1. Основы проектирования машин, механизмов и их деталей

История создания и использования машин насчитывает 25 веков. Примитивные зубчатые колеса, винты, кривошипы, полиспасты были известны ещё до Архимеда (287...212 гг. до н.э.) из города Сиракузы на острове Сицилия. Архимед установил свойства рычага (известно его изречение: «Дайте мне, где стать, и я сдвину Землю»), открыл закон гидроста­тики, изобрёл червячную передачу, решил задачу спуска построенного ко­рабля на воду и извлечения его из воды... Он был убит римлянином при взятии Сиракуз. «Не трогай моих чертежей!» - воскликнул Архимед, уви­дев перед собой воина с поднятым мечом.

«Как верно то, что один человек, один разум, надлежаще подготов­ленный к своему предприятию, стоит целого войска и работает необычай­но успешно!». Так писал в 212 году до н.э. древнеримский историк Полибий, рассказывая о работах великого Архимеда, гениального инженера, умевшего метать из катапульт огромные камни во вражеские корабли, строившего подъёмные краны, которые захватывали эти корабли крюками, поднимали их из воды, переворачивая вверх килем, и бросали обратно в море. Точное описание машин, придуманных Архимедом, до нас, к сожа­лению, не дошло.

1.1. Машины и механизмы. Их классификация и качество

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Механика (от греч. mechanike - «искусство построения машин») - наука о перемещении тел в пространстве и происходя­щих при этом взаимодействиях между ними. В настоящее время все основные рабочие процессы осуществляются механизмами и машинами.

Механизм - система деталей для преобразования одного вида движения в другой с изменением скоростей, сил и вращающих моментов, а иногда и за­конов движения (например, редуктор, кривошипно-ползунный механизм, ме­ханизм подъёма грузоподъёмного крана и др.). Кривошипно-ползунный меха­низм (рис. 1) - один из самых распространённых рычажных механизмов. При вращении кривошипа 2 ползун 4 совершает возвратно-поступательное, а ша­тун 3 - сложное плоскопараллельное движение. Стойка 1 является неподвиж­ным звеном. Его применяют как для преобразования вращательного движения кривошипа 2 в возвратно-поступательное движение ползуна 4 (например, ме­ханические ножовки, поршневые насосы) или, наоборот, возвратно-поступательного движения ползуна во вращательное движение кривошипа (двигатель внутреннего сгорания).

Машина - устройство для преобразования энергии, материалов и информации с целью облегчения труда человека. В более узком смысле машина - это система, осуществляющая механическое движение, необходимое для вы­полнения рабочего процесса. Машина состоит из механизмов, которые преобразуют движение, однако движение нужно сначала получить, а затем исполь­зовать. Ещё Леонард Эйлер установил, что машина обязательно должна иметь двигатель, который производит движение, и посредством механизмов преобра­зует и передаёт его дальше, к исполнительному механизму, выполняющему не­обходимую работу. Для приведения двигателя в движение необходимо прило­жение силы. В качестве источника силы сначала использовали энергию челове­ка и животных, затем — энергию воды, ветра, тепла, электричества и т.д.

Рис. 1. Схема кривошипно-ползунного механизма

Таким образом, основными частями машины являются двигатель, пере­даточный и исполнительный механизмы, а также система управления. На рис. 2 показана блок-схема машины.

Рис. 2. Блок-схема машины

Машины и механизмы состоят из соединённых между собой деталей и узлов. Деталь - часть машины, изготовляемая без сборочных операций (винт, гайка, шайба, литая станина станка). Узел - сборочная единица, состоя­щая из деталей или простых узлов (подшипник качения, муфта, вал с сидящи­ми на нём деталями). Из различных деталей почти двухсот наименований мож­но собрать около 5000 механизмов.

Привод машины - устройство, которое состоит из двигателя, переда­точного механизма и системы управления.

Кратко можно сформулировать основные этапы эволюции машин:

1-й этап - от изобретения первых механизмов до середины XIX века - машина в основном заменяет физическую силу человека путём примене­ния блока, полиспаста, ворота и винта. Машин с исполнительным меха­низмом техника тогда ещё не имела - их заменяли инструменты, приво­димые в движение рукой ремесленника. В качестве источника энергии применялся «двигатель» в виде силы тяги животного или человека.

2-й этап - с середины XIX до середины XX века - в промышленность вводят машины, включающие в себя двигатель, передаточные механизмы и исполнительный механизм, который захватывает продукт труда и целе­сообразно его изменяет. Машина заменяет физическую силу человека и его умение. Развивается станкостроение, изобретены электродвигатели и способы передачи электроэнергии на расстояние, таким образом, произ­водство освободилось от привязанности к источнику энергии. В состав машины дополнительно входят элементы регулирования и управления.

3-й этап - с середины XX века по настоящее время - машина заме­няет не только физическую силу человека, но и его умение. В структуру машины вошли элементы искусственного интеллекта.