Структурная классификация механизмов

Ю.Н. Кипреев Структурная классификация механизмов Контрольные задачи к тестам по теории механизмов и машин

Предисловие

Задачи, которые рассматриваются в предоставленном разделе, включены в тесты для проверки знаний теории механизмов и машин по Болонской системе. Они разделены на три группы:

1. Подсчет за структурной формулой Чебышева степени подвижности предоставленной схемы рычажного механизма.

2. Подсчет за структурной формулой Чебышева степени подвижности предоставленной кинематической схемы механизма с высшими кинематическими парами, лишними связями и степенями вольности.

3. Структурный анализ плоских механизмов.

К каждой из этих групп предоставленные сокращенные теоретические сведения, выполненные приборы их решения.

Кроме задач, преподаватель формулирует в каждом с тестов 3-4 вопрос из раздела «Структурная классификация механизмов».

СТРУКТУРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ

1.1. Общие понятия и определения

Наукой, которая изучает виды кинематических схем, кинематику и динамику машинных агрегатов в связи с их анализом и синтезом, есть теория механизмов и машин (ТММ).

Исследование или проектирование любой конструкции, которая движется, начинается из составления ее кинематической схемы. Такая подвижная конструкция в механике носит название механизма.

Главным объектом исследования в ТММ есть кинематическая схема – условное изображение механизма, на котором в упрощенном виде указаны элементы, которые влияют на его кинематические характеристики. Структурная схема подвижной конструкции, в отличие от кинематической схемы, выполняется произвольно без соблюдения масштаба. Такое изображение дает представление только о составе конструкции.

Устройства, которые ведут к увеличению производительности работы, частично и целиком заменяют человека в ее трудовых и физиологических функциях, называются машинами (например, ДВЗ – двигатель внутреннего сгорания, ГТД – газотурбинный двигатель, паровые турбины, электродвигатели, генератор тока, компрессор, помпа, и т.п.).

Механизм – это система искусственно созданных тел (твердых, редких и газообразных), которая предназначена для преобразования движения одних тел в нужен движение других тел (лебедка, грузоподъемный кран, механизмы гидравлических поводов, обрабатывающих станков, шпиле, брашпиле и т.п.). Главное внимание в ТММ уделяют механизмам, которые состоят из твердых тел.

Таким образом, роль механизма, в отличие от машины, сводится лишь к передаче движения и потока энергии. В то же время механизм имеет ту же структуру, которая и машина, и в этом отношении между ними нет никакого расхождения. Механизм можно считать машиной, если он в условиях движения преодолевает внешние сопротивления, связанные непосредственно с процессом производства или транспорта. При работе вхолостую машину можно рассматривать как механизм в чистом виде.

Машина и механизмы объединяются в машинные агрегаты. Машинный агрегат – это комплекс взаимосвязанных машин, механизмов, устройств, исполнительных органов и т.п., предназначенный для выполнения определенных функций.

Структурной единицей любой подвижной конструкции является звено. Звеном называют одну или группу деталей, жестко соединенных между собой. Звенья бывают подвижными (поршень, шестерня, вал и т.п.) и неподвижными (станина, фундамент, цилиндровая втулка и т.п.). Неподвижные звенья состоят из ряда жестко связанных тел и называются стойками. Любой механизм имеет только одно неподвижное и несколько подвижных звеньев.

Входным считают звено, закон движения которого задан и превращается механизмом в нужный закон движения других звеньев. Оно может совпадать или не совпадать с ведущим звеном, которое с помощью внешних нагрузок обеспечивает движение всего механизма. Ведомым называют звено, которое осуществляет движение, для выполнения которого предназначен механизм. Остальные звенья механизма называют промежуточными.

Звенья бывают простые и сложные. Если звено входит не более, чем в два подвижных соединения с другими звеньями (рис. 1.1,а, б), то оно является простым, в других случаях (рис. 1.1, в) звено будет сложным.

а

б

в

Рис. 1.1. Простые (а, б) и сложные (в) звенья механизмов

На схемах звенья обозначают арабскими цифрами, кинематические пары – большими латинскими буквами. Неподвижное звено, которое входит в состав механизма, называют стойкой или станиной. На кинематических схемах неподвижные звенья обозначают штриховкой. Подвижное звено, которое осуществляет полный оборот, называют кривошипом. Звенья, которые осуществляют колеблющееся, плоскопаралельное и возвратно-поступательное движения, соответственно называют коромыслом, шатуном и ползуном. Подвижное звено, которое является направляющим для ползуна, называют кулисой. Ползун, движущийся по кулисе, называют камнем кулисы.

1.2. Классификация кинематических пар

Каждый механизм состоит из звеньев. Подвижное соединение двух звеньев называется кинематической парой (рис.1.2).

Между двумя звеньями может существовать только одно подвижное соединение или кинематическая пара, несмотря на то, что эти звенья могут иметь контакт в нескольких местах. Нужно также отметить, что в случае столкновенья в одном месте нескольких звеньев, они создают между собой общее количество пар, которые на единицу меньше количества звеньев, которые совпадают в этом месте.

Поверхности, линии, или точки, которыми одно звено затрагивает другой, называют элементами кинематических пар.

Кинематические пары классифицируют по четырем признакам.

1. По числу связей, т.е. ограничений, которые кинематическая пара накладывает на относительное движение звеньев. За этим признаком пары делятся на пять классов. Класс кинематической пары определяют за числом связей , где – количество степеней вольности в относительном движении звеньев, которые образовывают пару.

2. По виду элементов контакта звеньев в паре они разделяются на высшие и низшие. К высшим принадлежат пары, в которых звенья соединяются по поверхности (рис.1.2, бы, в, же), низшими – звенья , в которых элементами контакта являются точки или линии (рис.1.2, г, д, е, с, и).

3. По характеру относительного движения звеньев пары могут быть плоскими (рис.1.2, г, же, с, и) и пространственными (рис.1.2, бы, в, д, есть).

4. По условиям поддержки контакта звеньев в пари они разделяются на открытые (рис.1.2, бы, в, г) и закрытые (рис.1.2, д, есть, же, с, и). В открытых звеньях нужное силовое замыкание контакта, в закрытых этот контакт обеспечивается геометрическим замыканием, т.е. с помощью особенностей формы контактирующих поверхностей.

a бы в

г д есть

же с и

Рис. 1.2. Примеры разнообразных видов кинематических пар:

а – независимое или свободное твердое тело (снопа) с шестью степенями вольности; бы – кинематическая пара І класса «снопа – плоскость»; в – кинематическая пара ІІ класса «цилиндр – плоскость»; г – кинематическая пара ІІІ класса «плоское тело – плоскость»; д – кинематическая пара ІІІ класса, сферический шарнир; есть – кинематическая пара ІV класса, контакт звеньев по цилиндрической поверхности; же – кинематическая пара ІV класса в контакте зубчатых колес; с – поступательная кинематическая пара V класса; и – вращательная кинематическая пара V класса

Системы звеньев, которые соединены между собой кинематическими парами, называют кинематическими цепями.

1.3. Степень подвижности механизма

Механизмом называют кинематическую цепь с неподвижным звеном, в котором при заданном движении одного или нескольких звеньев относительно любого из них все другие звенья делают однозначно обусловленные движения.

Количество обобщенных координат, которые целиком характеризуют положение и движение тела или механизма, принято называть числом степеней свободы (степенью подвижности) тела или механизма.

Характер движения механизма определяется размерами звеньев, последовательностью их соединения, конструкцией кинематических пар. Количество степеней свободы или степень подвижности механизма определяется по структурной формуле Сомова – Малышева

, (1.1)

где – количество подвижных звеньев механизма; – номер класса кинематической пары; – количество кинематических пар, принадлежат к классу за номером .

Большая часть кинематических схем механизмов имеет некоторое количество общих, или совпадающих условий связи, поэтому подсчитывание степени подвижности должно выполняться по условию их отнимания из всех коэффициентов приведенной зависимости. Общую структурную формулу с учетом общих связей вывел в 1943 году В.В. Добровольский

. (1.2)

Для плоских механизмов количество совпадающих условий связи равняется трем (), тому степень подвижности определяется по формуле П.Л. Чебышева

. (1.3)

где – количество подвижных звеньев; и – количество кинематических пар, соответственно IV и V классов.

Задачи 1-20

Таблица 1.1. Кинематические схемы к задачам 1 – 20 1. Механизм автомата перекоса вертолета 2.Механизм миксера … Пример 1. Определить звенья и кинематические пары механизма Дизеля (рис. А). Подсчитать по структурной формуле Чебышева степень…

Задачи 21-40

Таблица 1.2. Кинематические схемы к задачам 21 – 40 21. Механизм управления клапаном 22.Поплавочный топливомер …

Решение

– вращательные пары или шарниры: O, O2, O4, O6, O10, A, B, С, D, E (2 шарнира, между ползунами 7 и 8, и между ползуном 8 и роликом 12) и K; – поступательные пары: F, N(2 пары, 7-3 и 8-5); – высшие пары четвертого класса L и H.

Задачи 41-60

Таблица 1.3. Кинематические схемы рычажных механизмов к задачам 41 – 60 41. Поперечно-строгальный станок 42.…   59. Выталкиватель деталей 60. Поперечно –… Пример 4.

Решение

Структурный анализ начинается с отделения первой группы звеньев 6-7(рис. Ж). Рис. Ж. Отделение первой группы звеньев Их исключение из состава механизма не нарушает целостности первого остаточного механизма. Этот и последующие процессы…