Понятие о инженерном проектировании.

Цель и задачи курса.

Являясь одной из важнейших научных основ изучения специальных дисциплин механических специальностей, курс «Теория механизмов и машин» позволяет студентам изучить и освоить общие методы исследования (анализа) и проектирования (синтеза) механизмов машин, понять принципы преобразования движения с помощью механизмов, ознакомить студентов с системным подходом к проектированию машин и механизмов, нахождению оптимальных параметров механизмов по известным (заданным) условиям работы.

Теория механизмов и машин - научная дисциплина (или раздел науки), которая изучает строение (структуру), кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом (И.И.Артоболевский).

Цель ТММ - анализ и синтез типовых механизмов и их систем.

Задачи ТММ: разработка общих методов исследования структуры, геометрии, кинематики и динамики типовых механизмов и их систем.

Типовыми механизмами будем называть простые механизмы, имеющие при различном функциональном назначении широкое применение в машинах, для которых разработаны типовые методы и алгоритмы синтеза и анализа.

Рассмотрим в качестве примера кривошипно-ползунный механизм. Этот механизм широко применяется в различных машинах: двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах и насосах, станках, ковочных машинах и прессах. В каждом варианте функционального назначения при проектировании необходимо учитывать специфические требования к механизму. Однако математические зависимости, описывающие структуру, геометрию, кинематику и динамику механизма при всех различных применениях будут практически одинаковыми. Главное или основное отличие ТММ от учебных дисциплин изучающих методы проектирования специальных машин в том, что ТММ основное внимание уделяет изучению методов синтеза и анализа, общих для данного вида механизма, независящих от его конкретного функционального назначения. Специальные дисциплины изучают проектирование только механизмов данного конкретного назначения, уделяя основное внимание специфическим требованиям. При этом широко используются и общие методы синтеза и анализ, которые изучаются в курсе ТММ.

Основные разделы курса ТММ

- структура механизмов и машин;

- геометрия механизмов и их элементов;

- кинематика механизмов;

- динамика машин и механизмов.

Связь курса ТММ с общеобразовательными, общеинженерными и специальными дисциплинами.

Лекционный курс ТММ базируется на знаниях полученных студентом на младших курсах при изучении физики, высшей и прикладной математики, теоретической механики, инженерной графики и вычислительной техники. Знания, навыки и умение приобретенные студентом при изучении ТММ служат базой для курсов детали машин, подъемно-транспортные машины, системы автоматизированного проектирования, проектирование специальных машин и основы научных исследований.

Краткая историческая справка

Как наука теория механизмов и машин начала формироваться в конце XVIII – начале XIX вв. под названием «Прикладная механика». Ее развитие неразрывно связано с развитием машинного способа производства. В это время растущая промышленность и машиностроение, особенно в странах Западной Европы – Англии, Франции, Германии, потребовали теоретического решения ряда совершенно новых задач. Сначала разрабатывались методы структурного, кинематического и динамического анализов механизмов.

Однако машины существовали задолго до этой даты. Поэтому в истории развития ТММ можно условно выделить четыре периода:

1-й период до начала XIX века - период эмпирического машиностроения в течение которого изобретается большое количество простых машин и механизмов: подъемники, мельницы, камнедробилки, ткацкие и токарные станки, паровые машины (Леонардо да Винчи, Вейст, Ползунов, Уатт). Одновременно закладываются и основы теории: теорема о изменении кинетической энергии и механической работы, “золотое правило механики”, законы трения, понятие о передаточном отношении, основы геометрической теории циклоидального и эвольвентного зацепления (Карно, Кулон, Амонтон, Кадано Дж., Ремер, Эйлер).

2-й период от начала до середины XIX века - период начала развития ТММ. В это время разрабатываются такие разделы как кинематическая геометрия механизмов (Савари, Шаль, Оливье), кинетостатика (Кариолис), расчет маховика (Понселе), классификация механизмов по функции преобразования движения (Монж, Лану) и другие разделы. Пишутся первые научные монографии по механике машин (Виллис, Бориньи), читаются первые курсы лекций по ТММ и издаются первые учебники (Бетанкур, Чижов, Вейсбах).

3-й период от второй половины XIX века до начала XX века - период фундаментального развития ТММ. За этот период разработаны: основы структурной теории (Чебышев, Грюблер, Сомов, Малышев), основы теории регулирования машин (Вышнеградский), основы теории гидродинамической смазки (Грюблер), основы аналитической теории зацепления (Оливье, Гохман), основы графоаналитической динамики (Виттенбауэр, Мерцалов), структурная классификация и структурный анализ (Ассур), метод планов скоростей и ускорений (Мор, Манке), правило проворачиваемости механизма (Грасгоф) и многие другие разделы ТММ.

Знаменитый русский ученый, математик и механик, академик П.Л. Чебышев (1821 – 1894) опубликовал ряд работ по структуре и синтезу рычажных механизмов. Используя разработанные им методы, он изобрел и спроектировал свыше 40 новых механизмов, осуществляющих заданные траектории движения, останов звеньев при движении других и т.д. Его по праву считают основателем русской школы теории механизмов и машин, а структурная формула плоских рычажных механизмов называется формулой Чебышева.

Один из основоположников теории автоматического регулирования профессор Петербургского технологического института И.А. Вышнеградский (1831 – 1895) создал научную школу конструирования машин.

Немецкий ученый Ф. Грасгоф (1826 – 1893) математически сформулировал условия проворачиваемости звена плоского рычажного механизма, которое необходимо соблюдать при его синтезе. Английские математики Д. Сильвестр (1814 – 1897) и С. Робертс (1827 – 1913) разработали теорию рычажных механизмов для преобразования кривых (пантографов).

Французский геометр Т. Оливье (1793 – 1858) обосновал метод синтеза сопряженных поверхностей в плоских и пространственных зацеплениях с помощью производящей поверхности. Английский ученый Р. Виллис (1800 – 1875) доказал основную теорему плоского зубчатого зацепления и предложил аналитический метод исследования планетарных зубчатых механизмов. Немецкий инженер-машиновед Ф. Рело (1829 – 1905) разработал графический метод синтеза сопряженных профилей, известный в настоящее время как «метод нормалей». Рело также является автором работ по структуре (строению) и кинематике механизмов. Русский ученый Х.И. Гохман (1851 – 1916) одним из первых опубликовал работу по аналитической теории зацепления.

Значительный вклад в развитие динамики машин внес «отец русской авиации» Н.Е. Жуковский (1847 – 1921) – основоположник современной аэродинамики и автор целого ряда работ по прикладной механике и теории регулирования хода машин.

Русский ученый Л.В. Ассур (1878 – 1920) открыл общую закономерность в структуре многозвенных плоских механизмов, и сейчас применяемую при их анализе и синтезе, разработал метод «особых точек» для кинематического анализа сложных рычажных механизмов. А.П. Малышев (1879 – 1962) предложил теорию структурного анализа и синтеза применительно к сложным плоским и пространственным механизмам.

4-й период от начала XX века до настоящего времени - период интенсивного развития всех направлений ТММ как в России, так и за рубежом. Среди русских ученых необходимо отметить обобщающие работы Левитского Н.И., Фролова К.В.; в области структуры механизмов - работы Малышева, Решетова Л.Н., Озола О.Г.; по кинематике механизмов - работы Колчина Н.И., Смирнова Л.П., Зиновьева В.А.; по геометрии зубчатых передач - работы Литвина Ф.Л., Кетова Х.Ф., Гавриленко В.А., Новикова М.Л.; по динамике машин и механизмов - Горячкин В.П., Кожевников С.Н., Коловский М.З. и др. Данное перечисление не охватывает и малой доли работ выдающихся ученых, внесших существенный вклад в развитие ТММ в этот период. Из зарубежных ученых необходимо отметить работы Альта Х., Бегельзака Г., Бейера Р., Крауса Р., Кросли Ф. и многих других.

Существенный вклад в становление механики машин как цельной теории машиностроения внес академик И.И. Артоболевский (1905 – 1977) – организатор советской школы теории механизмов и машин, автор многочисленных трудов по структуре, кинематике и синтезу механизмов, динамике машин и теории машин-автоматов, а также учебников, получивших всеобщее признание.

В 30-е и последующие годы XX в. большой вклад в теорию механизмов и машин внесли исследования Н.Г. Бруевича – одного из создателей теории точности механизмов, Г.Г. Баранова (1899 – 1968) – автора трудов по кинематике пространственных механизмов, С.Н. Кожевникова, разработавшего общие методы динамического анализа механизмов с упругими звеньями и механизмов тяжело нагруженных машин, и многих других.

 

Методы проектирования.

1) Прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых типовых механизмов);

2) Эвристические методы проектирования - решение задач проектирования на уровне изобретений (например, алгоритм решения изобретательских задач);

3) Синтез методами анализа - перебор возможных решений по определенной стратегии (на пример, с помощью генератора случайных чисел – метод Монте-Карло) с проведением сравнительного анализа по совокупности качественных и эксплуатационных показателей (часто используются методы оптимизации - минимизация сформулированной разработчиком целевой функции, определяющей совокупность качественных характеристик изделия);

4) Системы автоматизированного проектирования или САПР - компьютерная программная среда моделирует объект проектирования и определяет его качественные показатели, после принятия решения - выбора проектировщиком параметров объекта, система в автоматизированном режиме выдает проектную документацию.

Рис.1.1

 

E _f, A _f - параметры, характеризующие функции F системы;

E _n A _n - параметры, не относящиеся к функциям прибора (условия работы, внешние и дополнительные воздействия);

Z - системный оператор;

M - элементы системы;

R - отношения между элементами системы.

Окружающая среда U - совокупность внешних объектов, взаимодействующих с системой.

Функция F - свойство системы, используемое для преобразования входных величин E _f, при внешних и дополнительных воздействиях A _n и условиях работы E _n, в выходные величины A _f. Функция является объективно измеряемое свойство, которое может быть охарактеризовано параметрами системы. Количество реализуемых системой функций соответствует количеству используемых системой физических свойств. Если система выполняет несколько функций, то различают общую и частные функции. Общая функция охватывает множество всех входных и выходных величин, которое характеризует рассматриваемую систему как одно целое. Частные функции делятся на: главные и вспомогательные - по их значению в выполнении задачи; основные и элементарные - по типу изменения изменений функций в процессе их выполнения.

Структура S - совокупность элементов М и отношений R между ними внутри системы S=(M,R). Элемент системы при проектировании рассматривается, как одно целое, хотя он может иметь различную степень сложности. Если при рассмотрении элемента, не принимается во внимание его форма и внутреннее строение, а рассматривается только выполняемая им функция, то такой элемент называется функциональным.

Для механической системы элементами могут быть: деталь, звено, группа, узел, простой или типовой механизм.

Деталь - элемент конструкции не имеющий в своем составе внутренних связей (состоящий из одного твердого тела).

Звено - твердое тело или система жестко связанных твердых тел (может состоять из одной или нескольких деталей) входящая в состав механизма.

Группа - кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев, связанных между собой кинематическими парами (отношениями), и удовлетворяющая некоторым заданным условиям.

Узел - несколько деталей связанных между собой функционально, конструктивно или каким-либо другим образом. С точки зрения системы узлы, группы, простые или типовые механизмы рассматриваются как подсистемы. Самым низким уровнем разбиения системы при конструировании является уровень деталей; при проектировании - уровень звеньев. Элементы из системы можно выделить только после определения взаимосвязей между ними, которые описываются отношениями. Для механических систем интерес представляют отношения определяющие структуру системы и ее функции, т.е. расположения и связи.

Расположения - такие отношения между элементами, которые описывают их геометрические относительные положения.

Связи - отношения между элементами, предназначенные для передачи материала, энергии или информации между элементами. Связи могут осуществляться с помощью различных физических средств: механических соединений, жидкостей, электромагнитных или других полей, упругих элементов. Механические соединения могут быть подвижными (кинематические пары) и неподвижными. Неподвижные соединения делятся на разъемные (винтовые, штифтовые) и неразъемные (сварные, клеевые).

 

Машины и их классификация.

По мере развития машин содержание термина "машина" изменялось. Для современных машин дадим следующее определение: машина есть устройство, создаваемое человеком для преобразования энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях.

Условно все машины можно разделить на технологические, транспортные, энергетические, информационные. С помощью технологических машин (например, металлообрабатывающие станки, землеройные машины и т.д.) происходит изменение форм, размеров, свойств, состояния исходных материалов и заготовок, подвергшихся воздействию рабочего (исполнительного) органа машины. С помощью транспортных машин происходит перемещение грузов по заданной траектории с требуемыми скоростью или ускорением. В энергетических машинах происходит преобразование энергии (например, электрической в механическую – в станках с электроприводом, тепловой в механическую – в тракторах и автомобилях с двигателями внутреннего сгорания и т.д.). В информационных машинах происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования режима работы машины и управления движением.

Машина в общем виде состоит из основных частей: машина-двигатель, передаточный механизм, исполнительное устройство (механизм) и система управления. Такую машину называют механическим приводом. Машина-двигатель преобразует какой-либо вид энергии в механическую (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, гидромотор и т.д.). Передаточный механизм преобразует движение (например, кулачковый, зубчатый, рычажный механизмы). Исполнительный механизм непосредственно обеспечивает выполнение технологического процесса, для которого предназначен механический привод.

В некоторых машинах передаточный механизм отсутствует (например, вентилятор, состоящий из электродвигателя с насаженной на вал крыльчаткой).

Энергетические машины - преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей:

Двигатели (рис.1.2), которые преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).

Рис.1.2

 

Генераторы (рис.1.3), которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).

Рис.1.3

Рабочие машины - машины использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины тоже имеют две разновидности:

Транспортные машины (рис.1.4), которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).

Рис.1.4

 

Технологические машины (рис.1.5), использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.

Рис.1.5

Информационные машины - машины, предназначенные для обработки и преобразования информации. Они подразделяются на:

Математические машины (рис.1.6), преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Рис.1.6

 

Контрольно-управляющие машины (рис.1.7), преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.

Рис.1.7

Кибернетические машины (рис.1.8) - машины управляющие рабочими или энергетическими машинами, которые способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды (т.е. машины обладающие элементами искусственного интеллекта).

Рис.1.8

 

Модели машин

Модель (от лат. modulus - мера, образец) - устройство или образ (мысленный или условный: схема, чертеж, система уравнений и т.п.) какого-либо объекта или явления (оригинала данной модели), адекватно отражающей его исследуемые свойства и используемый в качестве заместителя объекта в научных или иных целях (рис.1.11).

Рис.1.11

 

Виды моделей

1.По форме представления:

- физические;

- математические:

-- аналоговые;

-- цифровые.

2. По назначению:

- функциональные;

- структурные;

- геометрические;

- кинематические;

- динамические.

3. По методу исследования:

- графические;

- численные;

- графо-аналитические;

- энергетические;

- кинетостатические;

- экспериментальные.

 

Классификация механизмов.

Механизмы классифицируются по следующим признакам:

1. По области применения и функциональному назначению:

- механизмы летательных аппаратов;

- механизмы станков;

- механизмы кузнечных машин и прессов;

- механизмы двигателей внутреннего сгорания;

- механизмы промышленных роботов (манипуляторы);

-механизмы компрессоров;

- механизмы насосов и т.д.

2. по виду передаточной функции на механизмы:

- с постоянной передаточной функцией;

- с переменной передаточной функцией:

-- с нерегулируемой (синусные, тангенсные);

-- с регулируемой:

--- со ступенчатым регулированием (коробки передач);

--- с бесступенчатым регулированием (вариаторы).

3. по виду преобразования движения на механизмы преобразующие:

- вращательное во вращательное:

-- редукторы ;

-- мультипликаторы ;

-- муфты ;

- вращательное в поступательное;

- поступательное во вращательное;

- поступательное в поступательное.

4. по движению и расположению звеньев в пространстве:

- пространственные;

- плоские;

- сферические.

Все механизмы являются пространственными механизмами, часть механизмов, звенья которых совершают движение в плоскостях параллельных одной плоскости, являются одновременно и плоскими, другая часть механизмов, звенья которых движутся по сферическим поверхностям экивидистантным какой-либо одной сфере, являются одновременно и сферическими.

Рис.1.12

 

5. по изменяемости структуры механизма на механизмы:

- с неизменяемой структурой;

- с изменяемой структурой.

В процессе работы кривошипно-ползунного механизма насоса его структурная схема все время остается неизменной. В механизмах манипуляторов в процессе работы структурная схема механизма может изменяться (рис.1.13). Так если промышленный робот выполняет сборочные операции, например, вставляет цилиндрическую деталь в отверстие, то при транспортировке детали его манипулятор является механизмом с открытой или разомкнутой кинематической цепью. В тот момент когда деталь вставлена в отверстие, кинематическая цепь замыкается, структура механизма изменяется, подвижность уменьшается на число связей во вновь образованной кинематической паре деталь-стойка.

Рис.1.13

 

Структура манипулятора изменяется и тогда, когда в одной или нескольких кинематических парах включается тормоз. Тогда подвижное соединение двух звеньев заменяется неподвижным, два звена преобразуются в одно.

6. по числу подвижностей механизма:

- с одной подвижностью W =1;

- с несколькими подвижностями W >1:

-- суммирующие (интегральные);

-- разделяющие (дифференциальные).

7. по виду кинематических пар (КП):

- с низшими КП (все КП механизма низшие);

- с высшими КП (хотя бы одна КП высшая);

- шарнирные (все КП механизма вращательные - шарниры).

8. по способу передачи и преобразования потока энергии:

- фрикционные (сцепления);

- зацеплением;

- волновые (создание волновой деформации);

- импульсные.

9. по форме, конструктивному исполнению и движению звеньев:

- рычажные (рис.1.14);

- зубчатые (рис.1.15);

- кулачковые (рис. 1.16);

- планетарные (рис. 1.17);

- манипуляторы (рис.1.11-1.12).

Рис.1.14 Рис.1.15

Рис.1.16 Рис.1.17

 

Рычажные механизмы.

Рычажными механизмами называют механизмы, в которые входят жесткие звенья, соединенные между собой вращательными и поступательными кинема­тическими парами. Простейшим рычажным механизмом является двухзвенный механизм, состоящий из неподвижного звена-стойки 2 (рис.1.18) и подвижного рычага 1, имеющего возможность вращаться вокруг неподвижной оси (обычно это начальный механизм).

Рис.1.18. Двухзвенный рычажный механизм

 

К двухзвенным рычажным механизмам относятся механизмы многих ро­тационных машин: электромоторов, лопастных турбин и вентиляторов. Меха­низмы всех этих машин состоят из стойки и вращающегося в неподвижных подшипниках звена (ротора).

Более сложными рычажными механизмами являются механизмы, состоя­щие из четырех звеньев, так называемые четырехзвенные механизмы.

На рис.1.19 показан механизм шарнирного четырехзвенника, состоящего из трех подвижных звеньев 1, 2, 3 и одного неподвижного звена 4. Звено 1, со­единенное со стойкой, может совершать полный оборот и носит название кри­вошипа. Такой шарнирный четырехзвенник, имеющий в своем составе один кривошип и одно коромысло называется кривошипно-коромысловым меха­низмом, где вращательное движение кривошипа посредством шатуна преобразуется в качательное движение коромысла. Если кривошип и шатун вытянуты в одну линию, то коромысло займет крайнее правое положение, а при наложении друг на друга – левое.

Рис. 1.19. Механизм шарнирного четырехзвенника

 

Примером такого механизма является механизм представленный на рис.1.20,где звено 1 – кривошип (входное звено), звено 2– шатун, звено 3 – ко­ромысло. Точка M, двигаясь по кривой M₁-M₁’ описывает траекторию . Одни траектории могут быть воспроизведены рычажными механизмами теоретически точно, другие – приближенно, с достаточной для практики степе­нью точности.

Рассматриваемый механизм, называемый симметричным механизмом Чебышева, часто применяют в качестве кругового направляющего механизма, у которого АВ = ВС = ВМ = 1. При указанных соотношениях точка М шатуна АВ описывает траекторию, симметричную относительно оси n - п. Угол наклона оси симметрии к линии центров СО определяется: . Часть траектории точки М является дугой окружности радиуса О ₁ М, что может быть использовано в механизмах с остановкой выходного звена.

 

Рис. 1.20. Кривошипно-коромысловый механизм

 

Другим примером четырехзвенника является широко распро­страненный в технике кривошипно-ползунный механизм (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Кривошипно-ползунный механизм

 

В этом механизме вместо коромысла устанавливается ползун, движущийся в непод­вижной направляющей. Этот кривошипно-шатунный механизм применяют в поршневых двигателях, насосах, компрессорах и т.д. Если эксцентриситет е равен нулю, то получим центральный кривошипно-ползунный механизм или аксиальный. При е не равном нулю кривошипно-ползунный механизм называ­ется нецентральным или дезаксиальным. Здесь вращение кривошипа ОА через шатун АВ преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна. Есте­ственно крайние положения ползуна, будут при расположении кривошипа и шатуна в одну линию.

Если в рассмотренном механизме заменить неподвиж­ную направляющую на подвижную, которая называется кулисой, то получим четырехзвенный кулисный механизм с кулисным камнем. Примером такого механизма может слу­жить кулисный механизм строгального станка (рис.1.22). Кривошип 1, враща­ясь вокруг оси, через кулисный камень 2 заставляет кулису 3 совершать качательное движение. При этом кулисный камень относительно кулисы движется возвратно-поступательно. Такая схема используется в меха­низмах гидронасосов ротационного типа с вращающимися лопастями, а также в раз­личных гидро- или пневмоприводах механизма с входным поршнемна шатуне, скользящем в качающемся (или вращающемся) цилиндре.

 

Рис. 1.22. Четырехзвенный кулисный механизм

 

Крайние положения кулисы будут при перпендикулярном расположении к ней кривошипа. Построить такие положения просто: изображается окружность радиусом равным длине кривошипа (траектория движения точки А), и проводятся касательные из оси вращения кулисы.

Таким образом, звенья могут совершать поступательное, вращательное или сложное движения.

 

Кулачковые механизмы.

Широкое распространение в технике получили кулачковые механизмы. Кулачковые механизмыпредназначены для преобразования вращатель­ного движения ведущего звена (кулачка) в заведомо заданный закон воз­вратно-поступательного движения ведомого звена (толкателя). Широко применяются кулачковые механизмы в швейных машинах, двигателях внутреннего сгорания, автоматах и позволяют получить заведомо заданный закон движения толкателя, а также обеспечить временные остановы ведо­мого звена при непрерывном движении ведущего.

Простейший кулачковый механизм – трехзвенный, состоящий из кулачка, тол­кателя и стойки. Входным звеном чаще всего бывает кулачок. Кулачковые механизмы бывают как плоскими, так и пространственными.

Плоские кулачковые механизмы для удобства рассмотрения разобьем на ме­ханизмы в зависимости от движения выходного звена на два вида:

1.Кулачковый механизм с поступательно движущимся толкателем (ползуном).

2. Кулачковый механизм с поворачивающимся толкателем (коромыслом).

Пример первого кулачкового механизма показан на рис.1.23. Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью, действует на ролик 3 и заставляет толкатель 2 в виде ползуна дви­гаться в направляющих возвратно-поступательно.

На рис.1.24 приведена схема кулачкового механизма с поворачивающим­ся толкателем (коромыслом). Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью , действует на толкатель 2 и заставляет последний вращаться вокруг оси вращения А.

Рис.1.23. Механизм с поступательно-движущимся толкателем

 

Рис.1.24. Кулачковый механизм с поворачивающимся толкателем

 

Кулачковые механизмы имеют разновидности в зависимости от геометрических форм элемента выходного (ведомого) звена и взаимного расположения толкателя и кулачка. Например, кулачковый механизм, показанный на рис.1.23 может иметь разные виды ведомых звеньев (рис.1.25).

Рис.1.25. Виды ведомых звеньев, применяемые для кулачковых механизмов

с поступательно движущимся выходным звеном: а) толкатель с ост­рием;

б) с плоскостью; в) толкатель с роликом; г) толкатель со сфериче­ским наконечником.

 

Кулачковые механизмы с поступательно движущимся ведомым звеном можно раз­делить на:

кулачковые механизмы с центральным толкателем, у которых направление движения толкателя совпадает с осью вращения кулачка (рис.1.26);

кулачковые механизмы со смещенным толкателем (дезаксиальные), если ось толкателя отстоит на расстояние е – дезаксиал от оси вращенияку­лачка (рис.1.27).

Рис.1.26. Кулачковый механизм с центральным толкателем

 

Рис.1.27. Кулачковый механизм со смещенным толкателем

 

При работе кулачковых механизмов необходимо, чтобы было постоянное соприкосновение ведущего и ведомого звеньев. Это может быть обеспечено либо силовым замыканием, чаще всего с помощью пружин (рис.1.28), либо геометрически, если выполнить профиль кулачка 1 в форме паза, боковые поверхности которого воздействуют на ролик 3 толкателя 2.

Рис.1.28. Кулачковый механизм с силовым замыканием

 

Рис.1.29. Кулачковый механизм с геометрическим замыканием

 

Пазовый кулачок обеспечивает геометрическое замыкание высшей пары кулачкового механизма (рис.1.29).

Все рассмотренные выше кулачковые механизмы плоские. Часто встреча­ются пространственные кулачковые механизмы, которые весьма разнообразны по конструктивному оформлению. Наиболее распространенными пространст­венными кулачковыми механизмами являются механизмы барабанного типа (рис.1.30). Цилиндрический кулачок 1 с профильным пазом, обеспечивающим кинематическое замыкание высшей пары, вращается с постоянной угловой скоростью и через ролик 3 сообщает качательное движение толкателю 2, закон изменения которого зависит от очертания паза.

 

Рис.1.30. Пространственный кулачковый механизм барабанного типа

Недостатки кулачковых механизмов: высокие удельные давления, повы­шенный износ звеньев механизма, необходимость обеспечения замыкания звеньев, что приводит к дополнительным нагрузкам на звенья и к усложне­нию конструкции.

Передачи вращения.

Передачи вращения имеют широкое распространение в машиностроении по следующим причинам:

1) энергию целесообразно передавать при больших частотах вращения;

2) требуемые скорости движения рабочих органов машин, как правило, не совпадают с оптимальными скоростями двигателя; обычно ниже, а создание тихоходных двигателей вызывает увеличение габаритов и стоимости;

3) скорость исполнительного органа в процессе работы машины-орудия необходимо изменять (например, у автомобиля, грузоподъемного крана, токарного станка), а скорость машины-двигателя чаще посто­янна (например, у электродвигателей);

4) нередко от одного двигателя необходимо приводить в движение не­сколько механизмов с различными скоростями;

5) в отдельные периоды работы исполнительному органу машины тре­буется передать вращающие моменты, превышающие моменты на валу машины-двигателя, а это возможно выполнить за счет уменьше­ния угловой скорости вала машины-орудия;

6) двигатели обычно выполняют для равномерного вращательного движения, а в машинах часто оказывается необходимым поступательное движение с определенным законом;

7) двигатели не всегда могут быть непосредственно соединены с исполнительными механизмами из-за габаритов машины, условий техники безопасности и удобства обслуживания.

Как правило, угловые скорости валов большинства используемых в настоящее время в технике двигателей (поршневых двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных, электрических, гидравлических и пневматических двигателей) значительно превышают угловые скорости валов исполнительных или рабочих органов машин, порой на 2-3 порядка. Поэтому доставка (передача) энергии двигателя с помощью передачи любого типа, в том числе и механической, происходит, как правило, совместно с одновременным преобразованием моментов и угловых скоростей (в сторону повышения первых и понижения последних).

При этом необходимо отметить, что конструктивное обеспечение функции транспортного характера – чисто передачи энергии иной раз вступает в логическое противоречие с направлением задачи конечного преобразования силовых и скоростных параметров этой энергии. Например, в трансмиссиях многих транспортных машин (особенно высокой проходимости) входной редуктор сначала повышает частоту вращения, понижение ее до требуемых пределов производят бортовые или колесные редукторы.

Этот прием позволяет снизить габаритно-весовые показатели промежуточных элементов трансмиссии (коробок перемены передач, карданных валов) – размеры валов и шестерен пропорциональны величине передаваемого крутящего момента в степени 1/3.

Аналогичный принцип используется при передаче электроэнергии – повышение напряжения перед ЛЭП позволяет значительно снизить тепловые потери, определяемые в основном силой тока в проводах, а заодно уменьшить сечение этих проводов.

Фрикционные передачи.

Во фрикционных передачах передача вращательного движения между звеньями (катками – роликами) осуществляется вследствие трения возникающего между ними. На рис.1.31 показан фрикционная передача с цилиндрическими катка­ми. Передача движения от ведущего катка 1 к ведомому катку 2 осуществляе