Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2760.Практикум по теории механизмов и механике систем машин

..pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
27.82 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.В. Поезжаева

ПРАКТИКУМ ПО ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МЕХАНИКЕ СИСТЕМ МАШИН

Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизицованного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлениям подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизация технологических процессов и производств (Машиностроение)»

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

УДК 621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56] (075.6) ББК 34.42я73

П46

Рецензенты: профессор В.Ф. Олонцев

(Пермский институт железнодорожного транспорта Уральского государственного университета путей сообщения); профессор, академик Академии транспорта Б.С. Юшков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Поезжаева, Е.В.

П46 Практикум по теории механизмов и механике систем машин : учеб. пособие / Е.В. Поезжаева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 358 с.

ISBN 978-5-398-01613-0

Изложены основы теории механизмов и машин. Представлены алгоритмы расчетов в графической и аналитической формах проектирования механизмов и машин. Даны 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. Даны методика проектирования зубчатых передач и определения их качественных показателей. Разработан анализ механизмов с прерывистым движением выходного звена и синтез кулачковых механизмов. Кинематическое исследование передаточных механизмов выполнено согласно их конструкции. Разработана кинематическая и динамическая модель манипулятора.

Содержание соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования и методическим требованиям, предъявляемым к учебным изданиям.

Предназначено для студентов, обучающихся по образовательной программе бакалавриата и специалитета.

УДК 621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56] (075.6) ББК 34.42я73

ISBN 978-5-398-01613-0

♥ ПНИПУ, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................

6

Практическое занятие 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ

 

КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, ПРОСТРАНСТВЕННОГО И ПЛОСКОГО

 

МЕХАНИЗМА. ИЗБЫТОЧНЫЕ СВЯЗИ. ЗАМЕНА

 

ВЫСШИХ ПАР..........................................................................................................................

9

1.1. Краткие теоретические сведения.......................................................................................

9

1.2. Структура механизмов и ее дефекты ..............................................................................

21

1.3. Структурный анализ механизмов....................................................................................

22

1.4. Синтез механизмов............................................................................................................

24

1.5. Показатели качества рычажных механизмов.................................................................

25

Порядок выполнения работы..................................................................................................

28

Контрольные вопросы .............................................................................................................

29

Практическое занятие 2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЫЧАЖНЫХ

 

МЕХАНИЗМОВ.......................................................................................................................

31

2.1. Краткие теоретические сведения.....................................................................................

31

2.2. План положения механизма.............................................................................................

32

2.3. Метод кинематических диаграмм....................................................................................

34

2.4. Метод кинематических планов........................................................................................

37

2.5. Теорема подобия ...............................................................................................................

39

2.6. Механизм шарнирного четырехзвенника ABCD............................................................

40

2.7. Кривошипно-ползунный механизм АВС.........................................................................

43

2.8. Кулисный механизм АВС.................................................................................................

46

2.9. Алгоритмы кинематического анализа рычажных механизмов ...................................

50

2.9.1. Основные положения ..............................................................................................

50

2.9.2. Кривошипно-ползунный механизм........................................................................

53

2.9.3. Шарнирный четырехзвенник..................................................................................

56

2.9.4. Кулисный механизм ................................................................................................

61

Порядок выполнения работы..................................................................................................

64

Контрольные вопросы .............................................................................................................

65

Практическое занятие 3. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА................

67

3.1. Краткие теоретические сведения.....................................................................................

67

3.2. Силовой расчет вибрационного механизма....................................................................

75

3.2.1. Определение сил инерции звеньев и моментов пары сил..................................

75

3.2.2. Определение реакций в кинематических парах структурной группы

 

2-го класса 2-го вида (звенья 5 и 4) ......................................................................

77

3.2.3. Определение реакций в кинематических парах структурной группы 2 ..........

81

3.3. Силовой расчет ведущего звена.......................................................................................

84

3.4. Определение уравновешивающего момента с помощью рычага Жуковского..........

84

3.5. Определение потребной мощности двигателя...............................................................

85

Порядок выполнения работы..................................................................................................

86

Контрольные вопросы .............................................................................................................

87

3

Практическое занятие 4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИНАМИКИ И РЕЖИМОВ

 

ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ. РАСЧЕТ МАХОВИКА......................................................

89

4.1. Уравнения движения механизма .....................................................................................

89

4.2. Основные данные для динамического анализа..............................................................

94

4.3. Связь между коэффициентом неравномерности и моментом инерции маховика...........

94

4.4. Построение графика избыточных работ.........................................................................

96

4.5. Построение графиков кинетической энергии звеньев и приведенного

 

момента инерции механизма............................................................................................

99

4.6. Алгоритм расчета момента инерции маховика по методу Н.И. Мерцалова............

100

4.7. Расчет момента инерции по методу Ф. Виттенбауэра

 

(с помощью диаграммы энергомоментов) ....................................................................

101

4.7.1. Диаграмма моментов Т = f (Jп) ............................................................................

101

4.7.2. Алгоритм расчетамомента инерции маховика по методу Ф. Виттенбауэра.......

102

4.8. Определение основных размеров маховика.................................................................

105

Задачи для выполнения практической работы по проектированию

 

зубчатой передачи..................................................................................................................

106

Практическое занятие 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО

 

ОТНОШЕНИЯ РЯДОВЫХ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ, ПЛАНЕТАРНЫХ,

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ЗАМКНУТЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ

 

ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ.........................................................................................................

111

5.1. Краткие теоретические сведения...................................................................................

111

5.2. Однорядные зубчатые механизмы.................................................................................

112

5.3. Многопоточные зубчатые механизмы ..........................................................................

118

5.4. Эпициклические зубчатые механизмы..........................................................................

120

5.5. Планетарные зубчатые механизмы ...............................................................................

120

5.6. Дифференциальные зубчатые механизмы....................................................................

125

5.7. Суммирующие дифференциальные зубчатые механизмы............................................

126

5.8. Разделяющие дифференциальные зубчатые механизмы.............................................

128

5.9. Коробки передач..............................................................................................................

129

5.10. Проектирование одноступенчатых планетарных зубчатых передач......................

130

5.11. Волновые механизмы....................................................................................................

131

Порядок выполнения работы................................................................................................

134

Контрольные вопросы ...........................................................................................................

135

Практическое занятие 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО РАДИУСА

 

И ПРОФИЛИРОВАНИЕ КУЛАЧКА...................................................................................

138

6.1. Краткие теоретические сведения...................................................................................

138

6.2. Рабочий процесс кулачкового механизма.....................................................................

141

6.3. Задачи проектирования кулачковых механизмов........................................................

143

6.4. Законы движения ведомых звеньев...............................................................................

144

6.4.1. Параболический закон.........................................................................................

144

6.4.2. Косинусоидальный закон ....................................................................................

146

6.4.3. Синусоидальный закон........................................................................................

149

6.4.4. Построение графиков зависимостей dS/dφ = f (φ) и S = f (φ)

 

при заданном законе изменения ускорения.......................................................

151

6.5. Определение минимальных размеров кулачкового механизма.................................

154

6.6. Построение профиля кулачка.........................................................................................

158

6.7. Определение размеров ролика толкателя.....................................................................

159

6.8. Определение минимальных размеров кулачка с коромыслом ..................................

160

4

6.9. Определение минимальных размеров кулачка с плоским толкателем.....................

163

6.10. Алгоритм проектирования кулачкового механизма аналитическим методом........

165

Задачи для выполнения практической работы по проектированию

 

кулачкового механизма .........................................................................................................

167

Практическое занятие 7. ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЬВЕНТНОГО

 

ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ С УЧЕТОМ КОРРЕКЦИИ................................................

171

7.1. Краткие теоретические сведения...................................................................................

171

7.2. Эвольвента и ее свойства................................................................................................

172

7.3. Линия зацепления, угол зацепления..............................................................................

173

7.4. Основные размеры нормальных зубчатых колес.........................................................

175

7.5. Сопряженные точки, рабочие участки..........................................................................

177

7.6. Дуга зацепления, коэффициент перекрытия.................................................................

178

7.7. Удельное скольжение эвольвентных профилей...........................................................

180

7.8. Подрезание зубьев эвольвентного профиля.................................................................

181

7.9. Выбор расчетных коэффициентов смещения...............................................................

182

7.10. Построение картины зацепления.................................................................................

193

7.11. Порядок построения картины инструментального зацепления...............................

195

Задачи для выполнения практической работы по проектированию зубчатой

 

передачи..................................................................................................................................

198

Практическое занятие 8. НАЗНАЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

 

МЕХАНИЗМОВ. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

 

РОБОТОВ И МАНИПУЛЯТОРОВ. РОБОТЫ И МАНИПУЛЯТОРЫ.............................

203

8.1. Понятие о промышленном роботе.................................................................................

203

8.2. Классификация промышленных роботов .....................................................................

204

8.3. Технические показатели промышленных роботов ......................................................

207

8.4. Описание исполнительного механизма – манипулятора..............................................

207

8.5. Кинематика механизма манипулятора..........................................................................

208

8.5.1. Методы решения задач кинематики...................................................................

208

8.5.2. Решение задач кинематики методом преобразования координат ..................

211

8.5.3. Решение задач кинематики векторным методом...............................................

218

8.6. Методы построения динамической модели манипулятора........................................

221

Применение ЭВМ к решению задач кинематики манипуляторов ...................................

229

Практическое занятие 9. ОЦЕНКА ЗНАНИЙ ПО КУРСУ

 

«ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН»............................................................................

252

Контролирующий тест, контрольная работа.......................................................................

252

Вопросы к зачету....................................................................................................................

252

Критерии оценки при сдаче зачета.......................................................................................

255

Тест-билеты ............................................................................................................................

255

Тесты .....................................................................................................................................

266

Тема «Структурный анализ плоских механизмов».....................................................

266

Тема «Силовой расчет механизмов» ............................................................................

280

Тема «Кинематический анализ рычажных механизмов» ...........................................

297

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................

321

ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................................

322

5

ВВЕДЕНИЕ

Организация учебного процесса по очной форме обучения предполагает выделение на проведение аудиторных занятий более 50 % от объема часов, предусмотренных Государственным образовательным стандартом для изучения дисциплины «Теория механизмов и машин» (ТММ). Главной целью аудиторных занятий является ознакомление с основными разделами дисциплины и консультирование по наиболее сложным темам,

атакже выявление уровня освоения материала дисциплины каждым студентом с последующей итоговой аттестацией. При этом до 50 % объема часов выделяется для работы студентов, направленной на самостоятельное освоение необходимого материала дисциплины ТММ и выполнение требуемых видов работ.

Дисциплина «Теория механизмов и машин» предполагает изучение основных методов и алгоритмов анализа и синтеза механизмов и машин,

атакже систем, разработанных на их базе. Основные положения и терминология дисциплины ТММ освещаются на лекционных занятиях, а практическое освоение и проработка полученных знаний осуществляется на практических занятиях и при выполнении практических работ.

Внастоящем практикуме представлены девять практических занятий, в ходе выполнения которых у студентов должны сформироваться практические навыки по проведению структурного, кинематического анализа сложных зубчатых механизмов и метрического синтеза, построению динамических моделей плоских рычажных механизмов и определению геометрических параметров эвольвентных зубчатых колес. Количество и последовательность выполнения практических работ уточняются непосредственно при проведении занятий в зависимости от объема часов, выделенных для реализации данного вида учебной работы, и оснащенности аудитории, в которой они проходят. Перед каждой практической работой необходимо изучить соответствующие разделы лекционного материала с целью предварительной подготовки к ее выполнению. Успешность выполнения каждой практической работы определяется уровнем подготовки студента.

Задания и вариантные работы выдает преподаватель, осуществляющий проведение данного вида аудиторной работы непосредственно перед началом ее выполнения. Задания практической работы выполняются самостоятельно студентом во время аудиторного занятия в присутствии преподавателя. Снятые показания или выполненные задания практиче-

6

ской работы каждый студент должен самостоятельно представить преподавателю для проверки. Замечания по ходу выполнения и оформлению практической работы, а также выявленные ошибки устраняются студентом самостоятельно. Каждая лабораторная работа защищается студентом лично. Защита практической работы проводится в форме собеседования, предусматривает решение практических задач или тестов и призвана выявить уровень знаний студента по теме защищаемой практической работы. Подготовка к защите практической работы осуществляется самостоятельно каждым студентом с изучением разделов лекционного материала, охватывающего тему данной практической работы, и включает в себя оформление отчета в соответствии с СТО 4.2-07–2008 [2].

Оформление практической работы. Порядок защиты

Выполненная практическая работа оформляется в виде отчета на листах белой бумаги формата А2 и включает следующие разделы: титульный лист, задание, решение требуемых заданий и пояснения к ним, содержащие необходимые уравнения, выводы соответствующих зависимостей, теоремы и расчеты, сопровождаемые требуемыми графическими иллюстрациями, рисунками и чертежами. В конце отчета практической работы приводится список литературных источников, использованных студентом при ее выполнении, в том числе дается библиография методических указаний и пособий. Необходимый графический материал выполняется на формате А2. Оформление как тестовой части отчета, так и требуемых графических построений осуществляется в соответствии с требованиями ЕСКД и СТО 4.2-07–2008 [4]. При оформлении отчетов практических работ допускается полное или частичное использование компьютера. В этом случае к отчету необходимо приложить CD-диск с электронной версией практической работы. Использование компьютера не является основанием для нарушения или несоблюдения требований и положений ЕСКД и СТО 4.2-07–2008 [4].

Выполненные и соответственно оформленные отчеты практических работ должны быть представлены преподавателю для проверки. Проверка правильности выполнения практических работ и оформления отчета осуществляется в течение семестра на аудиторных занятиях или консультациях, проводимых в соответствии с расписанием работы преподавателя. Проверенные и допущенные преподавателем к защите отчеты практических работ студент обязан самостоятельно защитить до момента итогового контроля, т.е. экзамена. Срок защит практических работ оканчивается по завершении зачетной недели или с началом сессии. Без защит работ студент к сдаче зачета или экзамена не допускается.

7

В течение семестра до начала сессии возможна организация консультаций или дополнительных занятий, направленных на оказание помощи студентам при оформлении отчетов практических работ и подготовке к их защите. При этом консультации или дополнительные занятия со студентами проводятся только при выделении деканатами соответствующих факультетов нагрузки (часов) для организации данного вида работы. В случае отсутствия нагрузки (часов) для проведения данного вида работы консультации и дополнительные занятия не проводятся, а студенты осуществляют оформление отчетов и подготовку к защите практических работ самостоятельно.

8

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, ПРОСТРАНСТВЕННОГО И ПЛОСКОГО МЕХАНИЗМА.

ИЗБЫТОЧНЫЕ СВЯЗИ. ЗАМЕНА ВЫСШИХ ПАР

Цель работы

Ознакомиться с разновидностями элементов структуры и этапами синтеза основных видов механизмов и машин, а также научиться выполнять структурный анализ и синтез рычажных механизмов.

1.1. Краткие теоретические сведения

Основными понятиями дисциплины «Теория механизмов и механика систем машин» являются машина, механизм и система машин, которые рассматриваются как технические системы.

Каждая техническая система предназначена для выполнения определенных функций.

Модель – это устройство (или образ) какого-либо объекта или явления, адекватно отражающего его свойства.

Модель любого механизма или машины составляются по критериям подобия, формулируемым в зависимости от принятых допущений, основными из которых являются следующие:

1.Все звенья механизма или машины являются абсолютно твердыми

ижесткими, т.е. не подвержены деформациям никакого рода.

2.Контактирующие поверхности звеньев механизмов и машин являются абсолютно гладкими.

3.Все механизмы предназначены только для преобразования движения

исиловых факторов.

Наиболее распространенным видом является схемный образ, или схема. Для одного и того же механизма или машины различают: функциональную, структурную, геометрическую, кинематическую и динамическую схемы.

Машина – это техническая система, выполняющая механическое движение для преобразования энергии, материалов информации. Все машины предназначены для облегчения физического и умственного труда человека, т.е. для улучшения его качеств и повышения производительности.

Все существующие машины можно разделить на четыре вида.

9

Энергетические машины – это машины, преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида (например двигатели и генераторы).

Рабочие машины – это машины, использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию объектов или материалов (например транспортные и технологические машины).

Информационные машины – это машины, предназначенные для обработки и преобразования информации (например математические и кон- трольно-управляющие машины).

Кибернетические машины – это машины, управляющие машинами других видов, которые способны изменить программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды (например машины, обладающие элементами искусственного интеллекта).

С целью выполнения функционального назначения машины разных видов взаимодействуют друг с другом. Совокупность нескольких машин образует привод.

Привод – это система взаимосвязанных устройств, предназначенная для приведения в движение одного или нескольких звеньев, входящих в состав механизма или машины. Все приводы можно разделить на три основных вида: гидравлический, пневматический и электрический. Доступность электропитания в учреждениях и организациях мирового сообщества, а также сравнительная простота обусловили наибольшее распространение электропривода. Все машины состоят из механизмов, которые призваны обеспечивать выполнение требуемых функций. В зависимости от сложности схемы машины могут содержать несколько механизмов одновременно.

Механизм – это техническая система, состоящая из подвижных звеньев, стойки и кинематических пар, образующих кинематические цепи. Все механизмы машин и приводов выполняют определенное служебное назначение и являются действительными механизмами. Однако, следуя принятым допущениям построения моделей, изучение структуры механизмов можно выполнять без учета специфики их дальнейшей эксплуатации, что позволяет разбить механизмы на типовые группы по принципу сходности строения структуры и воспользоваться уже разработанными для них методами и алгоритмами анализа и синтеза. Полученные таким образом механизмы называются типовыми.

Типовой механизм – это простой механизм, имеющий при различном функциональном назначении широкое применение в машинах разных видов. Использование типовых механизмов позволяет существенно упростить любой вид анализа или синтеза механизмов и машин.

Все механизмы состоят из совокупности звеньев. Звено (контур) – это тело или система жестко связанных тел, входящих в состав механизма (рис. 1.1).

10