Кинематические пары
Структурный анализ механизмов
Механизмом называется система подвижно соединенных между собой твердых тел, предназначенных для преобразования независимых движений одного или нескольких из них в требуемые движения остальных тел. Твердые тела, из которых образованы механизмы, называются звеньями, а соединение двух звеньев, допускающее их относительное движение, - кинематической парой. Каждое звено представляет собой одну деталь, выполненную без сборочных операций (рисунок 1.1, а), или кинематически неизменяемую сборочную единицу, состоящую из нескольких деталей (рисунок 1.1, б).
Звенья механизма, которым сообщаются независимые движения, называются ведущими. Ведомыми называются звенья, совершающие требуемые движения; на эти звенья действуют силы полезного сопротивления, для преодоления которых механизм предназначен. Звено, относительно которого рассматривается движение остальных звеньев, называется стойкой. При исследовании механизмов на их схемах всем подвижным звеньям присваиваются порядковые номера: первый 1 - ведущему звену и последний п- ведомому. Стойку обычно нумеруют нулем, а для отличия от подвижных звеньев ее подчеркивают косыми штрихами. Кинематические пары обозначают латинскими прописными буквами.
Поверхность, линия или точка, которыми данное звено соприкасается с другим звеном, образуя кинематическую пару, называется геометрическим элементом звена или просто элементом звена.
Пары с линейным или точечным контактом называются высшими (таблица 1.1, а, б, в, ж,), а с поверхностным - низшими (таблица 1.1, г, д, е, з, и, к ).
Форма элементов каждого звена пары и их взаимное расположение определяют основное свойство кинематических пар - вид относительного движения их звеньев. Для его определения одно звено пары обращают в стойку (делают неподвижным), а другому сообщают движения, допускаемые принятой формой
|
геометрических элементов. В низших парах относительное движение звеньев 1 и 2 (вращательное или поступательное) сопровождается скольжением геометрических элементов, а в высших - происходит чистое скольжение (рисунок 1.2, а), чистое качение (рисунок 1.2, б), скольжение и качение одновременно (рисунок 1.2, в). Скольжение элементов звеньев высшей пары сопровождается износом (истиранием) и потерями мощности на трение. Износ звеньев и потери будут уменьшены, если с помощью ролика 3 (рисунок 1.2, б) качение со скольжением или одно скольжение заменить чистым качением. Аналогично и в низших парах: для уменьшения износа и потерь трение скольжения часто заменяют трением качения, вводя в зазор между элементами звеньев шарики (рисунок 1.3, а) или ролики (рисунок 1.3, б).
В этом случае низшие вращательные и поступательные пары скольжения обращаются в низшие вращательные и поступательные пары чистого качения.
При обращении одного звена пары в стойку можно определить также вид траекторий отдельных точек звена, оставшегося подвижным. Если эти траектории являются плоскими кривыми, лежащими в параллельных плоскостях, то кинематическая пара является плоской (таблица 1.1, д,з,и). В пространственных парах траектория относительного движения точки подвижного звена является пространственной кривой (таблица1.1, а,б,в,г,е).
Таблица 1.1
Класс пары | Разновидности пары | Число связей | Число степеней свободы | |||||
I II III IV V | -- |
--
--
--
--
|
Для того чтобы вид относительного движения звеньев пары соответствовал выбранным геометрическим элементам, последние должны находиться в постоянном контакте или, иначе говоря, элементы звеньев пары должны быть замкнутыми. Замыкание в большинстве низших пар обеспечивается формой элементов и их контакт не может быть нарушен самопроизвольно (таблица 1.1, е,з,и,к). В высших парах постоянный контакт элементов звеньев осуществляется под действием силы тяжести подвижного звена (таблица 1.1, а,б,в,д,ж), силы упругости пружины 3 (рисунок 1.2, а,в) или приданием звеньям пары соответствующей формы (рисунок 1.2, б). В последнем случае замыкание называется геометрическим.
Существенным отличием высших пар от низших является их необратимость. Если при обращении низшей пары (подвижного звена в неподвижное, а неподвижного в подвижное) вид траекторий контактирующих точек при относительном движении звеньев 1 и 2 остается неизменным (рисунок 1.4, а), то при обращении высших пар точки А1 и A2 описывают разные кривые (рисунок 1.4, б). Следовательно, низшие пары обеспечивают один и тот же характер относительного движения независимо от того, какое звено пары обращено в стойку. Высшие пары позволяют получать самые разнообразные виды относительного движения в зависимости от того, какие кривые выбраны в качестве профилей (кривых в сечении плоскостью вращения) звеньев и какое звено (1 или 2) обращено в стойку. Это важное свойство, обусловившее широкое применение высших пар в приборостроении, дает возможность проектировать трехзвенные механизмы более компактными, чем механизмы с одними низшими парами. На рисунке 1.5 показаны два синусных механизма, преобразующих вращение ведущего звена 1 в поступательное движение ведомых звеньев 2 (рисунок 1.5, а) и 3 (рисунок 1.5, б) по закону S = r·sinφ. Первый из них (с высшей парой) - трехзвенный, а второй (с одними низшими парами) - четырехзвенный.
Положительным свойством низших пар является их относительно большая, чем у высших пар, несущая способность. Однако в малонагруженных механизмах приборов это преимущество существенного значения не имеет.
Определим число связей, налагаемых различными парами на относительное движение звеньев. Известно, что любое твердое тело S, если оно не связано с другими звеньями (рисунок 1.6, а), обладает шестью степенями свободы (W = 6), т. е. может совершать относительно неподвижной системы координат шесть независимых движений: три поступательных (xа, yа, zа ) и три вращательных
(φ, β, α) (угол γ является зависимым, так как cos2α + cos2β + соs2γ = 1), показанных дуговыми стрелками. Если же тело S образует с другим телом кинематическую пару, эта пара свяжет какие-то независимые координаты и уменьшит число независимых движений. Так, если бы тело S оказалось связанным с плоскостью zа = 0 (рисунок1.6, б), оно потеряло бы одно независимое движение - способность перемещаться вдоль оси z. Связь со второй плоскостью ха = 0 (рисунок1.6, в) отняла бы у звена еще одну
степень свободы - возможность перемещаться вдоль оси х.
Помещение точки А тела в начало неподвижной системы координат (рисунок 1.6, г) лишает тело S еще одного независимого движения (уА = 0), и число его степеней свободы становится равным трем: α, β и φ. В результате перевода тела S на плоскость ху путем обращения в нуль угла γ(рисунок 1.6, д) исчезает еще одно независимое движение и остается только два: α, φ. Еще одна связь тела с неподвижной системой координат делает его одноподвижным с независимым вращением α(рисунок 1.6, е) или φ (рисунок 1.6, ж).
Для определения числа связей, которые налагает та или иная пара на относительное движение ее звеньев, одно звено обращают в стойку, после чего устанавливают, какие движения второго звена остались свободными. Очевидно, что число связей, налагаемых на подвижное звено кинематической парой, не может быть больше пяти (рисунок 1.6, е, ж), так как шестая связь обратила бы подвижное звено в стойку.
По числу связей, налагаемых на относительное движение звеньев, кинематические пары делятся на пять классов (таблица 1.1): пары пятого класса (одноподвижные), лишающие относительное движение звеньев пары пяти степеней свободы; четвертого (двухподвижные) − четырех; третьего (трехподвижные) - трех; второго (четырехподвижные) − двух и первого (пятиподвижные) - одной. Число пар k-гo класса в механизме обозначают pk .
Дата добавления: 2021-11-16; просмотров: 463;