Лекции по "Прикладная механика"

При описании механизмов, они  были разделены на отдельные группы по признаку их конструктивного оформления (рычажные, кулачковые, фрикционные, зубчатые и др.)

Механизмы образуются последовательным присоединениям звеньев к начальному механизму.

Деталь – это изделие, изготовленное без сборочных операций.

Звено – одна или несколько неподвижно соединенных друг с другом деталей, входящих в механизм и движущихся, как одно целое.

Выполнение звеньев из нескольких деталей обеспечивается их соединением. Различают соединения неразъемные (сварные, заклепочные, клеевые) и разъемные (шпоночные, шлицевые, резьбовые).

 

Звенья в зависимости  от вида их материала могут быть твердые и гибкие (упругие), например, ремень. Жидкости и газы в гидро- и пневмомеханизмах звеньями не считаются.

Условное изображение  звеньев на кинематических схемах механизмов регламентируется ГОСТом. Примеры изображения  некоторых звеньев приведены  на рис. 1.10. На кинематических схемах звенья обозначаются арабскими цифрами:0, 1, 2 и т.д. (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Примеры изображения  звеньев на кинематических схемах механизмов

Кинематическая  пара - подвижное соединение двух звеньев, допускающее их определенное относительное движение.

     Кинематическая цепь - система звеньев, образующих между собой кинематические пары.

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.

Стойка - звено, которое при исследовании механизма принимается за неподвижное.

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.

Входное звено – звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. Входное звено соединено с двигателем либо с выходным звеном другого механизма. Обычно в механизме имеется одно входное и выходное звено. Но в некоторых случаях имеют место механизмы с несколькими входными или выходными звеньями, например, дифференциал автомобиля. Отличительным признаком входного звена 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).

Выходное  звено – звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. Выходное звено соединено с исполнительным устройством (рабочим органом, указателем прибора), либо со входным звеном другого механизма. Элементарная  работа приложенных к выходному звену сил является отрицательной (работа силы считается отрицательной, если направление действия силы противоположно направлению движения точки её приложения).

Начальное звено - звено, координата которого принята за обобщенную.

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.

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
По форме представления:	По назначению:	По методу исследования:
- физические; - математические: - аналоговые; - цифровые.	- функциональные; - структурные;  - геометрические; - кинематические; - динамические	- 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.

                                Множество пространственных

                                               механизмов

            Подмножество плоских                                           Подмножество сферически

                                                              

 

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 α- α.

 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 О1М, 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 поршнем на шатуне, скользящем в качающемся (или вращающемся) цилиндре.