Учебная литература / n1
.pdf
В.И. Закабунин
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ
И
МАШИН
Структура и анализ механизмов
3
В.И. Закабунин
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ
И
МАШИН
Структура и анализ механизмов
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
Барнаул Издательство Алт ГТУ имени И.И. Ползунова
2004
4
УДК 621.01
Закабунин В.И. Теория механизмов и машин. Структура и анализ механизмов: Учебное пособие / Алт. гос. техн. Ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во Алт ГТУ, 2004.- 405 с.
ISBN 5-7568-0290-8
В пособии изложены вопросы структуры, кинематического, силового и динамического анализа механизмов. Изложение теоретического материала сопровождается рассмотрением достаточно большого количества задач, что помогает студентам лучше освоить материал. Каждый раздел содержит контрольные вопросы и тесты, позволяющие проверить знания студентов.
Пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей, изучающих курс «Теория механизмов и машин».
УДК 621.01
Рецензенты:
д.т.н., профессор Попович В.С. д.т.н., профессор Кутышкин А.В.
ISBN 5-7568-0290-8
5
Введение
Теория механизмов и машин |
Ведущей отраслью |
обществен- |
- теоретическая основа проек- |
ного производства, |
определяю- |
тирования и эксплуатации |
щей его материально-техничес- |
|
машин. |
кую базу и являющейся основой |
|
технического перевооружения всех остальных отраслей, является машиностроение.
От уровня развития машиностроения, т. е. от совершенства новых технологий и технологического оборудования, средств автоматизации производства, уровня измерительной и вычислительной техники зависит производительность и эффективность производства, а следовательно, и благосостояние общества.
Поэтому всегда актуальными являются задачи создания надежных, высокопроизводительных, экономичных, экологически чистых машин, машин удобных и безопасных в эксплуатации, отвечающих современным требованиям технической эстетики.
Создание новых и современных машин и грамотная их эксплуатация требует применения соответствующих методов анализа и синтеза механизмов и подготовки инженерных кадров, владеющих этими методами.
И здесь важная роль принадлежит теории механизмов и машин, являющейся теоретической основой проектирования и эксплуатации машин.
Теория механизмов и машин, как говорит само название, занимается изучением машин и механизмов.
Современные учебники дают следующее общее определение для машины [2]:
«Машина есть устройство, создаваемое человеком, совершающее механическое движение для преобразования энергии, материалов, информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека».
По своему функциональному назначению машины могут быть:
-технологическими, с помощью которых происходит изменение формы, размеров, свойств исходных материалов и заготовки (металлорежущие, деревообрабатывающие станки, прессы, ткацкие, печатные машины, …);
-энергетическими, в которых происходит преобразование одного вида энергии в другой (электрические, гидравлические, пневматические двигатели);
6
-транспортными, с помощью которых происходит перемещение различных объектов в пространстве (автомобили, самолеты, конвейеры, роботы, …);
-информационными, обеспечивающими выполнение механических движений для передачи и преобразования информации (печатающие устройства, ЭВМ, графопостроители, …).
Любая машина состоит из нескольких механизмов, связанных между собой определенным образом.
Механизм – это совокупность твердых тел, подвижно соединенных между собой, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.
Следует иметь в виду, что получение требуемых движений может происходить не только с помощью одних твердых тел, но и с присутствием, в том числе, жидких тел (гидравлические механизмы) или газообразных тел (пневматические механизмы).
Современные технологические машины являются сложными машинными агрегатами, состоящими, как правило, из двигателя, от которого движение передается на рабочий орган с помощью передаточных и исполнительных механизмов.
В состав машины входят также и вспомогательные механизмы, обеспечивающие выполнение дополнительных операций (зажим, разжим, поворот деталей, движение подачи и т.д.).
На рисунке В-1 показана кинематическая схема механизмов по- перечно-строгального станка.
В этом станке движение от электродвигателя 9 через планетарный редуктор 8 и пару зубчатых колес 7 и 6 (передаточный механизм) передается на кривошип 1. Для преобразования вращательного движения кривошипа 1 в возвратно-поступательное движение ползуна 5 (резцовой головки) используется кулисный механизм (исполнительный механизм), состоящий из кривошипа 1, кулисного камня 2, кулисы 3, шатуна 4 и ползуна 5.
Движение подачи стола вместе с заготовкой в направлении перпендикулярном плоскости чертежа осуществляется с помощью вспомогательного механизма, состоящего из ходового винта, поворот которого производится храповым колесом 10 через систему рычагов 11-13 и кулачок, вращающийся заодно с колесом 6.
7
Рисунок В-1 Основным назначением технологических машин является каче-
ственное выполнение технологических операций с учетом заданной производительности
Рабочие органы этих машин (резец, фреза, схват манипулятора, …) должны обладать строго определенными кинематическими и динамическими характеристиками (траекторией, скоростью, передаваемым усилием, …), обеспечивая, например, требуемое качество обрабатываемой поверхности детали.
Поэтому при проектировании и эксплуатации технологического оборудования инженер обязан знать:
-методы воспроизведения заданного закона движения рабочего органа с помощью различных механизмов;
-закономерности изменения сил в передаточных и исполнительных механизмах;
-факторы, вызывающие появление ошибок в реализации требуемого закона движения рабочего органа (программного движения);
-методы синтеза механизмов по заданным кинематическим и динамическим условиям движения рабочего органа;
-методы согласования работы управляющих, передаточных и исполнительных механизмов с учетом заданного качества и производительности воспроизводимой операции.
8
Перечисленные выше проблемы требуют изучения таких разделов механики машин, как:
-структура механизмов;
-кинематический анализ механизмов;
-динамический анализ машинных агрегатов;
-кинематический и динамический синтез передаточных, исполнительных и вспомогательных механизмов;
-основы теории машин-автоматов.
Целью данного пособия является ознакомление студентов с общими методами анализа отдельных видов механизмов и машин, используемых при выполнении различных технологических операций,
атакже в транспортных и других машинах, с построением физических и математических моделей механизмов и машин для их кинематического, силового и динамического анализа.
Владение этими методами позволяет конструктору находить оптимальные решения при проектировании технологического и другого оборудования с заданными свойствами.
Так как вопросы структуры, анализа и синтеза механизмов составляют содержание общепрофессиональной дисциплины «Теория механизмов и машин», то данное пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей, изучающих курсы «Теория механизмов и машин», «Основы конструирования машин»,
атакже специальные дисциплины по промышленному оборудованию.
Полезно оно будет студентам, изучающим перечисленные выше дисциплины по дистанционной и заочной формам обучения. Большое количество разобранных примеров, образцы выполняемых расчетных и лабораторных работ, перечень контрольных вопросов по отдельным темам помогают студентам более целенаправленно изучать соответствующий материал и лучше подготовиться к текущему и итоговому контролю их знаний.
Пособие написано в соответствии с рабочими программами по курсу «Теория механизмов и машин» (часть 1), реализуемыми в Алтайском государственном техническом университете имени И.И. Ползунова при достаточно ограниченном количестве часов, отводимых государственными образовательными стандартами на изучение данной дисциплины, и поэтому не претендует на полноту изложения всех разделов, включаемых в курсы «Теория механизмов и машин».
9
Так как кинематические и динамические характеристики любого механизма существенным образом зависят от его строения, то первый раздел пособия посвящен структуре механизмов.
Затем последовательно будут рассмотрены вопросы кинематического, силового и динамического анализа механизмов и машин.
Такая последовательность изложения материала неслучайна: последовательность и методика кинематического и силового анализа механизмов определяются их структурой.
10
1 Структурный анализ и синтез механизмов
В этом разделе изучают возможные способы соединения тел (звеньев), образующих различные механизмы, методику построения механизмов определенной подвижности, вопросы классификации механизмов в зависимости от их строения.
Изучив этот раздел, студент должен знать:
-основные понятия и определения, относящиеся к строению (структуре) механизмов;
-классификацию структурных групп Л.В. Ассура и методику построения структурных групп различных видов;
-методику построения структурных схем механизмов определенной подвижности;
должен уметь:
-определять степень подвижности механизма и знать физический смысл этого понятия;
-определять избыточные связи в механизмах и знать методику их устранения;
-строить структурные и кинематические схемы механизмов;
-строить заменяющие механизмы;
-проводить структурный анализ и классификацию механизмов по Л.В. Ассуру.
1.1 Основные понятия и определения
Любой механизм состоит из деталей, отдельно изготовленных частей, одни из которых подвижны, другие неподвижны.
Подвижная деталь или группа деталей, движущаяся как одно целое, называется подвижным звеном.
На рисунке 1.1а показан шатун, представляющий собой подвижное звено, состоящее из нескольких деталей: тела шатуна - корпуса, шатунной крышки, болтов,… .
При решении многих задач теории механизмов и машин можно не учитывать конструктивное оформление звена и изображать его упрощенно с помощью условных обозначений, отражающих те размеры, которые определяют движение этого и других звеньев механизма.
Например, шатун на рисунке 1.1а может быть изображен отрезком прямой, длина которого равна расстоянию между осями А и В
11
(рисунок 1.1б). А вот шатун, показанный на рисунке 1.1с будет изображаться в виде треугольника (рисунок 1.1 d).
d)
Рисунок 1.1
Все неподвижные детали образуют одно звено – неподвижное звено или стойку.
В дальнейшем мы будем обозначать стойку нулевым звеном или 
. Обращение одного из звеньев механизма в стойку следует пони-
мать относительно.
Если механизм входит в состав стационарной машины, жестко связанной с фундаментом, покоящимся на Земле, то стойку механизма образуют все его детали, жестко связанные с корпусом машины. Поэтому движения звеньев механизма относительно стойки будут являться абсолютными их движениями относительно Земли.
Однако во многих случаях, например в транспортных машинах, нельзя указать неподвижное звено в машине, так как сама машина перемещается относительно Земли.
В этих случаях под стойкой механизма понимают совокупность его деталей, жестко связанных с рамой (корпусом) этого транспортного устройства и под абсолютными движениями звеньев понимают движения звеньев не относительно Земли, а относительно рамы (стойки).
С точки зрения геометрии движения звеньев относительно стойки такой выбор неподвижного звена не вносит никаких ошибок.
Однако при рассмотрении вопросов динамики, когда определяют силы, действующие на отдельные звенья механизма, можно допустить в некоторых случаях ошибки, если не учесть перемещения стойки.
12