5.2. Структурный анализ механизмов
Под структурным анализом понимается определение степени подвижности механизма и разложение его кинематической цепи на структурные группы и ведущие звенья.
При составлении схем механизмов и других кинематических цепей применяются условные изображения согласно ГОСТ 2.770-68. При этом кинематические пары обозначаются заглавными буквами, а звенья – цифрами. Ведущее звено указывается стрелкой. Неподвижное звено (стойка) обозначается подштриховкой около кинематических пар.
Различают понятия структурная схема и кинематическая схема механизма. Кинематические схемы механизмов отличаются от структурных тем, что должны выполняться строго в масштабе и при заданном положении ведущего звена. В действительности это требование мало кто соблюдает. Если посмотреть паспорт любого станка или бытового прибора, то в приведенной “кинематической схеме” ни о каком масштабе речи не идет. Чтобы не нарушать ГОСТ 2.770-68, будем называть просто – схема механизма.
В шарнирно-рычажных механизмах звенья имеют свои названия:
- кривошип - вращающееся звено;
- коромысло - качающееся звено;
- шатун – звено, совершающее плоскопараллельное движение;
- ползун - звено, совершающее поступательное движение;
- направляющие - звенья, образующие поступательную пару с ползунами;
- кулисы - подвижные направляющие.
Валиками называются детали вращающихся звеньев, передающие крутящий момент. Ось – цилиндрическая деталь, которая охватывается элементами других звеньев и образует с ними вращательные пары – шарниры. Оси не передают крутящий момент.
Основные виды рычажных механизмов.
1
.
Кривошипно-ползунный
механизм.
а) центральный (рис.5.1);
б) внеосный (ε - эксцентриситет) (рис.5.2);
1 - кривошип, т.к. звено совершает полный оборот вокруг своей оси;
2 - шатун, не связан со стойкой, совершает плоское движение;
3 - ползун (поршень), совершает поступательное движение;
4 - стойка.
2. Четырехшарнирный механизм (рис.5.3).
Е
сли
звенья 1 и 3 – кривошипы, то механизм
двухкривошипный.
Если звено 1 – кривошип (совершает полный оборот), а звено 3 – коромысло (совершает неполный оборот), то механизм кривошипно-коромысловый.
Если звенья 1 и 3 – коромысла, то механизм двухкоромысловый.
3. Кулисный механизм (рис.5.4).
1 - кривошип;
2 - камень кулисы (втулка) вместе с звеном 1 совершает полный оборот вокруг А (1 и 2 одно и тоже), а также движется вдоль звена 3, приводя его во вращение;
3 - коромысло (кулиса).
4.Гидроцилиндр (рис.5.5)
(
в
кинематическом отношении подобен
кулисному механизму).
5.2.1. Степень подвижности механизма
Любое незакрепленное тело в пространстве имеет 6 степеней свободы.
Классификацию кинематических пар проводят либо по числу связей, либо по числу подвижностей. Ограничения, накладываемые на независимые движения звеньев, образующих кинематическую пару, называются – условия связи S.
Класс КП определяется числом ограничений движения или числом наложенных условий связей S или просто связей. Например, если кинематической паре доступно только одно движение из перечисленных 6-ти, то на остальные 5 движений введены ограничения и, следовательно, S=5.
Обозначим Н – подвижность, а S – число наложенных связей.
Можно записать
Н + S = 6 или Н = 6 – S, или S = 6 – Н.
Поэтому подвижность КП определяет число степеней свободы звеньев относительно друг друга.
При S=0 пары не существует, а имеется два независимых тела, движущихся независимо друг от друга. При S=6 кинематическая пара становится жестким соединением, т.е. одним звеном.
Зачастую бывает проще определить, сколько степеней свободы у звена осталось, чем сколько наложено связей. Например, у двери или форточки одна степень свободы. Элементом этой кинематической пары является поверхность (зазоров нет). Характер движения – вращение. Следовательно – это низшая, вращательная КП 5-го класса.
Существует 5 классов кинематических пар (таблица 5.1).
Таблица 5.1.
Число связей |
Класс КП |
Число подвижностей |
S=1 |
PI |
H=5 |
S=2 |
PII |
H=4 |
S=3 |
PIII |
H=3 |
S=4 |
PIV |
H=2 |
S=5 |
PV |
H=1 |
- низшие: вращательные и поступательные;
- высшие.
Контакт звеньев в низшей КП осуществляется по поверхности, в высшей КП – по линии или в точке.
Степенью подвижности механизма называется число степеней свободы механизма относительно неподвижного звена (стойки).