Курсовое проектирование по теории механизмов и механике систем машин
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Е.В. Поезжаева
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МЕХАНИКЕ СИСТЕМ МАШИН
Допущено УМО вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Пермь 2010
Стр. 1 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
УДК 621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56](075.6) ББК 34.42я73
П46
Рецензенты:
В.Ф. Олонцев – профессор ПИЖД УрГУПС; Б.С. Юшков – профессор ПГТУ
Поезжаева, Е.В.
П46 Курсовое проектирование по теории механизмов и механике систем машин / Е.В. Поезжаева. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 449 с.
ISBN 978-5-398-00437-3
Изложены основы теории механизмов и машин. Пособие ориентировано на применение современной вычислительной техники, в нем представлены алгоритмы расчетов в графической и аналитической формах проектирования механизмов и машин. Представлены методики проектирования структурной и кинематической схем механизма по основным и дополнительным условиям, а также силовой анализ механизма с учетом геометрии масс звеньев при движении их с ускорением. Рассмотрена динамика машин с защитой механизмов от механических колебаний. Даны методика проектирования зубчатых передач и определение их качественных показателей. Разработан анализ механизмов с прерывистым движением выходного звена и синтез кулачковых механизмов.
Содержание соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования и методическим требованиям, предъявляемым к учебным изданиям.
УДК621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56](075.6) ББК 34.42я73
ISBN 978-5-398-00437-3 |
ГОУ ВПО «Пермский |
|
государственный технический |
|
университет», 2010 |
Стр. 2 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.................................................................................................................... |
9 |
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПО ТЕОРИИ |
|
МЕХАНИЗМОВ И МЕХАНИКЕ СИСТЕМ МАШИН....................................... |
12 |
1.1. Общие требования........................................................................................... |
12 |
1.2. Последовательность выполнения расчётно-графической работы.............. |
13 |
1.3. Требования к составлению пояснительной записки по разделу |
|
«Структурный и кинематический анализ механизмов» .............................. |
14 |
1.4. Требования к составлению пояснительной записки по разделу |
|
«Силовой расчёт механизма»......................................................................... |
15 |
1.5. Требования к составлению пояснительной записки по разделу |
|
«Расчёт маховика»........................................................................................... |
16 |
1.6. Требования к составлению пояснительной записки по разделу |
|
«Проектирование эвольвентного зубчатого зацепления»........................... |
17 |
1.7. Требования к составлению пояснительной записки по разделу |
|
«Проектирование кулачкового механизма» ................................................. |
18 |
1.8. Основные требования, предъявляемые к оформлению чертежей.............. |
18 |
1.8.1. Общие требования................................................................................. |
18 |
1.8.2. Надписи и обозначения......................................................................... |
18 |
1.8.3. Требования к оформлению отдельных листов................................... |
19 |
1.8.4. Требования к чертежам по разделу |
|
«Кинематическое исследование механизмов».................................... |
19 |
1.8.5. Требования к чертежам поразделу «Силовой расчёт механизма» ....... |
20 |
1.8.6. Требования к чертежам по разделу «Расчёт маховика» ....................... |
20 |
1.8.7. Требования к чертежам по разделу |
|
«Проектирование эвольвентного зубчатого зацепления» ................ |
21 |
2. СТРОЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ............................................................................ |
22 |
2.1. Теоретическая часть........................................................................................ |
22 |
2.2. Структурная формула механизма.................................................................. |
26 |
2.3. Принцип образования механизмов................................................................ |
28 |
2.4. Эквивалент высшей кинематической пары.................................................. |
31 |
2.5. Избыточные связи........................................................................................... |
32 |
2.6. Алгоритм проведения структурного анализа плоского механизма........... |
34 |
2.7. Структурный синтез манипулятора............................................................... |
37 |
3
Стр. 3 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
3. СИНТЕЗ РЫЧАЖНО-ШАРНИРНЫХ МЕХАНИЗМОВ................................ |
39 |
3.1. Общие понятия................................................................................................. |
39 |
3.2. Проектирование шарнирного четырёхзвенника........................................... |
40 |
3.3. Проектирование кривошипно-ползунного механизма................................ |
42 |
3.4. Проектирование механизма с качающейся кулисой.................................... |
44 |
3.5. Проектирование механизма с вращающейся кулисой................................. |
46 |
3.6. Проектирование механизма зубострогального полуавтомата.................... |
48 |
3.7. Проектирование механизма манипулятора................................................... |
51 |
4. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА........................................... |
53 |
4.1. Кинематика групп Ассура............................................................................... |
53 |
4.2. Алгоритмы для расчёта кинематики групп Ассура ..................................... |
56 |
4.2.1. Решение задачи о положениях группы 21 ........................................... |
57 |
4.2.2. Решение задачи о скоростях группы 21 ............................................... |
58 |
4.2.3. Решение задачи об ускорениях группы 21 .......................................... |
58 |
4.2.4. Решение задачи о положениях группы 22 ........................................... |
59 |
4.2.5. Решение задачи о скоростях группы 22 ............................................... |
60 |
4.2.6. Решение задачи об ускорениях 22 ........................................................ |
61 |
4.2.7. Решение задачи о положениях группы 23 ........................................... |
61 |
4.2.8. Решение задачи о скоростях группы 23 ............................................... |
62 |
4.2.9. Решение задачи об ускорениях группы 23 .......................................... |
62 |
4.2.10. Решение задачи о положениях группы 24 ......................................... |
63 |
4.2.11. Решение задачи о скоростях группы 24 ............................................. |
63 |
4.2.12. Решение задачи об ускорениях группы 24 ........................................ |
64 |
4.2.13. Решение задачи о положениях группы 25 ......................................... |
65 |
4.2.14. Решение задачи о скоростях группы 25 ............................................. |
65 |
4.2.15. Решение задачи об ускорениях 25 ...................................................... |
66 |
4.3. Кинематика начального звена........................................................................ |
67 |
4.3.1. Решение задачи кинематики начального звена первого типа........... |
67 |
4.3.2. Решение задачи кинематики начального звена второго типа........... |
67 |
4.4. Кинематика двух вспомогательных задач..................................................... |
69 |
4.4.1. Решение задач кинематики для вспомогательной |
|
задачи первого типа.............................................................................. |
70 |
4.4.2. Решение задач кинематики для вспомогательной |
|
задачи второго типа.............................................................................. |
70 |
4.5. Определение координаты, проекций скоростей |
|
и ускорений центров масс звеньев................................................................. |
71 |
4.6. Функция положения и её производные......................................................... |
73 |
4.6.1. Пример кинематического расчёта механизма |
|
строгального станка............................................................................... |
75 |
4 |
|
Стр. 4 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
4.7. Кинематический анализ манипулятора......................................................... |
79 |
4.8. Графоаналитический метод кинематического исследования |
|
рычажных механизмов.................................................................................... |
82 |
4.8.1. Определение предельных положений механизма |
|
(графический метод).............................................................................. |
82 |
4.8.2. Построение плана положений механизма........................................... |
85 |
4.9. Примеры расчёта рычажных механизмов графоаналитическим |
|
методом кинематического исследования...................................................... |
89 |
4.9.1. Механизм шарнирного четырёхзвенника ABCD................................ |
89 |
4.9.2. Кривошипно-ползунный механизм ABC............................................. |
92 |
4.9.3. Кулисный механизм ABC ..................................................................... |
96 |
4.9.4. Пятизвенный стержневой механизм.................................................. |
100 |
4.10. Алгоритмы кинематического анализа рычажных механизмов.............. |
103 |
5. КИНЕТОСТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ МЕХАНИЗМА |
|
ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ......................................................... |
118 |
5.1. Силы, действующие на звенья механизма.................................................. |
119 |
5.2. Задачи силового расчёта............................................................................... |
119 |
5.3. Условия, налагаемые структурой механизмов на определение |
|
усилий в кинематических парах .................................................................. |
120 |
5.4. Условия равновесия структурной группы.................................................. |
123 |
5.5. Порядок силового расчёта механизма......................................................... |
123 |
5.6. Определение уравновешивающее силы методом Жуковского |
|
(рычаг Жуковского)....................................................................................... |
124 |
5.7. Рекомендуемая последовательность выполнения кинетостатического |
|
расчёта механизма................................................................................................ |
126 |
5.8. Силовой расчёт вибрационного механизма................................................ |
127 |
5.8.1. Определение сил инерции звеньев и моментов пары сил............... |
127 |
5.8.2. Определение реакций в кинематических парах структурной |
|
группы II класса 2-го вида (звенья 5 и 4) ............................................. |
130 |
5.8.3. Определение реакций в кинематических |
|
парах структурной группы..................................................................... |
134 |
5.8.4. Силовой расчёт ведущего звена......................................................... |
136 |
5.8.5. Определение уравновешивающего момента с помощью |
|
рычага Жуковского.............................................................................. |
137 |
5.8.6. Определение потребной мощности двигателя................................. |
138 |
5.9. Силовой расчёт строгального станка .......................................................... |
138 |
5.9.1. Определение сил инерции звеньев.................................................... |
140 |
5.9.2. Определение реакций в кинематических парах |
|
структурной группы 222 (звенья 5 и 4)................................................ |
140 |
|
5 |
Стр. 5 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
5.9.3. Определение реакций в кинематических парах структурной |
|
группы 23 (звенья 3 и 2) .................................................................... |
142 |
5.9.4. Силовой расчёт ведущего звена ...................................................... |
144 |
5.9.5. Определение уравновешивающей силы (Fy) |
|
с помощью рычага Жуковского....................................................... |
145 |
5.10. Принцип виртуальных перемещений для силового расчёта................... |
147 |
5.10.1. Условия статической определимости групп Ассура................... |
149 |
5.10.2. Аналитическая статика групп Ассура второго класса................ |
151 |
5.11. Последовательность силового расчёта аналитическим методом........... |
163 |
5.11.1. Пример расчёта................................................................................ |
164 |
6. ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА.............................................. |
168 |
6.1. Основные данные для динамического анализа .......................................... |
170 |
6.2. Связь между коэффициентом неравномерности и моментом |
|
инерции маховика.......................................................................................... |
171 |
6.3. Построение графика избыточных работ...................................................... |
173 |
6.4. Построение графика кинетической энергии звеньев |
|
и приведённого моментов инерции механизма.......................................... |
176 |
6.5. Алгоритм расчёта момента инерции маховика |
|
по методу Н.И. Мерцалова ........................................................................... |
177 |
6.6. Расчёт момента инерции по методу Ф. Виттенбауэра |
|
(с помощью диаграммы энергомоментов) .................................................. |
178 |
6.6.1. Диаграмма моментов (T = f (Jп)) ........................................................ |
178 |
6.6.2. Алгоритм расчёта момента инерции маховика |
|
по методу Ф. Виттенбауэра................................................................ |
179 |
6.7. Определение основных размеров маховика................................................ |
182 |
6.8. Дисковый маховик......................................................................................... |
183 |
6.9. Динамическое исследование механизма нефтяного оборудования......... |
188 |
6.9.1. Структурный анализ механизма ........................................................ |
188 |
6.9.2. Построение положений звеньев механизма...................................... |
189 |
6.9.3. Исследование механизма методом планов скоростей |
|
и ускорений.......................................................................................... |
190 |
6.9.4. Кинетостатический расчет механизма.............................................. |
192 |
6.9.5. Определение кинетической энергии.................................................. |
196 |
6.9.6. Определение приведенной массы...................................................... |
197 |
6.9.7. Определение мгновенной мощности сил трения............................. |
197 |
7. СИНТЕЗ КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ.................................................. |
199 |
7.1. Виды кулачковых механизмов..................................................................... |
199 |
7.1.1. Рабочий процесс кулачкового механизма......................................... |
202 |
6 |
|
Стр. 6 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
7.2. Задачи проектирования кулачковых механизмов...................................... |
204 |
7.2.1. Установление целесообразного закона движения |
|
ведомого звена..................................................................................... |
204 |
7.2.2. Профилирование кулачка................................................................... |
204 |
7.3. Законы движения ведомых звеньев............................................................. |
205 |
7.3.1. Параболический закон........................................................................ |
205 |
7.3.2. Косинусоидальный закон................................................................... |
208 |
7.3.3. Синусоидальный закон....................................................................... |
210 |
7.3.4. Построение графиков зависимостей dS/dϕ = f (ϕ) и S = f (ϕ) |
|
при заданном законе изменения ускорений..................................... |
212 |
7.4. Определение минимальных размеров кулачкового механизма................ |
215 |
7.4.1. Определение минимальных размеров кулачкового механизма |
|
с поступательно движущимся толкателем....................................... |
215 |
7.5. Построение профиля кулачка....................................................................... |
219 |
7.6. Определение размеров ролика толкателя................................................... |
221 |
7.7. Определение минимальных размеров кулачка с коромыслом.................... |
221 |
7.8. Определение минимальных размеров кулачка с плоским толкателем.... |
224 |
7.8.1. Метод «Задача Геронимуса».............................................................. |
224 |
7.9. Метод суммирования ординат графиков.................................................... |
226 |
7.10. Проектирование кулачкового механизма аналитическим методом....... |
228 |
7.10.1. Рекомендуемая последовательность |
|
проектирования кулачкового механизма.................................................. |
228 |
7.10.2 Кинематический анализ кулачкового механизма ........................... |
230 |
7.10.3. Профилирование кулачковой шайбы |
|
для механизма с плоским толкателем........................................................ |
233 |
7.10.4. Профилирование кулачковой шайбы для механизма |
|
толкателем, оканчивающимся остриём или роликом............................... |
235 |
7.10.5. Профилирование кулачковой шайбы для механизма |
|
с коромыслом................................................................................................. |
237 |
8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭВОЛЬВЕНТНОГО ЗУБЧАТОГО |
|
ЗАЦЕПЛЕНИЯ ..................................................................................................... |
241 |
8.1. Назначение зубчатых передач и требования к ним ................................... |
241 |
8.2. Эвольвента и её свойства.............................................................................. |
242 |
8.3. Линия зацепления, угол зацепления............................................................ |
243 |
8.4. Основные размеры нормальных зубчатых колёс....................................... |
245 |
8.5. Сопряжённые точки, рабочие участки........................................................ |
247 |
8.6. Дуга зацепления, коэффициент перекрытия............................................... |
249 |
8.7. Удельное скольжение эвольвентных профилей......................................... |
251 |
8.8. Подрезание зубьев эвольвентного профиля............................................... |
251 |
8.9. Выбор расчётных коэффициентов смещения............................................. |
252 |
8.10. Построение картины зацепления............................................................... |
264 |
8.11. Порядок построения картины инструментального зацепления.............. |
266 |
|
7 |
Стр. 7 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
9. КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ |
|
ПЕРЕДАТОЧНЫХ (ПЛАНЕТАРНЫХ) МЕХАНИЗМОВ ............................... |
270 |
10. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................. |
289 |
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ |
|
К ЗАЩИТЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ............................................................ |
290 |
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ |
|
К ЗАЩИТЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПО ТМММ .......................................... |
294 |
Приложение 1. Образец выполнения пояснительной записки для студентов |
|
специальностей А и АХ, СТМ, СДМ, ЭТС, МАХП............... |
300 |
Приложение 2. Исследовательская работа по проектированию зубчатой |
|
передачи...................................................................................... |
347 |
Приложение 3. Исследовательская работа по проектированию |
|
кулачкового механизма............................................................. |
362 |
Приложение 4. Алгоритм проектирования механики манипулятора |
|
для укладки изделий.................................................................. |
371 |
Приложение 5. Моделирование расчёта кинематики и динамики |
|
компрессора................................................................................ |
385 |
Приложение 6. Задания для курсового проекта и контрольных работ........... |
409 |
Приложение 7. Буквенные обозначения. Применение системы |
|
автоматизированных расчётов при выполнении |
|
курсовых работ........................................................................... |
442 |
8
Стр. 8 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
ВВЕДЕНИЕ
Рационально спроектированная машина должна удовлетворять социальным требованиям безопасности обслуживания и создания наилучших условий для обслуживающего персонала, а также эксплуатационным, экономическим, технологическим и производственным требованиям.
Поэтому необходимо изучить основные положения теории машин и общие методы кинематического и динамического анализа и синтеза механизмов, а также приобрести навыки в применении этих методов
кисследованию и проектированию кинематических схем механизмов
имашин различных типов.
Проект содержит задачи по исследованию и проектированию машин, состоящих из сложных и простых в структурном отношении механизмов (шарнирно-рычажных, кулачковых, зубчатых и др.). Курсовое проектирование способствует закреплению, углублению и обобщению теоретических знаний, а также применению этих знаний к комплексному решению конкретной инженерной задачи по исследованию и расчету механизмов и машин; оно развивает у студента творческую инициативу
исамостоятельность, повышает его интерес к изучению дисциплины
ипрививает некоторые навыки научно-исследовательской работы. Первая задача, требующая самостоятельного разрешения, состоит
в подборе недостающих параметров по некоторым наперед заданным условиям, вытекающим из требований технологического процесса либо из других рациональных условий (повышения износоустойчивости, уменьшения размеров, времени холостого хода и т.п.). Так, например, при синтезе кинематической схемы рабочей машины или двигателя требуется по заданному коэффициенту изменения скорости хода машины или по заданному значению угловой скорости ведущего звена,
атакже по другим данным определить недостающие основные размеры
ит.д. В состав большинства проектных заданий входят, кроме шарнир- но-рычажных механизмов, также кулачковые и трансмиссионные механизмы – приводы, предназначенные для передачи движения к исполнительным органам.
9
Стр. 9 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Вопросы синтеза и анализа привода связаны с вопросами геометрического синтеза зубчатого зацепления (геометрия и кинематика зубчатых передач).
Определение основных элементов зацепления приведено для нормального и для исправленного эвольвентного зацепления. Расчет исправленной передачи необходим не только для устранения подрезания и заострения зуба, но и для улучшения эксплуатационных качеств эвольвентного зацепления.
В современных машинах и приборах широкое применение получили также кулачковые механизмы. При проектировании рабочего профиля кулачка по заданной схеме кулачкового механизма исходят из технологических, динамических и других требований, предъявляемых к машине.
При проектировании кулачкового механизма, кроме задачи профилирования кулачка, обеспечивающего воспроизведение заданного закона движения, приходится определять еще и рациональные размеры механизма. Выбор этих размеров, т.е. определение области возможного расположения центра вращения кулачка, обусловливается не только конструктивными соображениями, но и предельными значениями заданного угла передачи, при которых создаются благоприятные условия работы проектируемого кулачкового механизма. Для оценки работы механизма и проверки отдельных его параметров спроектированный кулачковый механизм должен быть подвергнут анализу с целью установления динамических свойств, а также степени точности и правильности воспроизведения им заданного закона движения.
Прежде чем приступить к дальнейшей задаче – кинематическому анализу шарнирно-рычажного механизма, необходимо произвести его структурный анализ, т.е. выяснить характер кинематических пар, подсчитать число их и число подвижных звеньев и определить описываемые точками этих звеньев траектории. В результате этого анализа после отбрасывания всех цепей наслоения должен получиться механизм 1-го класса, содержащий неподвижное и начальное звено, закон движения которого задан в предположении однократной степени подвижности механизма.
Структурный анализ дает возможность определить порядок и методы кинематического исследования. Задачи кинематики комплексно связаны с задачами кинетостатики. Произведенный структурный анализ позволяет решить задачу кинетостатического расчета исследова-
10
Стр. 10 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |