Основы структуры механизмов, структурный и кинематический анализ

Федеральное агентство по образования РФ

Владивостокский государственный университет

экономики и сервиса

Институт ИИБС

Кафедра СТЭА

Автор : Потехин Борис Борисович , к.т.н. , доцент

Прикладная механика

Владивосток 2010

ПЛАН ЛЕКЦИИ ТЕМА 1

• Основы структуры механизмов, структурный и кинематический анализ

• Введение. Машина и механизм. Структура механизмов. Звено. Кинематическая пара, классификация кинематических пар, кинематическая цепь. Структура и классификация механизмов. Степени подвижности механизмов. Структура плоских и пространственных механизмов. Структурный анализ механизмов. Кинематическая схема механизма. Входные и выходные звенья. Передаточные механизмы. Передаточное отношение механизмов. Линейное и угловое передаточные отношения. Классификация механизмов. Группы Ассура. Классификация механизмов по Ассуру. Задачи и методы кинематического анализа. Виды плоского движения твердого тела. Мертвые положения механизма. Условие существования кривошипа. Планы скоростей и ускорений. Абсолютные и относительные угловые скорости звеньев.

• Введение

Цель изучения дисциплины

• Сформировать знания по структурному , кинематическому , динамическому и силовому анализу машин и механизмов , принципам выполнения расчетов основных видов механических передач , проектированию приводов транспортных и технологических машин , их узлов и элементов передач.

•   Дать студентам представление об особенностях проектирования изделий, принципах инженерных расчетов, механических свойствах конструкционных материалов, основных методах расчетов сварных швов при различных схемах нагружения, определении допускаемых напряжений в сварных швах, выборе стандартных посадок с натягом из условия неподвижности соединения под действием нагрузки без дополнительных креплений для обеспечения передачи заданной нагрузки, методиках расчета одиночных и групповых болтовых и шпоночных соединений по эквивалентным напряжениям ,

Краткая характеристика содержания дисциплины

• Дисциплине «Прикладная механика» составлена в соответствии с требованиями ГОС РФ ВПО.
• Содержанием дисциплины является механика как основа инженерной подготовки, ее методов и целей. Включает основы ТММ , деталей машин , технологических процессов и основ конструирования.
• Предназначена студентам II курса специальности 19070265 «Организация и безопасность движения» для очной и заочной форм обучения.

Требования к приобретаемым знаниям и умениям

• Знания и умения, получаемые студентами в результате изучения дисциплины, необходимы для подготовки к изучению следующих дисциплин: «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета автомобильных двигателей», «Технология машиностроения».

Требования к приобретаемым знаниям и умениям

• Студент должен уметь :
• применять на практике методы полной и неполной взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов;
• производить расчеты допускаемых напряжений по основным теориям прочности;
• использовать на практике основные принципы прочностных расчетов;
• работать с различными типами и классами приборов и средств измерения.

ИСТОЧНИКИ

Основная литература

• Иосилевич Г.Б. Прикладная механика. – М.: Машиностроение , 2000.
• Ковалев Н.А. Прикладная механика. – М.: Высшая школа, 2000.
• Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. – М., 2004.
• Гузенков П.Г. Детали машин. – М.: Высшая школа, 2006.

Дополнительная литература

• Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. – М.: Ма­шиностроение, 2002.
• Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. – М., 2003.
• Решетов Д.Н. Детали машин. – М.: Машиностроение, 2003.
• Чубенко Е.Ф. Лабораторный практикум по деталям машин: учебное пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2005

Основы структуры механизмов , c труктурный и кинематический анализ

Машина и механизм

• МАШИНА – ( греч. "махина" – огромная, грозная ) система деталей, совершающая механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения труда. Машина характерна наличием источника энергии и требует присутствия оператора для своего управления .

• Всякая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов.

• МЕХАНИЗМ – система деталей, предназначенная для передачи и преобразования движения.

Структура механизм

Механизм является системой твердых тел. Поэтому механизмы имеют как весьма простое, так и достаточно сложное и разнообразное строение (структуру). Строением механизма определяются такие его важнейшие характеристики, как виды осуществляемых движений, способы их преобразования, число степеней свободы. Формирование механизма, т. е. соединение отдельных его частей в единую систему, сопровождается наложением связей.

Правильное их распределение в строении механизма в сильной степени предопределяет его надежную эксплуатацию. Поэтому при проектировании нужно из множества разнообразных механизмов выбрать самый подходящий и правильно подобрать его основные структурные элементы. А для этого прежде всего надо знать основные виды современных механизмов, их структурные характеристики, закономерности их строения.

Звено механизма

Твердые тела, из которых образуется механизм, называют звеньями. При этом имеются в виду как абсолютно твердые, так и деформируемые и гибкие тела. Звено — либо одна деталь, либо совокупность нескольких деталей, соединенных в одну кинематически неизменяемую систему. Звенья различают по конструктивным признакам (коленчатый вал, шатун, поршень, зубчатое колесо и т. д.) и по характеру их движения.

Например, звено, вращающееся на полный оборот вокруг неподвижной оси, называют кривошипом, при неполном обороте — коромыслом; звено, совершающее поступательное прямолинейное движение, — ползуном и т. д. Неподвижное звено механизма для краткости называют стойкой; понятие неподвижности стойки для механизмов транспортных машин, в частности летательных аппаратов, — условное, поскольку в этом случае сама стойка движется .

Кинематическая пара

• Кинематической парой (сокращенно — парой) называют подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном пары, называют элементом пары. Для того чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута геометрическим (за счет конструктивной формы звеньев) или силовым (силой тяжести, пружиной, силой давления жидкости , газа и т.п. ) способом.

Классификация кинематических пар

• Для твердого тела, свободно движущегося в пространстве, число степеней свободы равно шести: три возможных перемещения вдоль неподвижных ко­ординатных осей и три — вокруг этих осей.
• Для звеньев, входящих в кинематическую пару, число степеней свободы в их относительном движении всегда меньше шести, так как условия постоянного соприкасания звеньев кинематической пары уменьшают число возможных перемещений. По предложению В. В. Добровольского все кинемати­ческие пары подразделены по числу степеней свободы на одно-, двух-, трех-, четырех - и пятиподвижные.

• Наиболее используемые кинематические пары показаны на рисунках а) – е)

Низшие и высшие КП

• Совокупность поверхностей линий отдельных точек звена, по которым оно может соприкасаться с другим звеном, образуя кинематическую пару, называется элементом кинематической пары.
• Кинематическую пару можно рассматривать как совокупность двух элементов, каждый из которых принадлежит одному звену.
• К низшим парам принадлежат: вращательная поступательная, винтовая, цилиндрическая, сферическая и плоскостная.

• Низшей КП называется кинематическая пара , в которой требуемое относительное движение звеньев между собой осуществляется по поверхности.

• Высшей КП называется кинематическая пара, в которой требуемое относительное движение звеньев может быть получено только сопрекасновенем ее элементов по линиям и в точках.

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ Систему звеньев, образующих между собой кинематические пары, называют кинематическойцепью . 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 пар , рис. а) , б) , в).

Применяя термин « кинематическая цепь », можно дать следующее определение механизма: механизм — кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка) и число степеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризующих положение цепи относительно стойки. Например, на схеме кривошипно-ползунного механизма ДВС с одной степенью свободы ( W = l ) показана одна обобщенная координата механизма в виде угловой координаты звена 1 ω 1 — угловая скорость звена. См. рис. а) , б) , в ).

Структура и классификация

механизмов

Структурные формулы механизмов

• Существуют общие закономерности в
• структуре (строении) самых различных механизмов, связывающие число степеней свободы W механизма с числом звеньев и числом и видом его кинематических пар. Эти закономерности носят название структурных формул механизмов.
• Для пространственных механизмов в настоящее время наиболее распространена формула Малышева.

Структурная формула пространственных механизмов

• Для кинематической цепи, у которой одно из звеньев неподвижно, Число связей, накладываемых на звенья при их соединении в кинематические пары, зависит от класса пар. Обозначим число кинематических пар I , II, III, IV, и V классов соответственно через Р1, Р2, Р3, Р4, Р5. Тогда выражение для числа степеней свободы W кинематической цепи, составленной из звеньев.
• W = 6-5 P 5-4 P 4-3 P 3-2 P 2- P 1.

• W =3 n -2 P 5- P 4
• Формула называется структурной формулой плоских шарнирных механизмов, получена акад. П.П. Чебышевым в 1869 г. Она связывает степень подвижности механизма с числом его звеньев и пар кинематической цепи.

Структурный анализ механизмов

• Структурным анализом механизма называется проектирование структурной схемы , указывающий стойку , вид кинематических пар и их взаимное расположение .

Кинематическая схема

• Кинематическая схема – графическое изображение соединения звеньев в кинематические пары с указанием размеров звеньев.

ВХОД НЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ЗВЕНЬЯ Различают входные и выходные звенья механизма. Выходным называют звено, совершающее движение, для которого предназначен механизм. Входным называют звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение выходного звена. Число входных звеньев обычно равно числу степеней свободы механизма, т. е. числу его обобщенных координат, но возможно и несовпадение их.

Классификация механизмов

• Плоские механизмы с низшими парами.
• Пространственные механизмы низшими парами.
• Кулачковые механизмы.
• Зубчатые механизмы .

Передаточные механизмы

• Механическими передачами или просто передачами называются механизмы, которые преобразуют параметры движения от двигателя к исполнительным органам машины.

• Механическая энергия передаётся, как правило, с преобразованием скоростей и вращающих моментов, а иногда с преобразованием вида и закона движения .

• Передаточное отношение — одна из важных характеристик механической передачи вращательного движения, находится как отношение угловой скорости ведущего элемента (ω1) механической передачи к угловой скорости ведомого элемента(ω2) или отношение частоты вращения ведущего элемента ( n 1) механической передачи к частоте вращения ведомого элемента ( n 2).

Основная формула передаточного отношения

Классификация механизмов

• Классификация

• Передачи зацепления:
• Цилиндрические зубчатые передачи - отличаются надёжностью и имеют высокий ресурс эксплуатации. Обычно применяются при особо сложных режимах работы, для передачи и преоброзовывания больших мощностей. Цилиндрические передачи бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными .

Группы Ассура

Разработанная Л. Б. Ассуром структурная классификация плоских рычажных механизмов облегчает исследование имеющихся и создание новых механизмов без избыточных связей в их плоской схеме ( gn = 0). Основной принцип ее состоит в том, что механизм может быть получен путем присоединения к одному или нескольким начальным звеньям и стойке кинематических цепей (структурных групп) нулевой подвижности относительно тех звеньев, к которым группа присоединяется.

• Таким образом, структурная группа — кинематическая цепь, присоединение которой к механизму не изменяет числа его степеней свободы . Для краткости в дальнейшем введем условный термин — первичный механизм (по
• И. И. Артоболевскому— механизм I класса), представляющий собой простейший двухзвенный механизм, состоящий из подвижного звена и стойки; число первичных механизмов равно числу степеней свободы механизма. Для структурных групп Ассура, согласно определению и формуле Чебышева (при рв.г. = 0, n = n п.г. и q п = 0), справедливо равенство: W п.г. = 3 n п.г. — 2p н.г. = 0. (1)

• где W п.г. — число степеней свободы структурной (поводковой) группы относительно тех звеньев, к которым она присоединяется; n п.г. , p н.г. — число звеньев и низших пар структурной группы Ассура. Поскольку n п.г. и p н.г. могут быть только целыми числами, из равенства (1) получим следующие их значения: n п.г. = 2, 4, 6, … ; p н.г. = 3, 6, 9, … .

Задачи и методы кинематического анализа

• Кинематический анализ – определение движения звеньев механизма по заданному движению начальных звеньев.

Задачи кинематического анализа

• Задачи кинематического анализа состоят в определении перемещений , скоростей и ускорений звеньях механизма.
• Цель изучить движение звеньев без учета сил , вызывающих это движение .

Методы кинематического анализа

• Методы кинематического анализа механизмов основаны на использовании приемов аналитической геометрии, тензорно-матричных операций, комплексных переменных величин и др. Эти методы связаны с координатными системами и приводят к скалярным уравнениям относительно искомых величин тем более высоких степеней, чем сложнее исследуемые механические системы.

Виды плоского движения твердого тела

• Как мы знаем , под плоским движением понимают такое движение твердого тела , когда все его точки движутся параллельно одной их главных координатных плоскостей или движутся в них.
• Различают три вида плоского движения : поступательное движение твердого тела , вращательное движение вокруг неподвижной оси и плоско-параллельное движение твердого тела.

Кулисный механизм

• Служит для преобразования одного вида вращательного движения (звена 1) в другое (звена 3 , на рис. 1, в ) или непрерывного вращательного движения (звена 1) в возвратно-поступательное (звена 5 на рис. 1, д). Такие четырех и шестизвенные кулисные механизмы применяют в строгальных и долбежных станках, поршневых насосах и компрессорах. Смотри рисунок 1.

Кулисный механизм , рис.1

Кулисный механизм , рис.2

Схема плоского четырехшарнирника

• Пример плоских механизмов с низшими парами .
• Кривошипно-ползунный механизм (см. ниже на рисунке ДВС: а — конструкция; б — схема) — один из самых распространенных, он является основным механизмом в поршневых машинах (двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, насосы), в ковочных машинах и прессах и т. д. На рис. в изображена схема внеосного (дезаксиального) кривошипно-ползунного механизма.

Мальтийский механизм

• Мальтийский механизм (рис. 1) преобразует непрерывное вращение входного звена — кривошипа 1 в прерывистое (с остановами) вращение выходного звена — креста 2. Механизм имеет стойку 3 и высшую пару, образованную цевкой В кривошипа и пазом креста.

Мальтийский механизм (рис.1)

Планы скоростей ускорений

• Планы скоростей и ускорений . Планом скоростей механизма называют чертеж, на котором изображены в виде отрезков векторы, равные по модулю и по направлению скоростям различных точек звеньев механизма в данный момент. План скоростей для механизма является совокупностью нескольких планов скоростей для отдельных звеньев, у которых полюса планов р являются общей точкой — полюсом плана скоростей механизма. Чертеж, на котором изображены в виде отрезков векторы, равные по модулю и направлению ускорениям различных точек звеньев механизма в данный момент, называют планом ускорений механизма.

На рис. а) , б) , в) , г) показаны различные виды построения планов

Абсолютные и относительные угловые скорости звена

• Абсолютная скорость звена на плане скоро-

• стей изображается всегда линией , исходящей из полюса Р , а относительные – линиями , соединяющими концы векторов абсолютных скоростей. Смотри рис.1.

Абсолютные и относительные угловые скорости звеньев , рис.1

Вывод по данной теме лекции 1

• В результате рассмотрения обширного материала в данной лекции мы достаточно подробно ознакомились с основными понятиями и определениями ТММ , изучили основы структуры механизмов , c уть их структурного и кинематического анализа .

Вопросы для самопроверки

• Что называется машиной, механизмом?
• Какие виды механизмов бывают?
• Что такое кинематическая схема?
• Что понимают под кинематической парой и цепью?
• Что такое структурный и кинематический анализ механизма?
• Какие виды трения вам известны ?
• Что такое коэффициент трения скольжения и качения?
• Какие факторы влияют на величину силы трения скольжения ?
• Принцип построения планов скоростей и ускорений ?