Машины и их классификация.

Машина - техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности.

Существуют следующие виды машин:

1. Энергетические машины - преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей:

Двигатели (рис.1.2), которые преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).

Рис.1.2

Генераторы (рис.1.3), которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).

Рис.1.3

2. Рабочие машины - машины использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины тоже имеют две разновидности:

Транспортные машины (рис.1.4), которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).

Рис.1.4

Технологические машины (рис.1.5), использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.

Рис.1.5

3. Информационные машины - машины, предназначенные для обработки и преобразования информации. Они подразделяются на:

Математические машины (рис.1.6), преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Рис.1.6

Контрольно-управляющие машины (рис.1.7), преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.

Рис.1.7

4. Кибернетические машины (рис.1.8) - машины управляющие рабочими или энергетическими машинами, которые способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды (т.е. машины обладающие элементами искусственного интеллекта).

Рис.1.8

Понятие о машинном агрегате.

Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Обычно в состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм и рабочая или энергетическая машина. В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины.

Схема машинного агрегата.

Рис.1.9

Механизм и его элементы.

В учебной литературе используются несколько определений механизма:

Первое: Механизмом называется система твердых тел, предназначенная для передачи и преобразования заданного движения одного или нескольких тел в требуемые движения других твердых тел [4, 12].

Второе: Механизм - кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка) и число степеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризующих положение цепи относительно стойки [1, 3, 5, 6].

Третье: Механизмом называется устройство для передачи и преобразования движений и энергий любого рода [13].

Четвертое: Механизм - система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся определенным, требуемым образом относительно одного из них, принятого за неподвижное [14].

В этих определениях использованы раннее не определенные понятия:

Звено - твердое тело или система жестко связанных тел, входящих в состав механизма. Кинематическая цепь - система звеньев, образующих между собой кинематические пары. Кинематическая пара - подвижное соединение двух звеньев, допускающее их определенное относительное движение. Стойка - звено, которое при исследовании механизма принимается за неподвижное. Число степенейсвободы или подвижность механизма - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение всех его звеньев на плоскости или в пространстве.

Из теоретической механики: Системы материальных тел (точек), положения и движения которых подчинены некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным наперед и не зависящим от начальных условий и заданных сил, называется несвободной. Эти ограничения наложенные на систему и делающие ее несвободной называются связями. Положения точек системы допускаемые наложенными на нее связями называются возможными. Независимые друг от друга величины q₁,q₂,... q_n, вполне и однозначно определяющие возможные положения системы в произвольный момент времени называются обобщенными координатами системы.

Недостатками этих определений являются: первое не отражает способности механизма преобразовывать не только движение, но и силы; второе не содержит указания выполняемой механизмом функции. Оба определения входят в противоречия с определением технической системы. Учитывая сказанное, дадим следующую формулировку понятия механизм:

Механизмом называется система, состоящая из звеньев и кинематических пар, образующих замкнутые или разомкнутые цепи, которая предназначена для передачи и преобразования перемещений входных звеньев и приложенных к ним сил в требуемые перемещения и силы на выходных звеньях.

Здесь: входные звенья - звенья, которым сообщается заданное движение и соответствующие силовые факторы (силы или моменты); выходные звенья - те, на которых получают требуемое движение и силы.

Начальное звено - звено, координата которого принята за обобщенную. Начальная кинематическая пара - пара, относительное положение звеньев в которой принято за обобщенную координату.

Классификация механизмов.

Механизмы классифицируются по следующим признакам:

1. По области применения и функциональному назначению:
• механизмы летательных аппаратов;
• механизмы станков;
• механизмы кузнечных машин и прессов;
• механизмы двигателей внутреннего сгорания;
• механизмы промышленных роботов (манипулятороы);
• механизмы компрессоров;
• механизмы насосов и т.д.
2. по виду передаточной функции на механизмы:
• с постоянной передаточной функцией;
• с переменной передаточной функцией:
• с нерегулируемой (синусные, тангенсные);
• с регулируемой:
• со ступенчатым регулированием (коробки передач);
• с бесступенчатым регулированием (вариаторы).
3. по виду преобразования движения на механизмы преобразующие:
• вращательное во вращательное:
• редукторы w_вх > w_вых;
• мультипликаторы w_вх < w_вых;
• муфты w_вх = w_вых;
• вращательное в поступательное;
• поступательное во вращательное;
• поступательное в поступательное.
4. по движению и расположению звеньев в пространстве:
• пространственные;
• плоские;
• сферические.

Все механизмы являются пространственными механизмами, часть механизмов, звенья которых совершают движение в плоскостях параллельных одной плоскости, являются одновременно и плоскими, другая часть механизмов, звенья которых движутся по сферическим поверхностям экивидистантным какой-либо одной сфере, являются одновременно и сферическими.

Рис.1.10

1. по изменяемости структуры механизма на механизмы:
• с неизменяемой структурой;
• с изменяемой структурой.

В процессе работы кривошипно-ползунного механизма насоса его структурная схема все время остается неизменной. В механизмах манипуляторов в процессе работы структурная схема механизма может изменяться. Так если промышленный робот выполняет сборочные операции, например, вставляет цилиндрическую деталь в отверстие, то при транспортировке детали его манипулятор является механизмом с открытой или разомкнутой кинематической цепью. В тот момент когда деталь вставлена в отверстие, кинематическая цепь замыкается, структура механизма изменяется, подвижность уменьшается на число связей во вновь образованной кинематической паре деталь-стойка.

 

Рис.1.11

Структура манипулятора изменяется и тогда, когда в одной или нескольких кинематических парах включается тормоз. Тогда подвижное соединение двух звеньев заменяется неподвижным, два звена преобразуются в одно. На рис. 1.13 тормоз включен в паре С.

Рис.1.12

1. по числу подвижностей механизма:
• с одной подвижностью W=1;
• с несколькими подвижностями W>1:
• суммирующие (интегральные);
• разделяющие (дифференциальные).

Рис.1.13

1. по виду кинематических пар (КП):
• с низшими КП (все КП механизма низшие);
• с высшими КП (хотя бы одна КП высшая);
• шарнирные (все КП механизма вращательные - шарниры).
2. по способу передачи и преобразования потока энергии:
• фрикционные (сцепления);
• зацеплением;
• волновые (создание волновой деформации);
• импульсные.
3. по форме, конструктивному исполнению и движению звеньев:
• рычажные (рис.1.14);
• зубчатые (рис.1.15);
• кулачковые (рис. 1.16);
• планетарные (рис. 1.17);
• манипуляторы (рис.1.11-1.12).

Рис.1.14	Рис.1.15
Рис.1.16	Рис.1.17

Контрольные вопросы к лекции 1.

1. Что является целью курса ТММ, какие задачи решаются в курсе ТММ? (стр.1)

2. Какие основные разделы содержит курс ТММ? (стр. 3)

3. Какие этапы прошло ТММ в своем историческом развитии? (стр.2-3)

4. Какие свойства механизмов изучаются в курсе ТММ, в чем отличие предмета ТММ от специальных дисциплин? (стр.2)

5. Что называется "проектом" и "инженерным проектированием"? (стр.3)

6. Перечислите основные этапы процесса проектирования? (стр.4-5)

7. Дайте определения понятий "техническая система" и "структура"? (стр. 5-6)

8. Что называется "машиной", какие виды машин Вы знаете? (стр.6-7)

9. Какое техническое устройство называется "машинным агрегатом", назовите основные элементы машинного агрегата? (стр.8)

10. Дайте определения понятий "звено" и "кинематическая пара"? (стр.9)

11. Какая техническая система называется механизмом? (стр.9)

12. Перечислите признаки по которым классифицируются механизмы

Список дополнительной литературы к Лекции 1.

1. П.Хилл Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений. Пер. с англ., Под ред. Венды В.Ф., М.: Мир, 1973.
2. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973.
3. Джонс Дж. К. Методы проектирования. / Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир. 1986.
4. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: Системный подход. Пер. с польск. - М.: Мир, 1981.
5. Конструирование приборов. В 2-х книгах. / Под ред. В.Краузе. - М.: Машиностроение. 1987.
6. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение. 1981.
7. Р.Бейер Кинематический синтез механизмов: Основы теории метрического синтеза плоских механизмов. / Пер. с нем. М.: Машгиз. 1959.
8. Теория механизмов и механика машин. Под ред. К.В.Фролова. М.: Высшая школа, 1998.

Структура механизмов.

Краткое содержание: Классификация кинематических пар. Модели машин. Методы исследования механизмов. Понятие о структурном анализе и синтезе. Основные структурные формулы. Структурная классификация механизмов по Ассуру и по Артоболевскому. Структурный анализ механизма. Подвижности и связи в механизме. Понятие об избыточных связях и местных подвижностях. Рациональная структура механизма. Методы определения и устранения избыточных связей и местных подвижностей.