Учебное пособие 1878

ВВЕДЕНИЕ

Слово «механика» имеет древнегреческое происхождение. Mechane – первоначально означало подъёмные машины и остальные механизмы, которые могли высоко поднимать большие тяжести.

Вантичное время использовались мощные подъёмные устройства, такие как «вороны», «Лапа Архимеда», «журавль», «краних» и другие. С их помощью осаждённые в го- родах-крепостях, при атаке с моря переворачивали и ломали корабли. Штурмующие при помощи таких устройств поднимали на платформах-ящиках лучников, которые обстреливали осаждённых. Уже в V веке до нашей эры в афинской армии применялись огромные тараны. Для метания больших стрел пользовались катапультами; прототипом пулемёта был полибол для непрерывного метания стрел; балисты служили для метания камней. Были созданы специальные прицельные приспособления и приборы для изменения траектории.

Всё это привело к тому, что термин «mechane» распространился на метательные и вообще на любые искусно придуманные машины и механизмы.

Внастоящее время «механикой» называют науку о всех видах механического движения.

Курс «Механика» включает разделы смежных дисицплин: «Теория механизмов и машин», «Сопротивление материалов» и «Детали машин и основы проектирования». В данном пособии также рассмотрены некоторые вопросы дискетного моделирования, реализуемые в современных системах автоматизированного проектирования.

3

1.СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ

1.1.Основные понятия и определения

Машина состоит из отдельных механизмов, а механизм состоит из отдельных деталей. Одни из деталей приняты за неподвижные, а другие движутся относительно них. Так, в двигателе машины за неподвижные принимаются те детали, которые соединены жестко с корпусом машины. Это корпус двигателя, подшипники коленчатого вала. Подвижные детали – коленчатый вал (кривошип), шатуны, поршни и другие детали.

Каждая подвижная деталь или группа деталей, образующая одну жесткую подвижную систему тел (пример – ша-

тун с разъемными крышками), носит название подвижного звена механизма. Все неподвижные детали образуют одну неподвижную систему тел, называемую неподвижным звеном или стойкой. Например, корпус самолета, с ним жестко связан корпус двигателя – все это одно звено – стойка. В любом механизме всегда есть одно неподвижное звено и одно или несколько подвижных. Следовательно, механизм – это есть со-

вокупность неподвижного и подвижных звеньев.

Из подвижных звеньев в механизме необходимо выделить входные и выходные звенья.

Входным называется звено, которому сообщается заданное движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение других звеньев.

Выходным называется звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. Все остальные звенья называются соединительными или промежуточными.

Подвижные звенья соединены между собой и со стойкой так, что возможно движениеодного звенаотносительно другого.

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

кинематическими парами являются места соединения коленчатого вала с корпусом, кривошипа и шатуна, шатуна и ползуна. Поверхности, линии, точки, по которым соприкасаются звенья, называются элементами кинематической пары.

4

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

В основе всякого механизма лежит кинематическая цепь, но не всякая кинематическая цепь является механизмом. Кинематическая цепь, обладающая определенным заданным движением, является механизмом.

1.2. Классификация кинематических пар

Классификацию кинематических пар можно провести по числу степеней свободы и по числу условий связи.

Числом степеней свободы механической системы назы-

вается число независимых перемещений.

Твердое тело имеет в пространстве шесть независимых движений (рис. 1.1): три вращательных и три поступательных, т.е. Н – число степеней свободы такого тела равно 6, Н = 6.

z

Если тело (звено) подвижно соединить с другим телом (звеном), то на движение этих звеньев будут наложены ограничения, которые носят названия условий связи в кинематической паре. Число условий связи зависит от способа соединения звеньев в кинематические пары и изменяется от 1 до 5, т.е. 1 S 5. Если на тело налагается шесть условий связи, то тело лишается возможности двигаться. Степень свободы звена в кинематической паре можно определить как H = 6 – S, т.е.

1 H 5.

5

Все кинематические пары делят на пять классов. Класс кинематической пары определяется числом условий связи, наложенных на относительное движение звеньев. Класс пары может быть определен и числом степеней свободы. Рассмотрим примеры пяти классов кинематических пар.

Создадим кинематическую пару, положив шар на плоскость. Этим лишим шар одного из шести возможных движений, шар не может перемещаться по оси z, т.е. на его движение наложено одно ограничение (одно условие связи). Такая пара названа парой 1 класса или пятиподвижной (рис. 1.2).

H=5; S=1

y

x

Рис. 1.2

Цилиндр на плоскости. Н=4; S=2 – пара II класса или

четырехподвижная (рис. 1.3).

z

x

Рис. 1.3

6

Сферическая пара. Н=3; S=3 – пара III класса или трехподвижная (рис. 1.4).

y

1

1

z

2

2

x

Рис. 1.4

Цилиндрическая пара. Н=2; S=4 – пара IV класса или

двухподвижная (рис. 1.5).

y

2

1 z

2

1

x

Рис. 1.5

Поступательная пара. Н=1; S=5 – пара 5-го класса, од-

ноподвижная поступательная (рис. 1.6).

7

y

2

2

1 x

Рис. 1.6

Кроме предложенной классификации кинематических пар, существует деление на высшие и низшие кинематические пары. Высшей называется кинематическая пара, в которой элементами пары являются линия или точка. В низшей – элементами пары являются поверхности. Примерами высших пар являются колесо и рельс, зацепление зубчатых колес и др. Низшие пары: сферическая, цилиндрическая, поступательная. Чтобы элементы кинематических пар находились в постоянном контакте, необходимо их замыкание, которое может быть кинематическим (геометрическим) конструктивными силовым(силавеса, пружины).

На рис. 1.7 приведены обозначения некоторых кинематическихпар, используемыепри изображении кинематическихцепей.

Система звеньев, образующая между собой кинематиче-

ские пары, называется кинематической цепью.

Все кинематические цепи делят на плоские и пространственные. В плоской при закреплении одного из звеньев все остальные совершают движение в одной или нескольких параллельных плоскостях. В пространственной кинематической цепи звенья совершают движение в непараллельныхплоскостях.

Кинематические цепи можно разделить на замкнутые и незамкнутые. Та, что не образует замкнутого контура, называется незамкнутой. Кинематическая цепь, которая образует один или несколько замкнутыхконтуров, называетсязамкнутой (рис. 1.8).

8

высшая кинематическая пара I класса

Рис. 1.7. Условные обозначения, используемые в ТММ

незамкнутая цепь (пространственная)

замкнутая цепь (плоская)

замкнутая цепь (пространственная)

Рис. 1.8

9

1.3. Структура и кинематика плоских механизмов

При кинематическом анализе и синтезе механизмов всегда необходима его кинематическая модель, такой моделью является кинематическая (структурная) схема механизма. Зная условные обозначения звеньев и кинематических пар, можно составить кинематическую (структурную) схемулюбого механизма.

Составим кинематическую схему модели двухступенчатого двухцилиндрового воздушного компрессора (рис. 1.9). Это кинематическая схема плоского механизма.

Рис. 1.9

Если необходимо исследовать схему пространственного механизма, то чаще всего приходится делать соответствующие проекции на две или три плоскости. Схема должна выполняться в масштабе. Масштабный коэффициент e имеет размерность м/мм.

10