Учебная литература / ulstu2012-116
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Основы проектирования машин
Учебное издание
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Эксплуатация наземного транспорта
и транспортного оборудования»
Ульяновск
УлГТУ
2012
1
УДК 621.372.061(075) ББК 31.27.01я7
О-75
Рецензенты:
профессор кафедры «Сельскохозяйственные машины» Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, д-р техн. наук, проф. В. Г. Артемьев; генеральный директор УКБП, д-р техн. наук Н. Н. Макаров
Авторы: Дьяков И. Ф., Недоводеев В. Я., Демокритов В. Н.,
Олешкевич А. В.
Основы проектирования машин : учебное пособие /
О-75 И. Ф. Дьяков, В. Я. Недоводеев, В. Н. Демокритов, А. В. Олешкевич. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Ульяновск: УлГТУ, 2012. – 127 с.
ISBN 978-5-9795-0957-0
Пособие написано в соответствии с учебными программами по дисциплинам «Теория механизмов и машин» для машиностроительных специальностей технических вузов. Оно отличается комплексным учетом основных требований к механизмам и машинам, характерных для обеих учебных дисциплин. Особое внимание уделено принципам оптимального проектирования.
Работа подготовлена на кафедре «Основы проектирования машин».
УДК 621.372.061(075) ББК 31.27.01я7
© Демокритов В. Н., Недоводеев В. Я., Дьяков И. Ф., Олешкевич А. В., Демокритова А. В., Садриев Р. М., 2007
|
© Дьяков И. Ф., Недоводеев В. Я., |
|
Демокритов В. Н., Олешкевич А. В., 2012, с изм. |
ISBN 978-5-9795-0957-0 |
© Оформление. УлГТУ, 2012 |
|
2 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ….………………………………………………………………………… |
6 |
1. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ………..... |
8 |
1.1. Классификация кинематических пар ……………………………………... |
8 |
1.2. Кинематические цепи и их классификация ……………………………...... |
10 |
1.3. Степень подвижности механизма. Структурные формулы …………….... |
10 |
1.4.Классификация механизмов ………………………………………………... 12
2.РЫЧАЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ……………………………….…………………….. 15
2.1.Кинематический анализ …………………………………………………...... 15
2.1.1. Построение планов положения механизма …………………………... |
16 |
2.1.2. Определение скоростей и ускорений механизма методом планов….. |
16 |
2.1.3.Исследование рычажных механизмов методом кинематических диаграмм …………………………………………….. 19
2.1.4.Кинематическое исследование рычажных механизмов аналитическим методом ………………………………………………... 19
2.2. Динамический анализ ……………………………………………………… |
21 |
2.2.1. Задачи динамического анализа ………………………………………… |
21 |
2.2.2.Классификация реальных сил ………………………………………….. 21
2.2.3.Трение в кинематических парах ……………………………………….. 21
Виды трения ……………………………………………………………... 21
2.2.3.1.Трение скольжения в поступательных парах………………….. 22
2.2.3.2.Трение скольжения во вращательных парах …………………. 23
2.2.3.3.Трение качения…………………………………………………... 24
2.2.3.4.Коэффициент полезного действия (кпд) машины……………. 25
2.2.4. Силы инерции …………………………………………………………… 27
2.2.5.Приведение сил и масс в механизме …………………………………... 27
2.2.6.Определение закона движения машины ………………………………. 29
2.2.7.Определение реакций в кинематических парах
(силовой расчет)………………………………………………………… 31
2.2.8.Теорема Жуковского о жестком рычаге ………………………………. 35
2.2.9.Особенности учета сил трения при силовом расчете
рычажных механизмов ………………………………………………… 37
2.3.Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин………. 37
2.3.1.Прочность ……………………………………………………………….. 37
2.3.2.Жесткость ……………………………………………………………….. 38
2.3.3.Виброустойчивость……………………………………………………… 38
2.3.4.Износостойкость ……………………………………………………….. 38
2.3.5.Теплостойкость ..………………………………………………………... 38
2.3.6. Надежность ……………………………………………………………… 38
2.3.7.Технологичность ………………………………………………………... 39
2.3.8.Точность механизмов …………………………………………………... 39
2.3.9. Соответствие требованиям техники безопасности …………………. 41
2.3.10.Красота внешней формы и отделки ………………………………….. 41
2.3.11.Экономичность …….………………………………………………….. 42
2.4. Расчет на прочность деталей рычажного механизма …………………….. |
42 |
2.4.1. Расчет обода маховика ..……………………………………………….. |
42 |
2.4.2. Расчет шатуна ………....………………………………………………… |
43 |
2.5. Элементы синтеза рычажных механизмов ………………………………… |
45 |
3
2.5.1.Постановка задачи, виды и способы синтеза …………………………. 45
2.5.2.Условие проворачиваемости кривошипа в шарнирном Четырехзвеннике………………………………………………………… 45
2.5.3. Учет углов давления в стержневых механизмах …………………….. |
46 |
2.5.4. Синтез четырехзвенника по трем заданным |
|
положениям шатуна…………………………………………………….. |
47 |
2.5.5. Синтез кривошипно-кулисного механизма по заданному |
|
коэффициенту изменения скорости хода …………………………...... |
47 |
2.5.6.Синтез кривошипно-ползунного механизма по некоторым заданным размерам ……………………………………………………... 48
2.5.7.Понятие о синтезе механизма по заданному закону движения выходного звена ……………………………………………. 48
2.5.8.Понятие о синтезе механизма по заданной траектории………………. 49
2.6. Колебания в механизмах и способы их регулирования …………………... 50
2.6.1.Роль маховика……………………………………………………………. 50
2.6.2.Подбор момента инерции Jм маховика по заданному
коэффициенту неравномерности ……………………………………
2.6.3.Регулирование непериодических колебаний скорости движения машин ………………………………………………………...
2.6.4.Уравновешивание масс в механизмах и машинах ……………………
2.6.4.1.Действие сил на фундамент. Условия уравновешивания……..
2.6.4.2.Уравновешивание с помощью противовесов
на звеньях механизма………………………………………………
2.6.4.3. Уравновешивание вращающихся масс (роторов) ……………..
2.6.5.Виброактивность и виброзащита машин …..…………………………. 2.6.5.1.Общие сведения об источниках колебаний и объектах
виброзащиты. Колебательные процессы …………………………
51
51
52
52
54
55
57
58
2.6.5.2.Методы виброзащиты …………...……………………………... 59
2.6.5.3.Демпфирование колебаний ……………………………………. 59
2.6.5.4.Динамическое гашение колебаний ……………………………. 60
2.7. Основные принципы оптимального проектирования ……………………. 62
2.7.1.Установление объектов оптимизации …………………………………. 62
2.7.2.Выбор критерия оптимальности…….………………….. ……………... 62
2.7.3. Формирование системы ограничений………………………………… 63
2.7.4.Методы поиска оптимальности ……………………………………….. 64
2.7.5.Сравнение оптимизированных типов конструкций
и установление областей их рационального применения ……………. 66
2.7.6.Примеры оптимизации рычажных механизмов ………………………. 66
3.КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ ……………………………..……………………. 70
3.1. Классификация кулачковых механизмов …………………………………. |
70 |
3.2. Кинематический анализ кулачковых механизмов ………………….…….. |
71 |
3.3. Некоторые вопросы динамического анализа кулачковых механизмов…... |
73 |
3.4. Синтез кулачковых механизмов ………………………………………….… |
74 |
3.4.1.Выбор закона движения толкателя ……………………………………. 75
3.4.2.Профилирование кулачка ………………………………………………. 75
3.4.3.Динамический синтез кулачкового механизма ……………………….. 77
3.4.4.Аналитический способ синтеза кулачковых механизмов ……………. 79
4
3.4.5. Понятие о проектировании пространственных кулачковых механизмов ……………………………………………………………… 79
3.4.6. Проектирование кулачковых механизмов с плоским |
80 |
|
(тарельчатым) толкателем ……………………………………………… |
||
|
4.ФРИКЦИОННЫЕ И ЗУБЧАТЫЕ МЕХАНИЗМЫ ………… ……………………. 82
4.1.Общие сведения о передачах вращения ……..…………………………….. 82
4.2.Фрикционные передачи …………………………………………………….. 83
4.3.Зубчатые передачи. Виды и классификация …………………………….…. 84
4.4.Основная теорема зацепления (теорема Виллиса) …………………..…….. 87
4.5. Эвольвента и ее свойства ……………………………………………….…… 88
4.6.Геометрия эвольвентного зацепления ………………………………….….. 89
4.7.Качественные показатели зацепления ……………………………….……... 89
4.8.Основные параметры зубчатых колес ………………………………….…... 90
4.9.Методы нарезания зубчатых колес ………………………………………..... 91
4.10. Корригирование зубчатых колес ………………………………………. |
92 |
4.11. Наименьшее число зубьев зубчатых колес. Подрезание и заострение |
94 |
зубьев ……………………………………………………………………….. |
|
4.12. Выбор расчетных коэффициентов смещения для передач внешнего |
95 |
зацепления ………………………………………………………………….. |
|
4.13. Многозвенные зубчатые механизмы ……………………………………… |
96 |
4.14. Кинематический анализ эпициклических механизмов ………………….. |
98 |
4.15.Некоторые вопросы синтеза зубчатых механизмов …………………....... 100
4.15.1.Условия для подбора чисел зубьев колес …………………….. 100
4.15.2.Методы синтеза эпициклических механизмов…………………. 102
4.16.Эпициклические механизмы с коническими колесами …………………. 104
5. МАШИНЫ-АВТОМАТЫ И ИХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ….……….……… 106
5.1.Основные понятия теории машин-автоматов ……………………….…….. 106
5.2.Системы управления машин-автоматов ……………………………..…….. 108
6.ОСНОВЫ СТРУКТУРЫ И КИНЕМАТИКИ МАНИПУЛЯТОРОВ
ИПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ ……………………………………………….. 109
6.1.Виды манипуляторов и промышленных роботов …………………..……... 109
6.2.Структура и геометрия манипуляторов ……………………………...…….. 112
6.3.Механика промышленных роботов …………………………………..……. 114
6.4.Исполнительные механизмы и привод ПР…………………………....……. 115
6.5.Построение двигательных систем роботов ………………………..………. 116
6.6.Захватные устройства и передаточные механизмы ………………...…….. 119
6.7.Силовой расчет механизма схвата ………………………………..……….. 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………........... 125 Предметный указатель ……………………………………………………..…………. 126 Библиографический список ………………………………………………………….. 127
5
ВВЕДЕНИЕ
Ведущей отраслью современной техники является машиностроение, развитие которого неразрывно связано с созданием новых машин и механизмов, повышающихпроизводительностьтрудаизаменяющихручнойтрудмашинным.
Теория механизмов и машин является одним из важнейших разделов прикладной механики, к которым относятся также сопротивление материалов детали машин и подъемно-транспортные устройства. В этом разделе изучаются строение, кинематика и динамика механизмов и машин в связи с их анализом и синтезом.
Курс ТММ опирается на теоретическую механику (определение траектории, скоростей и ускорений), сопротивление материалов (определение напряжений и деформаций), материаловедение и машиностроительное черчение. Вместе с курсом деталей машин он завершает общетехническую подготовку инженерамеханикаиготовитстудентовкизучениюспециальныхдисциплин.
Существенныйвкладвразвитиепрактическоймеханикивнеслитакиеученыеи изобретатели, как М. В. Ломоносов; И. И. Ползунов – создатель паровой машины; И. П. Кулибин– создательчасов-автоматов; механизма протеза и др.; отец исын Черепановы, построившие первый в России паровоз; Л. Эйлер, разработавший теориюплоскогозацепленияипредложившийэвольвентныйпрофильзубьевколес, которыйиспользуетсявнастоящеевремя.
Внесли свой вклад в развитие науки академики: П. Л. Чебышев, И. А. Вышнеградский, Н. П. Петров, В. П. Горячкин, М. В. Остроградский;
профессора: Н. Е. Жуковский – отец русской авиации, |
В. Л. Кирпичев, |
|
Н. И. Мерцалов, Л. А. Ассур, |
И. В. Мещерский, физик Д. |
Максвелл, а также |
современные ученые, такие |
как И. И. Артоболевский, |
Н. Г. Бруевич, |
Д. Н. Решетовидр. |
|
|
Основные понятия и определения ТММ. В технике широко используются подвижные механические системы, подразделяемые на машины, машинные агрегатыимеханизмы.
В обобщенном виде машина – это устройство, создаваемое человеком для использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда.
По функциональному назначению машины условно можно разделить на: энергетические, транспортные, технологические, контрольно-управляющие, логические (ЭВМ). Устройства, включающие ряд машин и механизмов, называются машинными агрегатами (М. А.). ОбычноМ. А. состоитиздвигателя – D, передаточного механизма – П. М., рабочей машины – P. M. и, в ряде случаев, контрольно-управляющих устройств (системы автоматического регулирования) – САР(рис. 1.1).
6
В |
состав |
каждой |
отдельной |
|
||
машины входит один или несколько |
|
|||||
механизмов. |
Механизмом |
называется |
|
|||
система материальных тел, предназначен- |
|
|||||
ных для преобразования движения одного |
|
|||||
или нескольких тел в требуемые движения |
|
|||||
остальных. |
Состав |
|
механизмов |
|
||
разнообразен и включает механические, |
|
|||||
гидравлические, электрические и другие |
|
|||||
устройства. |
Несмотря |
на |
разницу в |
Рис. 1.1. Схема машинного |
||
назначении |
механизмов |
их |
строение, |
Рис. 1. Схема |
||
кинематика и динамика имеют много |
агрегата |
|||||
общего, поэтому исследование механизмов |
|
|||||
проводитсянабазеосновныхпринциповсовременноймеханики. |
||||||
Деталь – это изделие, изготовленное без сборочных операций. Детали, |
||||||
соединенные между собой неподвижно или с помощью упругих связей, образуют |
||||||
отдельное звено. Выполнение звеньев из нескольких деталей обеспечивается их |
||||||
соединением. Различают соединения неразъемные (сварные, заклепочные, клеевые) |
||||||
и разъемные (шпоночные, шлицевые, резьбовые). Звенья в зависимости от вида их |
||||||
материала могут быть твердые и гибкие (упругие). Два звена, соединенные друг с |
||||||
другом подвижно, образуют кинематическую пару. Неподвижное звено, состоящее |
||||||
изоднойилинесколькихдеталей, называетсястойкой. |
||||||
Таким образом, каждый механизм имеет стойку и подвижные звенья, среди |
||||||
которых |
выделяют |
входные, |
выходные и |
промежуточные звенья. Входным |
||
(ведущим) звеньям сообщается движение, преобразуемое механизмом в |
||||||
требуемые движения выходных (ведомых) звеньев с помощью |
||||||
промежуточных звеньев. Обычно в механизме имеется одно входное и |
||||||
выходное звено. Но в некоторых случаях имеют место механизмы с |
||||||
несколькимивходнымииливыходнымизвеньями, например, дифференциал |
||||||
автомобиля. Развитие техники осуществляется в направлении |
||||||
совершенствования ранее известных механизмов и путем создания |
||||||
принципиальноновыхихвидов. |
|
|||||
Основные стадии проектирования и создания новой техники. При |
||||||
проектировании новой техники возникает необходимость проведения работ, |
||||||
связанныхсанализомисинтезомновойконструкции. |
||||||
Анализ осуществляется при заданных размерах и массе звеньев, когда |
||||||
необходимо определить: скорости, ускорения, действующие силы, напряжения в |
||||||
звеньяхиихдеформации. Врезультатеможетбытьпроизведенпроверочныйрасчет |
||||||
напрочность, выносливостьит. д. |
|
|||||
Синтез осуществляется при заданных скоростях, ускорениях, действующих |
||||||
силах, напряженияхилидеформациях. Приэтомтребуетсяопределитьнеобходимые |
||||||
размерызвеньев, ихформуимассу. |
|
|||||
Присинтезечасторешаетсязадачаоптимальногопроектированияконструкции, когда находятся необходимые показатели работы машины при наименьших затратахтруда.
Обычноосновнымиэтапамисозданияновойконструкцииявляются: 1) разработкапринципиальнойсхемы; 2) проектированиеирасчетмашиныиотдельныхееузлов;
3) экспериментальныеисследованияидоводкаопытногообразца.
7
Проектированиеновойтехникивключаетследующиеосновныеэтапы:
а) разработкатехническогозадания, включающегоосновныеисходныеданные; б) разработка эскизного проекта, включающего выбор схемы и компоновку
основныхузловконструкции; в) разработка технического проекта, где осуществлены основные расчеты и
представленысборочныйчертежидругаядокументация.
Припроектированиисложныхмеханизмовобычностремятсявыделитьизобщей схемы отдельные, более простые типовые механизмы, проектирование которых имеет свои закономерности. К таким широко используемымв технике механизмам относятся: рычажные (стержневые), кулачковые, фрикционные, зубчатые и другие, причем с точки зрения строения, кинематики и динамики любой механизм можно заменить условным рычажным механизмом с последующим его анализом, поэтому структура, кинематика и динамика рычажных механизмов рассматривается наиболееподробно.
1. СТРУКТУРНЫЙАНАЛИЗИКЛАССИФИКАЦИЯМЕХАНИЗМОВ 1.1. Классификациякинематическихпар
Подвижные соединения двух звеньев, называемые кинематической парой (к.п.), классифицируются по разным признакам, например, по характеру соприкосновения звеньев – на низшие, когда контакт происходит по поверхности, и высшие, когда контакт звеньев осуществляется по линии или в точке(рис. 1.2, а, б).
Любое тело в декартовой системе координат (рис. 1.3) имеет 6 степеней свободы, или подвижности (W=6), часть из которых уничтожается в к.п., при этом класс к.п. определяется числом накладываемых связей (6-S), где S – число относительныхдвиженийзвеньевв к.п. относительныедвижения.
а) |
|
б) |
|
аа |
Низшая к.п. |
бб Высшая к.п. |
|
|
Рис.2 |
Преимуществом низших к.п. |
|
Рис. 1.2. Кинематические пары: |
Рис. 3 |
||
|
а – низшая; б – высшая |
Рис. 1.3. Тело в декартовой |
|
|
системе координат |
||
|
|
|
|
Преимуществом низших к.п. является возможность передачи значительных усилий при малом износе, а достоинством высших к. п. − возможность воспроизводить достаточно сложные относительные движения. Низшие к. п. могут быть поступательными, вращательными, плоскими и пространственными, а 8
также классифицироваться по числу подвижностей и по числу условий связи, накладываемыхназвеньяприсоединенииих вк. п.
Например, нарис. 4, а-дприведены к. п. различныхклассов.
а |
S=5; |
е |
S=4; |
|
к.п. 1 класса |
|
к.п. 2 класса |
б |
S=4; |
ж |
к.п. 2 класса |
|
S=3; |
|
в |
к.п. 3 класса |
з |
|
S=2; |
|
г |
к.п. 4 класса |
и |
|
Скольжение |
|
|
+ |
|
|
качение |
|
д |
S=1; |
к |
|
к.п. 5 класса |
|
S=3;
к.п. 3 класса Сферический шарнир
S=2;
к.п. 4 класса
S=1;
к.п. 5 класса
S=1;
к.п. 5 класса Винтовая пара
Рис. 1.4. Классификациякинематическихпар: а– пятиподвижная; е– четырехподвижная; в, ж – трехподвижная; б, г, з – двухподвижная; д, и, к – одноподвижная
9
Кинематические пары и звенья механизмов изображаются упрощенно (рис. 1.5) при соблюдении государственного стандарта на обозначения звеньев и к. п.
Рис.5
Рис. 1.5. Упрощенное изображение механизма
1.2. Кинематическиецепииихклассификация
Любой механизм представляет собой кинематическую цепь (к.ц.) звеньев, соединенных в кинематические пары (к.п.). К.ц. могут быть простымиисложными, открытымиизамкнутыми,плоскимиипространственными.
В простой к.ц. каждое из ее звеньев входит в состав одной или двух к.п., а в сложнойк.ц. имеютсязвенья, входящиевсоставтрехиболеек.п.
Воткрытойк.ц. имеютсязвенья, входящиевсоставоднойк.п., авзамкнутойцепи каждое звено входит в состав двух и более к.п. (рис. 1.6, а-в). Если точки всех звеньев двигаются в одной или параллельных плоскостях, то к.ц. называется плоской, в противном случае к.ц. – пространственная (точки звеньев описывают плоскиекривыевнепараллельныхплоскостяхилипространственныекривые).
а) |
открытая |
к.ц. |
б) замкнутая к.ц. |
в) сложная |
|
|
б |
в |
|
|
|
|
|
открытая к.ц. |
Рис. 1.6. Виды кинематических цепей:
Рис.6
а – открытая; б – замкнутая; в – сложная
1.3. Степень подвижности механизма. Структурные формулы
Если в пространственной к.ц., состоящей из «п» подвижных звеньев, имеются к.п. 1-го, 2-го, ... 5-го классов, число которых, соответственно, p1, p2, ...
р5 , то к.ц. имеет число степеней свободы, определяемое формулой А. П. Малышева.
10