Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Структура и кинематика типовых механизмов. Методические указания
.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Тверской государственный технический университет»
(ТвГТУ)
Кафедра «Техническая механика»
О.В. Дорогов
СТРУКТУРА И КИНЕМАТИКА
ТИПОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по теории механизмов и машин
Тверь 2023
2
УДК 62-2 (075.8)
ББК 34.445я7
Рецензент – доцент кафедры МПРМ ТвГТУ к.т.н. Морозихина И.К.
Дорогов О.В. Структура и кинематика типовых механизмов: метод. указания.
Тверь: Тверской государственный технический университет, 2023. 48 с.
Приведены описания лабораторных работ, посвящённых структуре и
кинематике типовых механизмов, а также даны методические указания к их
выполнению.
Ориентированы на студентов, изучающих дисциплину «Теория
механизмов и машин»
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры
«Техническая механика» (протокол № 4 от 30.05.2023).
© Тверской государственный
технический университет, 2023
© Дорогов О.В., 2023
3
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы являются одной из форм проработки знаний,
полученных на лекционных занятиях. На лабораторных занятиях студенты
занимаются синтезом (проектированием) и анализом (исследованием)
механизмов с использованием их реальных моделей. Помимо закрепления
теоретических знаний студенты получают навыки проведения самостоятельных
действий с лабораторным оборудованием.
В настоящем практикуме приводится 5 лабораторных работ, которые
затрагивают ряд узловых вопросов синтеза и анализа рычажных, зубчатых и
кулачковых механизмов. Такие механизмы считаются типовыми и получили
широкое применение в конструкциях машин.
Описание каждой лабораторной работы включает в себя название, цель,
основные положения, порядок выполнения и содержание протокола отчёта.
Работы №№ 1, 3 - 4 выполняются с использованием моделей соответствующих
механизмов. Работы №№ 2, 5 выполняются с использованием специальных
лабораторных приборов, устройство и принцип работы которых также
приводится в описании данных работ.
Данный практикум даёт возможность выполнять лабораторные работы
без предварительного прослушивания лекций. Более того теоретические
положения которые приводятся в лабораторных работах дополняют
лекционный материал помогая формировать целостную картину
теоретического курса.
Выполнение всех лабораторных работ обязательно. Пропущенная
лабораторная работа должна быть обязательно отработана на аналогичном
занятии с другой группой или во внеурочное время по договорённости с
преподавателем.
Выполненная и оформленная в соответствии с правилами лабораторная
работа предоставляется преподавателю для проверки и в случае
положительного результата проверки допускается к защите. Если в
лабораторной работе были выявлены недостатки (ошибки, недочёты и др.) то
они устраняются студентом самостоятельно.
Защита лабораторной работы может осуществляться посредством
письменного или устного опроса, решения тестовых задач или любым другим
способом, позволяющим выявить уровень знаний и умений по теме конкретной
лабораторной работы.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Структурный анализ и метрический синтез плоских рычажных
механизмов
Цель работы:
1. Изучение строения плоских рычажных механизмов.
2. Получение практических навыков проведения метрического синтеза и
структурного анализа плоских рычажных механизмов.
1.1. Основные положения
Создание любого механизма, в том числе рычажного, включает в себя два
этапа: синтез и анализ. Под синтезом понимается проектирование механизма,
а под анализом – его исследование.
Синтез механизма осуществляется в два этапа. Первый этап –
структурный синтез, второй этап – метрический синтез. Результатом
выполнения первого этапа является структурная схема, а результатом
выполнения второго этапа – кинематическая схема.
Структурная схема - это графическое изображение механизма,
выполненное без соблюдения масштабов с использованием условных
обозначений, рекомендованных ГОСТ.
Кинематическая схема – это графическое изображение механизма,
выполненное в определенном масштабном коэффициенте с использованием
условных обозначений, рекомендованных ГОСТ.
Структурная схема содержит информацию о числе звеньев и виде
движений, ими совершаемых, о числе подвижности и классе кинематических
пар, о числе и виде кинематических цепей. Кинематическая схема
дополнительно к этому содержит информацию о размерах звеньев и
вычерчивается с использованием масштабного коэффициента μ
l
.
Масштабный коэффициент - это отношение натуральной величины
линейного размера l механизма, выраженного в метрах к величине отрезка,
выраженного в миллиметрах, изображающего этот размер на кинематической
схеме.
Анализ механизма начинается с изучения его структуры (строения).
Результаты структурного анализа служат исходными данными для проведения
кинематического и силового расчётов.
С точки зрения структуры механизм представляет собой совокупность
звеньев соединённых кинематическими парами, то есть кинематическую цепь.
Более подробно вопросы структуры и классификации механизмов изложены в
литературе [3, с. 9-17], [4, с. 17-38]. В рамках данной работы рассмотрим
основные понятия применительно к плоским рычажным механизмам.
Звено – тело или система жёстко связанных между собой тел, входящих в
состав механизма.
Согласно [1-2] звенья можно классифицировать по следующим основным
элементам:
- подвижные, неподвижные.
5
- ведущие, ведомые;
- входные, промежуточные, выходные.
В качестве неподвижного звена принимается стойка. На структурных и
кинематических схемах она может быть представлена различными элементами,
например шарнирно-неподвижной опорой (рис.1.1,а) или направляющей (рис.
1.1,б,в).
а б в
Рис. 1.1. Элементы стойки
Подвижные звенья рычажных механизмов, в основном, представляют
собой рычаги. В зависимости от степени сложности структуры, подвижные
рычажные звенья на схемах могут изображаться прямой линией (рис. 1.2, а),
двумя или более линиями (рис. 1.2, б) или геометрической фигурой, причём
внутренняя область фигуры заштриховывается (рис.1.2, в).
а б в
Рис. 1.2. Примеры простых и сложных рычажных звеньев
Также в состав структуры рычажных механизмов входят звенья
подвижные нерычажного типа - ползун и кулисный камень. Такие звенья
образуют поступательные и вращательные кинематические пары со стойкой
или звеньями рычажного типа [4, с. 29-30] и на схемах изображаются в виде
прямоугольников.
Входным, или ведущим, называется звено механизма, которому
сообщается заданное движение и соответствующие нагрузки (силы и моменты
пар сил).
Выходным называется звено механизма, на котором получают требуемое
движение и требуемые нагрузки.
Промежуточное звено расположено между входным и выходным
звеньями и предназначено для передачи движения и преобразования нагрузки.
Для обозначения звеньев на схемах используются арабские цифры.
Причём элементы стойки обозначаются цифрой 0, а подвижные звенья –
арабскими цифрами (1, 2, 3,… ). Входное звено рекомендуется обозначать
цифрой 1 и выделять стрелочкой, которая показывает вид и направление
его движения.
6
Кинематическая пара - это подвижное соединение двух
соприкасающихся звеньев, ограничивающее их взаимное перемещение.
Для существования кинематической пары необходимо наличие двух
звеньев и контакта между ними с возможностью относительного
движения.
Согласно [3-4] кинематические пары классифицируются по ряду
признаков, среди которых выделим следующие:
1) По относительному движению звеньев:
а) вращательные;
б) поступательные;
в) винтовые;
г) плоскостные;
д) сферические.
2) По типу контакта звеньев:
а) высшие;
б) низшие.
3) По способу обеспечения контакта звеньев:
а) силовые;
б) геометрические.
В низших кинематических парах контакт звеньев осуществляется по
поверхности.
В высших кинематических парах контакт звеньев осуществляется по
линии или в точке.
В силовых кинематических парах постоянство контакта звеньев
обеспечивается за счет действия сил тяжести или силы упругости пружины.
В геометрических кинематических парах постоянство контакта звеньев
реализуется за счет конструкции рабочих поверхностей звеньев.
Класс кинематической пары определяется количеством наложенных
условий связи (утраченных подвижностей) [3, с. 10], [4, с. 20-21].
В пространственной декартовой системе координат свободное твердое
тело (звено) может максимально совершить шесть движений, то есть имеет 6
подвижностей.
Образуя кинематическую пару с другим звеном, тело теряет от 1 до 5
подвижностей. При этом, число утраченных подвижностей равно числу условий
связи.
Примеры кинематических пар различных классов с указанием их
характеристик приведены в табл. 1.1. Структуру плоских рычажных
механизмов составляют вращательные и поступательные пары 5-класса.
Для обозначения кинематических пар на схемах используются
большие (прописные) буквы латинского алфавита (A, B, C,…).
7
Таблица 1.1.
№
п/п
Наименование
пары
Изображение
пары на схемах
Число
Класс
пары
условий
связи
под-
вижностей
1
Сферическая
3 3 3-й
2
Сферическая с
пальцем
4 2 4-й
3
Точечная
4 2 4-й
4
Линейчатая
4 2 4-й
5
Цилиндрическая
4 2 4-й
6
Поступательная
5 1 5-й
7
Вращательная
5 1 5-й 8 Винтовая
5 1 5-й
Кинематическая цепь – несколько звеньев соединённых
кинематическими парами.
Элементарная кинематическая цепь образуется двумя звеньями,
соединёнными между собой кинематической парой.
8
Согласно [3-4] кинематические цепи классифицируются по следующим
признакам:
1) По конструктивному исполнению: простые, сложные;
2) По взаимодействию звеньев: незамкнутые, замкнутые.
Простой называется кинематическая цепь, каждое звено которой
входит в состав не более двух кинематических пар, то есть содержит только
одно- или двухвершинные звенья (рис. 1.3);
Сложной называется кинематическая цепь, имеющая звенья, входящие в
состав трех и более кинематических пар, т. е. содержит хотя бы одно звено с
тремя или более вершинами (рис. 1.4);
Кинематическая цепь, в которой хотя бы одно звено имеет свободный
элемент, не взаимодействующий с другими звеньями и не образующий с ними
кинематических пар, называется незамкнутой (разомкнутой) (рис.1.3, а; рис.
1.4,а).
Кинематическая цепь, каждое звено которой входит в состав как
минимум двух кинематических пар, называется замкнутой (рис.1.3, б; рис.
1.4,б).
а б
Рис. 1.3. Примеры простых кинематических цепей
а б
Рис. 1.4. Примеры сложных кинематических цепей
Плоский рычажный механизм представляют собой замкнутую
кинематическую цепь. Его входное и выходное звенья составляют
кинематические пары со стойкой.
При выполнении структурного анализа плоских рычажных механизмов
решаются следующие задачи:
1) Определение числа степеней свободы механизма;
2) Выявление структурных групп, составляющих механизм.
9
При решении первой задачи выявляются элементы стойки, и
определяется число подвижных звеньев. Также выявляются кинематические
пары, и проводится их классифицирование по характеру взаимного движения
звеньев и количеству наложенных связей.
Число степеней свободы механизма это число независимых обобщенных
координат, однозначно определяющих положения его звеньев на плоскости или
в пространстве в рассматриваемый момент времени.
Число степеней свободы плоского рычажного механизма определяется с
помощью формулы П.Л. Чебышева:
W = 3·n - 2·P5 – P4
где n - число подвижных звеньев; P5, P4 - число кинематических пар
соответственно 5, 4 классов.
Величина W показывает, сколько ведущих звеньев должно быть у
механизма.
При решении второй задачи используется классификация механизмов по
Ассуру, согласно которой к начальному механизму последовательно
присоединяются структурные группы.
Начальный механизм образуется при соединении входного звена со
стойкой с помощью кинематической пары определённого класса. В плоских
механизмах входное звено со стойкой могут образовывать могут соединяться
парами 5-го класса – вращательными или поступательными. Тогда по формуле
П.Л. Чебышева получаем число степеней свободы плоского начального
механизма:
W = 3·n - 2·P5 – P4 = 3·1 - 2·1 = 1
Рассматриваемый в учебном проектировании начальный механизм
обычно включает в себя стойку 0 и кривошип 1, которые соединены между
собой вращательной кинематической парой (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Начальный механизм
Структурной группой Ассура является кинематическая цепь,
удовлетворяющая следующим условиям:
1) статически определимая;
2) не содержит высших кинематических пар;
3) число степеней свободы W = 0;
Из третьего условия следует, что число подвижных звеньев должно быть
чётным, а число кинематических пар 5-го класса должно быть кратно трём.
10
В зависимости от количества звеньев и сложности структуры различают
группы Ассура 2, 3, 4 классов [3, с. 13-14]. В настоящей методической
разработке будут рассмотрены структурные группы 2 класса, как наиболее
распространённые. Их структура включает в себя два подвижных звена,
которые соединены между собой кинематической парой. Различают пять видов
групп Ассура 2-го класса (рис. 1.6).
а б в г д
Рис. 1.6. Группы Ассура 2-го класса:
а – двухповодковая (1 вид); б – кривошипно-ползунная (2 вид); в – кулисная (3
вид); г – тангенсная (4 вид); д – синусная (5 вид)
Группой первого вида является двухповодковая (рис. 1.6, а). Её структура
включает в себя два рычажных звена, соединённых между собой вращательной
кинематической парой C. Внешние пары B, D также являются вращательными.
Группой второго вида является кривошипно-ползунная (рис. 1.6, б). Её
структура отличается от структуры группы 1-го вида наличием поступательной
внешней кинематической пары (в нашем случае D)
Группой третьего вида является кулисная (рис. 1.6, в). Её структура
включает в себя два подвижных звена, соединённых между собой
поступательной парой С. Внешними являются вращательные пары B, D, E.
Группой четвёртого вида является тангенсная (рис. 1.6, г). Её структура
включает в себя два подвижных звена, соединённых между собой
вращательной кинематической парой C. Внешние пары B, D являются
поступательными.
Группой пятого вида является синусная (рис. 1.6, д). Её структура
включает в себя два подвижных звена, соединённых между собой
поступательной кинематической парой C. Внешние пары B, D являются
соответственно поступательной и вращательной.
Класс механизма определяется классом наиболее сложной
структурной группы, входящей в его состав.
Также структурная группа характеризуется порядком. Порядок
структурной группы определяется количеством поводков.
Поводок - это звено группы, обладающее свободным элементом
кинематической пары, служащим для присоединения группы к механизму.
Порядок групп первого, второго, четвёртого и пятого видов соответствует
числу внешних кинематических пар, то есть равен двум. Группа третьего вида
имеет три внешних кинематических пары, но порядок её равен двум, так как
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]