Воронеж 2007
Основы механики машин и проектирования механизмов Учебное пособие
ГОУВПО
«Воронежский государственный технический университет»
Воронеж 2007
ОСНОВЫ механики
машин
и проектирования МЕХАНИЗМОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
УДК 531.8 – 621.01
Основы механики машин и проектирования механизмов: учеб. пособие / Ю.Б. Рукин, Р.А. Жилин, В.А. Нилов, Б.Б. Еськов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. 232 с.
Учебное пособие содержит основные материалы по классификации механизмов, анализу механизмов с высшими и низшими кинематическими парами. Рассмотрены основные элементы синтеза зубчатых и кулачковых механизмов. Даны рекомендации по выбору факторов, определяющих в целом работоспособность механизмов и их деталей.
Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 160200 «Авиастроение», специальности 160201 «Самолёто- и вертолётостроение» и по направлению 160300 «Двигатели летательных аппаратов», специальности 160302 «Ракетные двигатели», дисциплине «Теория механизмов и машин».
Пособие предназначено для студентов второго и третьего курсов очной формы обучения.
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD 2000 и содержится в файле ТММ_2007_РД_СД.doc.
Ил. 127. Библиогр.: 6 назв.
Рукин Ю.Б., Жилин Р.А., Нилов В.А., Еськов
Б.Б., 2007
Оформление.
ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет», 2007
Рецензенты: кафедра дорожных и строительных машин ВГАСУ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. П.И. Никулин); д-р физ.-мат. наук, проф. В.Н. Нечаев
Введение
Теория механизмов и машин является одной из старейших наук, возникновение и развитие которой обусловлено потребностями практики. Известно, например, что при постройке египетских пирамид применялись простейшие механизмы и механические устройства: рычаги, блоки, наклонная плоскость, однако дальнейшее развитие теории механизмов и машин следует отнести к значительно более поздним временам, когда в результате накопления опыта стали возможными некоторые обобщения и частично выкристаллизовались методы этой науки. В этом смысле датой рождения науки о машинах и механизмах можно считать конец ХVIII века. Задачи теории механизмов и машин рассматривались ранее в курсах прикладной механики, выделившейся из состава теоретической механики более 180 лет тому назад, теория механизмов и машин оформилась как самостоятельная ветвь науки в XX веке.
В 1724 г. по инициативе Петра I была основана Российская Академия наук, деятельность которой с первых же дней существования была посвящена решению практических задач по постройке сооружений и машин, развитию отечественного кораблестроения, артиллерии и другой техники. Достойный вклад в развитие практической механики в России в ХVIII веке внёс гениальный учёный – академик М.В. Ломоносов, разработавший конструкции машин для производства стекла и испытаний материалов. Его научные открытия послужили источником творчества русских умельцев, изобретателей и конструкторов: И.И. Ползунова – творца паровой машины; И.П. Кулибина – создателя механизма протеза, часов-автоматов, «водохода», «самокатки» и др.; К.Д. Фролова – строителя механизированного комплекса рудо- и водоподъёмных устройств; отца и сына Е.А. и М.Е. Черепановых, построивших первый в России паровоз, и многих других. Интересно отметить, что конструкция «самокатки», созданной И.П. Кулибиным в 1791 году, носила черты будущих автомобилей: она имела устройства для переключения зубчатых передач и свободного хода, тормоз, управляемые колёса.
В это же время процветала плодотворная деятельность величайшего математика и механика – академика Л. Эйлера, разработавшего теорию плоских зацеплений и предложившего эвольвентный профиль зубьев колёс. Эти исследования послужили основой для создания французом Т. Оливье общей теории пространственных зацеплений, которая была переработана и дополнена одесским профессором Х. Гохманом – автором фундаментального труда «Кинематика машин» (1890 г.).
К середине XIX века в России выросла плеяда талантливых учёных, заложивших основы современной теории механизмов и машин. Основателем русской школы этой науки был великий математик – академик П.Л. Чебышев (1821–1894 гг.), которому принадлежит ряд оригинальных исследований, посвящённых синтезу механизмов, теории регуляторов и зубчатых зацеплений, структуре плоских механизмов. Он создал схемы свыше 40 различных механизмов и большое количество их модификаций. Академик И.А. Вышнеградский явился основателем теории автоматического регулирования; его работы в этой области нашли достойного продолжателя в лице выдающегося русского учёного – профессора Н.Е. Жуковского, а также словацкого инженера А. Стодолы и английского физика Д. Максвелла. Н.Е. Жуковскому принадлежит также ряд работ, посвящённых решению задачи динамики машин (теорема о жестком рычаге), исследованию распределения давления между витками резьбы винта и гайки, трения смазочного слоя между шипом и подшипником, выполненных им в соавторстве с академиком С.А. Чаплыгиным. Глубокие исследования в области теории смазочного слоя, а также по ременным передачам выполнены почетным академиком Н.П. Петровым. В 1886 году профессор П.К. Худяков заложил научные основы курса деталей машин. Ученик И.Е. Вышнеградского, профессор В.Л. Кирпичев известен как автор графических методов исследований статики и кинематики механизмов. Он первым начал читать (в Петербургском технологическом институте) курс деталей машин как самостоятельную дисциплину и в 1898 году издал первый учебник под тем же названием. В его популярной до сих пор книге «Беседы о механике» решены задачи равновесия сил, действующих в стержневых механизмах, динамики машин и др. Выдающийся советский учёный профессор Н.И. Мерцалов дал новые оригинальные решения задач кинематики и динамики механизмов.
В 1914 г. он написал труд «Динамика механизмов», который явился первым систематическим курсом в этой области. Н.И. Мерцалов первым начал исследовать пространственные механизмы. Академик В.П. Горячкин провёл фундаментальные исследования в области теории сельскохозяйственных машин.
Профессор Л.А. Ассур разработал строгую в научном отношении классификацию плоских шарнирно-рычажных механизмов, которая послужила базой для многочисленных исследований в этой области советских учёных. В XIX и XX столетиях большое значение для развития практической механики в России приобретают исследования академиков М.В. Остроградского и А.М. Ляпунова, профессора И.В. Мещерского и др.
Достижения отечественной школы теории механизмов и машин в дореволюционный период заслуживают высокой оценки. Но подлинный расцвет она получила в связи с бурным развитием советского машиностроения и в настоящее время занимает одно из ведущих мест в мире. За отводящееся на курс время трудно проанализировать или даже перечислить многочисленные и значительные исследования советских учёных в этой области, упомянем лишь о некоторых из них.
На протяжении более сорока лет в Москве плодотворную научно-исследовательскую и научно-организаторскую деятельность в области теории механизмов и машин вёл академик И.И. Артоболевский. Его труды по теории структуры, по теории пространственных механизмов, синтезу и динамике машин и механизмов стали классическими. Он создал новые методы проективной и кинематической геометрии и аналитической динамики. Академик Н.Г. Бруевич приложил методы теории вероятностей к исследованию погрешностей действия машин и приборов и явился основателем теории точности механизмов. Он также развил аналитические методы исследования плоских и пространственных механизмов.
«Теория механизмов и машин» (ТММ) представляет собой один из важных разделов прикладной механики, в котором изложены методы исследования и построения механизмов и машин. Под исследованием механизмов и машин понимают изучение движения звеньев машин и их точек. Построение, или синтез, механизмов представляет разработку рациональных методов определения параметров механизмов, машин и приборов по заданным функциям их движения.
Этот курс являемся фундаментальным в системе подготовки инженеров. Структура и содержание курса предусматривает обязательное последовательное изучение составляющих его дисциплин и их разделов при творческой направленности лабораторного практикума и курсового проектирования.
Эффективность изучения курса может быть достигнута при условиях правильной дозировки учебной нагрузки (в целом и по отдельным разделам и главам); чёткости и ясности выдаваемых заданий; обеспеченности учебными и другими пособиями высокого качества (системности, краткости, обстоятельности); систематичности в руководстве работой студентов, осуществляемом по плану; своевременного контроля сроков, объёма и качества выполнения заданий и проектов.
Цель написания учебного пособия: изложение научных основ теории механизмов и машин для творческого применения полученных знаний в практике машиностроения.
Задача изучения курса: научить студентов методам исследования механизмов и машин, умению технически грамотно выполнять расчёты и рационально проектировать схемы механизмов и машин.
Прогресс в современном машиностроении, прежде всего, определяется созданием новых высокопроизводительных машин. Решение этой важнейшей проблемы основывается на комплексном использовании результатов многих научных дисциплин и в первую очередь теории механизмов и машин. Теория механизмов и машин – это наука об общих методах исследования свойств механизмов и машин и проектирования их схем.
Самостоятельной наукой теория механизмов и машин стала в начале прошлого века. Большой вклад в развитие науки внесли русские ученые Д.В. Ассур, П.Л. Чебышев, П.И. Сомов, затем советские А.П. Малышев, В.В. Добровольский, Н.И. Колчин, И.И. Артоболевский, и другие, которые разработали методы анализа и синтеза в теории механизмов и машин.
Качество создаваемых машин и механизмов определяется полнотой разработки и использования методов теории механизмов и машин. При построении механизмов и машин должны быть наиболее полно учтены такие критерии – производительность, надежность, точность, экономичность, только тогда можно получить совершенную конструкцию машины.
Почему люди создали машины? Они стремились облегчить физический труд, затем повысить производительность труда, а на современном этапе развития техники машина должна уметь заменить не только некоторые функции человека, но и его органы (манипуляторы, протезы).
Понятие машины очень емкое. Можно дать следующее определение: машины – это система, созданная трудом человека для изучения и использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и облегчения путем частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях.
Наиболее краткое определение машины следующее: машина есть устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации.
Все существующее в настоящее время многообразие машин в зависимости от выполняемых ими функций можно разделить на четыре класса.
Как бы не была сложна современная машина, она всегда может быть представлена как совокупность взаимодействующих механизмов.
Механизм – это система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел.
Рассмотрим в качестве примера модель машины-двигателя внутреннего сгорания. Здесь можно выделить кривошипно-ползунный механизм, кулачковый механизм, зубчатый механизм.