Структура механизмов

Различают следующие  кинематические цепи (Рис.4.)

 

Рис 4 .

 

замкнутая (Рис.4в, д) – кинематическая цепь, звенья которой образуют один или несколько замкнутых контуров;

открытая (незамкнутая) (Рис.4.а, б, г) – кинематическая цепь, в которой имеются звенья, входящие в одну кинематическую пару (такие кинематические цепи применяют в механизмах роботов, манипуляторов, приборов и землеройных устройств);

простая – кинематическая цепь, в которой каждое звено входит не более чем в две кинематические пары (Рис4.а, в);

сложная – кинематическая цепь, в которой имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (Рис.4.б, г, д);

плоская – кинематическая цепь, в которой при закреплении одного из звеньев, все другое совершат плоское движение, параллельное одной и той же неподвижной плоскости;

пространственная – кинематическая цепь, в которой точки звеньев перемещаются по  плоским траекториям, лежащим в пересекающихся плоскостях.

Замкнутые, неизменяемой конфигурации контуры кинематической цепи, которые входят в одно звено, на структурных схемах заштриховываются.

Звенья, входящие только в одну кинематическую пару называются поводками.

Элементы кинематических пар (кинематические пары) звеньев, которыми они впоследствии присоединяются к другим кинематическим цепям или звеньям, называются внешними .

Механизм, звенья которого входят только в низшие кинематические пары - вращательные, поступательные, цилиндрические или сферические – называется рычажным.

Механизм, звенья которого образуют только вращательные пары, называется шарнирным.

Шарнирный четырёхзвенник, в состав которого входят кривошип и коромысло, называется кривошипно-коромысловым.

Частными случаями этого механизма является двухкоромысловый и двухкривошипный механизмы, в состав которых соответственно входят либо два коромысла, либо два кривошипа.

Рычажный четырехзвенный механизм, в состав которого входят кривошип и ползун, называется кривошипно-ползунным.

Рычажный четырехзвенный механизм, в состав которого входят коромысло и ползун, называется коромыслово-ползунным.

Рычажный четырёхзвенный механизм, в состав которого входит кулиса, называется кулисным.

Механизм, звенья которого образуют только поступательные пары, называется клиновым.

Механизм, в  состав которого входит кулачок, называется кулачковым.

1.6 Структурная и кинематическая  схема механизма

Для проведения структурного анализа механизма  составляется его структурная схема. Схемы являются одним из видов конструкторской документации и выполняются с помощью специальных условных графических обозначений, позволяющих показать необходимые элементы и связи между ними.

Структурная схема – графическое изображение механизма, выполненное с использованием условных обозначений рекомендованных ГОСТ или принятых в специальной литературе, содержащее информацию о числе и расположении элементов (звеньев, групп), а также о виде и классе кинематических пар, соединяющих эти элементы. В отличие от кинематической схемы механизма, структурная схема не содержит информации о размерах звеньев и вычерчивается без соблюдения масштабов. Может изображаться графически, либо буквенно-цифровой записью. Она значительно упрощает понимание исследуемого механизма.

Структурная схема  механизма, выполненная в определённом масштабе с указанием размеров звеньев, необходимых для кинематического анализа механизма, называется кинематической схемой.

В теории механизмов и машин принято пользоваться понятием масштабного коэффициента.

Масштабным коэффициентом называется отношение численного значения физической величины в свойственных ей единицах системы СИ к длине отрезка в мм, изображающего эту величину на чертеже. Масштабный коэффициент длины:

 

μ_l = l_AВ / АВ                   (1)

где l_АВ – длина кривошипа в метрах;

АВ – отрезок, изображающий кривошип на чертеже, в миллиметрах.

1.7 Степень подвижности  механизмов

Составив кинематическую схему механизма и определив  число подвижных звеньев, число и типы кинематических пар, необходимо определить степень подвижности механизма.

Подвижность кинематической цепи – это определенность движения звеньев по отношению к одному из них – неподвижному звену, именуемому стойкой. Определенность движения звеньев предполагает строгую повторяемость их траекторий движения и является обязательным свойством кинематической цепи любого реального устройства, так как в противном случае управление устройством невозможно.

За обобщенную координату в плоских механизмах, как правило, принимают угол поворота входного звена φ и следовательно, если задавать ее изменение во времени, то можно получить вполне определенное движение звеньев такой кинематической цепи, называемой механизмом. Таким образом, количество входных звеньев определяется степенью подвижности механизма.

Понятие о степенях подвижности относится не к реальным механизмам, а к их идеализированным моделям. Идеализация состоит в том, что звенья механизма, являющиеся твёрдыми телами, считают абсолютно твёрдыми, жидкие звенья – несжимаемыми, гибкие – нерастяжимыми. Соединения звеньев (кинематические пары) также принимают идеальными (отсутствие зазоров в шарнирах, качение без скольжения во фрикционных передачах и т.п.). Для такого идеального механизма понятие «степень подвижности» равносильно принятому в теоретической механике понятию «число степеней свободы». (Числом степеней свободы является число независимых параметров, однозначно определяющих положение всех звеньев механизма в пространстве либо на плоскости).

Степень подвижности  плоских механизмов определяется по формуле П.Л. Чебышева:

 

W = 3·n – 2·p₅ – p₄                  (2)

где: W – степень подвижности механизма;

n – число подвижных звеньев механизма;

Р₅ – число кинематических пар пятого класса;

Р₄ – число кинематических пар четвёртого класса.

В кривошипно-ползунном  механизме (Рис. 5) три подвижных звена: кривошип – 2, шатун – 3, ползун – 4 и три кинематические пары пятого класса: вращательные – О(1-2), А(2-3), В(3-4), и поступательная пара В^*(4-1) т.е.n=3;Р₅=4;Р₄=0.

Рис.5 Схема кривошипно-ползунного механизма.

По формуле (1) получаем: W=l. В данном механизме одно входное звено.

1.8 Структурная классификация механизмов

Структурной классификацией механизмов называется разделение их на группы и классы по общности структуры.

Впервые научно обоснованная, рациональная классификация плоских механизмов была предложена в 1914 году русским учёным Л.В. Ассуром. Дальнейшее развитие структурная классификация плоских механизмов получила в работах И.И. Артоболевского.

Классификация механизмов по Ассуру-Артоболевскому позволяет для механизмов, отнесённых к одному и тому же классу, применять методику кинематического и силового анализа, разработанную специально для этого класса механизмов.

Согласно этой классификации, механизм может быть образован путём присоединения к начальному звену (или начальным звеньям) и стойке некоторых кинематических цепей.

Каждое начальное  звено, входящее в кинематическую пару со стойкой (вращательную или поступательную) условно называют начальным механизмом. Начальный механизм принято считать механизмом первого класса и первого порядка.

Примерами начальных  механизмов являются механизмы электродвигателей и генераторов, центробежных насосов, вентиляторов молотов, гидро – и пневмоцилиндров.

Кинематические  цепи, обладающие нулевой подвижностью относительно внешних кинематических пар и не распадающиеся на более простые цепи, удовлетворяющие этому условию, называются структурными группами Ассура.

Структурные группы Ассура не влияют на подвижность  механизма, они изменяют его структуру и законы движения звеньев.

В группы Ассура входят только низшие кинематические пары, поэтому степень подвижности группы определится по формуле:

 

W = 3·n - 2·р₅ = 0.                  (3)

 

Отсюда  следует, что зависимость числа  кинематических пар Р₅ от числа звеньев n имеет вид:

 

                   (4)

 

Чтобы из механизма выделить структурные  группы, необходимо помнить их основные признаки, вытекающие из определения:

а) число  звеньев в группе Ассура должно быть чётным, а число кинематических пар кратно трём, (Табл.3)

Таблица 3. Соотношение  числа звеньев и числа кинематических пар в группах Ассура

n	2	4	6	…
р5	3	6	9	...

 

б) степень подвижности группы всегда равна нулю;

в) степень подвижности оставшейся части механизма при отсоединении групп Ассура не должна изменяться.

Группы Ассура подразделяются на классы, порядки и виды.

Простейшая  структурная группа Ассура, состоящая  из двух звеньев и трёх кинематических пар называется группой II класса второго порядка, двухповодковой группой или диадой. Поводком называется звено, входящее в группе в две кинематические пары, одна из которых свободная и служит для присоединения к одному из подвижных звеньев механизма или к стойке.

Порядок структурных групп определяется числом поводков. Все группы II класса 2 порядка делятся на пять видов (модификаций) в зависимости от сочетания и взаимного расположения вращательных и поступательных кинематических пар в группах. Примеры группы II класса 2 порядка всех модификаций приведены в таблице 4.

Таблица 4. Классификация двухповодковых групп Ассура

Класс	Схемы структурных  групп Ассура					Порядок
	Виды (модификации) групп Ассура
II		при АВ=0	при АВ=0	при АВ=ВС=0		2
	1 ВВВ	2 ВВП	3 ВПВ	4 ПВП	5 ВПП

 

Более сложные  группы Ассура получают методом развития поводка, который заключается в том, что один из поводков, например ВС, заменяется базисным звеном (BCD) рис.6, а затем к свободным шарнирам С и D присоединяются два поводка. Такая группа называется трёхповодковой или группой III класса 3 порядка.

Рис. 6

По классификации И.И. Артоболевского класс группы Ассура выше второго определяется числом кинематических пар, образующих наиболее сложный замкнутый контур (таблица 5).

Таблица 5. Классификация сложных групп Ассура

Класс	Схемы структурных  групп Ассура		Порядок
III			3
			4
IV			2
			3
V			3
			4

Продолжение таблицы 5

Класс	Схемы структурных  групп Ассура	Порядок
III		5
IV		4
V		4
V		3
VI		4
VII		5

Класс механизма определяется наивысшим классом группы Ассура, которая входит в его состав.

Произвести  структурный анализ - это значит установить, из каких начальных механизмов и групп Ассура состоит данный механизм, в какой последовательности эти группы звеньев присоединены друг к другу, определить класс и порядок механизма. Результаты структурного анализа механизма зависят в общем случае от того, какое из звеньев исследуемого механизма принято в качестве входного.