1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.В. Гурецкий, А.И. Иванов

МЕХАНИКА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ ДИСЦИПЛИНЫ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Санкт-Петербург Издательство СЗТУ

2008

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.396(075.8)

Гурецкий, В.В. Механика.: учебно-методический комплекс (информационные ресурсы дисциплины: учебное пособие) / В.В. Гурецкий , А.И. Иванов . - СПб.: Изд-во CЗТУ, 2008. – 147 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

Данное учебное пособие является составной частью учебно-методического комплекса и соответствует тематическому плану дисциплины, приведенному в УМК.

Учебное пособие посвящено изучению структуры, кинематики, динамики и прочности машин и механизмов.

Учебное пособие предназначено для студентов третьего курса специальностей 080502.65 – финансы и кредит, 200402.65 – инженерное дело в медико-биологической практике, 210201.65 – проектирование и технология радиоэлектронных средств, 261001.65 – технология художественной обработки материалов.

Рецензенты: кафедра теоретической и прикладной механики СЗТУ (В.П. Уваров, д-р техн. наук, проф.); Ю.А. Семенов, канд. техн. наук, доц. кафедры ТММ СанктПетер-

бургского государственного политехнического университета.

©Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2008

©Гурецкий В.В., Иванов А.И., 2008

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Mеханика представляет собой комплексную общепрофессиональную дисциплину инженерно-технического цикла, предметом изучения которой является структура, кинематика, динамика и прочность машин, механизмов и составляющих их элементов.

Содержание курса прикладной механики и объем часов, отводимых на ее изучение, определяется государственными образовательными стандартами и типовыми учебными планами в зависимости от специальности и направления подготовки. Учебные планы подготовки инженеров-экономистов по специ-

альностям 080502.65, 200402.65, 210201.65, 261001.65 отводят на изучение механики всего один семестр.

Втакой ситуации авторы настоящего пособия, руководствуясь требованиями стандарта по содержанию курса прикладной механики, с одной стороны, и его малобюджетностью по времени, с другой,- были вынуждены включить в курс прикладной механики для перечисленных специальностей, лишь наиболее распространенные методы динамического и статического расчета механических систем с приложением этих методов к анализу достаточно широкого класса механизмов и машин с относительно простой кинематикой их звеньев.

Врезультате в настоящий курс прикладной механики вошли следующие разделы дисциплин:

1. Из теоретической механики – основные понятия механики и методы кинематического и динамического расчета поступательного, вращательного и плоского движений твердого тела.

2.Из теории машин и механизмов – методы структурного анализа кривошипных, рычажных и зубчатых механизмов с жесткими звеньями.

3.Из сопротивления материалов и деталей машин – методы и примеры расчета внутренних деталей в типовых звеньях механизмов, рассматриваемых как упругие тела, при их растяжении, сжатии, кручении и изгибе.

4

ВВЕДЕНИЕ

Как было сказано в предисловии, курс механики, предназначенный для студентов специальностей 080502.65, 200402.65, 210201.65, 261001.65 явля-

ется комплексной дисциплиной, включающей лишь основные положения теоретической механики, теории машин и механизмов, сопротивления материалов и деталей машин.

Все эти дисциплины имеют общий предмет изучения –тело или система тел, находящихся в равновесии или движущихся под действием приложенных к ним сил. С другой стороны, каждая из изучаемых дисциплин имеет индивидуальный набор основных понятий и определений относительно учета физических свойств тел, а также методов описания их движения или равновесия.

Так в теоретической механике физическое тело может трактоваться как точечное (модель тела – материальная точка) или как твердое тело конечного объема, состоящего из дискретного множества материальных точек, находящихся на неизменных расстояниях друг от друга (модель абсолютно твердого тела). Условия равновесия или движения тел вытекают из общих теорем динамики, выводимых из законов Ньютона, или из уравнений Лагранжа, выводимых из принципа возможных перемещений.

В теории машин и механизмов рассматривается движение несвободных, т.е. подчиненных связям, твердых тел, связанных друг с другом с помощью шарниров или контактирующих друг с другом участками своих поверхностей (модель механизма – система несвободных твердых тел). В структуре каждого механизма (машины) всегда имеется звено, жестко связанное с фундаментом, в свою очередь жестко связанным с земной поверхностью. Такое звено называется стойкой, принимается неподвижным и с ним связывается система отсчета, относительно которой движутся другие звенья.

5

Исследование движения отдельных звеньев и механизмов в целом ведется на основе общих теорем динамики, а силовой анализ механизма или машины на основе эквивалентного общим теоремам метода кинетостатики.

В сопротивлении материалов и в курсе деталей машин звенья машин и механизмов считаются упругими, т.е. изменяющими свою форму под силовой нагрузкой и принимающими исходную форму после ее снятия (модель абсолютно упругого тела). Перемещения отдельных точек упругого тела при его нагружении вычисляются в системе осей, жестко связанных с этим телом в его ненапряженном состоянии. Условия равновесия деформированного упругого тела содержат условия его равновесия в недеформированном состоянии, дополненных физическими уравнениями закона Гука, постулирующего линейную зависимость между деформацией тела и нагрузочными факторами.

Принимая во внимание все изложенное выше, авторы попытались изложить содержание курса прикладной механики с единых позиций, так чтобы несмотря на вынужденную краткость курса, читатель получил бы целостное представление как о самой дисциплине «Механика» и ее проблематике, так и о методах решения рассматриваемых в ней задач.

Механика как наука выделилась из теоретической механики в начале ХIХ века. Ее развитие связано с требованиями машинного способа производства, фундамент которой был заложен задолго до этого многими изобретателями и учеными (Архимедом (ок. 287-212 до н.э), Леонардо да Винчи (1452-1519), Ползуновым (1728-1766), Уаттом, Кулоном (1736-1806) и др.), разработавшими конструкции ткацких станков, печатных и деревообрабатывающих машин, движение механизмов часов и мельниц.

Значительный вклад в развитие прикладной механики внесли ученые и изобретатели: М.В. Ломоносов (1711-1765), Е.А. и М.Е. Черепановы - создатели первого в России паровоза, Г. Амонтон (1663-1705) и Ш. Кулон предложившие формулы для определения сил трения; Л.Эйлер (1707-1783), решивший ряд задач по кинематике и динамике твердого тела, а также,

6

занимавшийся вопросами практической механики, И.И. Кулибин (1735-1818) - создатель часов в форме яйца; П.Л. Чебышев (1868-1935), изобретатель более

40 новых механизмов; Р. Виллис (1800-1875); Л.В. Ассур (1878-1920); Н.В. Петров, Н.Е. Жуковский (1847-1921); В.П. Горячкин (1868-1935); И.И.

Артоболевский, Н.В. Беляев, Д.И. Журавский, Ф.С. Ясинский, А.Н. Крылов, Б.Г. Галеркин, С.П. Тимошенко, П.Ф. Папкович и многие другие ученые, внесшие большой вклад в развитие механики.

Одним из основных направлений развития современной техники является автоматизация всех видов производства, в которой робототехнические системы окажутся связующими отдельные технологические операции в единую цепь. В последние годы существенно повысились рабочие скорости машин, что привело не только к существенному увеличению динамических нагрузок на звенья машин и механизмов, но и к существенному увеличению вибраций.

Разработка методов технической диагностики применительно к машинамавтоматам, промышленным роботам и манипуляторам, двигателям, летательным аппаратам, основанных на объективных критериях качества, определяющих работоспособность и одновременно признаки дефектных состояний машин и механизмов является актуальной задачей.

Кристаллография и химия – полупроводники и тонкие пленки; появление микроэлектроники и интегральных схем; синтез искусственных алмазов (баразон, эльбор, славутич); обработка, сварка материалов взрывом, плазменная резка металла; применение порошковых технологий, вакуумных методов нанесения покрытий; прогресс в развитии физики и техники лазеров за последние годы привел к возникновению новых отраслей машиностроения.

7

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ СТРУКТУРЫ МЕХАНИЗМОВ

1.1. Основные понятия

Машины, приборы и приспособления, осуществляющие различные функции составляют основу современной техники.

Машиной называется устройство, предназначенное для преобразования движения или энергии, обработки материалов, перемещения грузов, а также накопления и переработки информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека.

В зависимости от вида преобразования энергии различают энергетические (электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, генераторы и т.д.); транспортные (все виды транспорта); технологические (ткацкие, металлообрабатывающие, деревообрабатывающие станки) и информационные (вычислительные, кибернетические и др.) машины.

Главное назначение машины – преобразование энергии, связанное с движением ее частей в механическую работу, предназначенную для выполнения того или иного рабочего процесса. Основу машин составляют механизмы. Механизмом называют устройство, в котором одни тела передают движение другим телам для преобразования движения. Понятие «механизм» является более широким, чем понятие «машина», «прибор» или «приспособление». Всякое из названных устройств является одновременно механизмом, но не наоборот [1], [7], [10], [12], [13].

Тела, образующие механизм, называются звеньями. Подвижное соединение двух звеньев, называют кинематической парой.

Звенья, соединенные кинематическими парами, образуют кинематическую цепь. Кинематическая цепь называется открытой, если она содержит хотя бы одно звено, входящее лишь в одну кинематическую пару (рис. 1.1, б), в противном случае кинематическая цепь называется замкнутой (рис. 1.1, а).