотрим кинематическую пару, состоящую из винта и гайки. Пусть в этой паре неподвижным звеном является винт, а подвижным гайка. Траектория любой точки при движении гайки будет описы­вать винтовую линию. Теперь обратим движение, т. е. сделаем подвижным винт, а неподвижным — гайку. И в этом случае любая точка винта также будет описывать винтовую линию. Аналогич­ными, свойствами обладает и поступательная кинематическая пара.

3.10.3. Для систематизированного изучения всего многообразия меха­низмов, используемых в современных машинах и приборах, обра­тимся к так называемой практической классификации, которая в общих чертах учитывает, основные кинематические свойства и конструктивные особенности механизмов, а в некоторых случаях и их функциональное назначение.

Согласно этой классификации механизмы можно разделить на пять основных видов:

• рычажные;

• кулачковые;

• фрикционные;

• с за­цеплением (зубчатые, винтовые, червячные);

• с гибкими звеньями.

• составные или комбинированные механизмы, представляющие собой те или иные сочетания механизмов указанных выше пяти видов.

В предыдущих темах настоящего раздела достаточно подробно изложены сведения о фрикционных, зубчатых, винтовых и червячных механизмах, а также механизмах с гибкими звеньями. Ниже остановимся на рычажных, кулачковых и некоторых комби­нированных механизмах.

Среди рычажных механизмов возвратно-поступательного и колебатель­ного движения значительное распро­странение получили плоские кривошипно-шатунные и кривошипно-кулисные механизмы.

Н а рис. 3.10.3 показаны схемы двух разновидностей кривошипно-шатунных механизмов:

А) кривоишпно-ползунный механизм, преобразующий вращательное движения звена 1 в возвратно-поступательное движение звена 3 или наоборот ( 1 - кривошип; 3 — ползун); для уменьшение давления на направляющую линию движения ползуна смещают так, чтобы она не проходила через центр вращения кривошипа.

Б) кривошипно-коромысловый механизм, преобра­зующий вращательное движение кривошипа 1 в возвратно-вращательное движение звена 3 или наоборот. Качающееся звено 3 называют коромыслом или балансиром.

К ривошипно-коромысловые механизмы, как и кривошипно-ползунные, находят весьма широкое применение в технике. На рис. 3.10.4 представлен кривошипно-коромысловый ме­ханизм подъёмно-качающегося стола листо­прокатного стана. Этот механизм состоит из четырех звеньев, которые соединены шарнирно. Вращательное движение кривошипа 1 преобразуется во вращательно-возвратное движение звена 3, выполняющего функцию качающегося стола. В отличие от звена 1 звено 3 не может совершать вращение на полный оборот и называется коромыслом. Звено 2 — шатуном, 4 — стойкой.

Механизм, выполненный по схеме рис. 3.10.3. Б, называют шарнирным четырех-звенником. Его разновидностями являют­ся кривошипно-кулисные механизмы, представленные на рис. 3.10.5. Звено 3 этих механизмов, представляющее собой подвижную на­правляющую для звена 2, называют кулисой, а звено 2 — кулисным камнем.

Е сли в кривошипно-кулисном механизме (рис, 3.10.5, А) длина стойки больше длины кривошипа , то вращательное движение кривошипа 1 преобразуется в возвратно-вращательное движение кулисы 3. Механизм с вращающейся кулисой (рис.3.10.5,Б) получается в том случае, если . В этом механизме при равно­мерном вращении кривошипа 1 кулиса 3 вращается с переменной угловой скоростью. Для того чтобы звено 1 являлось кривошипом, т.е. могло совершить полный оборот вокруг центра вращения, длины звеньев механизма должны удовлетворять определенным условиям. На рис. 3.10.5, В показан кривошипно-кулисный меха­низм с поступательно движущейся кулисой 3. Ведущим звеном в шарнирном четырехзвеннике может быть любое его подвижное звено (в зависимости от назначения).

Четырехзвенные рычажные (шарнирные) механизмы широко при­меняют, когда нужно осуществить непрерывное вращение или воз­вратно-вращательное движение ведомого звена. Эти, механизмы встречаются в поперечно-строгальных и долбежных станках, поли­графических и текстильных машинах, качающихся конвейерах и камнедробилках, летучих ножницах прокатных станов, мёханизмах муфт сцепления автомобилей и тракторов и многих приборах.

3.10.4. Кулачковый механизм представляет собой меха­низм, высшая пара которого образована звеньями, называемыми — кулачок и голкатель. Они различаются формой своих элементов.

Рис. 3.110.

Форма элемента толкателя может быть принята произвольной, а форму элемента кулачка выбирают такой, чтобы при заданном элементе толкателя, обеспечить требуемый закон движения ведомого звена.

Кулачковые механизмы находят широкое применение, особен­но в приборах и машинах автоматического действия. Они предназна­чены для преобразования вращательного или возвратно-поступа­тельного движения ведущего звена в возвратно-поступательное или возвратно-вращательное движение ведомого звена с остановками последнего заданной продолжительности.

В наиболее простом конструктивном исполнении кулачковый механизм состоит из трех звеньев, которые образуют между собой две низшие кинематические пары V класса и одну высшую — IV класса.

В едущим звеном механизма, как правило, является кулачок 1. В зависимости от вида движения звено 2 называется либо толкателем, если оно совершает возвратно-поступательное движение (рис. 3.10.6, А,Б,Г), либо коромыслом, если его движение возвратно-щащательное (рис. 3.10.6, В). Кулачковый механизм, ось движения толкателя которого проходит через центр вращения кулачка, называют центральным (рис. 3.10.6, А), в противном случае — внецентренным (рис. 3.10.6, Г). Введение эксцентриситета приводит, при прочих равных условиях, к снижению бокового давления толкателя на направляющие и к уменьшению размеров механизма. В большинстве кулачковых механизмов силовое замыкание высшей пары осуществляется посредством пружины 5 (рис. 3.10.7, А), прижимающей толкатель к кулачку. Реже встречаются механизмы с геометрически замкнутыми высшими парами, например, с пазовым кулачком (рис. 3.10.7,Б и 3.10.8). Кулачковый механизм может быть однократного действия (см. рис. 3.10.7, Б) и многократ­ного, властности двукратного действия (рис. 3.10.7, А). В последнем случае за время одного оборота кулачка толкатель совершает два полных хода.

В технике находят применение также пространственные кулач­ковые механизмы. Например, в механизме, показанном на рис. 3.10.8, А, вращательное движение кулачка преобразуется в возврат­но-вращательное движение коромысла, причем оси указанных звеньев представляют собой скрещивающиеся прямые. На рис. 3.10.8, Б показан пространственный кулачковый механизм с двумя толкателями. Однопазовый кулачок 9, вращаясь, передает возвратно-поступательное движение толкателям 4 и 6 в противоположных направлениях. Ползуны толкателей 2 и 8 расположены в противо­положных направляющих 3 и 7 и соединены с кулачком посредством роликов 1 и 5.

И спользуются кулачковые механизмы с различными комби­нациями вариантов кулачка и толкателя. Закон движения толкателя зависит исключительно от формы элементов кулачка и толкателя (ролика). Соответствующий подбор формы элемента кулачка позволяет реализовать практически почти любой требуемый закон движения ведомого звена или объекта (толкателя). Это основ­ное достоинство кулачковых механизмов позволяет очень широко использовать их в распределительных устройствах станков и их оснастки, многопозиционных автоматах , по обработке металлов, двигателя внут­реннего сгорания, муфтах специального назначения и других изделиях машино- и приборостроения.

Современные механические машины имеют весьма сложные разветвленные кинематические цепи. Однако в боль­шинстве случаев они образуются путем параллельного или последовательного соединения простейших цепей. Так, на­пример, на рис. 3.10.9 представлена структурная схема кривошипно-ползунного механизма и клапанного распреде­ления одноцилиндрового дизеля. Здесь распределительный вал с кулачками 4 и 4' связан с главным кривошипным валом особой передачей, обеспечиваю­щей . Поэтому каждому положению главного вала соответствует вполне определенное по­ложение клапанов 5 и 5', управляющих поступлением горючей смеси и продувкой цилиндра. Полный цикл совершается за два оборота главного кривошипа 1.

3 .10.5. Мальтийские механизмы преобразуют непрерывное вращение ведуще­го звена в прерывистое — ведомого. Проследим за работой маль­тийского механизма на примере рис. 3.10.10, А. Кривошип 1 с цев­кой В совершает непрерывное вращательное движение. При этом цевка В без удара входит в радиальный паз креста 2 и поворачивает его на угол ( — число пазов креста). За один оборот ведомого вала крест 2 четыре раза поворачивается на 1/4 оборота и 4 раза останавливается.

Н а рис. 3.10.10,Б — мальтийский механизм, состоящий из ве­дущего диска 2 с двумя цевками 3 и четырехпазовой звездочкой 1. Время покоя и движения — одинаковое. На рис. 3.10.10, В — восьми-прорезной мальтийский крест. Ведущий диск 1 за один оборот поворачивает крест 2 на угол .

3.10.6. Храповые механизмы (рис. 3.10.11) служат для преобразования возвратно-вращательного движения в прерывистое вращательное движение одного направления.

На рис. 3.10.11, А ведущее коромысло 1 с собачкой 2 постепенно поворачивает храповое колесо 3. Собачка 4 не дает колесу вра­щаться в обратную сторону. Высшая пара здесь образована собач­кой 2 и храповым колесом 5.

На рис. 3.10.11, Б представлен храповой механизм для автома­тического останова. На ведомом валу 7 заклинено храповое колесо 5, а на втулку 8, свободно вращающуюся относительно вала, посажено вспомогательное храповое колесо 4, изготовленное как одно целее со щитком 2, перекрывающим три зуба колеса 5. С помощью рычага 5 приводятся в движение собачки 1 и 6. Остановка храпового ко­леса 5, а следовательно, и вала 7 происходит на время перекрытия щитком зубьев колеса 5. Движение возобновится после того, как собачка 6 переместит вспомогательное храповое колесо 4 за пределы области зацепления собачки 1 с колесом 5.

На рис. 3.10.11, В изображен храповой механизм ручного реечного пресса. На ведущем валу заклинен рычаг 1, несущий ось собачки 5, и палец 2, на который насажена рукоятка 4, снабженная -об­разным пазом, охватывающим закрепленный в станине палец 3. Передача движения от рукоятки на ведомый вал 6 получается двухступенчатой, с большим передаточным отношением. Рукоятка 4, опираясь на палец 3, передает усилие через палец 2 на конец рычага 1, воздействующий через храповой механизм на ведо­мый вал.

Мальтийские и храповые механизмы широко применяются в стан­ках, приборах и других устройствах.