30. Теория механизмов и машин. Основы динамики механизмов и машин. Механическая система твердых тел.

Создание новых машин, приборов, установок, автоматических устройств и комплексов, отвечающих современным требованиям эффективности, точности, надежности и экономичности, основано на достижениях фундаментальных и прикладных наук.

ТЕОРИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ — наука, изучающая общие методы структурного и динамического анализа и синтеза различных механизмов, механику машин. Важно подчеркнуть, что излагаемые в теории механизмов и машин методы пригодны для проектирования любого механизма и не зависят от его технического назначения, а также физической природы рабочего процесса машины.

Курс теории механизмов и машин по существу является вводным в специальность будущего инженера и поэтому имеет инженерную направленность, в нем широко используется современный математический аппарат и изучаются практические приемы решения задач анализа и синтеза механизмов — аналитические с применением ЭВМ, графические и графоаналитические.

Машина - устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. В процессе обработки в технологических машинах (металлообрабатывающие станки и комплексы, кузнечно-прессовое оборудование, прокатные станы, литейное оборудование и т. п.) изменяются форма, размеры, свойства, состояние исходных материалов и заготовок. С помощью транспортных машин и устройств происходит перемещение грузов, инструментов, людей и другихобъектов в пространстве с требуемой скоростью. С.помощью энергетических машин преобразуется энергия. В информационных машинах происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования и управления движением.

Машина осуществляет свой рабочий процесс посредством выполнения закономерных механических движений. Носителем этих движений является механизм. Следовательно, механизм — система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся определенным, требуемым образом относительно одного из них, принятого за неподвижное. Очень многие механизмы выполняют функцию преобразования механического движения твердых тел.

Рассмотрим силы и пары сил, приложенные к механизму машины. Их можно разделить на следующие группы.

1. Движущие силы и моменты, совершающие положительную работу за время своего действия или за один цикл, если они изменяются периодически. Эти силы и моменты приложены к звеньям механизма, которые называют ведущими.

2. Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работу за время своего действия или за один цикл. Эти силы и моменты делятся, во-первых, на силы и моменты полезного сопротивления, которые совершают требуемую от машины работу и приложены к звеньям, называемым ведомыми, и, во-вторых, на силы и моменты сопротивления среды (газа, жидкости), в которой движутся звенья механизма. Силы сопротивления среды обычно малы по сравнению с другими силами, поэтому в дальнейшем они учитываться не будут, а силы и моменты полезного сопротивления будут называться просто силами и моментами сопротивления.

3.Силы тяжести подвижных звеньев и силы упругости пружин. На отдельных участках движения механизма эти силы могут совершать как положительную, так и отрицательную работу. Однако за полный кинематический цикл работа этих сил равна нулю, так как точки их приложения движутся циклически.

4. Силы и моменты, приложенные к корпусу машины (т. е. стойке) и звене. К ним помимо силы тяжести корпуса относятся реакция основания (фундамента) машины на ее корпус и многие другие силы. Все эти силы и моменты, поскольку они приложены к неподвижному корпусу (стойке), работы не совершают.

5. Силы взаимодействия между звеньями механизма, т. е. силы, действующие в его кинематических парах. Эти силы, согласно третьему закону Ньютона, всегда взаимообратны. Их нормальные составляющие работы не совершают, а касательные составляющие, т. е. силы трения, работу совершают, причем работа силы трения на относительном перемещении звеньев кинематической пары отрицательна.

Силы и моменты первых трех групп относятся к категории активных. Обычно они известны или могут быть оценены. Все эти силы и моменты приложены к механизму извне, а поэтому являются внешними. К числу внешних относятся также и все силы и моменты 4-й группы. Однако не все они являются активными.

Силы 5-й группы, если рассматривать механизм в целом, не выделяя отдельных его частей, являются внутренними. Эти силы представляют собой реакции на действие активных сил. Реакцией будет также и сила (или момент), с которой основание (фундамент) машины действует на ее корпус (т. е. на стойку механизма). Реакции наперед неизвестны. Они зависят от активных сил и моментов и от ускорений звеньев механизма.

Наибольшее влияние на закон движения механизма оказывают движущие силы и моменты, а также силы и моменты сопротивления. Их физическая природа, величина и характер действия определяются рабочим процессом машины или прибора, в которых использован рассматриваемый механизм. В большинстве случаев эти силы и моменты не остаются постоянными, а изменяют свою величину при изменении положения звеньев механизма или их скорости. Эти функциональные зависимости, представленные графически, или массивом чисел, или аналитически, носят название механических характеристик и при решении задач являются известными.

В основе классификации механизмов лежат качественные и количественные характеристики строения механизма и его движения.

Наиболее распространены следующие классификации.

По геометрическим и конструктивным признакам:

1) рычажные, звенья 1, 2, 3, 4, ... образуют только вращательные, поступательные, цилиндрические или сферические пары А, В, С, ..., Е;

2) зубчатые, в которых зубчатые колеса 1, 2,образуют со стойкой или водилом вращательные или поступательные пары;

3) кулачковые, в состав которых входит кулачок 1, имеющий рабочую поверхность переменной кривизны, выходное звено (толкатель) 2 с роликом 3, образующий высшую пару;

4) винтовые, содержащие винтовую пару (гайку и винт);

5) фрикционные, в которых передача движения осуществляется благодаря силам трения между элементами пары;

6) механизмы с гибкими звеньями (типа гибкой нерастяжимой нити);

7) механизмы с упругими звеньями, деформация которых влияет на движение механизма;

8) механизмы с переменной структурой;

9) механизмы с остановками выходного звена, например мальтийский, храповой;

10) комбинированные механизмы;

11) гидравлические механизмы;

12) пневматические механизмы;

13) механизмы с электромагнитными элементами;

14) механизмы с электронными элементами.

По функциональному назначению и кинематической передаточной функции скорости исполнительного звена:

1) механизмы с постоянным передаточным отношением (зубчатые, ременные, цепные, канатные, червячные, фрикционные передачи и др.);

2) механизмы со ступенчато изменяющимся передаточным отношением (коробки перемены скоростей, ступенчатая ременная передача, ступенчатая цепная передача и др.);

3) механизмы для сообщения исполнительному органу возвратно-поступательного движения с постоянной скоростью;

4) механизмы для сообщения исполнительному органу движения с увеличенной средней скоростью вспомогательного хода по отношению к рабочему ходу;

5) механизмы с регулируемым ходом исполнительного органа;

6) механизмы для движения с остановками исполнительного органа (кулачковые, мальтийские, анкерные, рычажные и др.);

7) реверсивные механизмы для перемены направления вращательного и поступательного движения выходного звена;

8) механизмы с переменной передаточной функцией скорости

(передачи с некруглыми зубчатыми колесами, кулачковые, рычажные, рычажно-зубчатые, кулачково-рычажные и др.);

9) суммирующие механизмы и дифференциалы;

10) точные и приближенные направляющие механизмы для движения точки по заданной траектории;

11) механизмы для воспроизведения заданных функциональных зависимостей;

12) механизмы систем управления и регулирования;

13) предохранительные, компенсирующие и уравнительные механизмы;

14) механизмы сцепления: зубчатые, фрикционные, кулачковые муфты;

15) механизмы захватов, схватов;

16) тормозные механизмы.

По структуре кинематической цепи:

1) замкнутые и незамкнутые;

2) по степени подвижности звеньев в замкнутом контуре;

3) по степени подвижности незамкнутой открытой и разветвленной цепи;

4) по числу начальных кинематических пар и последовательности присоединения структурных статически определимых групп с нулевой подвижностью относительно основания группы (базы);

5) по числу контурных избыточных и тождественных связей в механизме.