Структура механизмов

ВВЕДЕНИЕ

Теория  механизмов и машин есть наука, изучающая строение, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом.

Первая группа проблем теории механизмов посвящена  исследованию структурных, кинематических и динамических свойств машин, т.е. анализу.

Движение механизмов зависит от их строения и сил, действующих  на них. Поэтому удобно проблемы анализа  разбить на три составные части: структурный, кинематический и динамический.

Классификация механизмов по их структуре является одни из основных разделов курса «Теория механизмов и машин». Это позволяет создать единый метод кинематического и кинетостатического исследования механизмов.

1 ОСНОВЫ СТРУКТУРЫ МЕХАНИЗМОВ

Под структурой механизма понимается совокупность его элементов и отношений  между ними, т.е. совокупность звеньев, групп или типовых механизмов и подвижных или неподвижных соединений. Геометрическая структура механизма полностью описывается заданием геометрической формы его элементов, их расположения, указания вида связей между ними. Структура механизма может быть на разных стадиях проектирования описываться различными средствами, с разным уровнем абстрагирования: на функциональном уровне - функциональная схема, на уровне звеньев и структурных групп - структурная схема и т.п.

Исследование механизмов и машин обычно начинают со структурного анализа механизмов, который предусматривает:

- определение видового и количественного состава механизмов: подвижных звеньев, классификацию кинематических пар и кинематических цепей;

- определение числа степеней свободы (подвижности) механизма;

- составление формулы структурного строения механизма;

- определение класса и порядка всего механизма;

- определение последовательности проведения кинематического и динамического анализа механизмов.

1.1Классификация машин

Современное развитие производства неразрывно связано с  созданием машин, механизмов, передач, которые облегчают труд человека и повышают его производительность. По мере развития техники содержание понятия машина многократно уточнялось и трансформировалось. Современное понятие машины по предложении. И.И.Артоболевского определяют следующим образом.

Машина – техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности, путем частичной и ли полной замены человека в его трудовых или  физиологических функциях.

Машина обязательно  совершает полезную работу. Отличительным  признаком машины является перемещение  рабочих органов, то есть осуществляется механическое движение, связанное с выполнением того или иного рабочего процесса.

Существуют  следующие виды машин:

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

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

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

2. Рабочие  машины – использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины также имеют две разновидности:

Транспортные  машины – которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).

Технологические машины – использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.

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

Математические  машины – преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

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

4. Кибернетические  машины – 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).

Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Обычно в состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм и рабочая или энергетическая машина. В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины.

 

Рис.1 Схема машинного  агрегата.

Наряду с машинами, в промышленном производстве участвуют разнообразные устройства, осуществляющие рабочие процессы, не связанные с механическим движением, (например, атомные реакторы, машины химических производств, механизмы медицинских аппаратов, заменяющие физиологические функции органов человека). В этих устройствах совершаются электронные процессы, протекают химические реакции или происходит перенос теплоты, а механическое движение либо отсутствует, либо имеет второстепенное значение. Такого рода устройства называются аппаратами.

Применяются также приборы – устройства, которые дополняют или заменяют человека в области интеллектуальной деятельности. Таковы измерительные приборы, управляющие устройства, приборы для передачи и преобразования информации. Некоторые из них принято называть машинами, например, электронные вычислительные машины.

1.2 Классификация механизмов.

 

Механизмом называется система определенным образом взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких твёрдых тел в требуемые движения других твёрдых тел.

Механизмы не совершают полезной работы. Они  предназначены только для осуществления  требуемых законов движения их звеньев. Машины и механизмы взаимно обратимы друг в друга. Так, например, включенный, но не обрабатывающий деталь токарный станок является механизмом, но как только на нем начинается обработка детали, он станет машиной.

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 передаточной функцией (синусные, тангенсные);

с регулируемой передаточной функцией :

со ступенчатым  регулированием (коробки передач);

с бесступенчатым регулированием (вариаторы).

3. По виду преобразования движения на механизмы преобразующие:

– вращательное во вращательное:

– редукторы (w_вх > w_вых);

– мультипликаторы (w_вх < w_вых);

– муфты (w_вх = w_вых);

– 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.

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. 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.

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;

– зубчатые;

– кулачковые;

– планетарные;

– манипуляторы.

Основное назначение механизма - осуществление технологической (рабочей) операции в результате движения его элементов.

Элементами механизма являются звенья и кинематические пары.

1.3 Классификация звеньев

Звеном называется одно или несколько жёстко соединённых твёрдых тел входящих в состав механизмов.

Звенья могут  быть монолитными твёрдыми телами или  состоять из нескольких неподвижно соединённых деталей, образующих неразъемное или разъемное соединение, не допускающее между деталями относительного движения.

Деталь – изделие, изготовленное из однородного материала одной марки, без применения сборочных операций (сваривания, склепывания, свинчивания, склеивания и т.д.), которое не может быть разделено на более мелкие части  без нарушения возможности исполнения ими своих функций.

Звенья механизмов на схемах изображают упрощенно в  виде линий или геометрических фигур и нумеруют арабскими цифрами.

В процессе работы механизма его звенья либо имеют определённое движение, либо неподвижны.

В механизмах можно  выделить неподвижное звено, относительно которого совершают определенное движение в пространстве, и звенья подвижные (их классификация приведена в табл.1.). Неподвижно звено называется стойкой. Роль стойки, например, в токарном станке выполняет его станина, в автомобилях – шасси или кузов, в редукторах – корпус. На схемах механизмов нумерация звеньев обычно выполняется со стойки.

В зависимости  от характера движения и назначения подвижные звенья механизма имеют определённые названия.

Вращающееся звено рычажного механизма, совершающее  полный оборот вокруг неподвижной оси, называется кривошипом.

Вращающееся звено  рычажного механизма, совершающее  вокруг неподвижной оси колебательное движение, называется коромыслом.

Звено рычажного механизма, образующее соединение только с подвижными звеньями и совершающее плоскопараллельное движение, называется шатуном.

Звено рычажного  механизма, совершающее поступательное движение по неподвижной направляющей, называется ползуном.

Звено рычажного механизма, поступательно  перемещающееся по подвижной направляющей, называется камнем кулисы, а сама направляющая - кулисой. Кулиса может совершать вращательное, колебательное, поступательное и плоскопараллельное движение.

Качающийся ползун – звено, образующее поступательную пару со штоком и вращательную пару со стойкой.