Лекции по "Прикладная механика"

Главная

Лекция 1. Цель и задачи курса. Инженерное проектирование. Машина и  механизм.

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.

Понятие об инженерном проектировании.

Инженерное проектирование - это процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, устройства или машины, приносящих обществу определенную пользу.

Проектирование (по ГОСТ 22487-77) - это процесс составления описания, необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках.

Проект (от латинского projectus - брошенный вперед) - совокупность документов и описаний на различных языках (графическом - чертежи, схемы, диаграммы и графики; математическом - формулы и расчеты; инженерных терминов и понятий - тексты описаний, пояснительные записки), необходимая для создания какого-либо сооружения или изделия.

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.

Основные этапы  процесса проектирования.

При проектировании новой  техники возникает необходимость  проведения работ, связанных с анализом и синтезом новой конструкции.

Анализ осуществляется при заданных размерах и массе звеньев, когда необходимо определить: скорости, ускорения, действующие силы, напряжения в звеньях и их деформации. В результате может быть произведен проверочный расчет на прочность, выносливость и т.д.

Синтез осуществляется при заданных скоростях, ускорениях, действующих силах, напряжениях или деформациях. При этом требуется определить необходимые размеры звеньев, их форму и массу.

При синтезе часто решается задача оптимального проектирования конструкции, когда находятся необходимые  показатели работы машины при наименьших затратах труда.

Обычно основными этапами  создания новой конструкции являются:

1) Осознание общественной  потребности в разрабатываемом  изделии

2) Техническое задание  на проектирование (первичное описание)

3) Анализ существующих  технических решений

4) Разработка функциональной  схемы

5) Разработка структурной  схемы

6) Метрический синтез  механизма (синтез кинематической  схемы)

7) Статический силовой  расчет

8) Эскизный проект

9) Кинетостатический силовой  расчет

10) Силовой расчет с  учетом трения

11) Расчет и конструирование  деталей и кинематических пар  (прочностные расчеты, уравновешивание,  балансировка, виброзащита)

12) Технический проект

13) Рабочий проект (разработка  рабочих чертежей деталей, технологии  изготовления и сборки)

14) Изготовление опытных  образцов

15) Испытания опытных образцов

16) Технологическая подготовка  серийного производства

17) Серийное производство  изделия

При проектировании сложных  механизмов обычно стремятся выделить из общей схемы отдельные, более  простые типовые механизмы, проектирование которых имеет свои закономерности. К таким широко используемым в  технике механизмам относятся: рычажные (стержневые), кулачковые, фрикционные, зубчатые и др., причем с точки  зрения строения, кинематики и динамики любой механизм можно заменить условным рычажным механизмом с последующим  его анализом, поэтому структура, кинематика и динамика рычажных механизмов рассматривается наиболее подробно.