Введение. Машина и механизм. Подвижность механизма

Краткое содержание: Введение. Цель и задачи курса ТММ. Краткая историческая справка. Машинный агрегат и его составные части. Классификация машин. Механизм и его элементы. Типы звеньев рычажных механизмов. Классификация кинематических пар. Подвижность механизма.

Введение.

Курс "Теория машин и механизмов" является первой частью общеинженерной дисциплины "Основы проектирования машин". Вторая часть этой дисциплины называется "Детали машин" или "Основы конструирования машин". На специальности, по которой Вы проходите подготовку, курс ТММ изучается в течение двух семестров и состоит из:

1-ый семестр. Курс лекций объемом 34 часа практических занятий (включая два рубежных контроля) – 17 часов, лабораторного практикума – 17 часов. В разделе самостоятельная работа два домашних задания: 1-ое домашнее задание "Структурный и кинематический анализ рычажного механизма"; 2-ое домашнее задание "Кинетостатический силовой расчет рычажного механизма". Семестр завершается зачетом с учетом рейтинга по домашним заданиям, рубежным контролям и лабораторным работам.

2-ой семестр. Курсовая работа (проект) с объемом 4 листа графической части и пояснительная записка на 30-50 рукописных (машинописных) страниц. Содержание листов курсовой работы: лист 1 - проектирование эвольвентной зубчатой передачи, лист 2 – проектирование планетарного редуктора, лист 3 - динамический анализ машинного агрегата, лист 4 - проектирование кулачковых механизмов. Курсовая работа защищается комиссии из двух преподавателей, по ней проставляется дифференцированный зачет.

Рекомендуемая основная литература:

1. Теория механизмов и машин. Под ред. К.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1987.

2. Теория механизмов и механика машин. Под ред. К.В. Фролова. М.: из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. С.А. Попов, Г.А. Тимофеев. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. – М.: Высшая школа, 2004.

Рекомендуемая дополнительная литература:

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. – М.: Наука, 1988 и далее.

2. Левицкий Н.И. Теория механизмов и машин. – М.: Наука, 1990.

Цель и задачи курса.

Теория механизмов и машин - научная дисциплина (или раздел науки), которая изучает строение (структуру), кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом. (И.И.Артоболевский)

Цель ТММ - анализ (исследование) и синтез (проектирование) типовых механизмов и их систем.

Задачи ТММ: разработка общих методов исследования структуры, геометрии, кинематики и динамики типовых механизмов и их систем.

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 течение которого изобретается большое количество простых машин и механизмов: подъемники, мельницы, камнедробилки, ткацкие и токарные станки, паровые машины (Леонардо да Винчи, Вейст, Ползунов, Уатт). 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 Дж., 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).

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.

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, Решетова Л.Н., 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 - Горячкин В.П., Кожевников С.Н., Коловский 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 Х., Бегельзака Г., Бейера Р., Крауса Р., Кросли Ф. и многих других.

Основные разделы курса ТММ

- структура механизмов и машин;

- геометрия механизмов и их элементов;

- кинематика механизмов;

- динамика машин и механизмов.

Машины и их классификация.

Машина - техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности.

Существуют следующие виды машин:

1. Энергетические машины - преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей:

Двигатели, которые преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).

Генераторы, которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).

2. Рабочие машины - машины, использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины тоже имеют две разновидности:

Транспортные машины, которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).

Технологические машины, использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.

3. Информационные машины - машины, предназначенные для обработки и преобразования информации. Они подразделяются на:

Математические машины, преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Контрольно-управляющие машины, преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.

4. Кибернетические машины - машины управляющие рабочими или энергетическими машинами, которые способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды (т.е. машины обладающие элементами искусственного интеллекта).

Понятие о машинном агрегате.

Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Обычно в состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм и рабочая или энергетическая машина. В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины.

Механизм и его элементы.

Механизм – замкнутая или разомкнутая кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка), предназначенная для преобразования одного вида движения в другое.

Кинематическая цепь – система звеньев, соединенная кинематическими парами.

Замкнутая – каждое звено данной КЦ входит не менее чем в две КП.

Разомкнутая (не замкнутая) – КЦ в которой есть звенья, входящие только в одну КП.

Звено – твердое тело или система жестко связанных тел, двигающихся как одно целое, входящих в состав механизма. Обозначаются арабскими цифрами начиная с ведущего.

Кинематическая пара (КП) – подвижное соединение двух звеньев. Обозначаются буквами.

Входные звенья – звенья, которым сообщается движение, преобразуемое механизмом в движение других звеньев.

Выходные звенья – звенья, которые совершают движения, для которых предназначен механизм.

Начальное звено – звено, для которого задается обобщенная координата или закон движения, позволяющий определить движение остальных звеньев.

Типы звеньев рычажных механизмов.

Стойка – неподвижное звено, относительно которого рассматриваются движения остальных звеньев. На схеме механизма обозначается 0.

Кривошип – звено, имеющее вращательную КП со стойкой и совершающее полный оборот вокруг неподвижной оси.

Коромысло – звено, имеющее вращательную КП со стойкой и совершающее не полный оборот вокруг неподвижной оси.

Ползун, штанга – звено, имеющее поступательную КП со стойкой, совершающее поступательное прямолинейное движение.

Шатун – звено, не имеющее КП со стойкой.

Камень – звено небольшого размера, скользящее по подвижной направляющей.

Кулиса – звено, по которому скользит камень, может быть кривошипом, коромыслом, штангой, шатуном.

Кулачок – звено, имеющее профиль переменной кривизны (может быть эксцентрик – диск, вращающийся вокруг оси, не проходящей через центр диска).

Классификация кинематических пар.

Кинематические пары (КП) классифицируются по следующим признакам:

1. по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев:

- низшие, в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости или поверхности (пары скольжения);

- высшие, в которых контакт звеньев осуществляется по линиям или точкам (пары, допускающие скольжение с перекатыванием).

1. по относительному движению звеньев, образующих пару:

- вращательные;

- поступательные;

- винтовые;

- плоские;

- сферические.

1. по способу замыкания (обеспечения контакта звеньев пары):

- силовое (за счет действия сил веса или силы упругости пружины);

- геометрическое (за счет конструкции рабочих поверхностей пары).

Рис. 1.1	Рис. 1.2

1. по числу условий связи, накладываемых на относительное движение звеньев (число условий связи определяет класс кинематической пары);

5. по числу подвижностей в относительном движении звеньев.

Классификация КП по числу подвижностей и по числу связей приведена в таблице.

Примечание: Стрелки у координатных осей показывают возможные угловые и линейные относительные перемещения звеньев. Если стрелка перечеркнута, то данное движение в КП запрещено (т.е. на данное относительное движение наложена связь).

Классификация кинематических пар по числу связей и по подвижности.

Класс пары	Число связей	Подвижность	Пространственная схема (пример)	Условные обозначения
I
II
III
IV
V

Подвижность механизма.

Обобщенные координаты механизма.

Положение твердого тела, свободно движущегося в пространстве, полностью определяется шестью независимыми координатами, за которые можно принять три координаты начала подвижной системы координат, связанной с телом, и три угла Эйлера, определяющие расположение осей под­вижной системы координат относительно неподвижной. Их приня­то называть обобщенными, так как они определяют положение всего твердого тела. Аналогично обобщенными координатами меха­низма называют независимые между собой координаты, определя­ющие положения всех звеньев механизма относительно стойки.

Число степеней свободы механизма.

В механизмах с голономными связями число степеней свободы механизма, т. е. число независимых возможных перемещений, совпадает с числом обобщенных координат. Это утверждение следует из того, что в механизмах с голономными связями уравнения связей содержат только координаты звеньев.

Для определения числа степеней свободы механизма с голономными связями достаточно найти общее число координат, определяющих положения всех звеньев механизма, и число уравнений, связывающих эти координаты. Разность между этими числами дает чис­ло независимых координат, если все уравнения связи независимы, т. е. ни одно из них не может быть получено как следствие других.

Пространственный механизм.

Пусть механизм состоит из n подвижных звеньев, соединенных между собой кинематическими парами, число которых соответственно:

p_I - число кинематических пар I класса (пятиподвижных), p_II - число кинематических пар II класса (четырехподвижных), и т.д. p_V – число кинематических пар V класса (одноподвижных)

Тогда число связей, накладываемых всеми классами кинематических пар на механизм:

S=5× p_V+4× p_IV+3× p_III+2× p_II+1× p_I

Общее число координат, определяющих положение n подвижных звеньев механизма, равно

H=6×n,

Подвижность механизма определиться

W = H- S=6×n-(5× p_V+4× p_IV+3× p_III+2× p_II+1× p_I)

W =6×n -5× p_V-4× p_IV-3× p_III-2× p_II-1× p_I

Для пространственного механизма эта формула носит название формула Сомова-Малышева.

Плоский механизм.

На плоскости H=3, при этомкаждая одноподвижная пара накладывает 2 связи, двухподвижная – одну. К пятому классу на плоскости относятся высшие пары, к четвертому – низшие. Таким образом, формула преобразуется к виду:

W = 3×n - 2× p_н – p_в,

Для плоского механизма эта формула носит название формулы Чебышева.

Дата добавления: 2014-01-07