Лекции / ТММ (лекции) 1 (для УМКД)

Теория механизмов и машин (лекции)

Цель и задачи курса. 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 умения, приобретенные студентом при изучении ТММ, служат базой для курсов детали машин, подъемно-транспортные машины, системы автоматизированного проектирования, проектирование специальных машин и основы

1

научных исследований.

Машины и их классификация.

По мере развития машин содержание термина "машина" изменялось. Для современных машин дадим следующее определение: машина есть устройство, создаваемое человеком для преобразования энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях.

Машина в общем виде состоит из основных частей: машина-двигатель, передаточный механизм, исполнительное устройство (механизм) и система управления. Такую машину называют механическим приводом. Машина-двигатель преобразует какой-либо вид энергии в механическую (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, гидромотор и т.д.). Передаточный механизм преобразует движение (например, кулачковый, зубчатый, рычажный механизмы). Исполнительный механизм непосредственно обеспечивает выполнение технологического процесса, для которого предназначен механический привод.

В некоторых машинах передаточный механизм отсутствует (например, вентилятор, состоящий из электродвигателя с насаженной на вал крыльчаткой).

Энергетические машины - преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей.

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

Рабочие машины - машины использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины тоже имеют две разновидности.

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

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

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

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

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

Кибернетические машины (рис.) – 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).

3

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.

Второе: механизм - кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка) и число степеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризующих положение цепи относительно стойки.

Третье: механизмом называется устройство для передачи и преобразования движений и энергий любого рода.

Четвертое: механизм - система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся определенным, требуемым образом относительно одного из них, принятого за неподвижное.

Из теоретической механики: Системы материальных тел (точек), положения и движения которых подчинены некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным наперед и не зависящим от начальных условий и заданных сил, называется несвободной. Эти ограничения, наложенные на систему и делающие ее несвободной, называются связями. Положения точек системы допускаемые наложенными на нее связями называются возможными. Независимые друг от друга величины q1,q2, ... qn, вполне и однозначно определяющие возможные положения системы в произвольный момент времени, называются обобщенными координатами системы.

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.

Основным признаком механизма является преобразование механического движения. Механизм входит в состав многих машин, т. к. для преобразования энергии, материалов и информации требуется обычно преобразование движения, получаемого от двигателя. Нельзя отождествлять понятия "машина" и "механизм". Во-первых, кроме механизмов в машине всегда имеются дополнительные устройства, связанные с управлением механизмами. Во-вторых, есть машины, в которых нет механизмов. Например, в последние годы созданы технологические машины, в которых каждый исполнительный орган приводится в движение от индивидуального электроили гидродвигателя.

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, шлице-

4

вые, резьбовые).

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

Условное изображение звеньев на кинематических схемах механизмов регламентируется ГОСТ 2.770. Примеры изображения некоторых звеньев приведены на рисунке. На кинематических схемах звенья обозначаются арабскими цифрами: 0, 1, 2 и т. д.

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 па-

ры.

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 с 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.

5

Начальная кинематическая пара - пара, относительное положение звеньев в которой принято за обобщенную координату.

Траектория движения точки (звена) – линия перемещения точки в плоскости. Это может быть прямая линия или кривая.

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 ко-

6

торых совершают движение в плоскостях параллельных одной плоскости, являются одновременно и плоскими, другая часть механизмов, звенья которых движутся по сферическим поверхностям эквидистантными 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 (рисунок). 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.

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:

7

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

жущийся в неподвижной направляющей. Этот кривошипно-шатунный механизм применяют в поршневых дви-

Кривошипно9 -ползунный механизм