Степень подвижности пространственных

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

КЛАССИФИКАЦИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР

В

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВЕНЬЕВ В МЕХАНИЗМАХ

Твердые тела, из которых образуется механизм, называются звеньями.

Звено – это деталь, либо совокупность деталей, соединенных в одну неизменную систему.

Звенья механизмов на схемах изображаются упрощенно в виде линий или геометрических фигур. Условное изображение механизма называют структурной схемой (моделью) механизма.

Структурная схема (модель) – безмасштабное графическое изображение механизма с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар. Если структурную схему выполнить в масштабе, то получится кинематическая схема (модель) механизма.

Звенья бывают подвижные и неподвижные.

Неподвижное звено механизма называется стойкой или опорой. Неподвижное звено на кинематических схемах показывается штриховкой (рисунок 1.1).

а) б) в)

а - для вращательных кинематических пар;

б, в - для поступательных кинематических пар

Рисунок 1.1 - Изображение неподвижных звеньев

Подвижные звенья классифицируют по характеру движения:

а) кривошип – звено, совершающее вращательное движение вокруг стойки с постоянной угловой скоростью (1 - кривошип, 4 - стойка)   б) ползун – звено, совершающее поступательное движение (3 - ползун, 4 - стойка)   в) рычаг, коромысло - звено, совершающее качательное движение с непостоянной угловой скоростью (3 - рычаг, коромысло, 4 - стойка)   г) кулиса - звено, совершающее качательное, реже – вращательное, движение с непостоянной угловой скоростью и входящее в поступательную кинематическую пару с кулисным камнем (3 - кулиса, 2 - кулисный камень, 4 - стойка)     д) шатун – звено, совершающее плоскопараллельное движение и не соединенное ни с одной стойкой. Плоскопараллельное движение – совокупность вращательного и поступательного движений. Поэтому шатун предназначен для преобразования одного вида движения в другое.

а)

1

О

ω₁=const

3 4

б)

3 4

в) 3 4

О₃ 3

О₃ ω₃

ω₃

г)

3

A

2

C ω₃

4

д) А

В

Рисунок 1.2, а-д - Изображение

подвижных звеньев

е) А 2 3

Рисунок 1.2, е - Изображение

подвижных звеньев

или начальные), ведомые (выходные, рабочие) и промежуточные (соединительные).

Ведущее (начальное) – звено, закон движения которого задан. Сумма элементарных работ приложенных к нему внешних сил положительна. Ведущее звено приводит в движение весь механизм. За ведущее звено принимается кривошип, реже ползун.

Ведомое (рабочее) – звено, совершающее требуемое движение, для которого предназначен механизм. Сумма элементарных работ приложенных к нему внешних сил равна нулю.

Промежуточные (соединительные) – звенья, соединяющие ведущее звено с рабочим.

Кинематическая пара – подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев.

По характеру соединений двух соприкасающихся звеньев кинематические пары делятся на поступательные и вращательные.

Если два звена движутся относительно друг друга вращательно, то получается вращательная кинематическая пара (шарнирное соединение), если поступательно - то поступательная кинематическая пара (цилиндр движется внутри поршня). Кинематические пары изображены на рисунке 1.3.

а) А б) В

1 2 3

4

а - вращательная; б - поступательная

Рисунок 1.3 - Изображение кинематической пары

Известно, что твердое тело, движущееся в пространстве, обладает шестью видами движений (тремя вращательными вокруг осей X, Y, Z и тремя поступательными относительно тех же осей), т.е. обладает шестью степенями свободы (рисунок 1.4).

На движение каждого звена кинематической пары накладываются ограничения, зависящие от способа соединения звеньев пары. Эти ограничения называются связями. Условий связи может быть от 1 до 5. В связи с этим кинематические пары делятся на 5 классов.

z

y x

Рисунок 1.4

Таблица 1.1 - Классификация кинематических пар

Класс пары	Число условий связи	Число степеней свободы	Название пары	Рисунок	Условное обозначение
I			шар-плоскость
II			шар-цилиндр; цилиндр - плоскость
III			сферическая
III			плоскостная
IV			цилиндрическая
IV			сферическая с пальцами
V			поступательная
V			вращательная
V			винтовая

Кинематическая пара I-го класса (р₁) получается, когда на нее накладывается одна связь, т.е. нет одного движения, допустим по оси Z.

Если на кинематическую пару накладываются две связи, то получается кинематическая пара II-го класса (р₂); если 3 связи - то III-го класса (р₃) и т.д.

Классификация кинематических пар в зависимости от числа степеней свободы и от количества наложенных связей представлена в таблице 1.1.

По характеру соприкосновения кинематические пары делятся на высшие и низшие.

Высшие кинематические пары р₄ (двухподвижные или пары IV класса) - такие, при которых соприкосновение звеньев происходит в точке или по линии. Примером такой пары являются: шар-плоскость, контакт 2-х зубьев.

Низшие кинематические пары р₅ (одноподвижные или пары V класса) - такие, при которых соприкосновение звеньев происходит по плоскости или по поверхности. Примером такой пары является шарнирное соединение.

Кинематическая цепь - система звеньев, связанных между собой кинематическими парами.

а) В 3 С б) А 2 В А 2 В С

2 4 1

3 1 3 4

А С С 4

1 5

В 2 С A 2 B

в) 1 3 г) 1 3

А F C

D G

6 4 6 4

F E E D

5 5

а - простые и незамкнутые; б - сложные и незамкнутые; в - простые

и замкнутые; г - сложные и замкнутые

Рисунок 1.5 - Изображение кинематических цепей

Кинематические цепи делятся на:

Ø простые – такие, у которых каждое звено входит не более чем в две кинематические пары (рисунок 1.5, а, в);

Ø сложные – такие, у которых имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рисунок 1.5, б, г);

Ø замкнутые цепи – такие, звенья которых образуют один или несколько замкнутых контуров (рисунок 1.5 в, г);

Ø незамкнутые (открытые) цепи – такие, звенья которых не образуют замкнутых контуров (рисунок 1.5 а, б);

Ø плоские цепи – такие, все точки которых движутся в одной или параллельных плоскостях (рисунок 1.5 а - г);

Ø пространственные цепи – такие, все точки которых описывают пространственные кривые.

Механизм – искусственно созданная кинематическая цепь, совершающая вполне определенные движения.

В простейшей интерпретации: механизм – это кинематическая цепь + двигатель. Из этого вытекает, что в любом механизме есть одно или несколько ведущих звеньев (см. § 1.1). Поэтому ясно, что сумма элементарных работ всех внешних сил, приложенных к ведущему звену, положительна, а для ведомого звена – равна нулю.

Так как механизм состоит из кинематических цепей, то также как и кинематические цепи, механизмы делятся на плоские и пространственные, простые и сложные.

Плоские механизмы – такие, все звенья которых движутся в одной или параллельных плоскостях.

Пространственные механизмы – такие, все звенья которых описывают пространственные кривые.

Простой – механизм, состоящий не более чем из четырех звеньев.

Сложный – механизм, состоящий из более чем четырех звеньев.

Также все механизмы классифицируют по конструктивной схожести.

Ø Рычажные (в других источниках – стержневые) – это механизмы, звенья которых при соединении образуют между собой только низшие кинематические пары. Они применяются для преобразования движения или передачи силы в машинах. Простые (типовые, частные) рычажные механизмы состоят из четырех звеньев и подразделяются на коромысловые, кривошипно-ползунные, кулисные (рисунок 1.6, а-в). Рычажные механизмы получили широкое применение благодаря их долговечности, надежности и простоте. Кривошипно-ползунные механизмы (рисунок 1.6, а) применяются в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах и т.д. В этих механизмах вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное и наоборот. Коромысловые механизмы (рисунок 1.6, б) применяются в зерноуборочных комбайнах, в стогометателях, в пресс-подборщиках, качающихся конвейерах и т.д. Кулисные механизмы (рисунок 1.6, в) получили широкое применение в строгальных, зубодолбежных станках. Обычно у них длительный рабочий ход и быстрый, обеспечивающий возврат резца в исходное положение, холостой ход. Большей частью кулисные механизмы применяются в практике с дополнительной структурной группой. Пространственные рычажные механизмы получили более широкое применение в робототехнике, чем плоские. На их основе создаются различные роботы и манипуляторы. Особенностью этих механизмов является то, что они имеют незамкнутую кинематическую цепь, обладают большим числом степеней свободы, а значит, имеют много приводов. Согласованная работа приводов звеньев обеспечивает перемещение руки захвата по рациональной траектории в заданное место.

а)

б)

в)

а - коромысловый; б - кривошипно-ползунный; в – кулисный

Рисунок 1.6 - Типовые (частные) рычажные механизмы

Разновидностью кулисного механизма является мальтийский механизм. Он относится к механизму прерывистого движения.

Ø Зубчатые механизмы. Если в состав механизма входят зубчатые звенья, то такой механизм называется зубчатым. Зубчатые механизмы представляют собой трехзвенный механизмы с высшей кинематической парой и предназначен для сообщения непрерывного вращательного движения с заданным отношением угловых скоростей. Их также называют еще зубчатыми передачами. При помощи зубчатых колес можно осуществить передачу движения между валами как с неподвижными осями, так и с перемещающимися в пространстве.

Разновидностью зубчатых передач являются храповые и цевочные механизмы. Храповые механизмы предназначены для осуществления движения только в одном направлении. Они применяются в станках, грузоподъемных машинах, часовых механизмах, а также в передачах периодического движения. Цевочный механизм служит для передачи вращательного или поступательного движения, в котором одно из звеньев имеет зубья, выполненные в виде круглых цилиндров (цевок), а зубья второго звена имеют сопряженный профиль.

Более подробно зубчатые механизмы рассмотрены в гл. 4, § 2.

Ø Кулачковые механизмы. Механизмы, в состав которых входит звено, имеющее переменный профиль (кулачок), называют кулачковыми. Они применяются для сообщения ограниченного движения ведомому звену по заданному или выбранному закону. Ведомое звено (толкатель) и ведущее звено (кулачок) могут совершать поступательное, вращательное или сложное движения. Кулачковые механизмы используются как в рабочих машинах, так и в приборных устройствах для реализации необходимых законов движения ведущих звеньев. Например, они применяются в газораспределительных механизмах для открывания и закрывания впускных клапанов и т.д. Подробно кулачковые механизмы будут рассмотрены в главе 4, § 1.

Ø Фрикционные механизмы – такие механизмы, в которых передача движения между соприкасающимися телами осуществляется за счет сил трения. Фрикционные механизмы нашли широкое применение в приборах, станках, транспорте, вариаторах (механизмах с плавной регулировкой числа оборотов).

Ø Механизмы с гибкими звеньями. В таких механизмах в качестве гибких звеньев, передающих движение от одного тела к другому, используются различной формы поперечного сечения ремни, канаты, цепи и др. Они применяются, если необходимо передать на относительно большое расстояние механическую энергию из одной точки пространства в другую. Передачи с гибкими звеньями широко применяются в машиностроении, приборостроении и в других отраслях промышленности. Подробно эти механизмы рассматриваются в курсе деталей машин.

Ø Клиновые механизмы применяются в различного вида зажимных приспособлениях или в устройствах, в которых требуется создать большие усилия на выходной стороне при ограниченных силах, действующих на входной стороне. Клиновые механизмы состоят из поступательных кинематических пар V класса. Они могут быть плоскими и пространственными. Чаще применяются в комбинации с другими механизмами. Отличительной особенностью этих механизмов является простота и надежность конструкции.

Ø Резьбовые (винтовые) механизмы. Механизмы, имеющие в своем составе кинематическую пару «винт-гайка», называют резьбовыми. Резьбовые механизмы применяются для преобразования вращательного движения в поступательное. Они используются в металлорежущих станках, прессах, различных приборах, измерительных устройств, домкратах и др. механизмах.

Ø Гидравлические и пневматические механизмы подробно рассматриваются при изучении других предметов.

Широкое применение нашли комбинированные механизмы, например рычажно-зубчатые, кулачково-зубчатые и др.

Дата добавления: 2014-01-20