Файл: 1. Основы машиноведения.pdf

1. Основы машиноведения
Оглавление
1. Основы машиноведения ................................................................................................. 1 1.1. Основные понятия и определения ................................................................................. 1 1.2 Механизм и его элементы ............................................................................................... 4 1.3 Обзор основных видов механизмов и их классификация ............................................ 8 1.3.1 Плоские, поверхностные и пространственные механизмы ..................................... 15 1.3.2 Рычажные механизмы .................................................................................................. 17 1.3.3 Кулачковые механизмы ............................................................................................... 21 1.3.4 Зубчатые механизмы .................................................................................................... 25 1.3.5 Фрикционные механизмы............................................................................................ 27 1.3.6 Храповые механизмы ................................................................................................... 29 1.3.7 Мальтийский механизм (крест) .................................................................................. 30 1.3.8 Механизмы с гибкими звеньями ................................................................................. 31 1.3.9 Клиновые и винтовые механизмы .............................................................................. 32 1.3.10 Механизмы с гидравлическими и пневматическими устройствами ..................... 33 1.1. Основные понятия и определения
Механикой называют область науки, цель которой – изучение движения и напряженного состояния элементов машин, строительных конструкций и сплошных сред и т. п. под действием приложенных к ним сил.
Механику принято делить на теоретическую и прикладную. Обе они диалектически взаимосвязаны. В теоретической механике изучают устанавливают общие закономерности изучаемых объектов вне связи с их конкретными приложениями.
Прикладная механика — это техническая наука, посвященная изучению устройств
и принципов механизмов. Прикладная механика занимается изучением и классификацией
машин, а также их разработкой.
Современный человек обречён жить в мире машин и механизмов. Оглянитесь вокруг - машины и механизмы везде: дома, на транспорте, в поликлинике, на отдыхе и, наконец, на производстве. Чтобы более-менее свободно ориентироваться в этом искусственно созданном мире необходимо иметь знания-умения, связанные с проектированием, изготовлением и эксплуатацией машин.

Широкий класс самых различных объектов охватывается понятием «машина».
Машина — это устройство, выполняющее механическое движение для преобразования
энергии, материалов, информации. Основными признаками машины являются
выполнение данным устройством механического движения и совершение некоторой
полезной работы. При чем из всех устройств, выполняющих механическое движение, к машинам относят только те, которые предназначены для преобразования энергии, материалов, информации.
В зависимости от функционального назначения различают:
•
энергетические машины, преобразующие любой вид энергии в энергию механическую и наоборот; к энергетическим машинам относятся двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, электрогенераторы, турбины и другие устройства;
•
транспортирующие машины- преобразуют энергию двигателя в энергию перемещения масс (продукции, изделий). К транспортирующим машинам относятся конвейеры, элеваторы, нории, подъемные краны и подъемники;
•
технологические машины - предназначены для преобразования обрабатываемого предмета (продукта), состоящего в изменении его размеров, формы, свойства или состояния. Технологические машины состоят из энергетической машины (двигателя), передаточного и исполнительного механизмов. Важнейшим в машине является
исполнительный механизм, определяющий технологические возможности, степень универсальности и наименование машины. Те части машины, которые вступают в соприкосновение с продуктом и воздействуют на него, называются рабочим органом
машины;
•
информационные машины, предназначенные для получения и преобразования информации; информационные машины выполняют контрольно-измерительные операции, функции регулирования и управления технологическими процессами.
Машины используются, как правило, в виде совокупности, системы машин. В классическом исполнении такая система состоит из машины-двигателя, передаточного механизма и рабочей машины. Система нескольких взаимодействующих машин, связанных
конструктивно, называется машинным агрегатом.
Развитие машиностроения на современном этапе характеризуется комплексной механизацией и автоматизацией производства на основе широкого применения автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и мини-ЭВМ.
При внедрении в промышленность новых машин широко применяется модульный принцип создания оборудования, например, станок или несколько станков и манипулятор.

На базе этого принципа создаются и вступают в строй не отдельные машины, а их системы
— автоматические линии, цехи, заводы, обеспечивающие законченный технологический процесс производства конкретного изделия. Все это, вместе взятое, позволяет при снижении затраты материалов на изготовление и общей стоимости повысить их мощность, качество, производительность и сократить потребление энергии.
Чтобы понять работу какой-либо машины, необходимо знать ее устройство, из каких элементов она состоит и как они взаимодействуют. А чтобы создать такую машину, нужно сконструировать и рассчитать каждую ее деталь. Данные курс посвящен в том числе и решению этой задачи - расчету и конструированию деталей машин общего назначения, деталей, без которых не обходится ни одна машина или механизм.
Расчеты деталей машин базируются на знании основ сопротивления материалов - науки о прочности и жесткости механических конструкций и методах их расчета.
Изучением движения конкретных механических устройств, их анализом и синтезом занимается наука о механизмах и машинах — теория механизмов и машин.
Деталь - (франц. detail – кусочек) – изделие, изготовленное из однородного по
наименованию и марке материала без применения сборочных операций (ГОСТ 2.101-68).
Например, валик из одного куска металла; литой корпус; пластина из биметаллического листа и т. д. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т. п.) или сложными
(коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т. п.).
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие, которые применяют почти во всех машинах (болты, валы, муфты, механические передачи и т.п.).
Эти детали (узлы) называют деталями общего назначения и изучают в курсе "Детали машин". Все другие детали (поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.п.) относятся к
деталям специального назначения и изучаются в специальных курсах. Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень больших количествах. Поэтому любое усовершенствование методов расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект.
Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению на
предприятии-изготовителе
посредством
сборочных
операций
(свинчиванием, сочленением, пайкой, опрессовкой и т. п.), (ГОСТ 2.101-68).
Узел – законченная сборочная единица, состоящая из деталей общего
функционального назначения и выполняющая определенную функцию в изделиях одного
назначения только совместно с другими составными частями изделия (муфты, подшипники качения и др.). Сложные узлы могут включать несколько простых узлов

(подузлов); например, редуктор включает подшипники, валы с насажденными на них зубчатыми колесами и т.п.
Агрегат – (лат. aggrego – присоединять) унифицированный функциональный узел,
обладающий полной взаимозаменяемостью.
Привод - устройство, посредством которого осуществляется движение рабочих
органов машин.
В области конструирования машин (машиностроения) широко используется категория техническая система, под которой понимаются искусственно созданные
объекты, предназначенные для удовлетворения определенной потребности, которым
присущи возможность выполнения не менее одной функции, многоэлементность,
иерархичность
строения,
множественность
связей
между
элементами,
многократность изменения и многообразие потребительских качеств. К техническим системам относятся отдельные машины, аппараты, приборы, сооружения, ручные орудия, их элементы в виде узлов, блоков, агрегатов и других сборочных единиц, а также сложные комплексы взаимосвязанных машин, аппаратов, сооружений и т.п.
Автомат – (греч. "аутомотос" – самодвижущийся) машина, работающая по
заданной программе без оператора.
Робот – (чешск. robot – работник) машина, имеющая систему управления,
позволяющую ей самостоятельно принимать исполнительские решения в заданном
диапазоне.
1.2 Механизм и его элементы
При всем разнообразии машин и машинных агрегатов их объединяет то, что основу каждой машины составляет устройство или группа устройств, называемых механизмами.
Механизм — это система тел, предназначенных для преобразования независимого
движения одного или нескольких тел в требуемое движение остальных тел в
соответствии с заданным функциональным назначением. В преобразовании движения механизмов, кроме твердых тел, могут участвовать жидкие или газообразные среды.
Механизмы представляют собой системы определенного движения. Определенность движения обеспечивается конструктивными средствами или средствами динамики.
Существенным является то, что однотипные механизмы могут применяться в конструкциях самых разнообразных по назначению машин. В состав машины, кроме механизмов, могут входить дополнительные устройства, связанные, например, с их запуском, управлением или контролем.

Формирование механизма, т.е. соединение отдельных его частей в единую систему, сопровождается наложением связей. Правильное их распределение в строении механизма в большой 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.
Основным признаком механизма является преобразование механического движения.
Механизм входит в состав многих машин, т. к. для преобразования энергии, материалов и информации требуется обычно преобразование движения, получаемого от двигателя.
Нельзя отождествлять понятия "машина" и "механизм". Во-первых, кроме механизмов в машине всегда имеются дополнительные устройства, связанные с управлением механизмами. Во-вторых, есть машины, в которых нет механизмов. Например, в последние годы созданы технологические машины, в которых каждый исполнительный орган приводится в движение от индивидуального электро- или гидродвигателя.
Механизмы были разделены на отдельные группы по признаку их конструктивного оформления (рычажные, кулачковые, фрикционные, зубчатые и др.)
Механизмы образуются последовательным присоединениям звеньев к начальному механизму.
Механизм называется плоским, если все его звенья движутся параллельно одной плоскости и траектории всех его точек – плоские кривые. В пространственных механизмах подвижные точки их звеньев описывают неплоские траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях.
Деталь – это изделие, изготовленное без сборочных операций.
Звено – одна или несколько неподвижно соединенных друг с другом деталей,
входящих в механизм и движущихся, как одно целое. (рисунок 1.1)
Звенья различают а) по конструктивным признакам: коленчатый вал, поршень, зубчатое колесо, кулачок и т.д.; б) по характеру их движения: кривошип – звено, совершающее полный оборот вокруг неподвижной оси; коромысло совершает неполный оборот; ползун – звено, совершающее поступательное прямолинейное движение; шатун – звено, совершающее плоскопараллельное движение и т.д.
Звено может состоять из одной или нескольких деталей, образующих между собой неподвижные соединения (резьбовые, прессовые, сварные и т.д.). Одним звеном в механизме считается любая совокупность деталей, не имеющих между собой

относительного движения, например, детали, лежащие на ленте конвейера. Жидкости и газы часто входят в состав механизмов, но звеньями не считаются.
Выполнение звеньев из нескольких деталей обеспечивается их соединением.
Различают соединения неразъемные (сварные, заклепочные, клеевые) и разъемные
(шпоночные, шлицевые, резьбовые).
Звенья в зависимости от вида их материала могут быть твердые и гибкие (упругие), например, ремень. Жидкости и газы в гидро- и пневмомеханизмах звеньями не считаются.
Примеры изображения некоторых звеньев приведены на рисунок 1.1.
Рисунок 1.1. Примеры изображения звеньев на кинематических схемах механизмов
Стойка- звено, которое при исследовании механизма принимается за неподвижное.
Так, например, корпус двигателя, подшипники коленчатого вала и т.п. образуют одно неподвижное звено, или стойку.
Входное (ведущее) звено – звено, которому сообщается движение, преобразуемое
механизмом в требуемые движения других звеньев. Входное звено соединено с двигателем либо с выходным звеном другого механизма. Обычно в механизме имеется одно входное и выходное звено. Но в некоторых случаях имеют место механизмы с несколькими входными или выходными звеньями, например, дифференциал автомобиля или в основном механизме многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания имеется несколько входных звеньев
(поршней) и одно выходное (коленчатый вал). Отличительным признаком входного звена является то, что элементарная работа приложенных к ним сил положительна (работа силы считается положительной, если направление действия силы совпадает с направлением движения точки её приложения или под острым углом к ней).
Выходное звено – звено, совершающее движение, для выполнения которого
предназначен механизм. Выходное звено соединено с исполнительным устройством
(рабочим органом, указателем прибора), либо со входным звеном другого механизма.
Элементарная работа приложенных к выходному звену сил является отрицательной (работа

силы считается отрицательной, если направление действия силы противоположно направлению движения точки её приложения).
Остальные подвижные звенья называются соединительными или промежуточными.
Кривошип - звено, совершающее вращательное движение на полный оборот вокруг
неподвижной точки.
Коромысло - звено, совершающее вращательное движение на неполный оборот
вокруг неподвижной точки.
Ползун - звено, совершающее возвратно-поступательное движение.
Шатун - звено, совершающее сложное плоскопараллельное движение.
Кулиса - звено, которое является направляющей для ползуна.
Кулачок — звено с профилем переменной кривизны, который определяет закон
движения ведомого звена (толкателя).
Зубчатое колесо — звено с замкнутой системой зубьев, которое обеспечивает за
полный оборот непрерывное движение парного звена.
Кинематическая пара (сокращенно - пара) это подвижное соединение двух
соприкасающихся звеньев. Поверхность, линия или точка одного звена, находящиеся в соприкосновении с другим звеном, называется элементом кинематической пары. Чтобы элементы пары находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута или геометрическим способом – за счет конструктивной формы звеньев, или силовым способом – силой тяжести, пружины, силой давления жидкости, газа и т.д. Поскольку через кинематическую пару передаются усилия от одного звена к другому, она во многом определяет работоспособность и надежность машины.
Из определения кинематической пары следует, что ее существование определяется тремя условиями: наличием двух звеньев, их непосредственным контактом, возможностью относительного перемещения одного звена относительно другого. Кинематическая пара перестает существовать, если нарушено хотя бы одно из этих условий.
Способ соединения звеньев накладывает на относительное движение каждого звена
(положение, скорость) кинематической пары ограничения, которые должны выполняться при любых силах, действующих на звенья. Эти ограничения называются связями. Следует отметить, что любую связь можно отбросить, заменив ее действие реакцией.
Кинематической цепью называют систему звеньев, связанных кинематическими
парами. Различают замкнутые цепи, в которых каждое звено входит не менее чем в две кинематические пары, и незамкнутые цепи, в которых есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару. Кинематические цепи бывают пространственными и плоскими.

Пространственные кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в
различных плоскостях.
Плоские кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в одной или
параллельных плоскостях.
Число степеней свободы или подвижность механизма - число независимых
обобщенных координат однозначно определяющее положение всех его звеньев на
плоскости или в пространстве.
Таким образом, каждый механизм имеет стойку и подвижные звенья, среди которых выделяют входные, выходные и промежуточные звенья.
Для определения положений звеньев механизма при кинематическом анализе одному или нескольким звеньям механизма приписываются (назначаются) обобщенные координаты (мысленно задается движение).