1 Структура механизмов

1.1 Основные понятия

Теория механизмов и машин - дисциплина, изучающая структурные, кинематические и динамические свойства машин и механизмов, их анализ и синтез.

Анализ — исследование структурных, кинематических и динамических свойств механизмов. Дан готовый механизм, свойства которого исследуются.

Синтез — проектирование механизмов с заданными структурными, кинематическими и динамическими свойствами, для осуществления требуемых движений. Таким образом, при синтезе механизма мы имеем задачу обратную анализу: по заданным свойствам спроектировать механизм.

Теория механизмов и машин — наука о наиболее общих методах исследования машин и механизмов и проектирования их для заданных условий работы.

Введём некоторые основные понятия, используемые при изучении курса теории механизмов и машин.

Машина - устройство, осуществляющее механическое движение, предназначенное для преобразования: энергии, информации, материалов и выполняющее полезную работу. Машина представляет собой искусственно созданную человеком совокупность материальных средств, которая заменяет или облегчает физические или умственные функции человека.

Все машины можно разделить на следующие основные виды:

энергетические машины — преобразующие различные виды энергии (электродвигатели, генераторы, пневмодвигатели, гидродвигатели и др.);

технологические машины — предназначены для преобразования размеров, свойств, формы или состояния материала (металлообрабатывающие станки, прокатные станы, ткацкие станки, прессы, краны и др.);

транспортные машины — предназначены для перемещения материалов (автомобили, тепловозы, самолёты, краны, подъёмники);

информационные машины — предназначены для получения и преобразования информации (персональные компьютеры, автоматизированные системы управления и др.). Электронная вычислительная машина, строго говоря, является не машиной, а устройством.

Для машины характерны три основных признака: искусственное происхождение; наличие подвижных частей; выполнение полезной работы.

Кинематической основой всех машин является механизм. Каждая машина в зависимости от функционального назначения состоит из нескольких механизмов. Различают передаточные механизмы, исполнительные, транспортирующие, подающие, управляющие, регулирующие и др.

Механизм — это система твердых тел, предназначенная для преобразования и передачи движения. В отличие от машины механизм непосредственно не выполняет полезной работы. Механизм характеризует два основных признака: искусственное происхождение; наличие подвижных частей. Во всех вопросах кинематики и расчётов машин, где не учитываются силы и энергия, понятие машина и механизм отождествляются. Все механизмы, встречающиеся в практике, разделяют на: стержневые, зубчатые, кулачковые, фрикционные, храповые, целковые, мальтийские, винтовые, гидравлические, пневматические и электрические, а также комбинированные из перечисленных.

При анализе механизма достаточно использовать не реальные чертежи деталей механизма, а его структурную схему. Структурная схема механизма - функционально связанная совокупность элементов и отношений между ними - представляет собой абстрактное изображение механизма, выполненное с использованием условных обозначений, и содержащее информацию о количестве, расположении, виде и классе элементов кинематических пар. Детали механизма на структурной схеме необходимо и достаточно изображать их условными изображениями (отрезками прямых линий, точек и др. в соответствии с ГОСТом, например ГОСТ 2.703-68) [1]. Если структурная схема выполнена в определенном масштабе с учётом размеров звеньев, то схема носит название кинематической. Пример кинематической схемы стержневого механизма качающегося конвейера приведен на рис. 1.2. На кинематической схеме принято звенья обозначать цифрами, кинематические пары – заглавными латинскими буквами.

Кинематическую схему, изображенную в определенном масштабе, называют планом механизма. Например, план стержневого механизма по заданным размерам изображают методом засечек в положении, определяемом углом поворота начального звена, в масштабе. В теории механизмов и машин принято пользоваться масштабным коэффициентом, значение которого рассчитывают по формуле:

Р исунок 1.2 - Кинематическая схема стержневого механизма

качающегося конвейера

Масштабный коэффициент – это отношение численного значения изображаемой физической величины к отрезку, изображающему эту величину в миллиметрах. Масштабный коэффициент имеет размерность, равную отношению единицы размерности физической величины к её изображению в миллиметрах. Например, масштабный коэффициент плана механизма имеет размерность , масштабный коэффициент линейной скорости имеет размерность , масштабный коэффициент линейного ускорения имеет размерность . Длина отрезка (в миллиметрах), изображающая на схеме начальное звено, берется произвольно, но кратной реальной длине звена. Рекомендуемые значения масштабного коэффициента берутся из стандартного ряда

Деталью называется отдельно изготовленное (с использованием одной технологической операции) жесткое тело. По своей структуре механизмы состоят из звеньев, связанных между собой в кинематические пары, которые образуют кинематические цепи (иерархия машины представлена в секторе «объект» на рис. 1.1.).

Звено – это одна деталь или совокупность деталей, которые в процессе нормальной работы механизма друг относительно друга остаются неподвижными, т.е. жестко и непосредственно связанных между собой. Таким образом, звеном может быть одна деталь (тело качения подшипника качения) и совокупность нескольких деталей, отличающихся по своим свойствам и назначению (корпус редуктора с крышками, болтами, гайками, шайбами, прокладками, внешними кольцами подшипников).

Стойкой называют неподвижные детали, которые образуют одну жесткую неподвижную систему тел в механизме. В механизме, независимо от количества неподвижных деталей стойка всегда одна.

Подвижные звенья плоских стержневых механизмов носят названия в зависимости от совершаемого движения в механизме [2].

• Кривошип – как правило, входное звено, совершающее вращательное движение или полный оборот вокруг неподвижной оси (стойки).

• Коромысло – качающееся звено, совершающее вращательное движение или неполный оборот вокруг неподвижной оси (стойки).

• Шатун – звено, имеющее на кинематической схеме 2 подвижных шарнира, совершающее плоско-параллельное движение.

• Ползун - как правило, выходное звено, совершающее возвратно поступательное движение.

• Кулисный камень – ползун, перемещающийся вдоль подвижного стержня, совершающий плоско-параллельное движение

• Кулиса – направляющая ползуна, совершающая вращательное, поступательное или плоско-параллельное движение.

Так, на рис. 1.2. встречаются следующие звенья: кривошип 1, шатун 2 и 4, коромысло 3, ползун 5, стойка 6.

Все подвижные звенья можно разделить на следующие группы звеньев: входные, выходные и промежуточные. Входным звеном (входом) называют звено, которому сообщается движение, преобразуемое в требуемые движения других звеньев механизма. Таким образом, входное звено в кинематической схеме определяется по наличию заданного закона движения. Выходным звеном (выходом) называется звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. Остальные звенья механизма называются соединительными или промежуточными. Входное звено получает движение от двигателя, выходное – связано с рабочим органом (на рис. 1.2. звено 1 – кривошип, посаженный на вал двигателя, 5-е входное звено ползун - выходное). Механизм может иметь различные сочетания входных и выходных звеньев (дифференциальный механизм автомобиля, например, имеет два выходных колеса).