Часть 1. СТРУКТУРНЫЙ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ

МЕХАНИЗМЫ И МАШИНЫ

В современной технике применяют большое количество разных по устройству механизмов, предназначенных для воспроизведения определенного движения. Механизм составляет кинематическую основу машины или прибора. Механизм – совокупность подвижно соединенных между собой тел, позволяющая п р е о б р а з о в а т ь д в и ж е н и е одного или нескольких ведущих звеньев относительно звена, считаемого неподвижным (станины), в другую, строго определенную форму движения ведомого звена.

Таким образом, основное назначение механизма – передача или преобразование движения.

Простейшие механизмы (рычажные, зубчатые) были известны давно. Их исследовали, совершенствовали и применяли для облегчения труда человека.

Механизмы, входящие в состав машин, весьма разнообразны. Одни из них представляют собой сочетания только твердых тел, другие – имеют в составе гидравлические, пневматические, электрические и другие устройства. По своему функциональному назначению они делятся на виды:

а) механизмы двигателей и преобразователей;

б) передаточные механизмы;

в) исполнительные механизмы;

г) механизмы управления, контроля и регулирования;

д) механизмы подачи, транспортировки, сортировки, упаковки, автоматического взвешивания.

Несмотря на разное функциональное назначение, в их строении много общего. Так механизм поршневого двигателя, кривошипного пресса и привода ножа косилки имеют в своей основе один и тот же кривошипно-ползунный механизм.

Поэтому к исследованию механизмов с различными функциональными назначениями можно применять общие методы, базирующиеся на основных принципах механики.

Ведущей отраслью народного хозяйства является машиностроение. От уровня его развития зависит производительность общественного труда, благосостояние народа. Машина может заменить человека не только в физическом, но и в умственном труде (например, информационные машины), может заменять отдельные органы человека (протезы, искусственное сердце) и т. д.

Таким образом, машина – это устройство, выполняющее механические движения д л я п р е о б р а з о в а н и я э н е р г и и, материалов и информации в целях замены или облегчения труда человека.

Машины делятся на классы:

а) энергетические машины;

б) рабочие машины;

в) информационные машины;

г) кибернетические машины;

д) технологические машины.

С развитием современной науки и техники широко используются системы машин автоматического действия. Совокупность машин-автоматов, предназначенных для выполнения определенного технологического процесса, называется автоматической линией.

При создании машины человек пользуется всеми достижениями математики, механики, физики, химии, электротехники, электроники. Современные машины обычно представляют собой совокупность устройств, в основу работы которых положены принципы механики, теплофизики, электротехники и электроники.

1. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ О МЕХАНИЗМАХ И МАШИНАХ

Развитие науки машиноведения целиком определялось на каждом этапе современным состоянием практики машиностроения и выдвигаемыми с прогрессом техники ее новыми проблемами и потребностями общества.

Первое упоминание о рычаге, клине, кривошипе, зубчатых колесах восходит к IV веку до н. э. (Аристотель). К концу XVIII века относится появление французской и английской школ теории машин. Русская школа зародилась в середине XIX века. Основоположником ее считается П. Л. Чебышев (1821-1894 гг.). Его работы по теории механизмов охватывают структуру и синтез, регулирование машин и др. Известна его структурная формула (1869 г.), которая до сих пор используется при анализе механизмов. Он сам сконструировал ряд новых механизмов, успешно сочетая теорию с практикой.

Среди последователей Чебышева следует отметить крупнейших русских ученых И. А. Вышнеградского, Н. Е. Жуковского, П. О. Сомова, Л. В. Ассура, которые дали развитие исследованию сложных плоских и пространственных механизмов, ряду вопросов динамики механизмов.

Эти вопросы особенно глубоко разработаны на основе идей Ассура в трудах академиков Н. Г. Бруевича, И. И. Артоболевского и профессоров В. В. Добровольского, Г. Г. Баранова и других. Большой вклад в развитие науки внесен профессорами Н. И. Мерцаловым, П. А. Малышевым, В. А. Юдиным, С. И. Артоболевским, Н. И. Левитским и другими.

В настоящее время существенно повысились рабочие скорости машин, что привело к увеличению уровня вибраций и шума, поэтому в последние годы проблема виброзащиты машин и снижение уровня шума также изучается в курсе теории механизмов и машин. Причем изучение динамики системы «человек – машина – среда» особенно актуально для разработки эффективных средств виброзащиты человека-оператора, управляющего работой такой системы.

Большое значение приобретает изучение и прогноз ресурса машин, т. е. срока их службы до прихода в нерабочее состояние, а также развитие экспериментальных методов изучения характеристик различных машин и механизмов, которые проводятся как на натурных объектах, так и методами математического моделирования с использованием ЭВМ. Получили развитие методы планирования эксперимента, обеспечивающие необходимую точность получаемой информации.

2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КУРСА

Если любая научная теория должна быть верным отражением реальной действительности, то в курсе теории механизмов и машин техническая сторона проблемы, ее физический смысл, с учетом конкретных условий работы машины и условий ее изготовления, должны стоять на первом месте. Поэтому здесь важны не абстрактные рассуждения, не количество заученных на память формул, а умение применять основные теоретические положения на практике.

Формула – это лишь условное выражение количественной стороны логической мысли при тех допущениях, которые были положены в основу при самом выводе формулы и которые не во всех случаях приемлемы. Например, имеется общая теорема механики о возможности переноса силы, действующей на твердое тело, причем, результат от этого переноса совершенно не изменится. А на практике совсем не все равно, находится ли локомотив во главе поезда или толкает его сзади. Очевидно, здесь фактически существуют некоторые реальные факторы, не соответствующие допущенным при выводе этого закона абстракциям (случайные усилия, неточности установки и т. п.).

При решении технической проблемы важно умение отличить существенное от второстепенного, чтобы учесть первое и условно отбросить второе, нужна инициатива, критический подход к проблеме, важно решать ее по существу дела и в срок. Точность же выкладок в известных пределах большого значения не имеет, поэтому во многих сложных случаях предпочтительно графическое решение как более наглядное.

Каждое понятие, каждую формулу надо уметь выразить словами, объяснить их физический смысл, указать допущения, которые были приняты при выводе формулы.

Часть 1. СТРУКТУРНЫЙ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ

Раздел 1. СТРУКТУРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ

Основные понятия и определения

Теория механизмов – это наука, изучающая строение, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом.

Проблемы теории механизмов можно разбить на две группы: первая – анализ механизмов, посвященная исследованию структурных, кинематических и динамических свойств механизмов; вторая – синтез механизмов, посвященная проектированию механизмов с заданными структурными, кинематическими и динамическими свойствами для осуществления требуемых движений.

Движение механизмов зависит от их строения и действующих на них сил. Поэтому удобно задачи анализа разделить на две части:

а) структурный и кинематический анализ механизма;

б) динамический анализ механизма.

Структурный и кинематический анализы исследуют работу механизма без учета действующих сил.

Цель динамического анализа – определение действующих на детали механизма сил и взаимосвязь с массами этих деталей.

Твердые тела, из которых образуется любой механизм, называются звеньями. Каждое звено может состоять из одной или нескольких деталей, но в составе звена они не должны иметь относительного движения, т. е. неразъемные или разъемные соединения отдельных деталей. Примером может быть колесо автомобиля, которое состоит из нескольких деталей, не имеющих взаимного перемещения.

Неподвижное звено механизма, относительно которого рассматривается движение подвижных звеньев, называется стойкой (корпус двигателя, станина станка).

Звенья могут бытьвходными и выходными, ведущими и ведомыми, начальными и промежуточными.

Входное звено – звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение выходного звена.

Выходное звено – звено, совершающее движение, для которого предназначен механизм.

Звено называется ведущим в том случае, если мощность приложенных к нему внешних сил положительна. Если она отрицательна или равна нулю, то звено называется ведомым.

В зависимости от назначения механизма звенья имеют функциональные названия: кривошип, шатун, коромысло, поршень, шток, ползун, кулачок, толкатель, колесо зубчатое, водило, сателлит, траверса, коленчатый вал и т. д.

Например, на рис. 1.1 изображены конструктивная (а) и кинематическая (б) схемы механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, состоящего из корпуса (стойки) 1, ползуна (поршня) 2, шатуна 3 и кривошипа 4.

Рис. 1.1

В конкретных механизмах входное звено может быть ведущим и ведомым на отдельных этапах движения в зависимости от приложенных сил и моментов сил. Например, вал двигателя в режимах разгона и торможения.