Все 4 лекции. Лекция 1 введение современная техника характеризуется большим разнообразием машин, приборов и устройств механического действия, главной особенностью которых является передача движения и энергии с помощью механизмов.
 Скачать 1.78 Mb.
|
|
6 Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Современная техника характеризуется большим разнообразием машин, приборов и устройств механического действия, главной особенностью которых является передача движения и энергии с помощью механизмов. Поэтому инженерам механических специальностей конструкторского, технологического и эксплуатационного профилей необходимо владеть основными знаниями в области механики и энергетики машин. Подробное рассмотрение и детальное изучение отдельных механизмов и машин производится в специальных дисциплинах на профилирующих кафедрах ВУЗов. Однако при изучении любого конкретного механизма или машины приходится рассматривать не только вопросы, специфичные для данного механизма, но и ряд вопросов, относящихся в равной мере ко всем механизмам или некоторой группе механизмов. Все эти общие вопросы объединяются в теории механизмов и машин. ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН (ТММ) - наука, изучающая общие методы структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза различных механизмов, механику машин [1]. Излагаемые в ТММ методы пригодны для проектирования любого механизма и не зависят от его технического назначения, а также физической природы рабочего процесса машины. Применение в науке и практике ЭВМ стимулировало развитие методов поиска оптимальных решений. В ТММ в настоящее время также рассматриваются методы проектирования механизмов и оптимизации решений на основе качественных критериев с использованием ЭВМ. Остановимся кратко на истории создания механизмов и машин и формировании ТММ как науки об общих методах исследования и проектирования механизмов. Механизмы применялись уже в глубокой древности. Достаточно указать на ловушки для зверей в каменном веке, иногда довольно сложной конструкции, которые срабатывали тогда, когда зверь наступал на одно из звеньев. Первой машиной в современном понимании можно назвать водяную мельницу, преобразующую энергию водяного потока в энергию вращения. Потом появляются устройства для подъема и перемещения тяжестей в водоснабжении и строительстве. Принцип работы этих устройств сохранился ив современных грузоподъемных механизмах. Совершенствование лука и пращи привело в свое время к изобретению военных машин катапульт, метавших стрелы, баллист, метавших камни. В IX веке создаются и совершенствуются механизмы для прядения и ткачества. В X веке были изобретены механические часы. Можно считать, что изобретение и изготовление часов определенным образом способствовали становлению механики. В 1765 году была создана русским механикомИваном Ивановичем Ползуновым (1728-1766) первая универсальная паровая машина. В это же время был создан универсальный промышленный двигатель английского изобретателя Джеймса Уатта (1736-1819). Следующим этапом стало производство машин с помощью самих же машин. Возникло машиностроение. Это произошло в конце XVIII века. Это время называют эпохой промышленной революции. 8 В связи с развитием машиностроения как отрасли промышленности появилась потребность в разработке научных методов исследования и проектирования механизмов, входящих в состав машин. Как наука теория механизмов и машин начала формироваться вначале века под названием "Прикладная механика. Разрабатывались в основном методы структурного, кинематического и динамического анализа механизмов. И лишь с середины XIX века в теории механизмов и машин получают развитие общие методы синтеза механизмов. Основателем русской школы теории механизмов и машин является знаменитый русский математики механик, академик Пафнутий Львович Чебышев (1821-1894). Им была выведена первая формула, связывающая количество звеньев, входящих в механизм, и количество кинематических пар, образуемых этими звеньями, с теми движениями, которые данный механизм может производить. Следует назвать в числе первых отечественных ученых в области ТММ и основоположника теории автоматического регулирования профессора Ивана Алексеевича Вышнеград- ского (1831-1895). Он сконструировал ряд машин и механизмов (автоматический пресс, подъемные машины, регулятор насоса и другие) и создал научную школу конструирования машин. Значительный вклад в динамику машин внес своими научными трудами "отец русской авиации Николай Егорович Жуковский (1847-1921). В курсе ТММ есть предложенный им способ, позволяющий задачи динамики механизмов любой сложности свести к задаче о равновесии рычага. Коренное изменение в методах исследования сложных механизмов произвел русский профессор Леонид Владимирович Ассур (1876-1920). Он открыл общую закономерность 9 в структуре многозвенных плоских механизмов, показал возможность разделения механизмов на отдельные более простые части - группы звеньев. Это позволило свести изучение и исследование механизмов к изучению и исследованию отдельных групп звеньев, называемых сейчас группами Ассу- ра. Трудно перечислить в кратком обзоре фамилии всех отечественных ученых советского периода, внесших вклад в развитие науки о механизмах и машинах. Назовем лишь некоторые из них НИ. Мерцалов, В.В. Добровольский, И.И. Артоболевский. Наиболее известной фамилией в этом списке является фамилия Ивана Ивановича Артоболевского (1905- 1977), известного не только в нашей стране, но и за ее пределами. Артоболевского по праву считают организатором и руководителем советской школы теории механизмов и машин. Им написаны многочисленные труды по структуре, кинематике и синтезу механизмов, динамике машин, теории машин- автоматов, робототехнике, а также классический учебник по теории механизмов и машин для студентов механических и машиностроительных ВТУЗов [2]. Тем, кто пожелает подробнее познакомиться с историей создания различных машин и механизмов, а также узнать фамилии и подробности из жизни их создателей и исследователей, рекомендуем прочитать книгу АН. Боголюбова "Творение рук человеческих" [3], а также книгу [4] этого же автора об И.И.Артоболевском. Теперь перейдем непосредственно к самому курсу теории механизмов и машин. Как ив любой науке в ТММ есть свои основные понятия и определения. МАШИНА - есть устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и 10 информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. В зависимости от основного назначения различают энергетические, рабочие, информационные и кибернетические машины [2]. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ предназначены для преобразования любого вида энергии в механическую (и наоборот. К ним относятся электродвигатели, турбины, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, электрогенераторы. РАБОЧЕЙ МАШИНОЙ называется машина, предназначенная для преобразования материалов. Рабочие машины в свою очередь подразделяются на транспортные и технологические. ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНОЙ называется рабочая машина, в которой преобразование материала состоит только в изменении положения перемещаемого объекта. К транспортным машинам относятся автомобили, тракторы, тепловозы, самолеты, вертолеты, подъемники, краны, транспортеры. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ называется рабочая машина, в которой преобразование материала состоит в изменении формы, свойств и состояния материала или обрабатываемого объекта. К технологическим машинам относятся металлообрабатывающие станки, прокатные станы, ткацкие станки, упаковочные, пищевые, сельскохозяйственные, полиграфические и другие машины. ИНФОРМАЦИОННОЙ МАШИНОЙ называется машина для получения и преобразования информации. Информационные машины в свою очередь подразделяются на контрольно-управляющие и математические. 11 КОНТРОЛЬНО - УПРАВЛЯЮЩЕЙ машиной называется машина, которая преобразует контрольно- измерительную информацию с целью управления энергетической или рабочей машиной. К таким машинам можно отнести, например, машины, которые производят не только обмер деталей, но и их сортировку по размерами другим показателям. Применяемые в современных автоматических линиях контрольно- измерительные машины и приборы не только контролируют процесс, но и управляют им, сигнализируя и автоматически корректируя этот процесс вовремя работы линии. МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ называется машина, которая преобразует информацию, предоставленную в виде чисел или алгоритмов. К таким машинам относятся арифмометры, механические интеграторы, бухгалтерские машины. Основным свойством, отличающим машину от других устройств, является выполнение механических движений, предназначенных для преобразования энергии, материалов и информации. Поэтому ЭВМ, строго говоря, не является машиной, так как в ней механические движения служат лишь для выполнения вспомогательных операций (печать, например. Название машины за ней сохранено в порядке исторической преемственности отсчетных машин типа арифмометра. КИБЕРНЕТИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ называется машина, заменяющая или имитирующая различные механические, физиологические или биологические процессы, присущие человеку и живой природе, и обладающая элементами искусственного интеллекта. К таким машинам относятся ав- тооператоры, роботы, манипуляторы, шагающие, ползающие и другие машины. Главной особенностью этих машин является их "очувствление" c помощью соответствующих датчиков, телевизионных и других устройств. Машины, в которых все преобразования энергии материалов и информации выполняются без непосредственного участия человека, называются МАШИНАМИ - АВТОМАТАМИ. Совокупность машин - автоматов, соединенных между собой автоматическими транспортными устройствами и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса, называется АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИНИЕЙ. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ - это класс автономных машин-автоматов, имеющих универсальные исполнительные органы в виде механических "рук, движениями которых автоматически управляют универсальные устройства [2]. Основу любой машины составляют механизмы. МЕХАНИЗМОМ называется система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел [1]. Механизмы в свою очередь делятся наследующие виды механизмы двигателей и преобразователей передаточные механизмы исполнительные механизмы механизмы управления, контроля и регулирования механизмы подачи, транспортировки, питания и сортировки обрабатываемых среди объектов механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки готовой продукции. Несмотря на разницу в функциональном назначении механизмов отдельных видов, в строении, кинематике иди- намике их много общего. Следует запомнить, что основным признаком любого механизма является преобразование механического движения, поэтому нельзя называть механизмом устройство, в котором 13 нет этого преобразования. Например, ротор электродвигателя, вращающийся в подшипниках, не является механизмом, так как в этом случае электрическая энергия непосредственно преобразуется в требуемое движение без какого-либо промежуточного преобразования механического движения. Механизм состоит из деталей (твердых тел. Твердое тело, входящее в состав механизма, называется ЗВЕНОМ МЕХАНИЗМА. Под твердыми телами в ТММ понимают как абсолютно твердые, так деформируемые и гибкие тела. Звенья бывают подвижные и неподвижные. Как подвижные, таки неподвижные (их еще называют стойкой) звенья могут состоять из одной детали, или нескольких, но жестко соединенных между собой. Рассмотрим, например, основной механизм двигателя внутреннего сгорания (рис. Он состоит из коленчатого вала 1, шатуна 2, поршня 3, кулачка 5, цилиндра 4, ролика 6, итак далее. 1 2 3 4 5 Рис. 1.1 О Механизм двигателя внутреннего сгорания 14 Подвижное звено 2 шатун) состоит из нескольких деталей тела шатуна, крышки шатуна, соединительных болтов, гаек, шайб, вкладышей. Однако, все эти детали жестко соединены между собой и движутся как одно твердое тело. Точно также цилиндр, картер и все остальные детали, жестко соединенные с цилиндром или картером, образуют одно неподвижное звено 4, принимаемое за неподвижное (стойку. Из подвижных звеньев выделяют входные и выходные звенья. ВХОДНЫМ ЗВЕНОМ называют звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. ВЫХОДНЫМ ЗВЕНОМ называют звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм. Остальные звенья называются промежуточными (соединительными. Чаще всего в механизмах имеются одно входное и одно выходное звенья. При этом входное звено получает движение от двигателя, а выходное соединено с рабочим органом машины. Но бывают механизмы с несколькими входными и выходными звеньями. Например, в автомобильном дифференциальном механизме имеется одно входное звено, получающее движение от двигателя, и два выходных звена, соединенных с задними колесами. В зависимости от характера движения относительно стойки подвижные звенья имеют следующие названия [1]. КРИВОШИП-звено рычажного механизма, совершающее полный оборот вокруг неподвижной оси. КОРОМЫСЛО-звено рычажного механизма, совершающее неполный оборот вокруг неподвижной оси (предназначено для совершения качательного движения. ШАТУН-звено рычажного механизма, совершающее плоскопараллельное движение и образующее кинематические пары только с подвижными звеньями (нет пар, связанных со стойкой. ПОЛЗУН-звено рычажного механизма, образующее поступательную пару со стойкой (например, поршень- цилиндр в ДВС), или другим звеном. КУЛИСА-звено рычажного механизма, вращающееся вокруг неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару. КУЛАЧОК-звено, профиль которого, имея переменную кривизну, определяет движение ведомого звена. ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО - звено с замкнутой системой зубьев, обеспечивающих непрерывное движение другого звена. Условные обозначения перечисленных подвижных звеньев и стойки представлены в таблице 1.1. Все звенья в механизме соединены между собой попарно. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой [1]. Например, коленчатый вали шатун 2 (рис) образуют кинематическую пару. Эта пара допускает только одно движение (вращательное) одного звена (например, шатуна) относительно другого (коленчатого вала) и называется одно- подвижной кинематической парой. Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном, называется ЭЛЕМЕНТОМ ПАРЫ Для того, чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении (а это является основным условием существования пары, пара должна быть замкнута. Различают два вида замыкания пары кинематическое и силовое. Кинетическое (геометрическое) замыкание осуществляется за счет 16 Таблица Основные типы звеньев механизмов и их условные обозначения Название Условное обозначение на схемах 1 Движение Особенности 1. Стойка. Кривошип. Коромысло. Шатун. Ползун. Кулиса. Кулачок. Зубчатое колесо Враща- тельное Враща- тельное Поступа- тельное Зубчатый контур Профиль определяет движение ведомого звена Качательное Направля- ющая для ползуна (кулисного камня) Возвратное движение Поступа- тельное Плоскопарал лельное Нет пар, связанных со стойкой Качательное Неполный оборот, возвратное движение Вращательное Полный оборот Отсутствует 17 конструктивной формы звеньев, силовое - силой тяжести, пружиной, силой давления жидкости или газа. При помощи кинематических пар образуются кинематические цепи. KИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ - это система звеньев, связанных между собой кинематическими парами [1]. Различают замкнутые и незамкнутые кинематические цепи. В замкнутой цепи каждое звено входит не менее чем в две кинематические пары, в незамкнутой цепи есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару. Пользуясь понятием кинематической цепи, можно дать следующее определение механизма. МЕХАНИЗМ - это такая искусственная кинематическая цепь, (в состав которой обязательно входит стойка, предназначенная совершать вполне определенные ипритом целесообразные движения звеньев. Механизмы делятся на плоские и пространственные. К плоским относятся механизмы, в которых все точки имеют траектории, лежащие водной или параллельных плоскостях. Все остальные механизмы относятся к пространственным. Большинство применяемых механизмов являются плоскими. Например, кривошипно-шатунные и кулачковые механизмы двигателей внутреннего сгорания, простые и планетарные редукторы, состоящие из цилиндрических колес. Пространственными механизмами являются коническая, винтовая и карданная передачи, червячный редуктор. При изображении механизмов на чертежах пользуются либо СТРУКТУРНОЙ принципиальной) схемой с применением условных обозначений звеньев и пар без указания размеров, либо КИНЕМАТИЧЕСКОЙ схемой с размерами, необходимыми для кинематического расчета. Звенья на схемах 18 обозначаются цифрами, а пары и точки - буквами, стойка показывается штриховыми линиями в местах присоединения к ней подвижных звеньев. На рисунке изображена структурная схема основного механизма двигателя внутреннего сгорания. КЛАССИФИКАЦИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР ПО ЧИСЛУ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ И ЧИСЛУ СВЯЗЕЙ Кинематические пары можно классифицировать по числу степеней свободы (по числу независимых относительных движений звеньев, образующих кинематическую пару) или по числу связей (по числу ограничений, наложенных на относительное движение звеньев, образующих кинематическую пару. Известно, что свободное тело в пространстве имеет шесть степеней свободы три поступательных движения вдоль осей прямоугольной системы координат "X У Z" и три вращательных движения вокруг этих осей. 1 2 3 4 А В Рис. 1.2. О Структурная схема кривошипно-шатунного механизма (основного механизма ДВС) 19 Для звеньев, входящих в кинематическую пару, число степеней свободы (обозначается буквой W) в их относительном движении всегда меньше шести в силу того, что условия постоянного соприкосновения звеньев кинематической пары уменьшают число возможных перемещений. Число степеней свободы определяется формулой S 6 W , где S - число условий связи. Число условий связи может быть только целым числом и должно быть меньше шести и больше нуля |