Механизм и машина звенья механизмов

Теория механизмов и машин

Здравствуйте, на этой странице я собрала краткий курс лекций по предмету «Теория механизмов и машин».

Лекции подготовлены для студентов любых специальностей и охватывает курс предмета «Теория механизмов и машин».

В лекциях вы найдёте основные законы, теоремы, формулы и примеры.

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

Введение в теорию механизмов и машин

Теория механизмов и машин (ТММ) — это дисциплина, изучающая общие методы проектирования и исследования механизмов и машин.

Дисциплина «Теория машин и механизмов» (ТММ) является составной частью общеинженерной дисциплины «Техническая механика», закладывающей основы понятия об инженерном проектировании.

Инженерное проектирование — это процесс, в котором научная и техническая информация используются для создания новых или модернизации уже существующих механизмов и машин, приносящих обществу определенную пользу. Проектирование — это процесс составления описания, необходимого для создания еще несуществующего объекта, путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта, устранения некорректности первичного описания и последовательного представления описаний на различных языках.

Целью ТММ является анализ и синтез типовых механизмов и машин, а также систем, созданных на их основе.

Задача ТММ заключается в разработке общих методов синтеза и анализа структуры, кинематики и динамики типовых механизмов и машин, а также систем, созданных на их основе.

Дисциплина «Теория машин и механизмов» включает следующие разделы:

1) статика — раздел ТММ, изучающий методы и алгоритмы анализа и синтеза структуры механизмов и машин;

2) кинематика — раздел ТММ, изучающий методы и алгоритмы анализа закономерностей изменения кинематических параметров механизмов и машин в функции времени;

3) динамика — раздел ТММ, изучающий методы и алгоритмы анализа динамических процессов, протекающих в механизмах и машинах под действием приложенных к ним силовых факторов в функции времени.

В дисциплине «Теория механизмов и машин» любые механизмы или машины рассматриваются как технические системы.

Техническая система — это ограниченная область реальной действительности, осуществляющая взаимодействие с окружающей средой. При этом под окружающей средой понимается совокупность внешних объектов, осуществляющих взаимодействие с технической системой.

Каждая техническая система предназначена для выполнения определенных функций и имеет собственную структуру. В большинстве случаев структура технической системы состоит из деталей, узлов, звеньев и типовых механизмов.

Деталь — это элемент структуры технической системы, не имеющий внутренних связей.

Узел — это совокупность нескольких деталей, конструктивно или функционально связанных между собой.

Изучение технических систем осуществляются с помощью заменяющих образов или моделей.

Модель — это устройство или образ какого-либо объекта или явления, адекватно отражающее его свойства.

Модели механизмов или машин используются в качестве их заместителей или заменителей в научных или иных целях.

Модель любого механизма или машины составляется по критериям подобия, формулируемым в зависимости от принятых допущений, основными из которых являются:

Принятые допущения позволяют существенно упростить анализ и синтез механизмов и машин на начальном этапе. Так, из первого допущения следует, что звенья не изменяют своих размеров, второе допущение позволяет выполнять анализ и синтез без учета сил трения и свойств материалов, из которых изготовлены эти звенья, а, следуя допущению три, анализ и синтез механизмов и машин можно проводить без учета реальных условий их эксплуатации. В зависимости от требуемой точности получаемых результатов количество критериев или допущений может изменяться.

Наиболее распространенным видом моделей технических систем является схемный образ, или схема. Для одного и того же механизма или машины различают функциональную, структурную, геометрическую, кинематическую и динамическую схемы.

Машины и их виды

Машина — это техническая система, выполняющая механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации.

Все машины предназначены для облегчения физического и умствен ного труда человека, т.е. для повышения его качеств и производительности.

Все существующие машины можно разделить на четыре вида:

К энергетическим машинам относятся двигатели и генераторы.

К рабочим машинам относятся транспортные и технологические машины.

К информационным машинам относятся математические и контрольно-управляющие машины.

К ним относятся машины, обладающие элементами искусственного интеллекта

Привода и машинные агрегаты

С целью выполнения функционального назначения машины разных видов взаимодействуют друг с другом. Совокупность нескольких машин образует привод.

Привод — это система взаимосвязанных устройств, предназначенная для приведения в движение одного или нескольких звеньев, входящих в состав механизма или машины (рис. 2.1).

Функциональная схема привода включает следующие элементы (рис. 2.1):

Передаточный или преобразующий механизм предназначен для согласования механических характеристик энергетической машины с механическими характеристиками рабочей машины.

Рис. 2.1. Функциональная схема привода

Все привода можно разделить на три основных вида:

Охарактеризуем каждый из видов привода в отдельности:

Гидропривод — это вид привода машин, в котором для преобразования движения используется механическая энергия жидкости.

Гидропривод включает в свой состав следующие элементы: гидронасос, гидродвигатель, обслуживающую и управляющую аппаратуру.

Пневмопривод — это вид привода машин, в котором для преобразования движения используется механическая энергия газа.

С целью уменьшения количества составляющих элементов в гидро- и пневмоприводах применяют комбинированные устройства, т.е. устройства, выполняющие последовательно и функции гидро- или пневмонасоса и функции гидро- или пневмодвигателя соответственно.

Электропривод — это вид привода машин, в котором для преобразования движения используется электрическая энергия.

Электропривод включает в свой состав следующие элементы: электродвигатель, обслуживающую и управляющую аппаратуру.

Доступность электропитания в учреждениях и организациях мирового сообщества, а также сравнительная простота в основном и обусловили наибольшее распространение электропривода.

Для реализации функций контроля и управления работой как отдельными составляющими элементами, так и всем приводом в целом в состав функциональной схемы дополнительно вводят контрольно-управляющую или кибернетическую машину. Полученная система называется машинным агрегатом (рис. 2.2).

Машинный агрегат — это техническая система, состоящая из нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций.

Рис. 2.2. Функциональная схема машинного агрегата

Машинный агрегат является более сложной технической системой по сравнению с приводом, так как наличие контрольно-управляющей машины позволяет управлять ходом работы всей системы.

Механизмы и их виды

Все машины состоят из механизмов, которые призваны обеспечивать выполнение требуемых функций. В зависимости от сложности схемы машины могут содержать несколько механизмов одновременно.

Механизм — это техническая система, состоящая из подвижных звеньев, стойки и кинематических пар, образующих кинематические цепи.

Все механизмы предназначены для передачи и преобразования перемещений входных звеньев и приложенных к ним силовых факторов в требуемые перемещения и силовые факторы выходных звеньев. Любые механизмы должны удовлетворять требованиям, заданным в техническом задании на их проектирование, соответствие которым определяет качество механизмов. В общем случае качество структуры механизма определяется простотой конструкции, технологичностью звеньев, экономичностью, надежностью, долговечностью, габаритами и массой.

Все многообразие механизмов классифицируется следующим образом:

1) По области применения и функциональному назначению подразделяются:

2) По виду передаточной функции подразделяются:

3) По виду структуры подразделяются:

4) По движению и расположению звеньев в пространстве подразделяются:

5) По виду преобразования движения подразделяются:

6) По числу подвижностей механизмы подразделяются:

7) По виду кинематических пар подразделяются:

8) По способу передачи и преобразования потока механической энергии подразделяются:

9) По конструктивному исполнению звеньев подразделяются: на рычажные механизмы (рис. 2.8);

10) По степени моделирования подразделяются: на действительные механизмы;

Согласно классификации, представленной в п. 7, частным случаем механизмов с низшими кинематическими парами являются шарнирные механизмы.

Шарнирный механизм — это механизм, звенья которого образуют между собой только вращательные кинематические пары (рис. 2.8, б).

Типовые механизмы

Все механизмы машин и приводов выполняют определенное служебное назначение и являются действительными механизмами. Однако, следуя принятым допущениям, изучение структуры механизмов можно выполнять без учета специфики их дальнейшей эксплуатации, что позволяет разбить механизмы на типовые группы по принципу сходности структуры и воспользоваться уже разработанными для них методами и алгоритмами анализа и синтеза. Полученные таким образом механизмы называются типовыми (рис. 2.5).

Типовой механизм — это простой механизм, имеющий при различном функциональном назначении широкое применение в машинах разных видов (рис. 2.8).

В качестве примера типового механизма рассмотрим кривошипно-ползунный механизм (рис. 2.8, а). Этот механизм широко применяется в машинах различных видов, имеющих разнос функциональное назначение, например: двигатели внутреннего сгорания, поршневые компрессоры и насосы, станки, ковочные машины и др.

В каждом варианте функционального назначения при проектировании необходимо учитывать специфические требования, предъявляемые к механизму. Однако математические зависимости, описывающие структуру, кинематику и динамику кривошипно-ползунного механизма при всех различных вариантах его применениях, будут практически одинаковыми.

Следовательно, зная алгоритмы проведения структурного, кинематического и динамического анализов типового механизма, можно исследовать его структуру, кинематику и динамику без учета особенностей функционального назначения.

Все типовые механизмы не имеют потерь, т.е. КПД этих механизмов равно единице, что возможно, только если данный механизм является идеальным.

Идеальный механизм — это механизм, образованный только абсолютно жесткими звеньями, в котором входной поток механической энергии преобразуется в выходной поток без потерь.

Следуя принятым допущениям, звенья механизмов являются абсолютно жесткими, что позволяет выполнять их анализ и синтез без учета любых видов деформаций этих звеньев и сил трения.

Звенья механизмов

Согласно определению механизмы состоят из нескольких элементов, основными из которых являются звенья.

Звено (контур) — это тело или система жестко связанных тел, входящих в состав механизма.

Звенья (контура) любого механизма подразделяются:

1) По структурному состоянию: твердое звено;

2) По конструктивному исполнению: простое звено (рис. 2.9, а-в):

3) По служебному назначению:

4) По кинематическому состоянию: подвижное звено (рис. 2.9, а-д); стойка (рис. 2.9, е);

5) По преобразованию движения и силовых факторов: входное или ведущее звено;

Сложные, или составные, звенья образованы неподвижным соединением нескольких простых звеньев, которые не могут совершать движения относительно друг друга, однако могут перемещаться совместно как единое целое, т.е. как одно звено. В большинстве случаев сложные, или составные, звенья вводятся в состав механизма с целью увеличения жесткости или для реализации сложной структуры механизма.

Разделение звеньев механизмов на сложные, или составные, и простые несовершенно, так как не оказывает влияния на анализ и синтез механизмов. Более актуально разделение звеньев механизмов по числу конечных элементов (вершин) звена, которыми оно присоединяется к другим звеньям механизма и входит в состав кинематических пар.

Согласно ГОСТ 2.703-68 ведущее звено в схемах механизмов обозначается единицей и выделяется стрелочкой, которая указывает на вид и направление совершаемого движения, а звенья, отмеченные стрелочками, являются ведомыми звеньями, которые обозначаются произвольно. При этом под обобщенными координатами понимаются независимые друг от друга параметры механизма, однозначно определяющие возможные положения его звеньев в пространстве или на плоскости в рассматриваемый момент времени.

В схемах механизмов все неподвижные элементы относятся к стойке, которая обозначается 0. За стойку принимают то звено, относительно которого производится изучение законов движения всех звеньев механизма. Например, при анализе металлорежущих станков, технологических линий за стойку принимают станину с фундаментом; при анализе их составляющих, редукторов, компрессоров, насосов — корпус; при анализе автомобилей, поездов, самолетов — колеса или шасси и т.д. Стойка в составе механизма всегда одна, однако в составе схемы она может быть представлена несколькими элементами: шарнирно неподвижными опорами и направляющими ползунов (рис. 2.9, е) т.е. присоединений к стойке может быть сколько угодно. В качестве стойки может выступать любое звено механизма, которое в составе схемы помечается штриховкой под углом 45°.

Простые звенья на схемах механизмов изображают в виде линий или кривых, а сложные, или составные, звенья обозначаются в виде замкнутых и незамкнутых геометрических фигур. Замкнутые геометрические фигуры, изображающие сложные звенья или составные звенья заштриховываются.

Кинематические пары

В процессе движения механизма звенья взаимодействуют друг с другом, образуя подвижные и неподвижные соединения. Подвижные соединения звеньев называются кинематическими парами (КП).

Кинематическая пара — это подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее относительные движения.

В зависимости от конструктивного исполнения, служебного назначения и видов движения звеньев все кинематические пары классифицируются по следующим признакам:

1) По относительному движению звеньев: на вращательные кинематические пары; поступательные кинематические пары; винтовые кинематические пары; плоскостные кинематические пары; сферические кинематические пары.

2) По виду контакта звеньев:

3) По способу обеспечения контакта звеньев, образующих кинематические пары,

4) По числу условий связи, накладываемых на относительное движение звеньев, образующих кинематическую пару (число условий связи определяет класс кинематической пары);

5) По числу подвижностей в относительном движении звеньев (число подвижностей определяет подвижность кинематической пары).

Рассмотрим более подробно два последних признака классификации кинематических пар.

Связи — это ограничения, наложенные на движения звеньев механизма, делающие их несвободными, и предназначенные для передачи энергии или информации между этими звеньями.

Число связей определяет класс кинематической пары, а число разрешенных движений соответствует се подвижности.

Для образования кинематической пары необходимо наличие как минимум одной связи, ибо в случае равенства числа связей нулю, звенья не взаимодействуют, т.е. не соприкасаются, следовательно, кинематическая пара не существует. В этом случае имеются два тела, совершающих определенные движения в пространстве или на плоскости независимо друг от друга.

Число связей может быть только целым числом и должно быть меньше шести, так как в случае равенства числа связей шести звенья теряют способность совершать даже простейшие относительные движения (вращательные или поступательные) и кинематическая пара перестает существовать, так как соединение, образованное этими звеньями, является неподвижным.

Следовательно, максимально возможное число подвижностей кинематической пары равно пяти, а минимальное — единице. При этом число подвижностей любой кинематической пары определяется по выражению

где — число связей и число подвижностей кинематической пары соответственно.

Исходя из вышесказанного, классификация кинематических пар по двум последних признакам представлена в табл. 2.1.

Кинематические цепи

Все механизмы состоят из совокупности звеньев, образующих кинематические пары, которые составляют кинематические цепи.

Кинематическая цепь — это система звеньев, образующих между собой кинематические пары (рис. 2.10, рис. 2.11).

Кинематические цепи подразделяются:

1) По конструктивному исполнению:

2) По взаимодействию звеньев:

Соединения кинематических цепей со стойкой образуют механизмы. Взаимодействие кинематических цепей между собой приводит к образованию кинематических соединений.

Кинематическое соединение — это кинематическая пара, образованная звеньями нескольких кинематических цепей.

В зависимости от сложности структуры в механизме может присутствовать несколько кинематических соединений

Структура механизмов и ее дефекты

Изучение механизмов начинается с анализа их структуры. Структура механизма в общем случае определяется функционально связанной совокупностью звеньев и отношений между ними. Под отношениями, соответственно, подразумеваются подвижные и неподвижные соединения.

Структура механизма — это совокупность звеньев, образующих подвижные и неподвижные соединения.

Структура механизма на разных стадиях его моделирования описываться различными средствами с разным уровнем абстрагирования: на функциональном уровне с помощью функциональной схемы, на уровне звеньев и структурных групп — структурной схемой и т.д.

Структурная схема — это графическое изображение механизма, выполненное без соблюдения масштабов с использованием условных обозначений, рекомендованных ГОСТом.

Структурная схема механизма содержит информацию о числе звеньев и виде движений ими совершаемых, о числе, подвижности и классе кинематических пар, о числе и виде кинематических цепей. Все типовые механизмы обладают рациональной структурой, однако большинство действительных механизмов содержит дефекты структуры (рис. 2.13).

Рациональная структура — это структура механизма, не содержащая дефектов.

К дефектам структуры механизмов относятся: избыточные, или пассивные, связи (рис. 2.13, а): местные подвижности (рис. 2.13).

Кстати дополнительная теория из учебников тут.

Рычажные механизмы

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

Рычажные механизмы широко распространены в машинах практически всех видов.

Все многообразие рычажных механизмов классифицируется определенным образом.

По виду кинематической цепи механизмы делятся: на механизмы с замкнутой кинематической цепью (рис. 2.5, рис. 2.14); механизмы с незамкнутой кинематической цепью (рис. 2.3, в). В большинстве случаев рычажные механизмы, обладающие замкнутой кинематической цепью, являются плоскими механизмами, а рычажные механизмы с незамкнутой кинематической цепью — пространственными.

По составу структуры они подразделяются: на механизмы элементарные (рис. 2.16);

механизмы простые (рис. 2.5, рис. 2.14);

Механизмы сложные — это рычажные механизмы, структура которых состоит из одного или нескольких элементарных механизмов и двух или более структурных групп.

Сложные рычажные механизмы подразделяются: на однотипные механизмы;

Все простые рычажные механизмы являются плоскими механизмами, которые, в свою очередь, подразделяются на основные типовые схемы:

Подвижные звенья плоских рычажных механизмов могут совершать как простейшие виды движений — вращательные и поступательные, так и сложные движения.

В зависимости от вида совершаемого движения звенья плоских рычажных механизмов подразделяются:

На звенья, совершающие вращательные движения:

Звеном, совершающим сложные движения, является шатун (рис. 1.6, звено 2).

Все представленные звенья по классификации п. 1 взаимодействуют со стойкой. При этом кривошип в большинстве случаев является начальным, задаваемым или ведущим звеном.

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Механизм и машина звенья механизмов

Введение. Инженерное проектирование. Машина и механизм.

Курс «Теория машин и механизмов» является первой частью общеинженерной дисциплины «Основы проектирования машин». Вторая часть этой дисциплины называется «Детали машин» или «Основы конструирования машин». На специальности, по которой Вы проходите подготовку, курс ТММ изучается в течение двух семестров и состоит из:

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература

Цель и задачи курса.

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 кусе ТММ.

Краткая историческая справка

Как самостоятельная научная дисциплина ТММ, подобно другим прикладным разделам науки, возникла в результате промышленной революции начало которой относится к 30-м годам XVIII века. Однако машины существовали за долго до этой даты. Поэтому в истории развития ТММ можно условно выделить четыре периода:

Основные разделы курса ТММ

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.

Понятие о инженерном проектировании.

Прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых типовых механизмов);

Другие методы проектирования [9, 10, 11].

Основные этапы процесса проектирования.

Понятие о технической системе и ее элементах.
(из теории технических систем по[11])

Машины и их классификация.

Существуют следующие виды машин:

Двигатели (рис.1.2), которые преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).

Генераторы (рис.1.3), которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).

Транспортные машины (рис.1.4), которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).

Технологические машины (рис.1.5), использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.

Математические машины (рис.1.6), преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Контрольно-управляющие машины (рис.1.7), преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.

Понятие о машинном агрегате.

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.

Схема машинного агрегата.

Механизм и его элементы.

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 [4, 12].

Третье: Механизмом называется устройство для передачи и преобразования движений и энергий любого рода [13].

В этих определениях использованы раннее не определенные понятия:

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.

Механизмы классифицируются по следующим признакам:

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.

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. На рис. 1.13 тормоз включен в паре С.

Контрольные вопросы к лекции 1.

12. Перечислите признаки по которым классифицируются механизмы

Список дополнительной литературы к Лекции 1.

Источник