53

4. СТРОЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ

Механизм является системой твердых тел. Поэтому механизмы имеют как весьма простое, так и достаточно сложное и разнообразное строение (структуру). Строением механизма определяются такие его важнейшие ха­ рактеристики, как виды осуществляемых движений, способы их преобразо­ вания, число степеней свободы. Формирование механизма, т. е. соединение отдельных его частей в единую систему, сопровождается наложением связей. Правильное их распределение в строении механизма в сильной степени пре­ допределяет его надежную эксплуатацию. Поэтому при проектировании нужно из множества разнообразных механизмов выбрать самый подходящий и правильно подобрать его основные структурные элементы. А для этого,

прежде всего, надо знать основные виды современных механизмов, их струк­

турные характеристики, закономерности строения.

4.1. Основные определения

Твердые тела, из которых образуется механизм, называют з в ен ьямИ. При этом имеются в виду как абсолютно твердые, так и деформируемые и гибкие тела. ЖиДКОСТИ и газы в теории механизмов звеньями не считаются. Звено - либо одна деталь, либо совокупность нескольких деталей, соединен­ ных в одну кинематически неизменяемую систему. Звенья различают по кон­ структивным признакам (коленчатый вал, шатун, поршень, зубчатое колесо и т. д.) И по характеру их движения. Например, звено, вращающееся на полный оборот вокруг неподвижной оси, называют кривошипом, при неполном обо­ роте - коромыслом; звено, совершающее поступательное прямолинейное движение, - ползуном и т. д. Неподвижное звено механизма для краткости называют стойкой; понятие неподвижности стойки для механизмов транс­

портных машин, в частности летательных аппаратов, - условное, поскольку в

этом случае сама стойка движется. Так, например, на рис. 4.1, а изображена энергетическая машина - двигатель внутреннего сгорания (две), в котором поступательное движение поршня 3 (по характеру движения - ползун) под действием силы давления газов в цилиндре 4 (неподвижное звено - стойка) преобразуется с помощью шатуна 2 во вращательное движение коленчатого вала (кривошипа) 1, к которому приложена некоторая нагрузка (момент сил сопротивления); на рис. 4.1, б изображена структурная схема механизма две.

Кинематической парой (сокращенно - парой) называют под­ вижное соединение двух соприкасающихся звеньев (рис. 4.2). Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном пары, называют элементом пары. Для того чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута геометрическим (за счет конструктивной формы звеньев) или силовым (силой тяжести, пружиной, силой давления жидкости или газа и т. п.) способом.

54

Систему звеньев, образующих между собой кинематические пары, на­ зывают кинематической цепью. Различают замкнутые и незамкнутые кинематические цепи. В замкнутой цепи каждое звено входит не менее чем в две кинематические пары, в незамкнутой цепи есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару. Применяя термин «кинематическая цепь»,

можно дать следующее определение механизма: м е х а н и з м - кинематиче­ ская цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка) и число сте­ пеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризую­ щих положение цепи относительно стойки. Например, на схеме кривошипно­ ползунного механизма две с одной степенью свободы (W = 1), рис. 4.1, б, показана одна обобщенная координата механизма в виде угловой координаты Фт звена 1; производная <Рl = 0)1 - угловая скорость звена 1.

Рис. 4.1. Схема двигателя внутреннего сгорания Са); структурная схема двигателя (6); кинематическая схема (в): 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - поршень; 4 - цилиндр; 5 - толка­ тель; 6 - клапан

55

Jc

~

1

:r:=.b2

=*=\

~!

12ц

\EJ:::

2

2и./~

Т2

Рис. 4.2. Кинематическая пара: вращательная пара (а); поступательная пара (6); цилиндрическая пара (в); сферическая пара (г); четырех- и пятиподвижные пары (д, е)

Неподвижность звена показывают на схемах штриховкой. Различают входные и выходные звенья механизма. Выходным называют звено, со­ вершающее движение, для которого предназначен механизм. В х оДн ы м на­ зывают звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение выходного звена. Число ВХОДНЫХ звеньев обычно равно числу степеней свободы механизма, т. е. числу его обобщенных координат,

но возможно и несовпадение их.

На схемах звенья обозначают цифрами, а пары и различные точки звеньев - буквами, например на рис. 4.1, б: А - вращательная пара 1-4,82- точка (центр масс) шатуна2.

4.2. Классификация кинематических пар

Кинематические пары различают (по Рело) по характеру соприкосно­ вения звеньев: пару называют низшей, если элементы звеньев соприкаса­ ются только по поверхности, и высшей, если только по линиям или в точ­ ках. При этом линейный или точечный контакт понимается как первоначаль­ ный - при соприкосновении звеньев без усилия, а под нагрузкой звенья, об­ разующие высшую пару, будут соприкасаться по некоторой фактической по­ верхности, называемой пятном контакта.

56

Кинематические пары классифицируют по числу Н ст еп е н ей с в о - боды в относительном движении звеньев (подвижность пары) и по числу S условий связи (ограничений), накладываемых парой на движение од­ ного звена относительно другого (по И. И. Артоболевскому). При этом

предполагается, что все связи геометрические, налагающие ограничения

только на координаты точек звена, входящего в кинематическую пару в его

относительном движении.

Так как для свободного тела в пространстве число степеней свободы равно шести, то величины Н и S связаны соотношением: Н == 6 - s.-'j, где S = 1,2, 3,4 или 5. При S = о пары не существует, а имеются два тела, дви­ жущиеся независимо друг от друга; при S = 6 кинематическая пара стано­ вится жестким соединением деталей, т. е. одним звеном. По величине S оп­ ределяют класс кинематической пары: различают одноподвижные пары (У класса, Н = 1, S == 5), двухподвижные (IV класса, Н == 2, S ~ 4), трехпод­ вижные (111 класса, Н == 3, S == 3), четырехподвижные (11 класса, Н = 4, S = 2) и пятиподвижные (1 класса, Н == 5, S == 1). Ниже дано несколько примеров кинематических пар, их условных изображений и обозначений на структур­

ных схемах.

Вращательная пара (рис. 4.2, а) - одноподвижная (условное обо­ значение 1 в), допускает лишь относительное вращательное движение звень­ ев вокруг оси (показано стрелкой); звенья 1, 2 соприкасаются по цилиндри­ ческой поверхности, следовательно, это низшая пара, замкнутая геометриче­ ски. Роль такой кинематической пары выполняет и более сложная конструк­

ция - шарикоподшипник.

Поступательная пара (рис. 4.2, б) - одноподвижная (условное обозначение 1 n), с геометрическим замыканием, низшая, допускает лишь прямолинейное поступательное относительное движение звеньев.

Цилиндрическая пара (рис. 4.2, в) - двухподвижная (2 ц), с гео­

метрическим замыканием, низшая, допускает независимые вращательное и

поступательное относительные движения звеньев.

Сферическая пара (рис. 4.2, г) - трехподвижная (3 С), допускает три независимых относительных вращения звеньев вокруг осей х, у, z; пара низшая, с геометрическим замыканием. На рис. 4.3, а дан пример конструк­ ции сферической пары, применяемой в прессах. В некоторых механизмах (промышленные роботы, манипуляторы) шаровой шарнир между звеньями 1 и 2 заменяют кинематическим соединением с двумя дополнительными звень­ ями и тремя вращательными парами (рис. 4.3, 6).

Примеры четырех- и пятиподвижной пар и их условные обозначения (4 л и 5 т) даны на рис. 4.2, д, е. Возможные независимые относительные движения звеньев (вращательные и поступательные) показаны стрелками. Это высшие пары, поскольку контакт элементов звеньев л ин ей ный (шар в цилиндре) и точечный (шар на плоскости). Пара 4 л с геометрическим за­ мыканием, а пара 5 т требует силового замыкания.