1_Основы_машиноведения (2). 1. Основы машиноведения
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Начальным звеном называется звено, которому приписывается одна или несколько обобщенных координат механизма. Обычно одному начальному звену назначается одна обобщенная координата. В этом случае число начальных звеньев механизма равно числу его обобщенных координат. За начальное звено можно взять входное или выходное звено, или даже промежуточное, если при этом упрощается анализ механизма. Под обобщенной координатой механизма понимается каждая из независимых между собой координат, определяющих положение всех звеньев механизма относительно стойки. 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. 1.3 Обзор основных видов механизмов и их классификация В конце XVII в. было известно около 150-ти видов механизмов. Начиная приблизительно с середины XIX в. до середины XX в., т.е. за 100 лет, число механизмов возросло до 4000. к началу XXI в. число описанных механизмов приближается к 5 тысячам. Спасательным кругом для инженера в этом море информации является классификация, которая основывается на обнаружении той или иной упорядоченности. Невозможно знать свойства каждого механизма, но можно и нужно знать отличительные особенности класса, к которому относится механизм. В 1808 г. испанский инженер Августин Бетанкур совместно с профессором математики Х.М. Ланцем написал руководство по курсу построения машин. В этой книге впервые была дана развернутая классификация механизмов, которые авторы, следуя Г. Монжу, называют «элементарными машинами». Основываясь на идеях Монжа о том, что основным назначением «элементарной машины» является передача и преобразование движения, Ланц и Бетанкур устанавливают 21 тип преобразований движения и затем подбирают «элементарные машины», при помощи которых могут быть выполнены такие преобразования. Другой принцип для классификации механизмов предложил в 1841 году Р. Виллис, обосновавший и сам термин «механизм», заменив им неясный термин «элементарная машина». В основу своей классификации Виллис кладет принцип отношения скоростей. Классификация Виллиса (как и классификация последователей Монжа) не давала возможности применить к исследованию механизмов какие-либо общие методы, так как механизмы конструктивно подобные оказывались в различных подразделениях классификации. Классификационный признак, принятый Виллисом, оказался таким образом не соответствующим сущности механизмов, а лишь внешним по отношению к их структуре. Впервые структурную классификацию применительно к плоским шарнирным механизмам предложил уже в начале XX века Л.В. Ассур. Классификация– особый случай применения логической операции деления объема понятия, представляющий собой некоторую совокупность делений (деление некоторого класса на виды, деление этих видов и так далее).В качестве оснований деления в классификации выбирают как существенные для данных предметов признаки (естественная классификация, например, периодическая система элементов Д.И.Менделеева) так и несущественные, но удобные для систематизации (искусственная классификация, например, алфавитный каталог химических элементов). В основе классификаций механизмов лежат качественные и количественные характеристики строения механизма и его движения. 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 функциональному назначению: - направляющие механизмы; - передаточные механизмы. Направляющим называется механизм для воспроизведения заданной траектории точки звена, образующего кинематические пары только с подвижными звеньями. Направляющие механизмы обычно являются рычажными или комбинированными. Передаточным называется механизм для воспроизведения заданной функциональной зависимости между перемещениями звеньев, образующих кинематические пары со стойкой. С помощью передаточных механизмов реализуется необходимый закон движения выходных звеньев. К передаточным механизмам обычно относятся кулачковые, зубчатые, винтовые, фрикционные, клиновые, а также механизмы с гибкой связью и часть рычажных механизмов. Следует отметить, что механизмы выполняют самые разнообразные функции, поэтому разделение механизмов на направляющие и передаточные является одним из вариантов (наиболее общим) функциональной классификации. 3. 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). 4. по виду преобразования движения на механизмы преобразующие: - вращательное во вращательное: -- редукторы вх вых ; -- мультипликаторы вх вых ; -- муфты вх вых = ; - вращательное в поступательное; - поступательное во вращательное; - поступательное в поступательное. 5. 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. Рисунок 1.2. Классификация механизмов по расположению звеньев в пространстве 6. по виду траекторий точек звеньев: - объемные; - поверхностные (плоские, сферические и цилиндрические). 7. 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.1.3). 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. Множество пространственных механизмов Подмножество плоских Подмножество сферических Рисунок 1.3 Структурная схема манипулятора 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. 8. по числу подвижностей механизма: - с одной подвижностью W=1; - с несколькими подвижностями W>1: -- суммирующие (интегральные); -- разделяющие (дифференциальные). 9. 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). 10. по структуре кинематической цепи: - на механизмы с замкнутой и незамкнутой кинематической цепью; - с избыточными связями и самоустанавливающиеся; - с переменной и постоянной структурой; - второго, третьего и т.д. классов; - только с низшими парами и механизмы, в состав которых входят и высшие пары. 11. по способу передачи и преобразования потока энергии: - фрикционные (сцепления); - зацеплением; - волновые (создание волновой деформации); - импульсные. 12. в зависимости от физических свойств звеньев, промежуточных элементов и рабочих тел механизмы разделяют: - на механизмы с абсолютно твердыми звеньями; - механизмы, имеющие упругие промежуточные элементы (пружины, резиновые втулки) и деформируемые звенья; - механизмы, имеющие гибкие промежуточные элементы (ремни, тросы, цепи) и звенья (волновая зубчатая передача); - гидравлические механизмы, в которых преобразование движения происходит посредством твердых и жидких тел; - пневматические механизмы, в которых преобразование движения происходит посредством твердых и газообразных тел; - электрические механизмы, в которых твердые рабочие тела создают электромагнитное поле. 13. по форме, конструктивному исполнению и движению звеньев и кинематических пар: - рычажные(рис.1.4); Рисунок 1.4 Рычажный механизм - зубчатые(рис.1.5); Рисунок 1.5 Зубчатый механизм - кулачковые (рис. 1.6); Рисунок 1.6 Кулачковый механизм - планетарные (рис. 1.7); Рисунок 1.7 Планетарный механизм - манипуляторы (рис.1.3). Перечень механизмов можно продолжить, отметим только, что возможны различные комбинации рассмотренных механизмов, например, зубчато-рычажные; винтостержневые; кулачково-зубчатые и т.д. Существуют и другие варианты классификаций, основанные как на упомянутых, так и на других признаках, например кинематической передаточной функции скорости выходного звена. 1.3.1 Плоские, поверхностные и пространственные механизмы Любой механизм является трехмерным объектом. По виду траекторий точек звеньев механизмы разделяют на объемныеи поверхностные. Из поверхностных выделяют плоские, сферические и цилиндрические механизмы. Плоским называют механизм, подвижные звенья которого совершают плоское движение, параллельное одной и той же неподвижной плоскости. Точки звеньев плоского механизма описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях. Сферическим называют механизм, в котором все оси вращения звеньев пересекаются в одной точке, а точки звеньев описывают траектории, лежащие на концентрических сферах. Шарнирный четырехзвенник будет плоским механизмом, если оси вращательных пар параллельны (рис. 1.8,а), и сферическим, если оси вращательных пар пересекаются в одной точке (рис.1.8,б). Цилиндрическим называют механизм, точки звеньев которого описывают траектории, лежащие на поверхностях коаксиальных (соосных) цилиндров, например, соосный винтовой механизм. Рисунок1.8. Шарнирные четырехзвенники: а – плоский; б – сферический; в – пространственный механизм Беннета Необходимым условием существования плоского механизма является обеспечение всеми кинематическими парами относительного движения звеньев в параллельных плоскостях. По виду движения звеньев механизмы разделяют также на плоские и пространственные, причем к пространственным относят любой неплоский механизм, напримермеханизм Беннета (рис.1.8,в), сферические и цилиндрические механизмы. Самыми распространенными являются плоские механизмы, которые в основном и изучаются в курсе. При исследовании движения плоских механизмов достаточно использовать его плоскую структурную схему, на которой представлен не сам механизм, а его изображение на плоскости (рис. 1.9). Рисунок 1.9. Пространственная и плоская структурные схемы механизма В плоской структурнойсхеме сферическая пара изображается как вращательная, а цилиндрическая в зависимости от ее ориентации в пространстве - как поступательная или вращательная. Это возможно потому, что связи, в том числе избыточные, в поверхностных механизмах разделяются на нормальные, ограничивающие перемещения перпендикулярные кповерхности, и тангенциальные,ограничивающие движения изображений звеньев на поверхности. Тангенциальные связи накладываются в плоских механизмах двумерными изображениями подвижных соединений – плоскими кинематическими парами, а не самими соединениями. Поэтому в плоской структурной схемемеханизма кинематические пары, накладывающие два условия связи на относительное движение в плоскости, считаются плоскими одноподвижными парами, а пары, накладывающие одно условие связи – плоскими двухподвижными парами. Избыточные связи в плоской схеме механизма (тангенциальные) появляются тогда, когда в кинематической цепи имеются кинематически пассивныезвенья или плоские одноподвижные пары, повторяющие наложенные ранее ограничения на относительное движение звеньев. Кинематически пассивные звенья соединяют точки, расстояние между которыми в механизме с абсолютно жесткими звеньями не меняется, а кинематика механизма сохраняется при отсутствии этих звеньев. Плоская схема не может полностью отразить работу механизма так же, как одна проекция не может полностью его изобразить. При анализе нормальных связей и степеней свободы, а также при мысленной сборке механизма плоский механизм необходимо рассматривать как трехмерный с указанием в пространственной структурной схеме действительных подвижных соединений, а не их изображений. В плоских механизмах нормальные контурные избыточные связи появляются только при сборке последней кинематической пары в замкнутом контуре механизма, когда повторяются связи подвижного звена и стойки. В плоских механизмах с низшими одноподвижными парами каждый замкнутый контур кинематической цепи содержит три нормальные избыточные связи. В машиностроении часто применяются механизмы, отличающиеся от плоских наличием местных подвижностей, из-за которых точки отдельных звеньев имеют пространственные траектории движения. Такие механизмы называются квазиплоскими. Для исследования квазиплоских механизмов также применяют плоские и пространственные структурные схемы. 1.3.2 Рычажные механизмы Рычажными механизмами называют механизмы, в которые входят жесткие звенья, соединенные между собой вращательными и поступательными кинематическими парами. Значительную часть плоских рычажных механизмов, которые получили наибольшее распространение на практике, составляют шарнирные механизмы, звенья которых соединены только вращательными парами. Шарнирные механизмы впервые появляются в Европе в составе машин около XII века. Исключительное значение для теории и практики применения шарнирных механизмов имело изобретение механизма для приближенного воспроизведения прямой линии. Это изобретение было совершенно необходимо для техники построения паровых машин конца XVIII века. Дело в том, что общепринятым приводом пароатмосферных машин Ньюкомена (а затем и паровых машин Уатта) была передача через коромысло, качавшееся около некоторой точки закрепления. Один конец коромысла жестко соединялся с рабочим органом (шахтный насос для машин Ньюкомена), а второй – со штоком поршня. Шток теоретически должен был двигаться по прямой линии, конец коромысла – по дуге окружности. До тех пор, пока в зазор между поршнем и цилиндром машины легко проходил большой палец руки (известный инженер конца XVIII века Смитон сообщил один раз, что ему удалось добиться при изготовлении паровых машин высокой точности: большой палец руки проходил в зазор между цилиндром и поршнем с трудом), особого неудобства это не доставляло. Повысившаяся точность изготовления создала трудности с передачей движения. Изобретение Уаттом четырехзвенника, одна из шатунных точек которого приближенно описывала прямую линию, явилось удачным выходом из создавшегося положения. Недаром Уатт считал это изобретение одним из своих шедевров: «Хотя я и не особенно интересуюсь славой, но все же я горжусь своим прямилом больше, чем каким- либо другим своим изобретением по механической части». Простейшим шарнирным рычажным механизмом является двухзвенный механизм, состоящий из неподвижного звена-стойки 2 (рис.1.10) и подвижного рычага 1, имеющего возможность вращаться вокруг неподвижной оси (обычно это начальный механизм). Рисунок 1.10. 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.1.11 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. Применяется в прессах, ковочных машинах, качающихся конвейерах, прокатных станах, муфтах сцепления, приборах и т.д. Рисунок 1.11. Механизм шарнирного четырехзвенника Примером кривошипно-коромыслового механизма представлен на рис.1.12, где звено 1 – кривошип (входное звено), звено 2– шатун, звено 3 – коромысло. Точка M, двигаясь по кривой M 1 -M 1 ’ описывает траекторию − . Одни траектории могут быть воспроизведены рычажными механизмами теоретически точно, другие – приближенно, с достаточной для практики степенью точности. Рисунок 1.12. Кривошипно-коромысловый механизм Другим примером четырехзвенника является широко распространенный в технике |