Структурний аналіз механізмів
1.Основні поняття та визначення в теоріїмеханізмів
2. Кінематичні пари та їх класифікація
3. Кінематичні ланцюги
4. Ступінь рухливості плоского кінематичного ланцюга
Тема контрольної роботи «Структурний аналіз механізмів» з дисципліни «Теорія механізмів та машин».
Ціль роботи: формування знань структурного аналізу механізмів.
Завдання роботи: ознайомитись із принципами утворення механізмів та системою їх класифікації.
Основні питання теми:
- основні поняття та визначення в теорії механізмів;
- кінематичні пари та їх класифікація;
- ступінь рухливості плоского кінематичного ланцюга;
- принцип утворення механізмів.
1.Основні поняття та визначення в теоріїмеханізмів
Теорія механізмів та машин вивчає будову, кінематику та динаміку механізмів та машин.
Механізмом називається штучно створена система тіл, призначена для перетворення руху одного або декількох тіл на необхідні рухи інших тіл.
Тверді тіла, що входять до складу механізму, називаються ланками.
Кожна рухома деталь або група деталей, що утворює одну жорстку рухому систему тіл, називається рухомою ланкою механізму.
Усі нерухомі деталі утворюють одну жорстку нерухому систему тіл, яку називають нерухомою ланкою або стійкою.
Отже, будь-який механізм має одну нерухому і одну або кілька рухомих ланок.
З'єднання двох сполучних ланок, що допускає їх відносний рух, називається кінематичною парою.
Поверхні, лінії, точки ланки, якими воно може стикатися з іншою ланкою, утворюючи кінематичну пару,називаються елементами ланки.
Пов'язана система ланок, що утворюють між собою кінематичні пари, називається кінематичним ланцюгом.
Механізм є кінематичний ланцюг, що використовується для здійснення необхідного руху.
Механізми, що входять до складу машини, різноманітні. З погляду їхнього функціонального призначення механізми машини поділяються на такі види:
а) механізми двигунів та перетворювачів:
механізми двигунів здійснюють перетворення різних видів енергії на механічну роботу;
механізми перетворювачів здійснюють перетворення механічної роботи на інші види енергії;
б) передавальні механізми, що здійснюють передачу руху від двигуна до технологічної машини або виконавчого органу;
в) виконавчі механізми, що безпосередньо впливають на оброблюване середовище або об'єкт;
г) механізми управління, контролю та регулювання, що здійснюють управління технологічним процесом, контроль тощо;
д) механізми автоматичного рахунку, зважування та пакування, що застосовуються в машинах, що випускають масову штучну продукцію.
2. Кінематичні пари та їх класифікація
Головною властивістю пари є кількість геометричних параметрів, за допомогою яких можна визначити відносне становище зв'язаних ланок. Наприклад, при зіткненні поверхні обертання відносне положення ланок цілком визначається завданням лише одного параметра – кута відносного повороту ланок у площині, перпендикулярної осі обертання.
При дотику по сферичній поверхні таких параметрів вже три – це кути повороту навколо трьох взаємно перпендикулярних осей, що перетинаються у центрі сфери.
Отже, елементи кінематичної паринакладають на відносний рух ланок деякі обмеження, пов'язуючи між собою певним чином координати точок обох ланок.
Обмеження, що накладаються елементами кінематичної пари на відносний рух ланок, що утворюють пару, називають зв'язками, а управління, що виражають ці обмеження – рівняннями зв'язку.
Розглянемо, які зв'язки та в якій кількості можуть бути накладені на відносний рух ланок кінематичної пари.
Як відомо, у загальному випадку будь-яке вільно тверде тіло, що вільно рухається в просторі, має шість ступенів свободи:
трьома обертаннями навколо осей X, Y, Z і трьома поступальними рухами вздовж тих самих осей.
Зв'язки, накладені на відносний рух ланки кінематичної пари, обмежують ті ж можливі відносні рухи, якими мають ланки у вільному стані.
В результаті цих обмежень деякі з шести можливих відносних рухів ланки, що вільно рухається, стають для нього пов'язаними. Можливі рухи, що залишилися незалежними, визначають число ступенів свободи ланок кінематичної пари в їх відносному русі.
Кінематичні пари в залежності від кількості умов зв'язку, що накладаються на відносний рух її ланок, розділені на п'ять класів:
- пара I класу – (рис.1 а) п'ятирухома пара, має число ступенів свободи ланок, що дорівнює п'яти і кількість умов зв'язку, що дорівнює 1;
- пара II класу - (рис.1 б) чотирирухлива пара, число ступенів свободи ланки кінематичної пари дорівнює чотирьом, число умов зв'язку дорівнює 2;
- пара IIIкласса – (рис.1, і, г)трехподвижная пара, число ступенів свободи ланки кінематичної пари дорівнює трьом, число умов зв'язку – 3;
- пара IV класу - (рис.1 д, і,е)дворухлива пара, число ступенів свободи ланки дорівнює 2, число умов зв'язку - 4;
- пара Vкласу – (рис.1 ж, з. і) однорухлива (обертальна пара), число ступенів свободи ланки дорівнює одиниці, кількість умов зв'язку дорівнює 5.
Кінематичні пари поділяються на просторові та плоскі. Просторовими кінематичними парами називається пара, точки ланок яких у відносному русі описують просторові криві. Плоськими кінематичними парами називаються такі пари, точки ланок яких у відносному русі переміщаються у паралельних площинах, тобто. їх траєкторії є плоскими кривими. У сучасному машинобудуванні особливо широке застосування отримали плоскі механізми, ланки яких входять до пар IV і V класів.
Кінематичні пари різняться також характером дотику ланок. Якщо елементи кінематичної пари такі, що з кожному відносному становищі ланок вони мають зіткнення поверхнею, пару називають нижчою. Якщо ж дотик відбувається в окремих точках або лініях, то пару називають вищою.
При відносному русі ланок, що утворюють нижчу пару, поверхні їхнього дотику ковзають один по одному. Якщо ж ланки утворюють вищу пару, їх відносний рух може відбуватися як із ковзанні елементів пари, і без нього – перекочуванням.
3. Кінематичні ланцюги
Кінематичні ланцюги характером відносного руху ланок поділяються на плоскі і просторові. Кінематичний ланцюг називається плоским, якщо точки його ланок описують траєкторії, що лежать у паралельних площинах. Кінематичний ланцюг називається просторовим, якщо точки його ланок описують неполоскі траєкторії або траєкторії, що лежать у перетинаютьсяплощин.
За видом ланок, що входять до кінематичних ланцюгів, останні поділяються на прості та складні.
Простим називається такий ланцюг, у якого кожна ланка входить не більше ніж у дві кінематичні пари (рис.2).
Складним кінематичним ланцюгом називається ланцюг, в якому є хоча б одна ланка, що входить більш ніж у дві кінематичні пари (рис.3).
Замкнутою називається кінематичний ланцюг, кожна ланка якого входить у дві та більше кінематичних пар.
Незамкненим кінематичним ланцюгом називається кінематичний ланцюг, в якому є ланки, що входять лише в одну кінематичну пару.
При рівній кількості рухомих ланок замкнуті ланцюги мають менше ступені свободи, ніж незамкнуті. Замкнуті ланцюги широко застосовуються у кінематичних ланцюгах робочих машин, верстатів, автоматів тощо, розімкнені – у ланцюгах маніпуляторів та роботів.
У машинах зазвичай застосовуються такі кінематичні ланцюги, які мають одне з ланок нерухомо, тобто. є стійкою. Наприклад, у механізмі двигуна внутрішнього згоряння кривошип, шатун, поршень і циліндр утворюють кінематичний ланцюг, у якого нерухомою ланкою (стійкою) є циліндр з рамою двигуна (рис.4 а,б).
Ланка механізму, на яке діють зовнішні сили, що приводять його в рух, називається провідним. Ланка, до якої докладено корисні опори, заради подолання яких побудований механізм, називається веденим.
При дослідженні кінематики механізму рух однієї з ланок вважають заданим. Його називають вхідним. Ланку, рух якої хочуть визначити залежно від руху вхідного, називають вихідним. У нашому прикладі повзун – вихідна ланка, кривошип – вхідна.
4.Ступінь рухомості плоскоїкінематичноїланцюги
кінематичний пар ланцюг плоский механізм
Кожне вільне тіло при плоскопаралельному русі має три ступені свободи, тому до з'єднання К-ланок в кінематичні пари всі вони мали ЗК ступенями свободи.
При з'єднанні ланок у кінематичні пари останні забирають у них певну кількість ступенів свободи: пари V-го класу в плоских механізмах забирають два ступені свободи (з трьох), залишаючи один; пари IV класу віднімають один ступінь свободи, залишаючи дві.