Filimonov_KONSPEKT_TMM

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Уральского государственного технологического университета – УПИ»

Филимонов И.Е.

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

Конспект лекций для студентов машиностроительных специальностей

всех форм обучения

Нижний Тагил

2008

2

УДК 621.01

Научный редактор: докт. техн. Наук, проф. М.А.Никитин

Филимонов И.Е.

Теория механизмов и машин [Электронный ресурс] : конспект лекций для студентов машиностроительных специальностей всех форм обучения. – Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2008. – 66 с.

Предназначен для студентов машиностроительных специальностей при изучении дисциплины «Теория механизмов и машин».

	3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ.................................	5
1.1. ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА И МАШИНЫ. ВИДЫ МАШИН ......................	5
1.2. СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ........................................................................	7
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ..........................................	7
1.3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ........................................................................	10
1.4. ВИДЫ ЗВЕНЬЕВ МЕХАНИЗМА.................................................................	11
1.5. СЕМЕЙСТВА МЕХАНИЗМОВ....................................................................	12
1.6. ПРИМЕРЫ МЕХАНИЗМОВ РАЗЛИЧНЫХ СЕМЕЙСТВ ........................	12
1.7. ПЛОСКИЕ МЕХАНИЗМЫ............................................................................	14
1.8. ГРУППЫ АССУРА.........................................................................................	16
1.9.ПРИНЦИП СИНТЕЗА ПЛОСКИХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ.........	18
1.10. ГРУППЫ АССУРА ТРЕТЬЕГО КЛАССА.................................................	22
1.11. ВИДЫ РЫЧАЖНЫХ ЗВЕНЬЕВ.................................................................	23
1.12. ЛИШНИЕ СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ ..................................................	25
1.13. ПАССИВНЫЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СВЯЗИ..........................................	25
2. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ .................................	27
2.1. АНАЛИЗ КРИВОШИПНО-КОРОМЫСЛОВОГО МЕХАНИЗМА...........	27
2.2. ЦИКЛЫ В РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМАХ.................................................	28
2.3. ДИАГРАММА ФУНКЦИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОРОМЫСЛА................	29
2.4. УСЛОВИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ ККМ........................................................	30
2.5. МЕХАНИЗМЫ С КВАЗИОСТАНОВКОЙ..................................................	31
2.6. УГОЛ ПЕРЕДАЧИ ККМ................................................................................	32
2.7. ВАРИАНТЫ СБОРКИ ККМ..........................................................................	33
2.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗВЕНЬЕВ ККМ...........................................	33
2.9. АНАЛИЗ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОГО МЕХАНИЗМА ....................	35
2.10. УГОЛ ДАВЛЕНИЯ.......................................................................................	36
В КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОМ МЕХАНИЗМЕ...........................................	36
2.11. УСЛОВИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ................................................................	37
КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОГО МЕХАНИЗМА.............................................	37
2.12. МЕРТВЫЕ ТОЧКИ.......................................................................................	37
В КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОМ МЕХАНИЗМЕ...........................................	37
2.13. ВАРИАНТЫ СБОРКИ .................................................................................	38
КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОГО МЕХАНИЗМА.............................................	38
2.14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ......................................................................	38
В КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННОМ МЕХАНИЗМЕ...........................................	38
2.15. АНАЛИЗ КРИВОШИПНО-КУЛИСНОГО МЕХАНИЗМА.....................	39
2.16. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗВЕНЬЕВ...................................................	40
2.17. ВАРИАНТЫ СБОРКИ ККМ........................................................................	40
2.18. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ..............................................................	41

	4
3. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ..................	42
3.1. ЗАДАЧИ КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА............................................	42
3.3. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА........	43
3.3.1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
КИНЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА.................................................................	43
3.3.2. МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КООРДИНАТ.......................................	47
3.4. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МЕХАНИЗМОВ В ЛИНЕЙНЫХ И
БЕЗРАЗМЕРНЫХ ВИДАХ...................................................................................	48
4. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ПЛОСКИХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ................	51
4.1. ЗАДАЧИ СИЛОВОГО АНАЛИЗА...............................................................	51
4.2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СИЛОВОГО АНАЛИЗА...........................	55
4.2.1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД.....................................................................	55
4.3. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ВХОДНОГО ЗВЕНА (КРИВОШИПА) ..................	58
4.4. ГОДОГРАФ.....................................................................................................	60
4.5. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД........................................................................	61
ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИЙ В КП......................................................................	61
4.6. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ............................................	63
В МЕХАНИЗМАХ.................................................................................................	63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................	66

5

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ

1.1. ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА И МАШИНЫ. ВИДЫ МАШИН

Механизм и машина – это системные объекты, создаваемые Человеком. Для начала определим, что есть система, поскольку это понятие в дальнейшем будет широко использоваться в курсе.

Системой назовем совокупность материальных или нематериальных объектов (возможно, их сочетание) непосредственно связанных и взаимодействующих между собой или не взаимодействующих вовсе, которые объединены общей концепцией или необходимостью, а также свойством сохранения общей совокупности в неизменном или изменяющемся виде.

Исходным понятием для определения механизма и машины является техническое устройство.

Техническим устройством назовем материальный объект, созданный по инициативе и при участии Человека и предназначенный для выполнения конкретной цели. Представляет собой изделие, сооружение, совокупность природных объектов, преобразованных Человеком, а применительно к нашей теме - деталь, сборочный узел, автономный агрегат или их сочетание.

Механизм – это техническое устройство, предназначенное для преобразования движения одних твердых тел в требуемые движения других твердых тел.

Если промежуточные тела в механизме жидкие или газообразные, то такие механизмы называются гидравлическими или пневматическими.

Машина – это техническое устройство, имеющее в своем составе двигатель(и), системы механизмов, и других технических устройств, включающих системы регулирования и управления, предназначенное для выполнения целей функционального назначения.

Цели функционального назначения указаны в паспорте машины, но прежде, они формулируются в техническом задании на проектирование машины.

По функциональному назначению машины можно классифицировать следующим образом:

1). Энергетические машины – предназначены для преобразования какоголибо вида энергии (электрической, тепловой, электромагнитной, механической) в механическую энергию или, наоборот, механическую в другие виды.

Примеры: электрогенератор преобразует рабочую механическую энергию в энергию электрического тока; электродвигатель преобразует электрическую энергию в рабочую механическую энергию; гидродвигатель преобразует и передает рабочую механическую энергию для преодоления рабочих (технологических) нагрузок и перемещения рабочего звена машины.

Все остальные, перечисляемые ниже виды машин, имеют в своем составе обязательно одну или несколько энергетических машин (двигателей).

2). Технологические машины – используются для преобразования материалов.

6

Под преобразованием понимаем изменение размеров исходного материала, а также изменение физических и даже химических свойств.

Примеры: весь парк металлорежущего оборудования; насосы и компрессоры; кузнечно-прессовое и прокатное оборудование; термопластавтоматы; ткацкие и вязальные машины; машины для приготовления рабочих материалов и смесей; машины пищевой промышленности; сельскохозяйственные машины.

3). Транспортные машины – используются для перемещения масс в пространстве.

Примеры: автомобили; локомотивы; суда (морские, речные); воздушный транспорт; транспортеры – служат для перемещения масс на малые расстояния (ленточные, ковшовые, скребковые, шнековые, вибрационные, инерционные; краны – производят перемещение масс по воздуху, включая их подъем и опускание (автомобильные, башенные, грейферные, портальные, мостовые, консольно-поворотные, тали ).

4). Сервисные машины – предназначены для замены ручного неквалифицированного труда Человека.

Примеры: стиральные машины; посудомоечные машины; поливальные машины; снегоуборочные машины; пылесосы.

5). Дорожно-строительные и инженерные машины – предназначены для строительства дорог и прокладки коммуникаций.

Примеры: экскаваторы; бульдозеры; ПУМы.

6). Машины для ведения боевых и военных действий. Используются: как фактор сдерживания и упреждения агрессии, для показательного и демонстрационного эффекта, как средство для подготовки и обучения личного состава и, в крайнюю очередь, для поражения объектов противника.

Примеры: танки; боевые машины пехоты; самоходные артиллерийские установки; бронетранспортеры; боевые корабли.

Для военных действий используются военные и военно-инженерные машины, предназначенные для эвакуации, ремонта, безопасности и инженерных работ.

Примеры: саперные машины; машины-понтоны; ремонтные бронетранспортеры.

7). Информационные машины – предназначены для переработки и преобразования информации. В основном используются как встроенные в вышеперечисленные.

8). Машины-тренажеры – предназначены для воспроизведения условий работы других машин, а также имитации различных процессов (например, технологических), реальных или игровых ситуаций.

Примеры: учебное и учебно-лабораторное оборудование.

9). Машины-игрушки – предназначены для проведения досуга или для забавы.

Примеры: игровые автоматы.

Поскольку основной частью машины является совокупность механизмов, в дальнейшем, в рамках нашего курса, основное внимание уделим структуре

7

механизмов, а также кинематическим, силовым и динамическим взаимодействиям в них.

1.2. СТРУКТУРА МЕХАНИЗМОВ. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Кинематической парой (сокр. КП) – назовем подвижное соединение двух тел (рис 1.1.).

	z
	1
	y
x	2
	Рис 1.1.

Тела, входящие в КП будем называть звеньями кинематической пары. Звено может состоять из нескольких частей, неподвижно соединенных

между собой, которые назовем деталями.

То, чем звенья соприкасаются в КП, называется элементом кинематической пары (точка, линия, поверхность или их сочетание).

Каждое звено в кинематической паре имеет возможность независимо двигаться вдоль или вокруг координатных осей относительно другого звена этой пары. Такие возможные независимые относительные движения назовем степенями свободы в КП. Число степеней свободы обозначим Н.

КП накладывает также ограничения на относительное движение звеньев в паре вдоль или вокруг координатных осей. Эти ограничения (невозможные относительные движения) назовем кинематическими связями. Число кинематических связей обозначим S.

Соотношение между числом степеней свободы и числом кинематических

связей в паре выразим:
H = 6 −S ,	(1.1)
где 6 – максимальное количество	возможных движений свободного

твердого тела.

Все многообразие кинематических пар разделим на классы, в которых номер класса равняется числу кинематических связей в паре. Поскольку: 1 ≤ H ≤5 , то из (1.1) следует, что и 1 ≤ S ≤ 5 . Таким образом, все многообразие подвижно соединенных звеньев укладывается в пять классов кинематических пар.

Изобразим существующие в механизмах кинематические пары в виде таблицы (табл. 1.1.)

S	H
1	5
	/ /
2	4
	1
	/ /
3	3
	1

//

Схема

1 2

/ /

/ /

2

1 2

/

/

2

/ /		1

/

/

2

8

Табл 1.1. Классификация кинематических пар

		Условное	Наимено-
	Элемент	обозначение		Примеры
		(по ГОСТ )	вание
	точка		точечная	Шарико-
			простран-	винтовая
			ственная	передача,
				контакт шарика
				и наружного
				кольца
				подшипника.
	отрезок		линейчатая	Контакт
	прямой		простран-	ролика и
			ственная	наружного
				кольца
				подшипника.

окружность	сферическая	Контакт
или дуга		шарика с
окружности		наружным и
		внутренним
		кольцом
		шарикопод-
		шипника.
плоскость	плоскостная	Плоский
		контакт в
		подпятнике.
		Подпятник –
		упорный
		подшипник
сфера		скольжения.
	сферическая	Шаровая
	или	опора в
	сферическо-	подвеске
	шарнирная.	автомобиля.

					9
4	2		сочетание	профильная	Контакт
			отрезка		сопряженных
			прямой и		зубьев,
		1	круга на		кулачковая
			торце		пара.
		2	цилиндра
	2	1	цилиндричес	цилиндри-	Плунжерная
			кая	ческая	КП,
			поверхность		используется в
					гидравлических
					механизмах.
5	1		сочетание	цилиндри-	Встречается в
	2		цилиндри-	ческая,	подавляющем
			ческой и	шарнирная	большинстве
	1		торцовой		машин.
			поверхно-
			стей	пара: винт-
				гайка
	2	1	призмати-	поступа-	Перемещение
			ческая	тельная	суппортов в
			поверхность		металлоре-
					жущих станках
					по своим
					направляющим.

Виды КП исчерпывают все многообразие подвижных соединений. Низшей КП назовем такую КП, у которой элементом является поверхность,

сочетание поверхностей.

Высшей КП назовем такую КП, у которой элементом является точка или линия.

Анализируя таблицу, к низшим отнесем 5 и 3 классы КП, к высшим 4,2 и 1 классы.

10

1.3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Кинематическая цепь (КЦ) – последовательное соединение звеньев, образующих между собой кинематическую пару (рис 1.2.).

1

КП 5кл.

2

КП 3кл.

3

КП 5кл.		КП 3кл.

4

КП 1кл.

5

Рис. 1.2.

Кинематическая цепь, звенья которой движутся в одной или нескольких параллельных плоскостях является плоской. Если хотя бы для одного звена это условие не выполняется, то кинематическая цепь пространственная.

КЦ бывают замкнутыми, если у них нет свободных элементов КП и разомкнутыми, если такие элементы есть. Разомкнутые КЦ применяют в механизмах роботов-манипуляторов, назначение которых перестановка предметов, остальные механизмы реализуются замкнутыми КЦ.

Формула для определения числа степеней свободы в КЦ:

n
H = 6 m − ∑Si = 6 m −(5 p5 + 4 p4 +3 p3 + 2 p2 + p1 ) ,	(1.2)

i=1

здесь m – число звеньев цепи,

p5 , p4 ...p1 количество кинематических пар 5-го, 4-го … 1-го классов

соответственно.

Определим число степеней свободы для указанного механизма:

H = 6 m −(5 p5 + 4 p4 +3 p3 + 2 p2 + p1 ) = 6 5 −(5 2 + 4 0 +3 2 + 2 0 +1) =13 , т.е.

механизм имеет 13 независимых движений звеньев.

Для того чтобы из кинематической цепи получить механизм, необходимо КЦ подвижно присоединить к одному или нескольким неподвижным звеньям одной или несколькими КП либо одно или несколько звеньев в цепи сделать неподвижными (рис.1.3.). В дальнейшем неподвижное звено будем называть стойкой.

Степень свободы механизма вычисляем относительно стойки, с которой свяжем систему координат, и будем называть степенью подвижности механизма - W.