Механизмы. Элементы. Классификация

Введение

Цель: ознакомиться с сущностью курса теории механизмов и машин; ознакомиться с основными понятиями и механизмами.

Задачи:

1. Получить общее представление о ТММ и ее месте в образовательном процессе.

2. Рассмотреть классификацию машин, сферу применения различных их видов.

3. Рассмотреть классификацию механизмов, их достоинства, недостатки.

Теория машин и механизмов (ТММ) — это научная дисциплина об общих методах исследования, построения, кинематики и динамики механизмов и машин и о научных основах их проектирования.

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.

Учебная дисциплина «Теория механизмов и машин» базируется на общенаучных и общетехнических дисциплинах, таких как, высшая математика, физика, теоретическая механика, вычислительная техника, сопротивления материалов, начертательная геометрия.

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.

 

Теория механизмов и машин состоит из разделов:

- структурный анализ;

- кинематический анализ механизмов;

- силовой и динамический анализы механизмов;

- общие методы синтеза механизмов.

Структурный и кинематический анализы механизмов предполагают изучение теории строения механизмов, исследование движения тел, их образующих, с геометрической точки зрения независимо от сил, вызывающих движение этих тел. Цель динамического анализа механизмов − изучение методов определения сил, действующих на тела, образующие механизм, во время движения этих тел и изучение взаимосвязи между движениями этих тел, силами, на них действующими, и массами, которыми обладают эти тела. Проблемы синтеза механизмов изучаются по видам механизмов, так как задачей синтеза является проектирование механизмов выбранной структуры по заданным кинематическим и динамическим условиям

 

Машины и их классификация

Машина – это механизм или комплекс механизмов, предназначенных для совершения полезной работы, преобразования энергии одного вида в другой и для облегчения физического и умственного труда человека.

С точки зрения функционального назначения машины делятся на следующие классы:

1) энергетические машины (двигатели и генераторы);

2) рабочие машины (технологические и транспортные);

3) информационные машины (контрольно-управляющие и математические);

4) кибернетические машины.

Энергетические машины предназначены для преобразования одного вида энергии в другой вид. Машины-двигатели преобразуют различные виды энергии в механическую, а машины-генераторы – наоборот.

	Рисунок 4

	Рисунок 2

 

 

Рисунок 3

 

Технологические или рабочие машины, предназначены для выполнения производственных процессов по изменению формы, свойств и положения объектов труда (машиностроительные отрасли народного хозяйства, например металлорежущие и ткацкие станки, полиграфические, швейные, горнодобывающие, транспортные и другие машины, роботы и т.п.).

Рисунок 6

Рисунок 5

Рисунок 8

Рисунок 7

 

Информационные машины, в которых происходит преобразование входной информации для контроля, регулирования и управления технологическими процессами (вычислительные, кибернетические машины и др.).

Отличительным признаком информационных машин является преобразование информации из одного вида в другой.

Рисунок 9

Информационные машины делятся на:

Контрольно-управляющие машины - преобразуют получаемую контрольно-измерительную информацию с целью управления энергетической или рабочей машинами.

Рисунок 10

Рисунок 11

Математические машины преобразуют информацию, получаемую в виде различных математических образов, заданных в форме отдельных чисел или алгоритмов.

Рисунок 12

Кибернетическими машины обладают элементами искусственного интеллекта и заменяют или имитируют различные механические, физиологические или биологические процессы, присущие человеку и живой природе.

Рисунок 14

Рисунок 15

 

Рычажные механизмы

Рычажный механизм – это механизм, образованный звеньями, выполненными в виде стержневых конструкций-рычагов.

Достоинства:

1. Высокая нагрузочная способность (винтовые пары по поверхности)

2. Относительная простота и дешевизна

3.Используются в качестве основных технологических устройств.

4.Высокий КПД.

Недостатки:

1. Небогатый выбор движений на выходе (возвратно-поступательное или вращательное)

2. Сложность метрического синтеза, т.е. расчета размеров механизма при котором достигается требуемый закон движения на выходе.

 

Рисунок 17. Схема рычажного механизма.

Рисунок 18. Рычажный механизм двери.

 

 

Зубчатые механизмы

Зубчатый механизм — это механизм или часть механизма в состав которого входят зубчатые колёса. Движение передаётся с помощью зацепления пары зубчатых колёс.
Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом.

Достоинства зубчатых передач:
• Возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей и передаточных отношений.
• Высокая нагрузочная способность и малые габариты.
• Большая долговечность и надёжность работы.
• Постоянство передаточного отношения.
• Высокий КПД (87-98%).
• Простота обслуживания.
Недостатки зубчатых передач:
• Большая жёсткость не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.
• Высокие требования к точности изготовления и монтажа.
• Шум при больших скоростях.

Рисунок 19.

 

 

Рисунок 20. Зубчатые механизмы.

 

 

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.

Достоинства:

1. Все кулачковые механизмы малозвенны, следовательно, позволяют уменьшать габариты машины в целом.

2. Простота синтеза и проектирования.

3. Кулачковые механизмы более точно воспроизводят передаточную функцию.

4. Обеспечивают большое разнообразие законов движения выходного звена.

Недостатки:

1. Контактные усилия в высшей кинетической паре гораздо выше, чем в низшей, что приводит к износу, т.е. 2 профиля теряют свою форму и как следствие, свое главное достоинство.

2. Сложность обработки профиля кулачка.

3. Невозможность работы на больших оборотах и передачи больших мощностей.

Рисунок 21. Схема кулачкового механизма.

Рисунок 22.Винтовая передача.

 

 

Фрикционные механизмы

Во фрикционных передачах передача вращательного движения между звеньями (катками – роликами) осуществляется вследствие трения возникающего между ними. На рис.23 показана фрикционная передача с цилиндрическими катка­ми. Передача движения от ведущего катка 1 к ведомому катку 2 осуществляет­ся силой трения, возникающей под действием пружины с силой равной Q.

Нами рассмотрена фрикционная передача с цилиндрическими катками для передачи вращательного движения между параллельными валами. В передачах же с пересекающимися осями применяют фрикционные передачи с коническими катками.

Рисунок 23. Схема фрикционного механизма.

Рисунок 24. Дисковые фрикционные передачи.

 

 

Введение

Цель: ознакомиться с сущностью курса теории механизмов и машин; ознакомиться с основными понятиями и механизмами.

Задачи:

1. Получить общее представление о ТММ и ее месте в образовательном процессе.

2. Рассмотреть классификацию машин, сферу применения различных их видов.

3. Рассмотреть классификацию механизмов, их достоинства, недостатки.

Теория машин и механизмов (ТММ) — это научная дисциплина об общих методах исследования, построения, кинематики и динамики механизмов и машин и о научных основах их проектирования.

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.

Учебная дисциплина «Теория механизмов и машин» базируется на общенаучных и общетехнических дисциплинах, таких как, высшая математика, физика, теоретическая механика, вычислительная техника, сопротивления материалов, начертательная геометрия.

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.

 

Теория механизмов и машин состоит из разделов:

- структурный анализ;

- кинематический анализ механизмов;

- силовой и динамический анализы механизмов;

- общие методы синтеза механизмов.

Структурный и кинематический анализы механизмов предполагают изучение теории строения механизмов, исследование движения тел, их образующих, с геометрической точки зрения независимо от сил, вызывающих движение этих тел. Цель динамического анализа механизмов − изучение методов определения сил, действующих на тела, образующие механизм, во время движения этих тел и изучение взаимосвязи между движениями этих тел, силами, на них действующими, и массами, которыми обладают эти тела. Проблемы синтеза механизмов изучаются по видам механизмов, так как задачей синтеза является проектирование механизмов выбранной структуры по заданным кинематическим и динамическим условиям

 

Машины и их классификация

Машина – это механизм или комплекс механизмов, предназначенных для совершения полезной работы, преобразования энергии одного вида в другой и для облегчения физического и умственного труда человека.

С точки зрения функционального назначения машины делятся на следующие классы:

1) энергетические машины (двигатели и генераторы);

2) рабочие машины (технологические и транспортные);

3) информационные машины (контрольно-управляющие и математические);

4) кибернетические машины.

Энергетические машины предназначены для преобразования одного вида энергии в другой вид. Машины-двигатели преобразуют различные виды энергии в механическую, а машины-генераторы – наоборот.

	Рисунок 4

	Рисунок 2

 

 

Рисунок 3

 

Технологические или рабочие машины, предназначены для выполнения производственных процессов по изменению формы, свойств и положения объектов труда (машиностроительные отрасли народного хозяйства, например металлорежущие и ткацкие станки, полиграфические, швейные, горнодобывающие, транспортные и другие машины, роботы и т.п.).

Рисунок 6

Рисунок 5

Рисунок 8

Рисунок 7

 

Информационные машины, в которых происходит преобразование входной информации для контроля, регулирования и управления технологическими процессами (вычислительные, кибернетические машины и др.).

Отличительным признаком информационных машин является преобразование информации из одного вида в другой.

Рисунок 9

Информационные машины делятся на:

Контрольно-управляющие машины - преобразуют получаемую контрольно-измерительную информацию с целью управления энергетической или рабочей машинами.

Рисунок 10

Рисунок 11

Математические машины преобразуют информацию, получаемую в виде различных математических образов, заданных в форме отдельных чисел или алгоритмов.

Рисунок 12

Кибернетическими машины обладают элементами искусственного интеллекта и заменяют или имитируют различные механические, физиологические или биологические процессы, присущие человеку и живой природе.

Рисунок 14

Рисунок 15

 

МЕХАНИЗМЫ. ЭЛЕМЕНТЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

 

В учебной литературе используются несколько определений механизма:

Первое: Механизмом называется система твердых тел, предназначенная для передачи и преобразования заданного движения одного или нескольких тел в требуемые движения других твердых тел.

Второе: Механизм - кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка) и число степеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризующих положение цепи относительно стойки.

Третье: Механизмом называется устройство для передачи и преобразования движений и энергий любого рода.

Четвертое: Механизм - система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся определенным, требуемым образом относительно одного из них, принятого за неподвижное.

Из теоретической механики: Системы материальных тел (точек), положения и движения которых подчинены некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным наперед и не зависящим от начальных условий и заданных сил, называется несвободной. Эти ограничения наложенные на систему и делающие ее несвободной называются связями. Положения точек системы допускаемые наложенными на нее связями называются возможными. Независимые друг от друга величины q ₁, q ₂,... q _n, вполне и однозначно определяющие возможные положения системы в произвольный момент времени называются обобщенными координатами системы.

Недостатками этих определений являются: первое не отражает способности механизма преобразовывать не только движение, но и силы; второе не содержит указания выполняемой механизмом функции. Оба определения входят в противоречия с определением технической системы. Учитывая сказанное, дадим следующую формулировку понятия механизм:

Механизмом называется система, состоящая из звеньев и кинематических пар, образующих замкнутые или разомкнутые цепи, которая предназначена для передачи и преобразования перемещений входных звеньев и приложенных к ним сил в требуемые перемещения и силы на выходных звеньях. Например, кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания превращает поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, а механизм подачи токарного станка − вращательное движение ходового винта в поступательное движение резца.

 

 

Механизм называется плоским, если все его звенья движутся параллельно одной плоскости и траектории всех его точек – плоские кривые. В пространственных механизмах подвижные точки их звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях.

 

По функциональному назначению механизмы делятся на:

1. механизмы двигателей и преобразователей;

2. передаточные механизмы;

3. исполнительные механизмы;

4. механизмы управления, контроля и регулирования;

5. различные механизмы более узкой специализации.

 

Механизмы двигателей осуществляют преобразование различных видов энергии в механическую работу.

Механизмы преобразователей (генераторов) осуществляют преобразование механической работы в другие виды энергии.

Передаточные механизмы предназначены для передачи движения от двигателя к рабочей машине или исполнительным механизмам.

Исполнительными называются механизмы, которые непосредственно воздействуют на обрабатываемую среду или объект.

Механизмами управления, контроля и регулирования называются различные механизмы и устройства для контроля различных параметров обрабатываемых объектов, различные регуляторы.

По виду передаточной функции на механизмы:

– с постоянной передаточной функцией;

– с переменной передаточной функцией;

– с нерегулируемой передаточной функцией (синусные, тан- генсные);

– с регулируемой передаточной функцией;

– со ступенчатым регулированием (коробки передач);

– с бесступенчатым регулированием (вариаторы).

По виду преобразования движения на механизмы преобразующие:

– вращательное движение во вращательное;

– редукторы: понижают скорость вращения от «входа» к «выходу» wвх > wвых;

– мультипликаторы: повышают скорость вращения от «входа» к «выходу» wвх < wвых;

– муфты ωвх =ωвых;

– вращательное движение в поступательное;

– поступательное движение во вращательное;

– поступательное движение в поступательное.

По движению и расположению звеньев в пространстве:

– пространственные;

– плоские;

– сферические.

По изменяемости структуры механизма на механизмы:

– с неизменяемой структурой;

– с изменяемой структурой.

По форме, конструктивному исполнению и движению звеньев:

– рычажные;

– зубчатые;

– кулачковые;

– планетарные;

– манипуляторы.

Механизмы образуются последовательным присоединением звеньев к начальному звену.

Звенья и кинематические пары. Механизм представляет собой связанную систему частей механизма, движущихся как единое целое. Каждое такое тело называют звеном.

Звенья бывают:

– входные (ведущие) – отличительным признаком их является то, что элементарная работа приложенных к ним сил положительна (работа силы считается положительной, если направление действия силы совпадает с направлением движения точки её приложения или под острым углом к ней);

– выходные (ведомые) – элементарная работа приложенных к ним сил является отрицательной (работа силы считается отрицательной, если направление действия силы противоположно направлению движения точки её приложения);

– подвижные;

– неподвижные (станина, стойка).

Типы звеньев:

1. стойка – звено, принимаемое за неподвижное; такое звено в механизме может быть только одно; ей обычно присваивается номер 0;

2. кривошип – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси;

3. коромысло – вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси;

4. шатун – звено рычажного механизма, образующее кинематические пары только с подвижными звеньями и совершающее сложное движение;

5. кулиса – звено рычажного механизма, вращающееся вокруг не- подвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару; в зависимости от степени протяженности элемента поступательной пары различают «камень» (звено меньшей протяженности) и «направляющую»;

6. ползун – звено рычажного механизма, образующее поступательную пару со стойкой или с другим элементом;

7. кулачок – звено, имеющее элемент высшей пары, выполненный в виде поверхности переменной кривизны;

8. камень – звено, совершающее поступательное движение относительно подвижной направляющей, называемой кулисой;

9. зубчатое колесо – звено с замкнутой системой зубьев, обеспечивающее непрерывное движение другого зубчатого колеса или рейки.

Рисунок 16. Типы звеньев.

Кинематическая пара (сокращенно - пара) это подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев. Поверхность, линия или точка одного звена, находящиеся в соприкосновении с другим звеном, называется элементом кинематической пары. Чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута или геометрическим способом – за счет конструктивной формы звеньев, или силовым способом – силой тяжести, пружины, силой давления жидкости, газа и т.д. Поскольку через кинематическую пару передаются усилия от одного звена к другому, она во многом определяет работоспособность и надежность машины.

По элементам соединения звеньев кинематические пары делятся:

– на высшие (они имеются, например, в зубчатых и кулачковых механизмах) – соединение звеньев друг с другом происходит по линии или в точке:

– низшие – соединение звеньев друг с другом происходит по поверхности.

 

Кинематической цепью называют систему звеньев, связанных кинематическими парами. Различают замкнутые цепи, в которых каждое звено входит не менее чем в две кинематические пары, и незамкнутые цепи, в которых есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару.

Кинематические цепи бывают пространственными и плоскими.

Пространственные кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в различных плоскостях.

Плоские кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в одной или параллельных плоскостях.

Число степеней свободы или подвижность механизма - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение всех его звеньев на плоскости или в пространстве.

Таким образом, каждый механизм имеет стойку и подвижные звенья, среди которых выделяют входные, выходные и промежуточные звенья.

Для определения положений звеньев механизма при кинематическом анализе одному или нескольким звеньям механизма приписываются (назначаются) обобщенные координаты (мысленно задается движение).

Начальным звеном называется звено, которому приписывается одна или несколько обобщенных координат механизма. Обычно одному начальному звену назначается одна обобщенная координата. В этом случае число начальных звеньев механизма равно числу его обобщенных координат. За начальное звено можно взять входное или выходное звено, или даже промежуточное, если при этом упрощается анализ механизма.

Под обобщенной координатой механизма понимается каждая из независимых между собой координат, определяющих положение всехзвеньев механизма относительно стойки.

Начальная кинематическая пара - пара, относительное положение звеньев в которой принято за обобщенную координату.

Звенья соединяются друг с другом подвижно посредством кинематических пар: вращательных (шарнир) и поступательных (ползун).

Траектория движения точки (звена) – линия перемещения точки в плоскости. Это может быть прямая линия или кривая.

Рычажные механизмы

Рычажный механизм – это механизм, образованный звеньями, выполненными в виде стержневых конструкций-рычагов.

Достоинства:

1. Высокая нагрузочная способность (винтовые пары по поверхности)

2. Относительная простота и дешевизна

3.Используются в качестве основных технологических устройств.

4.Высокий КПД.

Недостатки:

1. Небогатый выбор движений на выходе (возвратно-поступательное или вращательное)

2. Сложность метрического синтеза, т.е. расчета размеров механизма при котором достигается требуемый закон движения на выходе.

 

Рисунок 17. Схема рычажного механизма.

Рисунок 18. Рычажный механизм двери.

 

 

Зубчатые механизмы

Зубчатый механизм — это механизм или часть механизма в состав которого входят зубчатые колёса. Движение передаётся с помощью зацепления пары зубчатых колёс.
Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом.

Достоинства зубчатых передач:
• Возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей и передаточных отношений.
• Высокая нагрузочная способность и малые габариты.
• Большая долговечность и надёжность работы.
• Постоянство передаточного отношения.
• Высокий КПД (87-98%).
• Простота обслуживания.
Недостатки зубчатых передач:
• Большая жёсткость не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.
• Высокие требования к точности изготовления и монтажа.
• Шум при больших скоростях.

Рисунок 19.

 

 

Рисунок 20. Зубчатые механизмы.

 

 

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.

Достоинства:

1. Все кулачковые механизмы малозвенны, следовательно, позволяют уменьшать габариты машины в целом.

2. Простота синтеза и проектирования.

3. Кулачковые механизмы более точно воспроизводят передаточную функцию.

4. Обеспечивают большое разнообразие законов движения выходного звена.

Недостатки:

1. Контактные усилия в высшей кинетической паре гораздо выше, чем в низшей, что приводит к износу, т.е. 2 профиля теряют свою форму и как следствие, свое главное достоинство.

2. Сложность обработки профиля кулачка.

3. Невозможность работы на больших оборотах и передачи больших мощностей.

Рисунок 21. Схема кулачкового механизма.

Рисунок 22.Винтовая передача.

 

 

Фрикционные механизмы

Во фрикционных передачах передача вращательного движения между звеньями (катками – роликами) осуществляется вследствие трения возникающего между ними. На рис.23 показана фрикционная передача с цилиндрическими катка­ми. Передача движения от ведущего катка 1 к ведомому катку 2 осуществляет­ся силой трения, возникающей под действием пружины с силой равной Q.

Нами рассмотрена фрикционная передача с цилиндрическими катками для передачи вращательного движения между параллельными валами. В передачах же с пересекающимися осями применяют фрикционные передачи с коническими катками.

Рисунок 23. Схема фрикционного механизма.

Рисунок 24. Дисковые фрикционные передачи.