Основные понятия и определения в теории механизмов

Теория механизмов и машин изучает строение, кинематику и динамику механизмов и машин.

Механизмом называется искусственно созданная система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.

Твердые тела, входящие в состав механизма, называются звеньями.

Каждая подвижная деталь или группа деталей, образующая одну жесткую подвижную систему тел, называется подвижным звеном механизма.

Все неподвижные детали образуют одну жесткую неподвижную систему тел, называемую неподвижным звеном или стойкой.

Следовательно, любой механизм имеет одно неподвижное и одно или несколько подвижных звеньев.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой.

Поверхности, линии, точки звена, по которым оно может соприкасаться с другим звеном, образуя кинематическую пару, называются элементами звена.

Связанная система звеньев, образующих между собой кинематические пары, называется кинематической цепью.

Механизм – есть кинематическая цепь, используемая для осуществления требуемого движения.

Механизмы, входящие в состав машины, разнообразны. С точки зрения их функционального назначения механизмы машины делятся на следующие виды:

а) механизмы двигателей и преобразователей:

механизмы двигателей осуществляют преобразование различных видов энергии в механическую работу;

механизмы преобразователей осуществляют преобразование механической работы в другие виды энергии;

б) передаточные механизмы, осуществляющие передачу движения от двигателя к технологической машине или исполнительному органу;

в) исполнительные механизмы, непосредственно воздействующие на обрабатываемую среду или объект;

г) механизмы управления, контроля и регулирования, осуществляющие управление технологическим процессом, контроль и т.п.;

д) механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки, применяемые в машинах, выпускающих массовую штучную продукцию.

Кинематические пары и их классификация

Главным свойством пары является число геометрических параметров, с помощью которых можно определить относительное положение связанных звеньев. Например, при соприкосновении по поверхности вращения относительное положение звеньев вполне определяется заданием лишь одного параметра – угла относительного поворота звеньев в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

При соприкосновении по сферической поверхности таких параметров уже три – это углы поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, пересекающихся в центре сферы.

Следовательно, элементы кинематической пары накладывают на относительное движение звеньев некоторые ограничения, связывая между собой определенным образом координаты точек обоих звеньев.

Ограничения, накладываемые элементами кинематической пары на относительное движение звеньев, образующих пару, называют связями, а управления, выражающие эти ограничения – уравнениями связи.

Рассмотрим, какие связи и в каком количестве могут быть наложены на относительное движение звеньев кинематической пары.

Как известно, в общем случае всякое свободно движущееся в пространстве абсолютно твердое тело обладает шестью степенями свободы:

тремя вращениями вокруг осей X, Y, Z и тремя поступательными движениями вдоль тех же осей.

Связи, наложенные на относительное движение звена кинематической пары, ограничивают те же возможные относительные движения, которыми обладают звенья в свободном состоянии.

В результате этих ограничений некоторые из шести возможных относительных движений свободно движущегося звена становятся для него связанными. Оставшиеся независимыми возможные движения определяют число степеней свободы звеньев кинематической пары в их относительном движении.

Кинематические пары в зависимости от числа условий связи, налагаемых на относительное движение ее звеньев, разделены на пять классов:

- пара I класса – (рис.1 а) пятиподвижная пара, имеет число степеней свободы звеньев, равное пяти и число условий связи, равное 1;

- пара II класса – (рис.1 б) четырехподвижная пара, число степеней свободы звена кинематической пары равно четырем, число условий связи равно 2;

- пара III класса – (рис.1 в, и, г)трехподвижная пара, число степеней свободы звена кинематической пары равно трем, число условий связи – 3;

- пара IV класса – (рис.1 д, и, е)двухподвижная пара, число степеней свободы звена равно 2, число условий связи – 4;

- пара V класса – (рис.1 ж, з. и)одноподвижная (вращательная пара), число степеней свободы звена равняется единице, число условий связи равно 5.

Кинематические пары делятся на пространственные и плоские. Пространственными кинематическими парами называется пара, точки звеньев которых в относительном движении описывают пространственные кривые. Плоскими кинематическими парами называются такие пары, точки звеньев которых в относительном движении перемещаются в параллельных плоскостях, т.е. их траектории являются плоскими кривыми. В современном машиностроении особенно широкое применение получили плоские механизмы, звенья которых входят в пары IV и V классов.

Рис.1

Кинематические пары различаются также по характеру соприкосновения звеньев. Если элементы кинематической пары таковы, что при каждом относительном положении звеньев они имеют соприкосновение по поверхности, то пару называют низшей. Если же касание происходит в отдельных точках или по линиям, то пару называют высшей.

При относительном движении звеньев, образующих низшую пару, поверхности их соприкосновения скользят друг по другу. Если же звенья образуют высшую пару, то их относительное движение может происходить как при скольжении элементов пары, так и без него – перекатыванием.

Кинематические цепи

Кинематические цепи по характеру относительного движения звеньев разделяются на плоские и пространственные. Кинематическая цепь называется плоской, если точки её звеньев описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях. Кинематическая цепь называется пространственной, если точки её звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях.

По виду звеньев, входящих в кинематические цепи, последние разделяются на простые и сложные.

Простой называется такая цепь, у которой каждое звено входит не более чем в две кинематические пары (рис.2).

Сложной кинематической цепью называется цепь, в которой имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рис.3).

Рис.2 Рис.3

Замкнутой называется кинематическая цепь, каждое звено которой входит в две и более кинематических пар.

Незамкнутой кинематической цепью называется кинематическая цепь, в которой есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару.

При равном числе подвижных звеньев замкнутые цепи имеют меньшее число степеней свободы, чем незамкнутые. Замкнутые цепи широко применяются в кинематических цепях рабочих машин, станков, автоматов и т.д., разомкнутые – в цепях манипуляторов и роботов.

В машинах обычно применяются такие кинематические цепи, у которых одно из звеньев неподвижно, т.е. является стойкой. Например, в механизме двигателя внутреннего сгорания кривошип, шатун, поршень и цилиндр образуют кинематическую цепь, у которой неподвижным звеном (стойкой) является цилиндр с рамой двигателя (рис.4 а,б).

Звено механизма, на которое действуют внешние силы, приводящие его в движение, называется ведущим. Звено, к которому приложены полезные сопротивления, ради преодоления которых построен механизм, называется ведомым.

Рис.4 а Рис.4 б

При исследовании кинематики механизма, движение одного из звеньев считают заданным. Его называют входным. Звено, движение которого хотят определить в зависимости от движения входного, называют выходным. В нашем примере ползун – выходное звено, кривошип –входное.

Детали и сборочные единицы общего назначения

При освоении новых машин или модернизации ранее освоенных, при планировании их качества, аттестации и во многих других случаях необходимо знать и использовать классификацию деталей и сборочных единиц по различным параметрам и показателям.

Главными критериями оптимального выбора конструкции являются высокая производительность, экономичность, прочность и надежность, малые металлоемкость и энергоемкость, ремонтопригодность, простота и безопасность обслуживания и т. д. Показателем качества машины называется количественное выражение одного или нескольких ее свойств, применительно к опре­деленным условиям ее создания и эксплуатации. Показатели качества подразделяются на единичные и комплексные (групповые).

Все показатели качества подразделяются на производственно-технологические и эксплуатационные. Первые определяют производственно-технологическую характеристику изделия и называются показателями технологичности, вторые характеризуют изделие как объект эксплуатации в соответствующей отрасли народного хозяйства или промышленности. Те и другие могут быть техническими и экономическими (ценностными). Одним из основных технических эксплуатационных качеств машины является надежность.

Основное противоречие в развитии современной техники заключается в том, что если не предпринимать необходимые меры по повышению надежности, то чем сложнее и точнее работа техники, тем менее она надежна. Отсюда следует, что решение проблемы надежности является не только важной технической, но и большой экономической задачей.

Первостепенное значение в обеспечении выпуска, машин высокого качества имеют методы повышения надежности машин и механизмов на основе четких требований к различным классам, типам и типоразмерам как целых машин, так и отдельных деталей и сборочных единиц.

Классификация машин и механизмов. Виды машиностроительных изделий и их классификация.

Искусственные устройства, заменяющие ручной труд, делят на три группы: машины, аппараты и приборы.

Машина– это техническое изделие, работа которого посредством преобразования вещества, энергии, силы, движений, информации, частично или почти полностью заменяет, облегчает и приумножает результат физического и умственного труда человека. В машинах для выполнения производственных процессов в основном используют механические формы движения. Для механических машин характерны периодически повторяющиеся перемещения их составных частей и рабочих устройств, которые непосредственно выполняют производственные операции.

Аппаратами обычно называют искусственные сооружения, в которых происходят различные химические, тепловые и другие процессы, необходимые для изготовления или обработки изделий, продукта, материалов. Рабочие устройства аппаратов, как правило, неподвижны. Иногда аппараты включают устройства для транспортирования обрабатываемых объектов (транспортеры термических печей, загрузочные устройства и т. д.)

Приборы – устройства, используемые для автоматического контроля обрабатываемых объектов.

Различают две основные группы машин: энергетические и производственные.

В энергетических машинах один вид энергии превращается в другой. Примеры – гидротурбина, генератор, двигатель внутреннего сгорания.

Машины, в которых исходная энергия превращается в механическую, обычно называют двигателями. Обычно полученная механическая энергия с помощью так называемых преобразователей превращается в электрическую. Преобразователями являются генераторы различных типов.

Тип производственной машины зависит от производственного процесса, выполняемого машиной. Различают строительные, землеройные, грузоподъемные и другие машины. Самая большая группа – машины, используемые для обработки или изготовления изделий, материалов, продуктов. их называюттехнологическими, или рабочими машинами.

Основными элементами производственных машин являются их рабочие органы (например, режущие инструменты металлорежущих станков). Рабочий орган может быть непосредственно соединен с подвижной частью двигателя, но иногда непосредственное соединение невозможно, так как рабочий орган должен иметь другой вид движения или двигаться со скоростью, отличной от скорости двигателя. Тогда рабочий орган и подвижный элемент двигателя входят в состав специальных устройств, которые обеспечивают перемещение рабочих органов по заданным траекториям с заданными законами изменения их скоростей. Такие устройства называют механизмами.Механизм –искусственно созданная система тел, предназначенная для преобразования механического движения одного или нескольких тел в движения других тел. Механизмы входят в состав подавляющего большинства современных машин и приборов, 

Классификация машин

Всякая развитая машина состоит из комплекса трех основных механизмов: двигательного, передаточного и испол­нительного. Наиболее общими для всех машин. являются передаточные механизмы. Двигательные и исполнительные механизмы, как правило, имеют большое количество специфических элементов.

Передачи вращательного движения предназначены переда­вать энергию с одного вала на другой, как правило, с преобразованием, т. е. с уменьшением (реже с увеличением) угловых скоростей и с соответствующим изменением вращающих моментов,

Принята следующая условная классификация ма­шин.

1. Рабочие машины— осуществляющие изменение формы, свойств, состояния и положения предмета труда. Сюда относятся станки для обработки металла, дерева, пластмасс; ткацкие и прядильные станки; подъемные краны; автомобили и тракторы, самолеты и т. д.

2. Машины - двигатели, предназначенные для преобразования любого вида энергии в механическую работу. Сюда относятся двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, паровые машины, гидротурбины, электродвигатели и т. д.

3. Машины-преобразователи, или генераторы, предназначенные для преобразования механической работы в любой другой вид энергии (электрическую, тепловую и любую другую), например динамомашины — генераторы тока, холодильники и т. д.

4. Управляющие машины, используемые для автоматизации производства и управления производственными процессами, например, манипуляторы и т. д.

5. Электронно-вычислительные или логические машины, предназначенные для хранения, сбора, обработки и передачи информации, например, устройства памяти, следящие системы и т. д.

В комплексе машину-двигатель, передаточный механизм и исполнительную машину-орудие называют машинньгм агрегатом. Например, пресс, фрезерный станок, трактор, конвейер состоят из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов, т. е. являются не только машинами-орудиями, но и машинными агрегатами.

В процессе производства машину собирают из отдельных деталей и узлов, которые условно именуются, изделиями. Установлены следующие виды изделий: деталь, сборочная единица, комплексы, комплекты.

Все изделия делятся на неспецифицированные, т. е. не имеющие составных частей (детали), а также состоящие из двух и более составных частей, соединенных сборочными операциями — специфицированные (сборочные единицы, комплексы и комплекты). Стандартом установлены определения основных видов изделий.

Деталью называется изделие, изготовленное из однородного материала. (монолит), без использования монтажных и сборочных операций, например: шкив; зубчатое колесо, винт, гайка, вал, коробка, согнутая из одного куска листового материала, и т. д.

Сборочная единица представляет собой изделие, состоящее из нескольких составных частей, соединенных между собой с помощью сборочных, монтажных операций, например редуктор, сварной корпус, муфта, коробка скоростей.

При разработке конструкторской документации. на сборочную единицу составляется спецификация (СП) — основной документ, определяющий полный состав специфицируемого изделия..

Комплексом называют два или более специфицируемых изделия, не соединенных с помощью сборочных. операций, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, например поточная линия, состоящая из нескольких станков,. телефонная станция и т. д

Комплектом называют два или более изделия, не соеди­ненных сборочными операциями и представляющие набор изделий вспомогательного характера, например комплект запасных частей и принадлежностей, комплект измерительной аппаратуры и т.д.

Несмотря на значительное многообразие устройств современных машин, разнообразие используемых в них деталей и сборочных единиц, можно отметить большое число изделий общего назначения, имеющих единую методику расчета и конструирования для различных отраслей машиностроения. К ним прежде всего относятся детали и сборочные единицы для передачи вращательного движения: валы, оси, муфты, шкивы, зубчатые колеса, червяки и червячные колеса, звездочки, опоры валов и т. д.; стандартные изделия, используемые для передачи заданного движения от одной детали к другой: шпонки, штифты, болты, гайки и т. д.; другие соединения, например шпоночные, шлицевые, клиновые, сварные, 

Оси, подшипники, муфты

Общие сведения

Зубчатые колеса, шкивы, звездочки и другие вращающиеся детали машин устанавливают на валах и осях.

Вал предназначен для передачи вращающего момента вдоль своей оси, а также для поддержания расположенных на нем деталей и вос­приятия действующих на эти детали сил. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в некоторых случаях дополнительно растяжение или сжатие (рис. 27.2).

Ось только поддерживает установленные на ней детали и воспри­нимает действующие на эти детали силы (рис. 27.1). В отличие от вала ось не передает вращающего момента и, следовательно, не испытыва­ет кручения. Оси могут быть неподвижными (см. рис. 27.9) или могут вращаться вместе с насаженными на них деталями (рис. 27.1).

По форме геометрической оси валы делят на прямые (рис. 27.2) и непрямые — коленчатые и эксцентриковые. Непрямые валы относят к специальным деталям и в учебнике не рассматриваются.

Оси, как правило, изготовляют прямыми (см. рис. 27.1). По конст­рукции прямые валы и оси мало отличаются друг от друга.

Прямые валы и оси могут быть гладкими (см. рис. 27.9) или ступенча­тыми (см. рис. 27.2). Ступенчатая форма способствует равной напряжен­ности отдельных участков, упрощает установку деталей на валу.

Рис. 27.1. Ось тележки

Рис. 27.2. Прямой ступенчатый вал:

1 — Шип; 2—шейка; 3 — подшипник; 4—кольца с поперечным пазом для размещения тяг съемника для подшипников (см. Рис. 29.26)

По форме поперечного сечения валы и оси бывают сплошные и полые (с осевым отверстием). Полые валы применяют для уменьшения массы или для размещения внутри них других деталей или смазочных мате­риалов.

По внешнему очертанию поперечного сечения валы разделяют на шлицевые и шпоночные, имеющие на некоторой длине шлицевой про­филь или профиль со шпоночным пазом.

Конструктивные элементы. Материалы валов и осей

Цапфы — опорные части вала или оси. Их подразделяют на шипы, шейки и пяты.

Шипом называют цапфу, расположенную на конце вала или оси и передающую преимущественно радиальную силу (см. рис. 27.2).

Шейкой называют промежуточную цапфу вала или^рси.

Опорами для шипов и шеек служат подшипники.

Шипы и шейки по форме могут быть цилиндрическими, коническими или сферическими. В большинстве случаев применяют цилиндрические цапфы.

Пятой называют цапфу, передающую осевую силу (рис. 27.3). Опо­рами для пят служат подпятники.Пяты по форме бывают сплошными (рис. 27.3, а), кольцевыми (рис. 27.3, б) и гребенчатыми (рис. 27.3, в).Гребенчатые пяты применяются редко.

Рис. 27.3. Пяты

Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими (см. рис. 27.2). При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше диаметра соседних участков для удобства напрессовки других деталей и снижения концентрации напряжений (см. рис. 27.2). Диаметры поса­дочных поверхностей и диаметры под подшипники скольжения выби­рают из ряда нормальных линейных размеров (см. § 27.4), диаметры под подшипники качения —по стандартам на подшипники.

Конические концы валов (см. рис. 27.2) изготовляют с конусностью 1:10. Их применяют для облегчения монтажа устанавливаемых на вал деталей.

Переходные участки валов и осей между двумя ступенями разных диаметров выполняют:

а) с канавкой со скруглением для выхода шлифовального круга (рис. 27.4, а);

б) с галтелью постоянного радиуса рис. 27.4, б (галтель — поверх­ ность плавного перехода от ступени меньшего сечения к большему);

в) с галтелью переменного радиуса (рис. 27.4, в).

Рис. 27.4. Переходные участки вала

Пе реходные участки являются концентрато­рами напряжений. Эффективным средством для снижения концентрации напряжений на переход­ных участках является повышение их податливо­сти путем выполнения разгрузочных канавок (рис. 27.5, а), увеличения радиусов галтелей, вы­полнения отверстий в ступенях большего диа­метра (рис. 27.5, б). Деформационное упрочнение (наклеп) галтелей повышает несущую способность валов и осей.

Материалы валов и осей должны хорошо обра­батываться, быть прочными и иметь высокий мо­дуль упругости. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют углеродистые и легированные ста­ли, из которых преимущественно изготовляют валы и оси. Для валов и осей без упрочняющей термо­обработки применяют стали марок Ст5, Стб; для валов с термообра­боткой — стали марок 45, 40Х (см. табл. 12.1); для высоконапряженных валов ответственных машин —стали марок 40ХН, 30ХГСА. Быстро­ходные валы, работающие в подшипниках скольжения, изготовляют

из сталей марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ. Цапфы этих валов цементуют для повышения износостойкости (наибольшую износостойкость имеют хромированные валы).

Валы и оси обрабатывают на токарных станках с последующим шлифованием цапф и посадочных 

Общие сведения

В современном машиностроении большинство машин состоит из сборочных единиц (узлов) и механизмов. Для обеспечения кинематической и силовой связи валы узлов соединяют муфтами. Муфтой - называется устройство для соединения концов валов или для соединения валов со свободно сидящими на них деталями (зубчатые колеса, звездочки и т. д.).  Назначение муфт — передача вращающего момента без изменения его значения и направления. В ряде случаев муфты дополнительно поглощают вибрации и толчки, предохраняют машину от аварий при перегрузках, а также используются для включения и выключения рабочего механизма машины без останова двигателя. 

Классификация муфт

Многообразие требований, предъявляемых к муфтам, и различные условия их работы обусловили создание большого количества конструкций муфт, которые классифицируют по различным признакам на группы. По принципу действия: 1) постоянные муфты, осуществляющие постоянное соединение валов между собой; 2) сцепные муфты, допускающие во время работы сцепление и расцепление валов с помощью системы управления; 3) самоуправляемые муфты, автоматически разъединяющие валы при изменении заданного режима работы машины. По характеру работы: 1) жесткие муфты, передающие вместе с вращающим моментом вибрации, толчки и удары; 2) упругие муфты, амортизирующие вибрации, толчки и удары при передаче вращающего момента благодаря наличию упругих элементов — различных пружин, резиновых втулок и др. Группы (механические, гидродинамические, электромагнитные). Рассматриваются только механические муфты. Электромагнитные и гидравлические муфты изучают в специальных курсах. Подгруппы: 1) жёсткие,  2) компенсирующие,  3) упругие,  4) предохранительные,  5) обгонные. Виды: 1) фрикционные, 2) с разрушаемым элементом.  Конструктивные исполнения: 1) кулачковые,  2) шариковые,  3) зубчатые,  4) фланцевые,  5) втулочно-пальцевые,  6)втулочные.

Глухие муфты

Глухие муфты соединяют соосные валы в одну жесткую линию. Относятся к постоянным муфтам. Применяются в тихоходных приводах. Из различных видов глухих муфт наибольшее распространение получили втулочные и фланцевые муфты. Втулочная муфта собой втулку, насаживаемую на концы валов рис. 3.3.1. Применяется для передачи небольших вращающих моментов. Имеет простую конструкцию, малые габариты и низкую стоимость. Недостатком муфты является неудобный монтаж и демонтаж, связанные с осевым смещением валов или муфты вдоль вала. Материал втулки — сталь 45. Втулочную муфту выбирают по стандарту. Шпоночное соединение проверяют на прочность. 

Рисунок 3.3.1 Втулочная муфта

Фланцевая муфта состоит из двух полумуфт с фланцами, стянутыми болтами рис. 3.3.2, причем половина болтов установлена с зазором, а другая — без зазора. Фланцевые муфты соединяют отдельные части валопровода в один вал, работающий как целый. Для того, чтобы этот составной вал оставался прямолинейным, необходима строгая соосность его частей и пригонка полумуфт, в противном случае неизбежны изгиб вала, его биение и появление дополнительных нагрузок на опоры. Фланцевые муфты просты по конструкции, надежны в работе, могут передавать большие моменты. Они широко распространены в машиностроении. Материал полумуфт — сталь 40 или сталь 35Л, допускается также чугун СЧ20. Эти муфты выбирают по стандарту и проводят проверочный расчет болтов на прочность.

Рисунок 3.3.2 Фланцевая муфта