Основные виды механизмов. Механизмы в современной технике В какой современной технике используются механизмы

Просмотр: эта статья прочитана 5345 раз

Rar Выберите язык... Русский Украинский Английский

Краткий обзор

Полностью материал скачивается выше, предварительно выбрав язык

Одной из задач современной теории механизмов является изучение и систематизация громадного наследства, накопленного практическим машиностроением в виде различных механизмов, применяемых в самых разнообразных машинах, приборах и устройствах. Анализ этого материала по видам механизмов показал, что вся работа по их систематизации должна быть разбита на несколько этапов. Первый этап — сборники, включающие механизмы, применяемые в самых различных отраслях машиностроения. Следующий этап — сборники, посвященные отдельным отраслям машиностроения, например, механизмы точной механики, механизмы металлорежущих станков, механизмы авиадвигателей и т. д.

При отборе механизмов автор в основном дал схемы и описания механизмов общего назначения, или механизмов, применяемых в самых различных отраслях машиностроения. Но отдельные механизмы целевого, отраслевого направления были также включены в справочник как представляющие интерес не только для данной узкой отрасли, но и для других отраслей машиностроения. Эти механизмы выделены в отдельную подгруппу — механизмов целевых устройств. Кинематические пары и подвижные соединения даны автором не в схематическом, а в конструктивном изображении, с тем, чтобы облегчить конструктору процесс проектирования механизма. Автором был использован обширный материал на русском и иностранных языках.

С целью большей наглядности и удобства пользования настоящим справочным руководством при изображении механизмов, были взяты в основу не установленные соответствующими стандартами условные изображения звеньев и элементов кинематических: пар, а схематические обозначения, носящие пол у конструктивный характер, т. е. звенья и элементы кинематических пар изображались в виде условных стержней, ползунов, кулис и т. д., обладающих только приблизительно теми соотношениями размеров, которыми они могли бы обладать при их конструктивном оформлении.

Далее, в процессе обработки материала в большинстве случаев приходилось отказываться от точного изображения отдельных деталей механизмов, как это принято в чертежах конструкций, так как это потребовало бы введения в чертеж ряда дополнительных частностей, имеющих важное конструктивное значение, но затемняющих основное восприятие той формы движения, которая данным механизмом может быть воспроизведена. Особенно это относится к деталям рам, подшипников, стоек, к упорным кольцам, втулкам и т. д. Более того, некоторые условности, применяемые в современных чертежах конструкций в части разрезов, проекций, штриховки, изображения резьб, пунктиров и т. д., не всегда принимались во внимание, так как строгое их соблюдение нанесло бы ущерб ясности восприятия читателями кинематики и структуры механизмов.

Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи. Выполнен выбор материала, расчет допускаемых напряжений, расчет на контактную и изгибную прочность.

Пример решения задачи на изгиб балки
В примере построены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, найдено опасное сечение и подобран двутавр. В задаче проанализировано построение эпюр с помощью дифференциальных зависимостей, провелен сравнительный анализ различных поперечных сечений балки.

Пример решения задачи на кручение вала
Задача состоит в проверке прочности стального вала при заданном диаметре, материале и допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры крутящих моментов, касательных напряжений и углов закручивания. Собственный вес вала не учитывается

Пример решения задачи на растяжение-сжатие стержня
Задача состоит в проверке прочности стального стержня при заданных допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры продольных сил, нормальных напряжений и перемещений. Собственный вес стержня не учитывается

Применение теоремы о сохранении кинетической энергии
Пример решения задачи на применение теоремы о сохранение кинетической энергии механической системы

Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям движения
Пример решение задачи на определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям движения

Определение скоростей и ускорений точек твердого тела при плоскопараллельном движении
Пример решения задачи на определение скоростей и ускорений точек твердого тела при плоскопараллельном движении

Определение усилий в стержнях плоской фермы
Пример решения задачи на определение усилий в стержнях плоской фермы методом Риттера и методом вырезания узлов

Применение теоремы об изменении кинетического момента
Пример решения задачи на применение теоремы об изменении кинетического момента для определения угловой скорости тела, совершающего вращение вокруг неподвижной оси.

Весьма разнообразны. Одни из них представляют собой сочетание только твердых тел, другие имеют в своем составе гидравлические, пневматические тела или электрические, магнитные и другие устройства. Соответственно такие механизмы называются гидравлическими, пневматическими, электрическими и т.д.

С точки зрения их функционального назначения механизмы обычно делятся на следующие виды:

Механизмы двигателей осуществляют преобразование различных видов энергии в механическую работу (например, механизмы двигателей внутреннего сгорания, паровых машин, электродвигателей, турбин и др.).

Механизмы преобразователей (генераторов) осуществляют преобразование механической работы в другие виды энергии (например, механизмы насосов, компрессоров, гидроприводов и др.).

Передаточный механизм (привод) имеет своей задачей передачу движения от двигателя к технологической машине или исполнительному механизму, преобразуя это движение в необходимое для работы данной технологической машины или исполнительного механизма.

Исполнительный механизм – это механизм, который непосредственно воздействует на обрабатываемую среду или объект. В его задачу входит изменение формы, состояния, положения и свойств обрабатываемой среды или объекта (например, механизмы металлообрабатывающих станков, прессов, конвейеров, прокатных станов, экскаваторов, грузоподъемных машин и др.).

Механизмами управления, контроля и регулирования называются различные механизмы и устройства для обеспечения и контроля размеров обрабатываемых объектов (например измерительные механизмы по контролю размеров, давления, уровней жидкости; регуляторы, реагирующие на отклонение угловой скорости главного вала машины и устанавливающие заданную скорость этого вала; механизм, регулирующий постоянство расстояния между валками прокатного стана, и т.д.).

К механизмам подачи транспортировки, питания и сортировки обрабатываемых сред и объектов относятся механизмы винтовых шнеков, скребковых и ковшевых элеваторов для транспортировки и подачи сыпучих материалов, механизмы загрузочных бункеров для штучных заготовок, механизмы сортировки готовой продукции по размерам, весу, конфигурации и т.д.

Механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки готовой продукции применяются во многих машинах, в основном выпускающих массовую штучную продукцию. Надо иметь в виду, что эти механизмы могут быть и исполнительными механизмами, если они входят в специальные машины, предназначенные для этих целей.

Данная классификация показывает лишь многообразие функционального применения механизмов, которая может быть еще значительно расширена. Однако для выполнения различных функций часто применяются механизмы, имеющие одинаковое строение, кинематику и динамику. Поэтому для изучения в теории механизмов и машин выделяются механизмы, имеющие общие методы их синтеза и анализа работы, независимо от их функционального предназначения. С этой точки зрения выделяются следующие виды механизмов.

В этом разделе представлены простейшие механизмы машин и отражены принципы и условия передачи движения в них, характеристики статики, кинематики и динамики цепей привода, а также надежности деталей и узлов по критериям прочности, усталости, износостойкости. Помимо этого уделено внимание элементам теории управления применительно к системам управления строительными машинами, рассмотрены основы теории их рабочих процессов тяговой динамики и производительности. Сформированные здесь сведения составляют основы прикладной механики машин и являются ключом к пониманию принципов их действия и эксплуатации.

Механизмы машин

Твёрдое тело, входящее в состав механизма, называют звеном. В каждом механизме имеется неподвижное звено, или условно принимаемое за такое - стойка, а также подвижные звенья. В механизме выделяют одно входное звено, получающее движение от двигателя непосредственно или с помощью механизмов, и одно выходное звено, реализующее требуемое движение для дальнейшей передачи его рабочему органу или движителю машины.

Подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающих относительное движение, называют кинематической парой. Их разделяют по характеру звеньев (плоские, цилиндрические, сферические и др.), траектории взаимного движения (поступательная, вращательная, винтовая) и числу степеней свободы (одно-, двух-, трёх-, четырёх- и пятиподвижные) (рис.2.1).

Рис. 2.1. Типовые кинематические пары

Все кинематические пары по характеру контакта их звеньев разделяют на низшие и высшие. В нижних парах, реализующих требуемое относительное движение звеньев, их контакт происходит по поверхности при постоянном соприкосновении. К таким парам относят: вращательную, поступательную, винтовую, цилиндрическую, сферическую и плоскостную. В высших парах (зацепления) требуемое движение звеньев может быть получено только при соприкосновении ее элементов по линиям и в точках. Механизмы с такими парами обладают практически неограниченными возможностями для воспроизведения любого закона движения. Система звеньев, соединенная кинематическими парами, называют кинематической цепью, которые разделяют на замкнутые и незамкнутые.

Формирование кинематических пар и механизмов в целом осуществляется путем сборки отдельных звеньев - деталей. С целью обеспечения взаимозаменяемости деталей, возможности их сборки в узлы без дополнительных подгонок, они изготовляются с определенными, заранее заданными отклонениями от номинального размера. Это обусловлено тем, что при изготовлении даже одной детали невозможно добиться того, чтобы её размеры были абсолютно верны. Разность между наибольшими и наименьшими предельными размерами называется допуском. В зависимости от требований, предъявляемых к соединяемым деталям, задаются различные величины допусков, характеризующие класс точности. Всего установлено 19 квалитетов. В строительно-дорожном машиностроении наиболее применяемыми являются 6÷8й (IT 6÷8). Характер соединения деталей называют посадкой, которая определяется разностью размеров деталей соединения: отверстия и вала. Посадки подразделяют на три группы: с зазором, с натягом и переходные, при которых возможно получение как зазоров, так и натягов в зависимости от полей допусков сопрягаемых деталей. Указанные выше виды посадок реализуются технологическими процессами сборки, осуществляемыми с применением соединений: шпоночных, шлицевых, клеммовых, клиновых и других, позволяющих обеспечить один из видов соединений детали с валом: свободное при вращении, подвижное без вращения и глухое (жесткое).

Содержание статьи

МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ, механические устройства, облегчающие труд и повышающие его производительность. Машины могут быть разной степени сложности – от простой одноколесной тачки до лифтов, автомобилей, печатных, текстильных, вычислительных машин. Энергетические машины преобразуют один вид энергии в другой. Например, генераторы гидроэлектростанции преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию бензина в тепловую, а затем в механическую энергию движения автомобиля ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; ТУРБИНА) . Так называемые рабочие машины преобразуют свойства или состояние материалов (металлорежущие станки, транспортные машины) либо информацию (вычислительные машины).

Машины состоят из механизмов (двигательного, передаточного и исполнительного) – многозвенных устройств, передающих и преобразующих силу и движение. Простой механизм, называемый полиспастом (см . БЛОКИ И ПОЛИСПАСТЫ) , увеличивает силу, приложенную к грузу, и за счет этого позволяет вручную поднимать тяжелые предметы. Другие механизмы облегчают работу, увеличивая скорость. Так, велосипедная цепь, входящая в зацепление со звездочкой, преобразует медленное вращение педалей в быстрое вращение заднего колеса. Однако механизмы, увеличивающие скорость, делают это за счет уменьшения силы, а увеличивающие силу – за счет уменьшения скорости. Увеличить одновременно и скорость и силу невозможно. Механизмы могут также просто изменять направление силы. Пример – блок на конце флагштока: чтобы поднять флаг, тянут за шнур вниз. Изменение направления может сочетаться с увеличением силы или скорости. Так, тяжелый груз можно приподнять, нажимая на рычаг вниз.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Основной закон.

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии. В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Выигрыш в силе или скорости.

Механизмы, как указывалось выше, могут применяться для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш в силе или скорости – это коэффициент увеличения силы или скорости, который был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный выигрыш на практике недостижим. Реальный выигрыш, например в силе, равен отношению силы (называемой нагрузкой), которую развивает механизм, к силе (называемой усилием), которая прикладывается к механизму.

Механический КПД.

Коэффициентом полезного действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. КПД рычага может быть очень высоким – до 90% и даже больше. В то же время КПД полиспаста из-за значительного трения и массы движущихся частей обычно не превышает 50%. КПД домкрата может составлять лишь 25% из-за большой площади контакта между винтом и его корпусом, а следовательно, большого трения. Это приблизительно такой же КПД, как у автомобильного двигателя. См . АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ.

КПД можно в известных пределах повысить, уменьшив трение за счет смазки и применения подшипников качения.

ПРОСТЕЙШИЕ МЕХАНИЗМЫ

Простейшие механизмы можно найти почти в любых более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах – рычаге и наклонной плоскости, – так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт – варианты наклонной плоскости.

Рычаг.

Это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла.

Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 1). Идеальный выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния D E от точки приложения усилия до точки опоры к расстоянию D L от точки приложения нагрузки до точки опоры. Для рычага I рода расстояние D E обычно больше D L , а поэтому идеальный выигрыш в силе больше 1. Для рычага II рода идеальный выигрыш в силе тоже больше единицы. Что же касается рычага III рода, то величина D E для него меньше D L , а стало быть, больше единицы выигрыш в скорости.

Блок.

Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в грузоподъемных устройствах. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 2). Блок с закрепленной осью действует как рычаг I рода с точкой опоры на его оси. Поскольку плечо усилия равно плечу нагрузки (радиус блока), идеальный выигрыш в силе и скорости равен 1. Подвижный же блок действует как рычаг II рода, поскольку нагрузка расположена между точкой опоры и усилием. Плечо нагрузки (радиус блока) вдвое меньше плеча усилия (диаметр блока). Поэтому для подвижного блока идеальный выигрыш в силе равен 2.

Более простой способ определения идеального выигрыша в силе для блока или системы блоков – по числу параллельных концов каната, удерживающих нагрузку, как это нетрудно сообразить, взглянув на рис. 2.

Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.

Дифференциальный ворот.

Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси (рис. 3), например, колодезный ворот с ручкой.

Дифференциальный ворот может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от того, где прилагается усилие, а где – нагрузка, поскольку он действует как рычаг I рода. Точка опоры расположена на закрепленной (фиксированной) оси, а поэтому плечи усилия и нагрузки равны радиусам соответствующих колес. Пример такого устройства для выигрыша в силе – отвертка, а для выигрыша в скорости – шлифовальный круг.

Зубчатые колеса.

Система двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, сидящих на валах одинакового диаметра (рис. 4), в какой-то мере аналогична дифференциальному вороту . Скорость вращения колес обратно пропорциональна их диаметру. Если малая ведущая шестерня A (к которой приложено усилие) по диаметру вдвое меньше большого зубчатого колеса B , то она должна вращаться вдвое быстрее. Таким образом, выигрыш в силе такой зубчатой передачи равен 2. Но если точки приложения усилия и нагрузки поменять местами, так что колесо B станет ведущим, то выигрыш в силе будет равен 1/2, а выигрыш в скорости – 2.

Наклонная плоскость.

Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия. К таким устройствам относятся пандусы, эскалаторы, обычные лестницы, а также конвейеры (с роликами для уменьшения трения).

Идеальный выигрыш в силе, обеспечиваемый наклонной плоскостью (рис. 5), равен отношению расстояния, на которое перемещается нагрузка, к расстоянию, проходимому точкой приложения усилия. Первое есть длина наклонной плоскости, а второе – высота, на которую поднимается груз. Поскольку гипотенуза больше катета, наклонная плоскость всегда дает выигрыш в силе. Выигрыш тем больше, чем меньше наклон плоскости. Этим объясняется то, что горные автомобильные и железные дороги имеют вид серпантина: чем меньше крутизна дороги, тем легче по ней подниматься.

Клин.

Это, в сущности, сдвоенная наклонная плоскость (рис. 6). Главное его отличие от наклонной плоскости в том, что она обычно неподвижна, и груз под действием усилия движется по ней, а клин вгоняют под нагрузку или в нагрузку. Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях, как топор, зубило, нож, гвоздь, швейная игла.

Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина, в отличие от других простейших механизмов, трудно определить. Сопротивление, встречаемое им, непредсказуемо меняется для разных участков его «щек». Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения.

Винт.

Резьба винта (рис. 7) – это, в сущности, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления подъема наклонной плоскости винтовая резьба может быть левой (A ) или правой (B ). Сопрягающаяся деталь, естественно, должна иметь резьбу такого же направления. Примеры простых устройств с винтовой резьбой – домкрат, болт с гайкой, микрометр, тиски.

Поскольку резьба – наклонная плоскость, она всегда дает выигрыш в силе. Идеальный выигрыш равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию, проходимому при этом нагрузкой по оси винта. За один оборот нагрузка перемещается на расстояние между двумя соседними витками резьбы (a и b или b и c на рис. 7), которое называется шагом резьбы. Шаг резьбы обычно значительно меньше ее диаметра, так как иначе слишком велико трение.

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Комбинированный механизм состоит из двух или большего числа простых. Это не обязательно сложное устройство; многие довольно простые механизмы тоже можно считать комбинированными. Например, в мясорубке имеются ворот (ручка), винт (проталкивающий мясо) и клин (нож-резак). Стрелки наручных часов поворачиваются системой зубчатых колес разного диаметра, находящихся в зацеплении друг с другом. Один из наиболее известных несложных комбинированных механизмов – домкрат.

Домкрат (рис. 8) представляет собой комбинацию винта и ворота. Головка винта подпирает нагрузку, а другой его конец входит в резьбовую опору. Усилие прилагается к рукоятке, закрепленной в головке винта. Таким образом, расстояние усилия равно длине окружности, описываемой концом ручки. Длина окружности дается выражением 2p r , где p = 3,14159, а r – радиус окружности, т.е. в данном случае длина ручки. Очевидно, что чем длиннее ручка, тем больше идеальный выигрыш в силе. Расстояние, проходимое нагрузкой за один оборот ручки, равно шагу резьбы. В идеале можно получить очень большой выигрыш в силе, если длинную ручку сочетать с малым шагом резьбы. Поэтому несмотря на малый КПД домкрата (около 25%) он дает большой реальный выигрыш в силе.

Выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав. Так, идеальный выигрыш в силе (ИВС) для домкрата равен отношению длины окружности, описываемой ручкой, к шагу резьбы. Для входящего в состав домкрата ворота ИВС равен отношению длины окружности, описываемой ручкой (расстояние усилия), к длине окружности винта (расстояние нагрузки). Для винта домкрата ИВС равен отношению длины окружности винта (расстояния усилия) к шагу резьбы винта (расстоянию нагрузки). Перемножая ИВС отдельных механизмов домкрата, получаем для комбинированного механизма

ИВС = (Окружность ручки/Окружность винта) ґ

(Окружность винта/Шаг резьбы) = (Окружность ручки/Шаг резьбы).

Для более сложных комбинированных механизмов вычислить ИВС труднее. Поэтому для них обычно указывают лишь реальный выигрыш.

Раздел:
Короткий путь http://bibt.ru

СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ, МАШИНАХ И ДЕТАЛЯХ МАШИН

§ 26. ПОНЯТИЕ О МАШИНЕ И МЕХАНИЗМЕ.

Машина - сочетание механизмов, осуществляющих определенные целесообразные движения для выполнения определенной работы или преобразования энергии. Машины, преобразующие один вид энергии в другой, называют двигателями, например, электрические, гидравлические, пневматические. Машины, преобразующие размеры, форму, свойства материала называют машинами-орудиями или рабочими машинами. К ним относят металлорежущие, деревообрабатывающие, текстильные станки, транспортные устройства и т. д.

Круглошлифовальный станок выполняет полезную работу, шлифуя детали. Электродвигатели дают энергию, обеспечивающую вращение шлифовального круга, прямолинейное движение стола с деталью.

Каждая машина состоит из совокупности механизмов.

Механизм - совокупность подвижно соединенных между собой тел (звеньев), совершающих заранее заданные движения под действием приложенных сил.

В шлифовальных станках широко распространены механизмы, передающие движения: ременные, зубчатые, червячные и др.