Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачёва»

В. Н. Ермак С. В. Герасименко

Прикладная механика

Кемерово 2014

УДК 531.8

ББК 34.41

Рецензенты:

доктор технических наук Кемеровского государственного сельскохозяйственного института профессор В. И. Полтавцев

Механический факультет Кемеровского технологического института пищевой промышленности (декан – доцент, кандидат технических наук А. Л. Майтаков)

Ермак В. Н. Прикладная механика: учеб. пособие / В. Н. Ермак, С. В. Герасименко ; Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачёва. – Кемерово , 2014. – 179 с.

ISBN 978-5-85070-967-7

Подготовлено по дисциплине Прикладная механика. Состоит из двух частей: 1) Теория механизмов и машин; 2) Детали машин и основы конструирования. В первой части изложены методы анализа и синтеза основных видов механизмов – кулачковых, зубчатых и рычажных. Во второй части рассмотрены: критерии работоспособности, соединения, передачи, валы и оси, подшипники, муфты. Предназначено для студентов направления подготовки специалистов 130400.65 «Горное дело».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачёва.

	УДК 531.8
	ББК 3441
	© Ермак В. Н., Герасименко С. В., 2014
ISBN 978-5-85070-967-7	© Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачёва, 2014

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта (ФГОС) для студентов направления подготовки специалистов 130400.65 «Горное дело».

Пособие состоит из двух частей: 1) Теория механизмов и машин; 2) Детали машин и основы конструирования». Первую часть написал доцент В. Н. Ермак, вторую – доцент С. В. Герасименко. Изложение рассчитано на то, что студенты уже прослушали курсы Теоретическая механика и Сопротивление материалов.

В первой части рассматривается анализ и синтез основных видов механизмов – рычажных, зубчатых и кулачковых. Во второй части анализируются детали и узлы общего назначения, которые применяются в энергетических, технологических и других типах машин; рассматриваются общие сведения, конструкции, их достоинства и недостатки, основы расчёта и проектирования.

В отличие от имеющейся литературы, нетрадиционно излагается структурный анализ и синтез механизмов. В частности, используются понятия двумерной и трёхмерной модели механизма; даётся наглядное представление связей как необходимых и достаточных точек касания между звеньями кинематической пары; избыточные связи рассматриваются на основе реальных связей, а не искусственных общих, скрывающих избыточные. В части «ДМ и ОК» рассмотрены наиболее применяемые в промышленности виды соединений, впервые компактно представлена классификация подшипников качения и механических муфт.

Учебное пособие будет использовано студентами очной и заочной форм обучения. Многочисленные формулы, приведённые во второй части пособия, позволят использовать пособие не только для изучения теории, но и как руководство для выполнения расчётно-графической и контрольной работы по Деталям машин и основам конструирования.

Введение

Прикладная механика – это одна из ветвей механики, в основе которой лежит теоретическая механика.

Предполагается, что «Сопротивление материалов» уже пройдено, поэтому далее излагаются только «Теория механизмов и машин» и «Детали машин и основы проектирования».

Разделение труда между этими тесно связанными частями прикладной механики образно можно охарактеризовать так: в ТММ разрабатывается кинематическая схема или, иначе, скелет машины, а в ДМ и ОК разрабатываются детали этого скелета – детали машин.

Если в теории механизмов всё начинается и кончается кинематической схемой, то в основах конструирования всё заканчивается рабочими чертежами, по которым машину можно изготовить.

Прикладная механика выделилась из теоретической механики в начале XIX в. Это произошло не в одночасье, отдельные задачи прикладной механики были решены задолго до указанного периода времени. Успехи электроники и информатизация отняли у механизмов функцию регулирования и управления, сделали ненужными сложные механизмы. Паровозы – средоточие таких механизмов – стоят теперь памятниками при вокзалах. Однако «скелет» у любой машины остался, и законы его проектирования актуальны и сегодня.

«Прикладная механика» завершает цикл общепрофессиональных дисципли и служит базой для исследования и проектирования специальных машин.

Часть I. Теория механизмов и машин

1 Определения и классификации

Машина – это устройство, которое посредством механических движений преобразует энергию материалы и информацию. Соответственно выделяют три типа машин: 1) энергетические, 2) технологические и транспортные, 3) информационные. Последние на сегодня в основном электронные, преобразование информации происходит в них без участия механических движений, поэтому электронные вычислительные машины в ТММ не изучаются.

Механизм рассматривают как преобразователь движения одних твёрдых тел в требуемые движения других.

Все механизмы делятся на плоские и пространственные. Механизм называется плоским, если все его точки движутся параллельно одной и той же плоскости. В противном случае механизм называется пространственным.

Механизмы делятся также на три большие группы – рычажные, кулачковые и зубчатые. На рис. 1.1 показано по два механизма из каждой группы. В верхнем ряду – плоские механизмы, внизу – пространственные.

Рычажные	Кулачковые	Зубчатые
	г) 1 в) 3 2 3 1 2

Рис. 1.1. Виды механизмов

Составные части механизма на его кинематической или иной схеме называются звеньями. Неподвижное звено называется стойкой. Звено, которому сообщают движение, называется входным. Звено, с которого снимают требуемое движение, называется выходным. Звенья принято нумеровать. В этой книге стойка считается звеном 0 (ноль). Эта договорённость позволит нам иногда не проставлять номер стойки.

Подвижные соединения механизма называются кинематическими парами. Пары делятся на низшие и высшие. Низшими считаются пары с касанием звеньев по поверхностям. Пары с точечным или линейчатым касанием считаются высшими. Необходимым признаком рычажного механизма является наличие в нём только низших пар.

2 Структурная формула механизма

Формула представляет собой уравнение, связывающее между собой число степеней свободы механизма, число звеньев и связей между ними, число избыточных связей. Как известно из курса «Сопротивление материалов», при неточных составных частях изделий избыточные связи вызывают в них дополнительные напряжения, не обусловленные полезной нагрузкой. Одно из важных применений структурной формулы состоит в выявлении и устранении избыточных связей.

2.1 Число степеней свободы

Это понятие известно из теоретической механики, однако ввиду важности его для решения задач ТММ оно рассматривается ещё раз.

При движении любого механического объекта меняются его координаты – декартовы или любые другие. Замораживание одной координаты отнимает одну степень свободы. Отсюда следует, что число степеней свободы (ЧСС) равно минимальному количеству координат, замораживание которых лишает объект подвижности.

Простейшим объектом является плоская фигура, находящаяся на плоскости – в пространстве двух измерений (рис. 2.1). Чтобы лишить её подвижности относително системы координат , необходимо и достаточно заморозить какие-либо три координаты, например , , . Следовательно, ЧСС равно трём. Стандартный набор состоит из двух линейных и одной угловой координаты, например , , .

Более сложным объектом является твёрдое тело в трёхмерном пространстве (рис. 2.2). Чтобы лишить его подвижности относително системы координат , необходимо и достаточно заморозить шесть координат, например , , , , . Следовательно, ЧСС равно шести. Стандартный набор состоит из трёх линейных и трёх угловых координат, например , , , , , .

Рис. 2.1. Двумерное пространство Рис. 2.2. Трёхмерное пространство

При определении ЧСС механизма подразумевают потерю подвижности относительно стойки. Чтобы лишить подвижности механизм, изображённый на рис. 2.3, а, необходимо и достаточно заморозить одну координату, например или . Следовательно, ЧСС механизма равно единице.

Для обездвиживания механизма, изображённого на рис. 2.3, б, необходимо и достаточно заморозить три координаты, например , и . Следовательно, его ЧСС равно трём.

Рис. 2.3. Определение числа степеней свободы механизма

Необычную степень свободы имеет пространственный рычажный механизм, изображённый на рис. 1.1, б. После замораживания угла механизм лишается подвижности, но не полностью: остаётся не связанной возможность разворота звена 2 вокруг своей продольной оси на небольшой угол в обе стороны. Этот разворот называется местной подвижностью, с её учётом ЧСС равно двум.

Местную степень свободы имеют также кулачковые механизмы с роликом (рис. 1.1, в, г). После замораживания угла поворота кулачка 1 толкатель 3 лишается подвижности, однако ролик 2 можно поворачивать вокруг своей оси. Лишь силы трения могли бы воспрепятствовать этому движению, но они здесь не учитываются из-за малости. Таким образом, обсуждаемые кулачковые механизмы имеют по две степени свободы.