Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория механизмов и машин. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки РФ
Иркутский государственный технический университет
Н.К. Кузнецов
Теория механизмов и машин
Учебное пособие
для бакалавров заочной формы обучения
Издательство
Иркутского государственного технического университета
2014
УДК 621.01
ББК 34.4
К 89
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ИрГТУ
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, зав. лабораторией ИДСТУ РАН А.Ф. Берман;
кафедра прикладной механики ИрГУПС
Кузнецов Н.К. Теория механизмов и машин : учеб. пособие. – Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. – 104 с.
Пособие соответствует требованиям ФГОС–3 по направлению подготовки 131000 Нефтегазовое дело.
Содержит краткое изложение основных разделов дисциплины «Теория механизмов и машин», даются задания и методические указания по
проведению практических занятий и выполнению контрольной работы,
перечень контрольных вопросов для итогового контроля знаний и пример
выполнения контрольной работы.
Предназначено для подготовки бакалавров, обучающихся по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин» (НДБз) (заочная форма
обучения), по дисциплине «Теория механизмов и машин».
© Кузнецов Н.К., 2014
ISBN 978-5-8038-0935-7 © Иркутский государственный
технический университет, 2014
Оглавление
Введение
5 1. Краткое
изложение содержания дисциплины
рение и коэффициент полезного действия механизмов…
2. Практические занятия
2.2.1. Структурный анализ рычажных механизмов………………
3. Контрольная работа
………………………………………………………………
…………..………… 7
1.1. Строение механизмов…………………………………………….. 7
1.1.1. Структура и классификация механизмов …………………. 7
1.1.2. Кинематические пары и их классификация………….……. 10
1.1.3. Кинематические цепи и их классификация………..………. 12
1.1.4. Структурный анализ механизмов………………...………… 14
1.1.5. Структурный синтез механизмов………...…………………
1.2. Кинематический анализ механизмов……………………………..
1.2.1. Задачи и методы кинематического анализа………………..
1.2.2. Графический метод кинематического анализа…………….
1.2.3. Кинематическое исследование механизмов методом планов………………………………………………………………………….
1.2.4. Аналитический метод кинематического анализа…….........
1.2.5. Кинематическое исследование зубчатых механизмов…….
16
17
17
17
18
19
20
1.2.6. Кинематическое исследование кулачковых механизмов… 23
1.3. Динамика механизмов…………………………………………….. 23
1.3.1. Основные задачи динамики ………………………………...
1.3.2. Кинетостатический (силовой) расчет механизмов….……..
1.3.3. Т
1.3.4. Приведение сил и масс механизмов……………..………….
1.3.5. Уравновешивание механизмов и вращающихся звеньев ..
1.3.6. Динамический синтез механизмов……………...………….
1.4. Колебания в механизмах ………………………………………….
1.4.1. Линейные и нелинейные уравнения движения механизмов
23
25
27
30
32
34
37
37
1.4.2. Вибрация, виброактивность машин и виброзащита……… 40
1.4.3. Гашение колебаний, виброгасители………………...……... 41
1.4.4. Вибрационные транспортеры……………………………… 42
1.5. Синтез механизмов………………………………………………... 43
1.5.1. Основные задачи и методы синтеза………………………... 43
1.5.2. Синтез эвольвентного зацепления…………………………. 44
1.5.3. Синтез планетарных механизмов………………………….. 53
1.5.4. Синтез кулачковых механизмов……………………………. 54
……………………………………………….. 59
2.1. Тематика практических занятий………………………………….. 59
2.2. Методические указания по проведению занятий……………….. 59
59
2.2.2. Графическое интегрирование кинематических диаграмм... 59
2.2.3. Определение геометрических размеров зубчатого колеса..
…………………………………………………..
3.1. Выбор варианта задания…………………………………………..
3.2. Содержание контрольной работы………………………………...
61
63
63
64
3
3.3. Методические указания по выполнению контрольной работы...
Приложение А. Контрольные вопросы
Приложение Б. Варианты заданий на контрольную работу
Приложение В. Пример выполнения контрольной работы
механизма……………………………...
Рекомендуемая литература
65
……………………………… 70
………
……….
73
83
Введение…………………………………………………….……… ... 84
1. Структурный анализ механизма…………………………………..
2. Кинематический анализ
84
85
2.1. Определение недостающих размеров механизма по задан-
ным условиям……………………………………………………………... 85
2.2. Построение планов положений механизма………………….. 86
2.3. Построение планов скоростей ……………………………….. 87
2.4. Построение планов ускорений ………………………………. 89
2.5. Определение скоростей и ускорений графическим методом. 93
2.6. Сравнение скоростей и ускорений, определенных графиче-
ским и графоаналитическим методами……………………. 94
3. Кинетостатический анализ механизма ………………………….. 96
3.1. Определение сил, действующих на механизм ……………… 96
3.2. Определение реакций в КП и уравновешивающей силы методом кинетостатики……………………………………………………... 97
3.3. Определение уравновешивающей силы методом Жуковского ……………………………………………………………………….
100
3.4. Сравнение результатов расчета уравновешивающей силы… 101
Заключение…………………………………………………………… 101
Список использованных источников……………………………….. 102
…………………………………………….. 103
4
Введение
Теория механизмов и машин (ТММ) – это наука, изучающая общие
методы структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза
различных механизмов и машин. Как самостоятельная научная дисциплина ТММ возникла в 30-е годы XVIII века и называлась «Прикладной механикой».
В ТММ решаются две основные задачи: задача анализа и задача
синтеза.
Задача анализа заключается в исследовании геометрических, кине-
матических, динамических характеристик заданного механизма и машины.
Задача синтеза состоит в нахождении кинематической схемы машины или механизма, удовлетворяющей заданным геометрическим и кинематическим и динамическим свойствам.
В развитии ТММ можно выделить следующие периоды:
1. Период эмпирического машиностроения (до начала XIX века). В
этот период создаётся большое количество машин и механизмов (подъёмники, мельницы, ткацкие и токарные станки, деревообрабатывающие машины, печатные машины и т. д.). Закладываются основы теории: теорема
об изменении кинетической энергии и механической работы, «золотое
правило механики», законы трения, элементы теории зацепления.
2. Период начала развития ТММ, как науки (начало ХIX – середина
ХIX века). В этот период разрабатывается такие разделы ТММ, как геометрия и кинетостатика механизмов; классификация механизмов по функции преобразования движения; расчет маховиков; кинематика механизмов
и др.
3. Период фундаментального развития ТММ (вторая половина ХIX
– начало ХХ века). В этот период создаются: структурная теория механизмов; теория регулирования машин; аналитическая теория зацепления; основы графоаналитической механики; метод планов скоростей и планов
ускорений; основы теории гидродинамической смазки.
4. Период интенсивного развития ТММ (начало ХХ века – настоящее время). Автоматизация производства, увеличение скоростей движения
и развитие систем автоматического управления механическим движением
привели к созданию принципиально новых машин и систем машин (летательные аппараты, станки с программным управлением, промышленные
роботы, автоматические и роторные линии, робототехнические и гибкие
производственные системы и т. д.). В этот период получили развитие новые научные направления ТММ: динамика тел переменной массы, теория
машин автоматического действия, вибро- и ударозащита, трибофатика, и,
наконец, мехатроника.
Данная дисциплина основывается на законах теоретической механики
и физики и предназначена для закрепления и обобщения знаний, получен-
5
ных студентами при изучении математики, начертательной геометрии и
инженерно-компьютерной графики, а также предоставления знаний, необходимых для последующего освоения таких дисциплин, как «Детали машин», «Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового
производства» и других специальных дисциплин и дисциплин специализаций, предусмотренных государственным образовательным стандартом.
В отличие от специальных дисциплин, в которых изучаются машины
и механизмы (станки, грузоподъемные, строительные, бурильные машины
и технологическое оборудование) в ТММ рассматриваются методы анализа и синтеза машин, пригодные для анализа любой машины, независимо
от технического назначения и физической природы рабочих процессов в
машинах (кривошипно-шатунные механизмы, зубчатые механизмы, кулачковые механизмы и т. п.). В ТММ, как правило, изучаются идеализированные модели механизмов и процессов, протекающих в них. При отсутствии
специальных требований звенья механизмов и машин представляются как
абсолютно твёрдые тела, не учитываются люфты, зазоры и силы трения.
В настоящем пособии дается краткое изложение содержания основных разделов дисциплины, задания и методические указания по проведению практических занятий и выполнению контрольной работы. В приложении А приводится перечень контрольных вопросов для итогового контроля знаний, а в приложениях Б и В – задания на контрольную работу и
пример её выполнения.
6
1. КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Строение механизмов
1.1.1. Структура и классификация механизмов
Основные понятия теории механизмов и машин
Машина – это устройство, выполняющее механические движения
для преобразования энергии, материалов и информации; различают энергетические, рабочие и информационные машины.
Энергетическая машина – это машина, предназначенная для преобразования любого вида энергии в механическое движение (машиныдвигатели) и наоборот (машины-генераторы).
Рабочая машина – машина для преобразования материалов; подразделяются на транспортные (машины, в которых преобразование материала состоит только в изменении его положения) и технологические (это
рабочая машина, преобразование материалов в которой состоит в изменении формы, свойств и положений) машины.
Информационные машины – машины, предназначенные для преобразования информации (ЭВМ, компьютеры и др.).
Кибернетические машины – машины, заменяющие или имитирующие механические, биологические и физиологические процессы, присущие
человеку и живой природе (промышленные роботы, машины андроиды и
экзоскелетоны и т. п.).
Механизм – система тел, предназначенная для передачи и преобра-
зования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других твердых тел (в ТММ под твердыми телами понимаются как абсолютно твердые, так и деформируемые тела).
Передаточный механизм (привод) – это механизм, предназначенный
для передачи движения от двигателя к рабочей машине.
Исполнительный механизм – это механизм, осуществляющий непосредственное воздействие на объект обработки или окружающую среду.
Машинный агрегат – это комплексное устройство, состоящее из
двигателя, рабочей машины и передаточного механизма, связывающего их.
Звено – геометрически неизменяемая система, состоящая из одного
или нескольких жёстко связанных между собой тел, состоящая как из абсолютно твёрдых, так и гибких тел, кроме жидкостей и газов.
Входное звено – звено, которому сообщается движение, преобразуе-
мое механизмом в требуемые движения других звеньев.
Выходное звено – звено, совершающее движение, для выполнения
которого предназначен механизм.
Ведущее звено – звено, для которого сумма работ всех приложенных
к нему сил положительна.
Ведомое звено – звено, для которого сумма работ всех приложенных сил либо отрицательна, либо равна нулю.
7
Начальное звено – звено, координаты которого являются обобщен-
ными для данного механизма, определяющими движение всех остальных
звеньев.
Кинематическая пара (КП) – это подвижное соединение двух со-
прикасающихся звеньев.
Кинематическая цепь – система звеньев, образующих между собой
кинематические пары.
Число подвижностей (степеней подвижности) механизма – число
обобщенных координат, однозначно определяющих положение всех звеньев механизма.
Классификация механизмов
Всякий механизм состоит из отдельных звеньев. Звенья могут быть
как подвижные, так и неподвижные. Обычно обозначаются арабскими
цифрами. Неподвижное звено – стойка (рама или корпус машины) – в механизме всегда одно. Различают следующие виды подвижных звеньев:
кривошип – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси; коромысло – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси; шатун – звено рычажного механизма, совершающее плоско-параллельное движение и образующее КП
только с подвижными звеньями; кулиса – звено рычажного механизма,
вращающееся вокруг неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару (в зависимости от степени протяженности элемента поступательной пары различают «камень» (звено меньшей
протяженности) и «направляющую»); ползун – звено рычажного механизма, образующее поступательную пару со стойкой;
Звенья соединяются между собой с помощью кинематических пар
или подвижных соединений. В основе всякого механизма лежит кинематическая цепь, т. е. совокупность звеньев, связанных кинематическими
парами.
1. Механизмы различают по областям применения в соответствии с
функциональным назначением (например, механизмы летательных аппаратов, механизмы двигателей внутреннего сгорания; механизмы промышленных роботов, станков, прессов и т. д.).
2. По виду передаточных функций: с постоянной передаточной
функцией; с переменной передаточной функцией, которая в свою очередь
может быть нерегулируемой (синусный и тангенсный механизмы) и регулируемой (со ступенчатым регулированием (коробки передач), бесступенчатые (вариаторы)).
3. По виду преобразования движения различают механизмы, преобразующие вращательное движение во вращательное (редукторы, мультипликаторы и муфты), вращательное движение в поступательное, поступательное движение во вращательное, поступательное в поступательное.
8
2
4. По расположению звеньев в пространстве различают плоские механизмы (звенья движутся в плоскостях, параллельных неподвижной
плоскости), пространственные механизмы (движение звеньев происходит в
различных плоскостях), сферические механизмы (имеют одну неподвижную точку).
5. По изменяемости структуры: с неизменяемой и с переменной
структурами.
6. По числу степеней неподвижности: механизмы с одной степенью
подвижности (W=1); механизмы с несколькими степенями подвижности
(W>1): суммирующие (интегральные), разделительные (дифференциальные) механизмы.
7. По виду кинематических пар: механизмы с низшими парами (все
КП низшие), механизмы с высшими парами (имеется хотя бы одна высшая
КП), шарнирные механизмы (все КП вращательные).
8. По способу передачи и преобразования энергии различают фрикционные механизмы (передают энергию за счет трения), зубчатые механизмы (передают энергию зацеплением), волновые механизмы (преобразуют энергию за счёт создания волновых деформаций), импульсные механизмы (передают энергию импульсами).
9. По конструктивному исполнению меха-
низмы делятся на рычажные (см. рис. 1.1), зуб-
чатые (см. рис. 1.2), кулачковые (см. рис. 1.3),
планетарные (см. рис.1.4) и манипуляционные
механизмы (см. рис. 1.5).
Рис. 1.1
1
Рис. 1.2 Рис. 1.3
9
Рис. 1.4 Рис. 1.5
При анализе структурной схемы механизма необходимо, прежде
всего, определить число и вид кинематических пар.
1.1.2. Кинематические пары и их классификация
Кинематические пары классифицируются по следующим признакам:
1. По виду места связи поверхностей звеньев различают: низшие КП
(контакт звеньев осуществляется по плоскости или поверхности – пары
скольжения), высшие КП (контакт звеньев осуществляется по линиям или
точкам – пары, допускающие скольжение с перекатыванием).
2. По относительному движению звеньев, образующих КП: плоские
(траектории всех точек в относительном движении звеньев – плоские кривые, расположенные в параллельных плоскостях), вращательные, поступательные, винтовые, сферические.
3. По способу замыкания (обеспечения контакта звеньев пары): КП с
силовым замыканием (за счёт действия сил тяжести или упругости), КП с
геометрическим замыканием (за счёт конструкции рабочей поверхности
пары).
4. По числу условий связи, накладываемых на относительное движение звеньев, КП делятся на 5 классов. Класс пары определяется числом
этих связей или ограничений. Поскольку число связей (S) меняется от 1 до
5, существует 5 классов кинематических пар.
5. По числу степеней подвижности (W = 6 - S) различают соответственно: пятиподвижные, четырехподвижные, трехподвижные, двухподвижные и одноподвижные КП (см. табл. 1.1).
Всякое свободное твердое тело имеет в пространстве 6 степеней подвижности. Каждая пара пятого класса лишает тело 5 степеней подвижности, пара четвертого класса – 4 степеней подвижности, пара третьего класса – 3 степеней подвижности, пара второго класса – 2 степеней подвижности, пара первого класса – 1 степени подвижности.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]