Конспект лекций. Конспект лекций на иоп. Лекция 1 Введение. Основные задачи теории механизмов и машин. Основные понятия тмм. Строение (структура) механизмов. Элементы структуры.
 Скачать 5.75 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Муромский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» МИ ВлГУ) Кафедра технологии машиностроения ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН Конспект лекций для студентов образовательной программы 15.03.02 Технологические машины и оборудование, Составители Борисова Е.А. Малясов В.В. Муром, г. 2 Лекция 1 Введение. Основные задачи теории механизмов и машин. Основные понятия ТММ. Строение (структура) механизмов. Элементы структуры. Классификация кинематических пар (КП). Основные виды и классификация механизмов. Структурный анализ и синтез механизмов. Структурные формулы. Методы синтеза механизмов Введение. Основные задачи теории механизмов и машин Как бы ни назывался наш технический век – веком космоса или автоматики, атомным веком или веком электроники – основой технического прогресса была и остается машина. От уровня развития машиностроения, от степени совершенства машин в значительной степени зависит производительность общественного труда. В деле создания новых видов машин с более высокими технико-экономическими показателями важная роль отводится Теории механизмов и машин (ТММ). В настоящее время перед ТММ стоят важные практические задачи по развитию современного производства – структурный, кинематический и динамический синтез оптимальных схем механизмов для машин автоматизированного производства роботов, манипуляторов и др – разработка схем высоконадёжных малогабаритных, малоинерцион- ных приводов для данных машин – развитие теории оптимального синтеза сложных зубчатых механизмов на основе использования планетарных и дифференциальных схем – разработка схем систем управления, алгоритмов и программ их действия для групп Машин автоматических поточных линий и т.п.; – проблема виброзащиты машин, человека-оператора, управляющего машиной, и окружающих людей. Проблема акустической динамики машин - снижения их виброактивности. Создание нового механизма машины представляет собой процесс, начинающийся сих проектирования и заканчивающийся запуском этих изделий в производство. Проектирование состоит в разработке документации на данные изделия по этапам, регламентированным ГОСТ 2.103-68: Техническое задание - устанавливает назначение механизма, машины и их технические характеристики. 3 Техническое предложение - состоит в разработке вариантов кинематической схемы механизма, машины и выбор ряда оптимальных вариантов. Эскизный проект включает выбор окончательного варианта кинематической схемы механизма, машины и уточнения их характеристик с выполнением необходимых расчётов. Технический проект - включает детальную проработку окончательно выбранного варианта схемы по компоновке механизма, составление пояснительной записки. Разработка рабочей документации на изготовление механизма. В ТММ изучаются методы структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза схем механизмов, которые относятся к этапам технического предложения и эскизного проекта. На этих начальных стадиях весьма важна роль ТММ, так как оптимально спроектированная схема механизма определяет все его необходимые качественные показатели в эксплуатации. 1.1. Виды машин МАШИНА - техническое устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и/или информации. Машины разделяются на виды 1) энергетические - преобразуют любой вид энергии в механическую энергию или наоборот (двигатели, генераторы 2) рабочие - используют механическую энергию для выполнения работы технологические - изменяют форму, свойства, состояние исходных материалов (станки, прессы, литейные и т.д.); – транспортные - перемещают грузы, инструменты, людей краны, конвейеры, автомобили и т.д.; 3) информационные - обрабатывают и преобразуют вводимую информацию математические - преобразуют входную информацию в математическую модель исследуемого объекта – контрольно - управляющие преобразуют входную информацию программу) в сигналы контроля, регулирования и управления движением энергетической или рабочей машины 4 4) кибернетические - управляют рабочими или энергетическими машинами и способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния среды, обстановки (роботы, манипуляторы и др. В машине механические движения реализуются с помощью механизмов. МЕХАНИЗМ - система подвижно связанных, соприкасающихся между собой твёрдых тел, движущихся определённым, требуемым образом относительно одного из них, принятого за неподвижное. 1.2. Строение (структура) механизмов. Элементы структуры Механизм состоит из ряда деталей, являющихся твердыми телами. Они образуют элементы структуры механизма 1) ЗВЕНО - отдельная деталь или совокупность нескольких деталей, соединенных в одну кинематическую неизменяемую систему. Неподвижные детали образуют одно неподвижное звено – стойку (станина станка, корпус двигателя и т.д.). Остальные звенья являются подвижными, совершающими свои движения относительно стойки. Среди них выделяют звенья входное и выходное входному звену сообщается извне заданное движение и соответствующие силовые факторы (момент, сила. Выходное звено совершает требуемое движение, имея свои силовые факторы – ведущее и ведомое на ведущем звене работа (мощность) приложенных внешних сил положительна, на ведомом – отрицательна. 2) КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ПАРА (КП) - подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев. Кинематические пары определяют свойства, работоспособность и надёжность механизмов, так как через них передаются силы от одного звена к другому. 3) КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ - система звеньев, соединённых между собой посредством КП. Различают кинематические цепи – плоские и пространственные – замкнутые и незамкнутые в замкнутой цепи каждое звено входит не менее чем в две КП и звенья образуют один или несколько контуров. Вне- замкнутой цепи содержится хотя бы одно звено, входящее только в одну КП; – простые и сложные в сложной цепи имеются звенья (звено, входящие более чем в две КП. 4) КИНЕМАТИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ - кинематическая цепь, эквивалентная одной КП, но имеющая более двух звеньев шарикоподшипники др. 5 Указанные элементы структуры входят в структурную схему механизма, которая должна содержать стойку и подвижные звенья сих номерами, кинематические пары с обозначением их вида и подвижности и указывать взаимное расположение элементов механизма. 1.3. Кинематические пары. Классификация В КП звенья контактируют и взаимодействуют своими ЭЛЕМЕНТАМИ. Ими могут быть поверхности, линии или отдельные точки звеньев. Эти геометрические связи между элементами в КП ограничивают относительное движение звеньев и определяют вид КП: 1) по форме элементов звеньев – низшие (НКП), в которых элементами являются поверхности (плоские, цилиндрические, винтовые, сферические и др – высшие (ВКП), в которых элементами являются линии или точки 2) по подвижности одно -, двух, трёх-, четырёх-, и пятиподвижные. Величина подвижности пары составляет i=6-S, где S- число геометрических связей между элементами КП. Их может быть 1≤ S ≤5 и это значение определяет номер класса пары N=S. В табл. 1 приведены основные виды КП и их характеристики. Таблица 1 Схема кинематической пары Подвижность i Номер класса N=S Поступательная, П [010] 1 5 Вращательная, В [100] 1 5 6 Винтовая, 1ВИ; [001] 1 5 Цилиндрическая, Ц [110] 2 4 Сферическая, С [300] 3 3 Плоскостная,3Пл; [120] 3 3 Линейная - Л [120] 3 3 7 Линейная - Л [220] 4 2 Точечная, Т [320] 5 1 Примечание. Кинематические пары л, л, Т являются высшими, остальные низшими. 1.4. Основные виды и классификация механизмов В основе разделения механизмов на виды лежат качественные и количественные характеристики их строения и движения. По конструктивными геометрическим признакам выделяют механизмы) рычажные, с низшими кинематическими парами (НКП): шарнирный четырехзвенник (рис) - стойка 1(ОА 1 ) – кривошип, вращается на полный оборот относительно стойки 2 (А 1 В 1 ) – шатун, соединяет подвижные звенья 1 и 3; 3 (В 1 С) – коромысло, совершает качательное движение на угол Рис. 1.1 8 кривошипно-ползунный механизм (рис) - стойка 1 – кривошип 2 – шатун 3 – ползуне внеосность (дезаксиал) Рис. 1.2 кулисный механизм (рис) - стойка 1 – кривошип 2 – ползун (кулисный камень 3 – кулиса (подвижная направляющая) Рис 9 сферический четырёхзвенник (рис) - стойка 1,3 – входное и выходное звенья (вилки 2 – крестовина. Рис. 1.4 пространственные механизмы с незамкнутой кинематической цепью рис) - стойка 1-5 – подвижные звенья F – схват. Рис 2) механизмы с высшими кинематическими парами (ВКП): зубчатые механизмы – в зависимости от формы поверхности колес, на которой расположены зубья, выделяют механизмы цилиндрические, конические, гиперболоидные в зависимости от количества пар зацепляющихся колеси их взаимного расположения выделяют простую зубчатую передачу, механизмы ступенчатые, рядовые, планетарные, дифференциальные. Пример цилиндрического х ступенчатого механизма (рис) - стойка (корпус 1,2,3,4 – цилиндрические зубчатые колеса I, II, III – валы А, В, С – кинематические пары вида В D, E – кинематические пары вида Л Рис кулачковые механизмы плоские и пространственные Пример плоского механизма (рис) - стойка 1 – кулачок (входное звено 2 – толкатель (выходное звено 3 – ролик толкателя Пр – замыкающая пружина К – приводимое устройство (клапан) Рис 11 фрикционные механизмы Передачу движения осуществляют на основе использования сил трения. катковый нерегулируемый механизм (рис) - стойка 1,2 – катки (ролики Пр – пружина А, В – КП вида В С – КП вида Л Рис. 1.8 катковый регулируемый механизм (лобовой вариатор) рис Схема лобового вариатора - стойка 1,2 – ведущий и ведомый катки Пр – пружина Рис 12 фрикционные механизмы с гибкими звеньями плоско, клино-, круг- лоременные. 3) винтовые механизмы для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки – механизмы скольжения с трапецеидальной и упорной резьбой, для точных перемещений в приборах - с треугольной резьбой – механизмы качения - шариковинтовые. 4) механизмы с упругими деформируемыми звеньями. Пример волнового зубчатого механизма (рис) 1,2 – гибкое и жесткое зубчатые колеса 3 – генератор волн 4 – ролики генератора Д – двигатель Рис 5) механизмы с остановками выходного звена мальтийский, храповой [1]. 6) гидравлические и пневматические механизмы.Осуществляют передачу движения с использованием жидкости или газа. 7) механизмы комбинированные, могут содержать комбинации рассмотренных механизмов (в станках, прессах, конвейерах. 8) механизмы с электромагнитными и (или) электронными элементами. Структурный анализ механизмов. Структурные формулы. Избыточные связи Структурный анализ выполняют при проектировании механизма для проверки правильности выполнения его структурного синтеза. Для этого используют структурную схему механизма. 1) Структурный анализ механизмов с замкнутой кинематической цепью Вцепи механизма выделяют начальную КП в виде двухзвенника, состоящего из стойки и начального звена. Начальному звену задают обобщенную координату механизма (ОКМ) (рис. 1.11). - стойка 1 – начальное звено 1 - обобщенная координата Рис. 1.11. Схема четырехзвенника Числу независимых ОКМ соответствует число степеней свободы (ЧСС) механизма - число возможных перемещений его звеньев относительно стойки. Наиболее часто механизмы выполняют с одним начальным звеном, имеющим одну ОКМ. Полагаем, что в механизме n подвижных звеньев. Как свободные тела они имеют в пространственном механизме 6n степеней свободы, в плоском механизме - 3n степеней. В механизме КП накладывают ограничения на относительное движение звеньев, число которых – в пространственном механизме 5 1 6 i i p i S ; – в плоском механизме 2 1 3 i i p i S , где i p количество КП с подвижностью. В числе связей S могут быть избыточные связи q , не влияющие на движение звеньев, поэтому их исключаем из числа S . Число оставшихся у звеньев подвижностей определяет Ч механизма – для пространственного механизма 14 q p p p p p n q p i n W i i 5 4 3 2 1 5 1 2 3 4 5 6 6 6 ; (1.1) – для плоского механизма, содержащего только одно и двухподвиж- ные КП, q p p n q p i n W i i 2 1 2 1 2 3 3 3 . (1.2) Структурную схему, отражающую только заданное число степеней свободы механизма W 0 при отсутствии избыточных связей (q = 0), называют основной структурной схемой При структурном анализе схемы механизма по формулам (1.1), (1.2) при W 0 = 1 определяют число избыточных связей – q =0 механизм имеет оптимальную структуру, является статически определимой, самоустанавливающейся системой – q >0 механизм q раз статически неопределимая система, собираемая с натягами и повышенными силами трения в КП, с пониженным КПД – q <0 в механизме имеется местная подвижность звена или группы звеньев, которая может быть полезна. 2) В механизмах с незамкнутой кинематической цепью (манипуляци- онных плоских и пространственных – избыточные связи ( q >0) и местные подвижности звеньев (q <0) отсутствуют число степеней свободы равно числу подвижностей всех КП n i i ip W 1 1.6. Структурный синтез механизмов. Методы синтеза. Структурные группы Структурный синтез – проектирование структурной схемы механизма. Для синтеза используют два метода 1) метод теории графов. Метод позволяет получить с помощью ЭВМ все принципиально возможные структурные схемы плоских шарнирных механизмов без избыточных связей с заданным числом подвижных звеньев 10 n 2) метод наслоения структурных групп (групп Ассура). Согласно этому методу структурная схема механизма синтезируется путем выбора начального двухзвенника (стойки и начального звена) и 15 присоединения к нему модулей – структурных групп Ассура (СГ). СГ – кинематическая цепь, число степеней свободы которой (относительно элементов ее внешних КП) равно нулю Г. Структурная формула синтеза механизма) Структурные группы разделяются по классам, порядками видам – класс СГ определяется числом КП, образующих в ней внутренний замкнутый контур – порядок СГ определяется количеством элементов КП (поводков, которыми группа присоединяется к стойке и другим звеньям механизма – вид СГ определяется сочетанием в ней видов КП (табл. 2). Таблица 2 Схема СГ Класс II II II II III IV Порядок 2 2 2 2 3 2 Вид ВВВ(1) ВВП(2) ВПВ(3) ПВП(4) ВВВВВВ ВВВВВВ Класс и порядок механизма определяются наивысшим классом и порядком СГ. ПРИМЕР 1: Структурный синтез рычажного механизма строгального станка (рис. 1.12): – вводим в структурную схему механизма начальный двухзвенник I класса, содержащий стойку , начальное звено 1 (кривошип) и однопод- вижную вращательную КП А (В) (табл. 1). – присоединяем к стойке и к кривошипу 1 СГ (2,3) II класса, го порядка, вида (ВПВ (3)) (табл. 2). В результате получим плоский кулисный механизм с одноподвижными КП A,B,C,D. – к кулисе 3 и стойке присоединяем СГ (4,5) II класса, го порядка, вида (ВВП (2)) с одноподвижными КП E,F,G. В результате получим плоский рычажный механизм строгального станка. 16 Реально выполненный механизм, как правило, является пространственной системой, т.к. оси вращательных КП A,B,D,E,F имеют отклонения от параллельности, а элементы звеньев во всех КП – отклонения формы. Обе СГ(2,3) и СГ(4,5) имеют избыточные связи, число которых по формуле (2.1) составляет в каждой СГ 4 3 5 2 6 1 5 6 1 0 p n W q Г Для устранения этих связей увеличиваем подвижности КП (табл. 1): – в СГ(2,3) КП В выполняем сферической – В(3С), а КП С - цилиндрической С (Цв СГ(4,5) КП Е выполняем сферической – Е (С, а КП F - цилиндрической (Ц – КП A,D,G оставляем одноподвижными: А (В, D В, G П. Число степеней свободы каждой из структурных групп СГ(2,3) и СГ(4,5) составит 0 1 3 1 4 1 5 2 6 3 4 5 6 3 2 Г, что соответствует определению СГ. Число избыточных связей в механизме составит 0 2 3 2 4 3 5 5 6 1 3 4 5 6 3 2 1 0 p p p n W q . Механизм является структурно оптимальным. Рис. 1.12. Схема механизма строгального станка 17 Возможность появления в механизме местной подвижности звеньев рассмотрим на примере. ПРИМЕР 2: Структурный анализ плоского кулачкового механизма Рис. 1.13): число подвижных звеньев (1,2,3); р 1 =3-число одноподвижных КП (О, В, С р 2 =1-число двухподвижных КП (D). Рис. 1.13 Число избыточных связей по формуле (1.2) составляет 0 1 1 3 2 3 3 1 2 3 2 Следовательно, в механизме имеется избыточная (местная) подвижность. Она создается роликом 3, вращающимся вокруг своей оси. Это позволяет заменить трение скольжения толкателя 2 по кулачку 1 трением качения ролика 3 по кулачку и увеличить износостойкость кулачка и толкателя, а также КПД механизма Лекция 2 Кинематический анализ механизмов. Кинематические характеристики. Кинематический анализ рычажных механизмов. Координатный и векторный способы кинематического анализа. Кинематический анализ механизмов с высшими кинематическими парами (ВКП). Зубчатые механизмы зубчатая передача, ступенчатые и рядовые механизмы, планетарные и дифференциальные механизмы, их анализ Основным назначением механизма является выполнение необходимых движений его звеньев, которые оцениваются кинематическими характеристиками. Задача кинематического анализа состоит в определении этих характеристик- перемещений, скоростей и ускорений звеньев и их характерных точек. Анализ выполняется на основе кинематической схемы механизма. |