1.3.2 Классификация кинематических пар

Пару называют низшей, если элементы звеньев соприкасаются только по поверхности, и высшей, если контакт только по линии или в точках (подшипники качения и скольжения).

Кинематические пары классифицируют по числу H степеней свободы в относительном движении звеньев и по числу S условий связи (ограничений).

Так как для свободного тела в пространстве число степеней свободы равно 6, то H и S связаны соотношением H = 6 - S. При S = 0 пары не существует, а имеются два тела, двигающихся независимо друг от друга. При S = 6 кинематическая пара становится жестким соединением, т.е. одним звеном. Отсюда классификация пар - одноподвижные, 2^х, 3^х, 4 ^х и 5^и -подвижные.

Примеры: вращательная одноподвижная (шарнир дверной); поступательная одноподвижная (спичечный коробок); цилиндрическая двухподвижная (шток в сальнике); сферическая трехподвижная (плечевой сустав).

1.3.3 Виды механизмов и их структурные схемы

Различают механизмы с низшими и высшими кинематическими парами, плоские и пространственные. Наиболее распространенные механизмы с высшими парами - кулачковые, зубчатые, фрикционные, мальтийские и храповые; с низшими - рычажные, клиновые и винтовые.

1.3.4 Структурный анализ и синтез механизмов. Влияние избыточных связей на работоспособность и надежность машин

Важнейшей задачей структурного анализа при конструировании машин является выявление и устранение избыточных связей в кинематических цепях механизма или сведение их к минимуму. Механизм с избыточными связями нельзя собрать без деформирования звеньев при существенных допусках на размеры этих звеньев.

Поэтому такие механизмы требуют повышенной точности изготовления. При недостаточной точности изготовления механизма с избыточными связями трение в кинематических парах может сильно увеличиваться и привести к заклиниванию звеньев. С этой точки зрения избыточные связи в механизмах нежелательны. Однако в ряде случаев приходится сознательно проектировать статически неопределимые механизмы с избыточными связями.

Выше в качестве примера показан коленчатый вал четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Он образует с подшипником А одноподвижную вращательную пару, что вполне достаточно с точки зрения кинематики данного механизма с одной степенью свободы (W = 1). Однако, учитывая большую длину вала и значительные силы, нагружающие его, приходится добавлять подшипники А и А, иначе система будет неработоспособной из-за недостаточной прочности и жесткости. Если эти вращательные пары двухподвижные цилиндрические, то помимо 5^и основных связей будет наложено добавочных связей; при этом потребуется высокая точность изготовления (расточка отверстий стойки и проточка шеек вала с одного установа) для обеспечения соосности всех трех опор, иначе вал будет сильно деформироваться, что приведет к недопустимо большим напряжениям.

В общем случае оптимальное решение следует искать, учитывая наличие необходимого технологического оборудования, стоимость изготовления, требуемый ресурс работы и надежность машины. Мы ограничимся здесь этим примером.

Чтобы конструкции кинематической пары были работоспособными и надежными в эксплуатации, предъявляют определенные требования к размерам, форме и относительному положению ее элементов. Это выражается в указании пределов отклонений от номинальных размеров и формы.

При разработке конструкций дополнительные элементы кинематических пар вводят для того, чтобы уменьшить давление и износ контактируемых поверхностей за счет перераспределения реактивных сил.

Особое внимание уделяется уменьшению деформаций под действием заданных сил путем установки дополнительных подшипников.

Схему кинематической пары, отражающей только необходимое число геометрических связей, соответствующее виду пары, называют основной (а).

Схему кинематической пары, отражающей как необходимые, так и избыточные локальные (дополнительные) связи, называют действительной (б). Дополнительные связи вносят статическую неопределенность. Число дополнительных связей в реальной конструкции пары называют степенью статической неопределимости кинематической пары.

Негативное влияние дополнительной опоры можно компенсировать, например, установкой сферических подшипников, допускающих некоторый перекос оси, и т.д.

Применение конструкций с дополнительными связями между элементами кинематической пары возможно при достаточной жесткости звеньев и особенно стойки (корпуса, станины, рамы). Деформация звеньев при воздействии нагрузок не должна приводить к заклиниванию элементов кинематических пар или их повышенному изнашиванию. Механизмы, которые удовлетворяют требованиям приспособляемости к деформации звеньев, надежности, долговечности и технологичности конструкции, обладают оптимальной структурой.