Теория механизмов и машин – это наука, располагающая принципами анализа и синтеза механизмов, а также проектирования машин. Анализ[1] – это метод исследования путем рассмотрения отдельных сторон, свойств, составных частей чего-нибудь. Синтез[1] – это метод исследования явления в его единстве и взаимной связи частей, обобщение, сведение в единое целое данных, добытых анализом.
Механизм – это система, состоящая из подвижно соединенных звеньев и предназначенная для передачи и преобразования движения. Классическим примером механизма может являться кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания (рис. В1), предназначенный для передачи движения от поршней до коленчатого вала с преобразованием возвратно-поступательного движения во вращательное.
Машина – это система, состоящая из источника энергии (двигателя), механизмов (не всегда), а также рабочих органов и предназначенная для выполнения определенного вида работ. На рис. В2 приведены наиболее распространенные типы машин на производстве: оборудование для машиностроения (рис. В2, а), технологическое оборудование (рис. В2, б), сельскохозяйственное оборудование (рис. В2, в), транспортирующее оборудование (рис. В2, г). Кроме того, к машинам относятся такие устройства, как генераторы (энергетические машины) (рис. В2, д) и манипуляторы (робототехнические машины) (рис. В2, е).
Звенья механизма представляют собой, как правило, твердые (иногда гибкие) физические тела. При этом каждый механизм содержит неподвижное звено, которое называется стойкой. Среди подвижных звеньев механизма выделяют входное звено – звено, которому сообщается движение, выходное звено – звено, совершающее требуемое движение, и промежуточные звенья. Входное и выходное звенья могут также называться ведущим и ведомым звеньями. Особенность таких определений заключается в том, что ведущие звенья характеризуются совпадением направлений движения этих звеньев и приложенных к ним сил, в то время как ведомые звенья характеризуются различным направлением между движением и внешней нагрузкой.
Звенья в механизме соединены подвижно, образуя кинематическую пару – подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев. Система звеньев механизма, связанная кинематическими парами, образует кинематическую цепь, которые бывают плоские и пространственные, а также простые и сложные. В простой кинематической цепи каждое звено входит не более чем в две кинематические пары (рис. 1.1, а), а в сложной присутствует хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рис. 1.1, б). Каждый механизм является кинематической цепью, но при этом кинематическая цепь не всегда может являться механизмом.
Кинематические пары характеризуются классом и видом. Класс кинематической пары Sпоказывает число наложенных ограничений
где 6 – максимальное число перемещений в трехмерном пространстве (повороты вокруг осей X, Y, Z и перемещения в плоскостях XY, XZ, YZ (рис. 1.2)); W – подвижность кинематической пары (степень свободы). Вид кинематической пары определяется ее конструкцией. Если подвижным местом контакта в кинематической паре является поверхность, то кинематическая пара низшая, а если линия или точка – высшая.
В табл. 1 приведены конструкция, условное обозначение и характеристики кинематических пар, используемых в механизмах.
Табл. 1. Кинематические пары
На кинематических схемах звенья обозначаются цифрами, кинематические пары – буквами латинского алфавита. Неподвижное звено (стойка) изображается согласно рис. 1.3.
На рис. 1.4 изображены кинематические схемы механизмов. Механизм на рис. 1.4, а, содержит кинематические пары:
- O – вращательная, 5 класса, одноподвижная, низшая;
- А – цилиндрическая, 4 класса, двухподвижная, низшая;
- B (пост.) – поступательная, 5 класса, одноподвижная, низшая;
- В (вращ.) – вращательная, 5 класса, одноподвижная, низшая.
Механизм на рис. 1.4, б, содержит кинематические пары:
- O – вращательная, 5 класса, одноподвижная, низшая;
- А – цилиндрическая, 4 класса, двухподвижная, низшая;
- В – вращательная, 5 класса, одноподвижная, низшая, расположенная в средней части звена 2;
- С – вращательная, 5 класса, одноподвижная, низшая.
В плоских механизмах наиболее предпочтительно использование низших кинематических пар 5 класса, поскольку конструктивно они могут быть реализованы с использованием радиальных подшипников (рис. 1.5). При этом кинематические пары 4 класса рекомендуется использовать с целью устранения избыточных связей.
Использование высших кинематических пар объясняется необходимостью получения сложных видов движений либо передачей значительных нагрузок. На рис. 1.6 приведены зубчатые механизмы с линейным (рис. 1.6, а) и точечным (рис. 1.6, б) касанием зубьев.
Среди механизмов с низшими кинематическими парами наиболее известны рычажные и винтовые; с высшими кинематическими парами: кулачковые, зубча́тые, мальтийские, храповы́е.
Рычажные механизмы представляют собой подвижное соединение звеньев в виде рычагов (рис. 1.7). Наиболее простым рычажным механизмом является шарнирный четырехзвенный механизм на рис. 1.7, а. Его основными элементами являются:
- 1 – кривошип – звено, совершающее полный оборот вокруг неподвижной точки;
- 2 – шатун – звено, совершающее сложное плоскопараллельное движение;
- 3 – коромысло – звено, совершающее качательное движение;
- 4 – стойка;
- O, A, B, C– кинематические пары вращательные, 5 класса, одноподвижные, низшие.
Шарнирный четырехзвенный механизм является общепринятым названием механизмов с четырьмя вращательными кинематическими парами и тремя подвижными звеньями. Наименование остальным рычажным механизмам, как правило, дается по входному и выходному звеньям. Например, механизм на рис. 1.7, б, содержит:
- 1 – кривошип;
- 2 – шатун;
- 3 – ползун (звено, совершающее возвратно-поступательное движение);
- 4 – стойка;
- O, A, B (вращ.) – кинематические пары вращательные, 5 класса, одноподвижные, низшие;
- B (пост.) – кинематическая пара поступательная, 5 класса, одноподвижная, низшая.
Поскольку входным звеном механизма является кривошип, выходным – ползун, такой механизм можно называть кривошипно-ползунным, предназначенным для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.
Механизмы на рис. 1.7, в и г, помимо кривошипа 1 и стойки 4 содержат:
- кулису – звено, являющееся подвижной направляющей для другого звена (позиция 2 на рис. 1.7, в, позиция 3 на рис. 1.7, г);
- камень кулисы – звено, совершающее движение относительно кулисы (позиция 3 на рис. 1.7, в, позиция 2 на рис. 1.7, г).
Схематически камень кулисы может быть изображен по одному из вариантов табл. 1 (поступательная кинематическая пара).
Механизмы на рис. 1.7, в и г, можно назвать кривошипно-кулисными, а также кулисными либо рычажно-кулисными.
Зубчатые механизмы (рис. 1.8) являются наиболее распространенными механизмами с высшей кинематической парой, которая образуется в местах контакта зубьев. При этом ось вращения каждого зубчатого колеса представляет собой низшую вращательную кинематическую пару. Наибольшее распространение получили зубчатые колеса с эвольвентным профилем зубьев:
- цилиндрические наружного зацепления (рис. 1.8, а);
- цилиндрические внутреннего зацепления (рис. 1.8, б);
- конические наружного зацепления (рис. 1.8, в).
Кулачковый механизм (рис. 1.9) – это механизм, входным звеном которого является вращающийся кулачок с поверхностью переменного радиуса кривизны, передающий заданный закон движения выходному звену – толкателю. Кулачковые механизмы могут быть с коромысловым (рис. 1.9), стержневым или тарельчатым (плоским) толкателем.
Храповой механизм (рис. 1.10) относится к механизмам прерывистого движения. Его элементами являются храповое колесо, коромысло (ведущее звено) и собачка, входящая в зацепление с зубьями храпового колеса. Храповой механизм предназначен для преобразования качательного движения коромысла в прерывистое вращательное движение храпового колеса, которое согласно рис. 1.10 будет осуществляться при движении коромысла только в направлении против часовой стрелки.
Мальтийский механизм (рис. 1.11) также относится к механизмам прерывистого движения. Его элементами являются колесо с пазами, напоминающее мальтийский крест, а также колесо с пальцем и запирающей дугой. Выходное колесо поворачивается во время нахождения пальца в одном из его пазов. Когда палец находится вне пазов этого колеса, оно удерживается запирающей дугой от случайного проворачивания.
Винтовые механизмы работают по принципу винтовой кинематической пары (табл. 1). Они используются в шариковинтовых передачах и в конструкциях винтовых домкратов (рис. 1.12).
Среди механизмов с гибкими звеньями наиболее распространены цепные и ременные (рис. 1.13) передачи. Также среди них известна волновая передача (рис. 1.14).
Пневматические и гидравлические механизмы содержат пневмо- или гидроцилиндр (рис. 1.15). Пневматические механизмы широко используют в технологическом оборудовании, дверных механизмах общественного транспорта и др.; гидравлические механизмы используются в приводах экскаваторов, погрузчиков, манипуляторов и др.
[1] словарь С.И. Ожегова и Н.Ю. Шведовой