2. Структурна основа механізмів

Всі механізми, незалежно від особливостей їх конструкції і функціонального призначення, мають загальну структурну основу, для подальшого вивчення якої дамо такі поняття і визначення.

Найдрібніша частина механізму – деталь, під якою розуміють елемент механізму, виготовлений з одного матеріалу без застосування будь-яких складальних операцій. З однієї або декількох деталей утворюється ланка механізму, якою прийнято називати частину механізму, всі точки котрої рухаються за одним спільним законом. Наприклад, в зубчастому механізмі вал і зубчасте колесо, що жорстко з’єднуються за допомогою шпонки, утворюють одну ланку, будучи кожне окремою деталлю.

Нерухому ланку механізму називають стояком (ним може бути плата, корпус), а ланку, якій надається рух для подальшого перетворення, - вхідною (ведучою); інші ланки – вихідні (ведені). У загальному випадку механізм може мати декілька вхідних і вихідних ланок; останні виконують потрібні, тобто перетворені рухи.

З’єднання двох ланок, при якому вони можуть рухатись одна відносно одної, зветься кінематичною парою, а точки, лінії або поверхні, за якими вони стикаються одна з одною, - її елементами.

В загальному випадку система ланок, які утворюють між собою кінематичні пари, називається кінематичним ланцюгом. Ланцюг може бути замкнутим, коли кожна ланка входить не менш, ніж у дві кінематичні пари (рис.1.4 а), або незамкнутим, якщо є ланки, які входять тільки в одну пару (рис.10.4 б,в).

Ланцюг може бути простим і складним. Простим називають кінематичний ланцюг, у якому кожна ланка входить не більше, ніж у дві кінематичні пари (рис.1.4 а,б), складним – у якому є хоч одна ланка, що входить більше, ніж до двох кінематичних пар (рис.1.4 в,г).

З точки зору розташування траєкторій руху ланок, кінематичні ланцюги бувають плоскими і просторовими. Плоскими називають ланцюги, у яких всі точки ланок описують траєкторії, що лежать в одній або паралельних площинах (рис.1.4 а,б,в), просторовими – у яких точки ланок рухаються у різних непаралельних площинах (рис.1.4 г).

Таким чином, з точки зору структури (побудови) механізми можна розглядати як кінематичні ланцюги, призначені для перетворення руху одного або декількох вхідних ланок у потрібний рух вихідних.

а б

в г

Рис.1.4. Кінематичні ланцюги: замкнутий простий -а, незамкнутий простий - б, незамкнутий складний - в, просторовий - г.

Властивості будь-якого механізму, особливості конструкції і можливість виконання заданого руху визначаються видом кінематичних пар, утворених його ланками.

За формою елементів кінематичних пар останні поділяються на нижчі і вищі. Нижчими називають пари, у яких елементи стикаються поверхнями; вищими – у яких елементи стикаються за лінією або в точці.

Використання в механізмах переважно тих чи інших кінематичних пар зумовлено їх властивостями. Так, наприклад, нижчі пари можуть передавати більші зусилля, ніж вищі, тому що ланки стикаються поверхнями. Але при цьому для нижчих пар характерне тертя ковзання, а для вищих – тертя кочення, при якому опір руху значно менше, і, крім того, вони гарантують більшу точність відносного руху ланок. Вищі пари утворюються, наприклад, поверхнями зубців коліс, які знаходяться у зачеплені, роликами фрикційних передач, кулачком і штовхачем тощо.

Важлива характеристика кінематичних пар, яка визначає властивості механізму, – число ступенів вільності Н, яким називають кількість незалежних можливих рухів, що мають ланки у їх вільному русі. Положення вільної ланки на площині визначається трьома незалежними параметрами (координатами): двома положеннями будь-якої точки ланки (х;у) і кутом повороту поздовжньої осі ланки φ. Вільне тіло у просторі має шість ступенів вільності: поступальний рух визначається координатами х; у; z, а обертальний – кутом .

Коли ланки механізму утворюють кінематичні пари, вони втрачають можливість того або іншого відносного руху. Таке обмеження руху називають умовами зв’язку S, а з’єднання з ланкою, яке забирає даний відносний рух – зв’язком. Нехай дві ланки утворюють кінематичну пару. Позначимо Н – кількість ступенів вільності одної ланки відносно іншої, а S – кількість умов зв’язку.

Тоді для плоскої кінематичної пари

а для просторової .

Таким чином, кінематичні пари в залежності від числа S умов з'вязку поділяють на 5 класів .

У таблиці 1 показані найпоширеніші кінематичні пари (КП) з їх умовним позначенням за ГОСТ 277068, які доповнені позначеннями, рекомендованими Міжнародною організацією стандартів ІСО ТК/10 ПК4 "Умовні позначення кінематичних схем механізмів".

Таблиця 1

Клас КП	Назва	Приклад	Умовне зображення
1 Вища	Куля на площини
2 Вища	Циліндр на площини
3 Нижча	Сферична КП
4 Нижча	Циліндрична КП
5 Нижча	Поступальна КП
5 Нижча	Обертальна КП