Теория механизмов и машин слайд-лекции для студентов технических специальностей

1. Теория механизмов и машин слайд-лекции для студентов технических специальностей

2. ЛЕКЦИЯ 1 Краткое содержание • Введение. • Цель и задачи курса ТММ. • Краткая историческая справка. • Основные определения курса ТММ. • Машина. Классификация машин. • Механизм. Классификация механизмов. • Машинный агрегат. • Элементы механизма: звено, кинематическая пара, кинематическая цепь. Их классификация.

3. Цель и задачи курса Теория механизмов и машин - это наука, изучающая структуру, кинематику и динамику механизмов и машин в связи с их анализом и синтезом. К основным задачам теории механизмов и машин относятся: • изучение строения (структуры) механизма; • определение положений механизмов и траекторий, описываемых отдельными точками; • определение скоростей и ускорений отдельных точек и звеньев механизма; • исследование и проектирование различных механизмов: рычажных, зубчатых, кулачковых;

4. определение различных сил, действующих на звенья механизма (внешних, реакций, трения, инерции); • изучение способов уравновешивания сил инерции в машинах, балансировка роторов; • изучение энергетического баланса машин (к.п.д. и др.); • изучение истинного закона движения машин под действием заданных сил и способов регулирования скорости машины.

5. Краткая историческая справка Как самостоятельная научная дисциплина ТММ, подобно другим прикладным разделам науки, возникла в результате промышленной революции, начало которой относится к 30-м годам XVIII века. Однако машины существовали задолго до этой даты. Поэтому в истории развития ТММ можно условно выделить четыре периода. 1-й период до начала XIX века - период эмпирического машиностроения, в течении которого изобретается большое количество простых машин и механизмов: подъемники, мельницы, камнедробилки, ткацкие и токарные станки, паровые машины (Леонардо да Винчи, Вейст, Ползунов, Уатт).

6. Одновременно закладываются и основы теории: теорема об изменении кинетической энергии и механической работы, "золотое правило механики", законы трения, понятие о передаточном отношении, основы геометрической теории циклоидального и эвольвентного зацепления (Карно, Кулон, Амонтон, Кадано, Ремер, Эйлер). 2-й период от начала до середины XIX века - период начала развития ТММ. В это время разрабатываются такие разделы как кинематическая геометрия механизмов (Савари, Шаль, Оливье), кинетостатика (Кариолис), расчет маховика (Понселе), классификация механизмов по функции преобразования движения (Монж, Лану) и другие разделы. Пишутся первые научные монографии по механике машин (Виллис, Бориньи), читаются первые курсы лекций по ТММ и издаются первые учебники (Бетанкур, Чижов, Вейсбах).

7. 3-й период от второй половины XIX века до начала XX века - период фундаментального развития ТММ. За этот период разработаны: основы структурной теории (Чебышев, Грюблер, Сомов, Малышев), основы теории регулирования машин (Вышнеградский), основы теории гидродинамической смазки (Грюблер), основы аналитической теории зацепления (Оливье, Гохман), основы графоаналитической динамики (Виттенбауэр, Мерцалов), структурная классификация и структурный анализ (Ассур), метод планов скоростей и ускорений (Мор, Манке), правило проворачиваемости механизма (Грасгоф) и многие другие разделы ТММ.

8. 4-й период от начала XX века до настоящего времени - период интенсивного развития всех направлений ТММ как в России, так и за рубежом. Среди русских ученых необходимо отметить обобщающие работы Артоболевского И.И., Левитского Н.И., Фролова К.В.; в области структуры механизмов - работы Малышева А.И., Решетова Л.П., Озола О.Г.; по кинематике механизмов - работы Колчина Н.И., Смирнова Л.П., Зиновьева В.А.; по геометрии зубчатых передач - работы Литвина Ф.Л., Кетова Х.Ф., Гавриленко В.А., Новикова М.Л.; по динамике машин и механизмов - Горячкина В.П., Кожевникова С.П., Коловского М.З. и др. Данное перечисление не охватывает и малой доли работ выдающихся ученых, внесших существенный вклад в развитие ТММ в этот период. Из зарубежных ученых необходимо отметить работы Альта X., Бегельзака Г., Бейера Р., Крауса Р., Кросли Ф. и многих других.

9. Основные определения курса ТММ Машина 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.

10. Классификация машин 1.Энергетические машины (электродвигатели, ДВС, компрессоры и т.д.); 2.Транспортные машины (краны, конвейеры, автомобили и т.д.); 3.Технологические машины (металлорежущие станки, полиграфические, горнодобывающие, швейные машины и др.); 4.ЭВМ.

11. Механизм Существует несколько определений. Дадим одно из них. Механизм есть система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других тел. Все механизмы можно разделить на плоские и пространственные. У плоского механизма точки его звеньев описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях. У пространственного механизма точки его звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях.

12. Классификация механизмов (по конструктивным признакам) 1.Рычажные механизмы (рис.1.1). Рычажные механизмы являются основными в различных машинах. Например, в строгальных станках они выполняют основную рабочую операцию - строгание заготовки, преобразуя вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение резца; в ДВС - преобразуют возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение главного вала, в штамповочной машине - осуществляют срез материала.

13. Рис.1.1 а). б). в).

14. Среди этого типа механизмов наибольшее распространение получили плоские рычажные четырехзвенные механизмы (рис.1.1,а, б, в). На рис.1.1,а показан кривошипно-ползунный механизм, который используется для преобразования вращательного движения кривошипа ОА в возвратно-поступательное движение ползуна В. Ползун и кривошип соединяются с помощью звена АВ (шатуна), совершающего плоскопараллельное движение.Механизм, показанный на рис.1.1,б, называют кривошипно-коромысловым механизмом. Его ведущее звено О1А кривошипсовершает полнооборотное вращение, звено АВ шатун - плоскопараллельное движение, а ведомое звено ВО2 коромысло – неполнооборотное вращение. На рис.1.1,в показан кривошипно-кулисный механизм, состоящий из кривошипа О1А, кулисы АО2, представляющей собой подвижное направляющее звено, по которому движется кулисный камень.

15. 2.Кулачковые механизмы (рис. 1.2). Кулачковые механизмы образуются путем силового замыкания кулачка и толкателя. Кулачок 1 обычно представляет собой диск, профиль которого очерчен определенной кривой, которая задает движение толкателю 2. Для уменьшения потерь на трение толкатель снабжают цилиндрическим роликом. Механизмы используют для преобразования вращательного (рис.1.2,а) или возвратно-поступательного (рис.1.2,б) движения кулачка в возвратно-поступательное движение толкателя. Применяют также сложные пространственные механизмы (рис.1.2,в). Используются: в строгальных и долбежных станках для поперечного перемещения стола с обрабатываемой деталью, в ДВС - для открытия клапанов (распределительный вал).

16. а). б). в). Рис.1.2

17. 3.Зубчатые механизмы (рис.1.3). Зубчатые механизмы образуются зубчатыми колесами. Передача нагрузки и движение осуществляется за счет воздействия зубьев друг на друга. Их используют в большинстве механизмов для передачи энергии от двигателя к ведущим валам.

18. Рис.1.3

19. 4.Фрикционные механизмы (рис.1.4). Во фрикционных механизмах движение передается за счет сил трения, возникающих при контакте звеньев. Простейшая фрикционная передача (рис.1.4,а) состоит из двух цилиндрических катков 1 и 2 и стойки 3. Один каток прижимается к другому с помощью пружины. Используются в кинематических цепях приборов для обеспечения плавности движения, бесшумности и безударного включения. К фрикционным механизмам относятся и вариаторы (рис.1.3,б), которые обеспечивают плавное изменение угловой скорости ведомого звена 2 при равномерном вращении ведущего звена 1 и его перемещения вдоль оси.

20. а). б). Рис.1.4

21. 5.Гидравлические, пневматические механизмы (рис.1.5). В этих механизмах для преобразования движения кроме твердых тел участвуют жидкие или газообразные тела. На рис.1.5 приведена схема гидравлического механизма, предназначенного для привода в движение поршня 1 с помощью распределителя 2. Жидкость в цилиндр 5 поступает из распределителя в результате поочередного включения электромагнитов 3 и 4. Гидравлическая схема включает в себя также насос 6, бак 7 и клапан 8. В пневматических механизмах насос заменяют источником сжатого воздуха.

22. Рис.1.6 Рис.1.5

23. 6.Механизмы с гибкими звеньями (рис.1.6). Данные механизмы применяют для передачи вращательного движения на большие расстояния с преобразованием параметров вращения. Передача движения осуществляется за счет сил трения. В качестве гибких звеньев применяют ремни, канаты, цепи, нити.

24. 7.Клиновые механизмы (рис.1.7). Рис.1.7 Простейший клиновой механизм состоит из клиньев 2, 3 и стойки 1. Он служит для преобразования одного прямолинейного движения в другое. Эти механизмы применяются различного вида прессов, поглощающих аппаратов железнодорожных автосцепок, зажимов, механизмов подачи деталей и т.д..

25. ПМ Передаточный механизм ИМ Исполнительный механизм Двигатель Машинный агрегат – это совокупность взаимосвязанных механизмов. Рабочий орган Блок-схема машинного агрегата Звено Звено - это одна или несколько деталей механизма, соединенных между собой жестко.

26. В каждом механизме имеется 4 группы звеньев. 1.Неподвижное звено - стойка. Стойка в механизме может быть только одна, так как все неподвижные звенья являются единым целым (например, корпус электродвигателя, станина станка) Условное обозначение (рис.1.8, звено 6). 2.Подвижные звенья. 3.Ведущие звенья – это звенья, закон движения которых задан. 4.Ведомые звенья - это звенья, закон движения которых определяется движением ведущих звеньев. Ведущие и ведомые звенья являются подвижными.

27. В рычажных механизмах имеются следующие подвижные звенья: кривошип (рис.1.8, звено 1), совершает полный оборот относительно стойки; коромысло (рис.1.8, звено 5), совершает неполный оборот относительно стойки; ползун (рис.1.8, звено 2), совершает возвратно-поступательное движение; кулиса (рис.1.8, звено 3), звено, которое совершает вращательное движение относительно стойки и на котором есть направляющая для ползуна; шатун (рис 1.8, звено 4) - звено, которое не имеет соединения со стойкой.

28. Рис. 1.8

29. Кинематическая пара Кинематическая пара - это соединение двух звеньев, обеспечивающее перемещение одного звена относительно другого. Кинематические пары передают нагрузку и движение и часто определяют работоспособность и надежность механизма и машины в целом. Поэтому правильный выбор вида пары, ее формы и размеров, а также конструкционных материалов и условий смазывания имеет большое значение при проектировании и эксплуатации машин. Кинематические пары классифицируются по следующим признакам: а).по числу степеней подвижности Н Возможные независимые движения одного звена относительно другого называются степенями подвижности кинематической пары H.

30. Ограничения, накладываемые на относительные движения звеньев, называются условиями связи в кинематических парах. Число степеней подвижности кинематической пары определяется зависимостью H=6-S (1.1) где 6-максимальное число степеней свободы твердого тела в пространстве (3 поступательных и 3 вращательных движения относительно осей координат XYZ); S-число условий связи, наложенных кинематической парой на относительное движение каждого звена. Кинематические пары делятся на: одноподвижные (поступательные, вращательные, винтовые), двухподвижные, (кулачек-толкатель, зуб-зуб), трехподвижные, (сферические), четырёхподвижные, (цилиндр-плоскость), пятиподвижные (шар-плоскость). Примеры приведены в таблице1.1.

31. б).по характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делятся на низшие и высшие Низшими кинематическими парами называются такие, в которых соприкосновение звеньев происходит по поверхности. Например, одноподвижные поступательная и вращательная кинематические пары, Высшими называются такие кинематические пары, у которых соприкосновение звеньев происходит по линии или точке. Например, кинематические пары зуб-зуб, кулачек-толкатель (рис.1.2, 1.3). Так как в низших кинематических парах звенья соприкасаются по поверхностям, то удельное давление в них невелико, вследствие чего износ в низших кинематических парах невелик.

32. В местах контакта высших кинематических пар удельное давление очень велико, что вызывает их повышенный износ. Это большой недостаток высших кинематических пар по сравнению с низшими. Однако они имеют и большое преимущество: если количество низших пар ограничено, то высших пар большое разнообразие, их количество практически не ограничено. Поэтому при помощи высших кинематических пар значительно проще создать механизмы, обеспечивающие заданный закон движения. в).по характеру относительного движения

33. Виды кинематических пар приведены в таблице 1.1. В – вращательная (Н=1), П – поступательная (Н=1), ВП – цилиндрическая (Н=2); ВВВ – сферическая (Н=3), ВВП – шар-цилиндр с прорезью (Н=3), ВПП – плоскостная (Н=3), ВВВП – шар-цилиндр (Н=4), ВВПП – цилиндр-плоскость (Н=4), ВВВПП – шар-плоскость (Н=5). Здесь буква «В» обозначает возможное вращательное движение, «П» -возможное поступательное движение.

34. Таблица 1.1

35. Кинематические цепи Кинематическая цепь - это система звеньев, соединённых с помощью кинематических пар. Классификация кинематических цепей Незамкнутые - это такие кинематические цепи, которые имеют звенья, входящие только в одну кинематическую пару (рис.1.10). Замкнутые - это кинематические цепи, в которых каждое звено входит не менее, чем в две кинематические пары (рис.1.11). Простые - это кинематические цепи, в которых каждое звено входит не более, чем в две кинематические пары (рис.1.10, 1.11). Сложные - это кинематические цепи, в которых имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рис.1.12). Большинство используемых механизмов образованы замкнутыми кинематическими цепями.

36. Рис.1.12 Рис.1.10 Рис.1.11

37. ЛЕКЦИЯ 2 Краткое содержание • Структурная схема механизма. • Кинематическая схема механизма. • Определения степени подвижности механизма. Структурный принцип образования механизмов. Начальный механизм. • Группы Ассура. • Структурный анализ механизма. Примеры.

38. Структурная схема механизма – это безмасштабное графическое изображение механизма с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар. Кинематическая схема механизма – это структурная схема, выполненная в масщтабе. Степень подвижности механизмов Степень подвижности механизма W - это количество независимых движений, которые нужно подвести к механизму, чтобы на выходе получить одно или наоборот. Для плоских механизмов применяется формула Чебышева: W = 3n - 2p1 -p2, (2.1) где n – число подвижных звеньев механизма; p1 - число одноподвижных кинематических пар; p2 - число двухподвижных кинематических пар.

39. В пространственных механизмах степень подвижности определяется по формуле Сомова-Малышева: W = 6n - 5p1 - 4p2 - 3p3 - 2p4 - p5,(2.2) где р3 - число трёхподвижных кинематических пар; р4 - число четырёхподвижных кинематических пар; р5 - число пятиподвижных кинематических пар. Большинство механизмов имеют степень подвижности W=1. Их называют рациональными. Эти механизмы не чувствительны к погрешностям монтажа, изготовления и деформирования. Такие механизмы не требуют приработки. У дифференциальных зубчатых механизмов W=2, у роботов и манипуляторов W=4-8, у основного механизма экскаватора W=4. Если W=0, то получим неподвижную конструкцию – ферму.

40. Структурный принцип образования механизмов. Группы Ассура Основной принцип образования механизмов был впервые сформулирован в 1916 году русским учёным Леонидом Владимировичем Ассуром - профессором Петербургского политехнического института. Согласно идее Л.В.Ассура любой механизм образуется последовательным присоединением к ведущим звеньям и стойке кинематических цепей, удовлетворяющих условию, что степень их подвижности W=0. Ведущее звено, входящее в одноподвижную кинематическую пару со стойкой образует начальный механизм. (рис.2.1 а, б). Ведущим звеном может быть как кривошип, так и ползун. Начальному механизму присваивается 1 класс. Степень подвижности начального механизма W =1.

41. а). б). Рис.2.1

42. Кинематические цепи, у которых степень подвижности W=0, называются группами Ассура. + + = Начальный Группа Ассура Группа Ассура Механизм механизм II класс II класс 1 класс

43. Виды групп Ассура II класса Рассмотрим кинематические цепи, в состав которых входят только одноподвижные кинематические пары. Для группы Ассура или (2.3) Так как количество кинематических пар должно быть целыми, то количество звеньев группы Ассура может быть только чётными числом. Следовательно, равенству (2.1) может удовлетворить следующий ряд чисел: n (количество подвижных звеньев ) 2 4 6 p1 (число одноподвижных пар ) 3 6 9 Класс группы Ассура IIIIIIV и т.д.

44. В группу Асура II класса может входить: 2 подвижных звена и 3 кинематические пары, которые необходимы для присоединения звеньев к стойке или к другим звеньям. Если обозначить вращательную кинематическую пару В, а поступательную П, то возможны следующие виды групп Ассура II класса: 1.ВВВ (рис.2.2); 2. ВВП (рис.2.3); 3.ВПВ (рис.2.4); 4.ПВП (рис.2.5); 5.ППВ (рис. 2.6). Рис.2.2 Рис.2.3 Рис.2.4

45. Рис.2.5 Рис.2.6. Казалось бы, что, следуя по пути замены вращательных пар поступательными, можно было бы заменить все три вращательные пары поступательными (ППП). Но в этом случае при присоединении к стойке эта группа Ассура будет переходить в плоский механизм с одними поступательными парами - клиновой механизм (рис.1.7).

46. В группах Ассура различают внутренние и внешние кинематические пары. Число внешних пар, которыми группа присоединяется к не относящимся к ней звеньям механизма или стойке, называют порядком группы. Все группы Ассура П класса являются группами второго порядка. Класс механизма определяется наивысшим классом Ассура, которая входит в его состав. Структурный анализ механизма Задачей структурного анализа механизма является - определение параметров структуры заданного механизма: числа звеньев, числа и вида кинематических пар, определение степени подвижности механизма, разбиение механизма на группы Ассура и начальный механизм, определение класса всего механизма.

47. Алгоритм проведения структурного анализа 1.Начертить структурную схему механизма. 2.Обозначит все подвижные и неподвижные звенья механизма. Начать обозначение с ведущего звена– кривошипа и далее по порядку. Найти количество подвижных звеньев п. 3.Заглавными буквами латинского алфавита обозначить все кинематические пары. Найти количество кинематических пар p1и р2. 4.Определить степень подвижности механизма. 5.Отсоединить от механизма наиболее отдаленную от ведущего звена группу Ассура II класса, так чтобы оставшийся механизм продолжал работать, а степень его подвижности W не менялась. Определить вид, порядок, класс и степень подвижности данной группы Ассура. Записать структурную формулу группы Ассура.

48. 6.Продолжать отсоединять от механизма группы Ассура до тех пор, пока не останется начальный механизм. 7.Определить класс и степень подвижности начального механизма. Записать структурную формулу начального механизма. 8.Записать структурную формулу всего механизма. 9.Определить класс механизма.

49. ПРИМЕР 2.1 Выполнить структурный анализ механизма. 1.Структурная схема механизма.

50. 2.Звенья механизма