1) Структурний аналіз;

2) Кінематичний аналіз;

3) Динамічний аналіз.

Структурний аналіз має за мету вивчення теорії будови ме­ханізмів, їхнє видозмінення та класифікацію. При кінематич­ному аналізі досліджується рух тіл, які утворюють механізми, з геометричної точки зору, тобто без врахування сил, що викли­кають рух цих тіл. Задача динамічного аналізу механізмів — вив­чення методів визначення сил, що діють на тіла, які утворюють механізм, і встановлення взаємозв'язків між рухом цих тіл си­лами, що на них діють, і масами, які ці ланки мають.

Задача синтезу механізмів полягає у розробці методів проек­тування механізмів наперед вибраної структури за заданими кінематичними і динамічними умовами.

Проте поділ проблем теорії механізмів на аналіз і синтез має суто методичне значен­ня, оскільки у практиці проектування (синтезу) механізмів до­водиться дуже часто використовувати аналіз механізмів, який дає змогу виявити найбільш вдалий (оптимальний) варіант розв'язку задачі синтезу.

У теорії машин розглядаються загальні методи проекту­вання схем машин як сукупності окремих механізмів, питан­ня автоматичного керування і регулювання машин. Обидві частини теорії механізмів і машин нерозривно зв'язані між собою, оскільки механізми складають, як правило, основу будь-якої машини.

Деякі відомості з історії розвитку науки про машини

Теорія механізмів і машин як самостійна наука почала формува­тися в середині XIX ст., до того часу вона була складовою час­тиною прикладної механіки — однієї з стародавніх наук, розви­ток якої був викликаний життєвою необхідністю: приготуван­ням їжі, виготовленням тканини і посуду, перекачуванням води, будівництвом тощо. Найстародавня праця про механізми і ма­шини, яка дійшла до нашого часу, — це "Механічні проблеми" Арістотеля (384-322 до н. е.), де описано важіль, криничний журавель, кривошип, колесо, коток, поліспаст, гончарний вер­стат, центрифуги, зубчасті колеса та ваги.

Значна роль у створенні машин відводиться видатному дав­ньогрецькому математику і механіку Архімеду (287-212 до н.е.), який на основі своїх знань запропонував конструювання різних машин і споруд. Архімед не тільки пояснив принцип дії простих машин (коловорот, важіль, поліспаст, клин), але й винайшов "п'яту просту машину" — гвинт, на базі якого створив гвинто­вий насос для підняття води.

Одним з найвидатніших винахідників свого часу був грек Ктесібій (300-230 до н. е.). Він винайшов пожежний насос, створив ряд гідравлічних і пневматичних механізмів, а саме аеротон — військову машину, в якій використав стиснуте повітря, водяний орган, удосконалив водяний годинник.

Після античного періоду в епоху середньовіччя наука про машини майже не розвивалася. Великим ученим епохи Відродження був Леонардо да Вінчі (1452-1519). Він перший ек­спериментальне визначив коефіцієнт тертя ковзання, створив багато нових механізмів, різні конструкції ткацьких верстатів, друкарських і деревообробних машин, волочильний верстат, верстат для насічки напилків, розробив ряд проектів ванта­жопідіймальних машин та інших винаходів.

Одним з перших теоретиків вчення про машини був італійський вчений Джероламо Кардана (1506-1576), який опи­сав зубчасті передачі, передачі гнучкою ниткою, сформулював правила побудови годинникових механізмів, дав опис годинни­кових пружин і балансиру. Інший італійський вчений Галілео Галілей (1564—1642) розробив основи сучасної механіки, вперше сформулював основні кінематичні поняття (швидкість і приско­рення), висунув ідею про відносний рух, вивів закон вільного падіння і коливання маятника.

Англійський вчений Ісаак Ньютон (1643-1717) сформулю­вав закони механіки, встановив поняття маси та сили. Він фактично створив сучасну класичну механіку, на основі якої розви­вається теорія механізмів і машин.

В Росії наука про машини почала розвиватися з часу засну­вання Російської Академії наук (РАН). Робота РАН з перших днів існування була спрямована на розв'язання практичних за­дач, пов'язаних із побудовою різних машин і споруд, розвитком кораблебудування, артилерії та іншої техніки. Значний внесок у розвиток практичної механіки у Росії зробив геніальний вчений-енциклопедист М. В. Ломоносов (1711-1765), який розро­бив конструкції машин для виробництва скла і випробування матеріалів.

Геніальний математик і механік Леонардо Ейлер (1707-1783), автор 850 наукових праць, розв'язав ряд задач з кінематики і динаміки твердого тіла, дослідив коливання і стійкість пружних тіл, займався питанням теорії плоского зачеплення і запропону­вав евольвентний профіль зубців. Ці дослідження слугували ос­новою для створення французом Т. Олів'є (1793-1858) загальної теорії просторового зачеплення, яка була перероблена і допов­нена вченим, професором X. І. Гохманом (1861-1916) — авто­ром фундаментальної праці "Кінематика машин" (1890 р.).

Наукові відкриття М. В. Ломоносова, Л. Ейлера стали дже­релом творчості російських винахідників: І. І. Ползунова (1728-1766), який уперше розробив проект двоциліндричного парового двигуна, сконструював автоматичний регулятор подачі води у котел, пристрої для подачі води і пари тощо; І. П. Кулібіна (1735-1818), який створив протез, годинник-автомат, самохідне судно "самокатку" з педальним приводом.

У 1794р. видатний французький вчений Г. Монж (1746-1818) організував у Парижі першу в світі політехнічну школу, яка стала великим науковим центром у галузі машинобудування.

Якщо у першій половині XIX ст. механіка машин здебіль­шого розвивалась у Франції, незважаючи на те що рівень роз­витку техніки був вищим в Англії, то друга половина XIX — по­чаток XX ст. — період фундаментальних досліджень теорії ме­ханізмів і машин, у яких найрезультативнішим були досягнення російських і німецьких вчених.

У середині XIX ст. у Росії з'явилася плеяда талановитих вчених, які разом з вченими Європи заклали основи сучасної теорії механізмів і машин.

Основоположником російської школи ТММ вважається ви­датний математик і механік П.Л.Чебишов ¹ (1821-1894), якому належить ряд оригінальних досліджень, присвячених синтезу механізмів, теорії регуляторів і зубчастого зачеплення, структурі плоских механізмів. Він створив понад 40 оригінальних ме­ханізмів і багато їхніх модифікацій. Для розв'язання цих задач Чебишов розробив спеціальний математичний апарат.

Велика роль у створенні школи механіки машин нале­жить видатному математику і механіку М.В.Остроградському (1801-1861) — одному з основоположників аналітичної ме­ханіки. Його учень І.О.Вишнеградський (1831-1895) вва­жається основоположником теорії автоматичного регулюван­ня, він сконструював ряд машин і механізмів (автоматичний прес, підйомні машини, регулятор насоса) і, будучи професо­ром Петербурзького технологічного інституту, створив науко­ву школу конструювання машин.

Значний внесок у динаміку машин зробив М.Є.Жуковський (1847-1921). Він був не тільки основоположником сучасної аеродинаміки, але й автором ряду робіт з прикладної механіки і теорії регулювання ходу машин.

Основоположник теорії просторових механізмів М.І.Мерцалов (1866-1948) запропонував новий метод розрахунку махови­ка. Написаний ним курс "Динаміка механізмів" став першим систематизованим курсом у світовій літературі.

У 1914-1918 рр. з'явилися виняткові за глибиною наукового аналізу механізмів роботи професора Петербурзького політех­нічного інституту Л.В.Ассура (1878-1920), який створив найраціональнішу класифікацію плоских механізмів залежно від їхньої структури, і тим підвів чітку базу під всю теорію ме­ханізмів.

Теоретичні основи геометричного синтезу механізмів розробив видатний німецький вчений Л. Бурместер (1840-1927), а основи графічної динаміки — австрійський вчений Ф. Віттенбауер (1857-1922).

Значний внесок у розвиток теорії механізмів і машин було зроблено російськими вченими. Важливий внесок у становлення ме­ханіки машин як цілісної теорії машинобудування зробив І.І. Артоболевський ² (1905-1977) — організатор радянської шко­ли теорії механізмів і машин. Ним написано численні праці з структури, кінематики та синтезу механізмів, динаміки машин і теорії машин-автоматів, а також ціла серія підручників, учбових посібників, довідників, які одержали загальне визнання і пере­кладені на багато мов світу.

Учні і послідовники І.І.Артоболевського — А.П.Бессонов, Вяч.А.Зінов'єв (1899-1975), М.І.Левітський, Н.В.Умнов, С.О.Черкудінов і багато інших — своїми працями у га­лузі динаміки машин, оптимального синтезу механізмів, теорії машин-автоматів і в інших галузях ТММ сприяли по­дальшому її розвитку.

У 1969 р. була організована Міжнародна федерація з теорії механізмів і машин (ІФТОММ), яка покликана координувати розвиток науки про машини, планувати міжнародні з'їзди, сим­позіуми з тематики машинознавства, підготовку спеціалістів тощо. Першим президентом ІФТОММ було обрано академіка І.І.Артоболевського. Це ще раз стало свідченням того, що ра­дянські вчені одержали світове визнання.

У 1994 р. створено Національний комітет України з ТММ.

Складні і відповідальні задачі стоять перед сучасними вче­ними, інженерами, винахідниками. Їм необхідно створити нові, досконаліші машини, автоматичні лінії, які б дозволили нашій країні бути на рівні сучасних вимог. У світі постійно здій­снюються нові відкриття, винаходи, створюються нові машини, змінюються технології. Сучасному спеціалісту необхідно постійно удосконалювати свою кваліфікацію, підвищувати рівень знань, навчатися вчитися самому. Без цього неможливо перебувати на передових позиціях науково-технічного професу. Постійно цікави­тися новинками не тільки за своєю спеціальністю, але й знати ос­новні досягнення у суміжних галузях науки і техніки.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ КУРСУ ТЕОРІЇ МЕХАНІЗМІВ І МАШИН

Кожний механізм або машина складається з окремих деталей.

Де­таллю називають ту частину механізму або машини, яка виготов­лена без складальних операцій.

У стаціонарних машинах і ме­ханізмах є нерухомі деталі і деталі, що рухаються відносно нерухо­мих. У рухомих машинах і механізмах, наприклад у двигуні авто­мобіля (рис. 1.1,а), нерухомими деталями умовно вважаються ті, що постійно зв'язані з корпусом автомобіля.

Рис.1.1

Кожна рухома деталь або група деталей, які утворюють одну жорстку рухому систему тіл, має назву рухомої ланки механізму або машини.

Наприклад, шатун двигуна (рис. 1.1,в) буде однією рухомою ланкою, хоч він може складатися з ряду деталей (тіло шатуна 7, запресованої в нього втулки 2, вкладиші 3 і 4, головка 5, болти 6 із гайками 7, шайбами і шплінтами). Деталі, які утворюють одну ланку, іноді не мають жорсткого зв'язку між собою (на­приклад, стрічка конвеєра з деталями, які вона переносить); тоді ознакою того, що вони належать до однієї ланки, буде відсутність відносного руху деталей.

Усі нерухомі деталі утворюють одну нерухому систему тіл, яка називається нерухомою ланкою або стояком. Наприклад, корпус двигуна, підшипники корінного вала тощо разом утво­рюють одну нерухому ланку, або стояк.

Таким чином, у будь-якому механізмі або машині маємо од­ну нерухому ланку і одну або декілька рухомих ланок.

У механізмах або машинах ланки з'єднуються одна з одною так, що завжди забезпечується можливість їхнього відносного руху.

Рухоме з'єднання двох ланок, які стикаються, називається кінематичною парою.

Рух ланок відносно одна одної визначається формою еле­ментів ланок, якими вони стикаються. Сукупність поверхонь, ліній або точок, які належать ланкам і які стикаються при відносному русі ланок, називають елементами кінематичних пар.

Зв'язана система ланок, що входять у кінематичні пари, утворює кінематичний ланцюг.

Таким чином, колінчастий вал кривошипно-поршневого двигуна разом з нерухомим підшипником утворює одну кінематичну пару О (рис. 1.1,б). Шатун з колінчастим валом утворює другу кінематичну пару А, ша­тун з поршнем — третю (шарнір В), поршень з циліндром — четверту, а всі ці ланки і кінематичні пари разом утворюють кінематичний ланцюг.