Составление структурных (кинематических) схем и определение основных характеристик механизмов

Высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный горный университет»

Кафедра конструирования горных машин и

Технологии машиностроения

 

 

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 621.01.001 (075.84)

 

 

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН: Методические указания к выполнению лабораторных работ / Санкт-Петербургский государственный горный университет. Сост.: А.В. Большунов, Г.В. Соколова, И.П.Тимофеев. СПб, 2011. 44 с.

 

Представлены методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины: «Теория механизмов и машин», «Прикладная механика», «Механика», «Машины и механизмы. Детали машин», «Механика. Прикладная механика».

 

Научный редактор проф. С.Л. Иванов

 

 

Ó Санкт-Петербургский государственный

горный университет, 2011 г.

ВВЕДЕНИЕ

Представлены методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины: «Теория механизмов и машин», «Прикладная механика», «Механика», «Машины и механизмы. Детали машин», «Механика. Прикладная механика».

Приведены типовые работы для студентов технических вузов, однако некоторые из них имеют новую трактовку и разработаны преподавателями кафедры КГМ и ТМ. Например, в работе по графическому профилированию зубьев колес применен планшет с производящим реечным контуром (защищен авторским свидетельством на изобретение), заменяющий целую серию лабораторных приборов, обычно используемых в графической обкатке зубьев.

Допуск к лабораторной работе предваряется обязательным ознакомлением студентов с правилами техники безопасности, вступительным пояснением и кратким контрольным опросом.

Лабораторные работы выполняются бригадами из двух-трех студентов или индивидуально. По мере выполнения работы бригадой ведется протокол наблюдений (испытаний), куда заносятся полученные результаты, схемы исследуемых механизмов, эскизы деталей и установок и т.п. По окончании работы протокол визируется преподавателем.

Каждый студент оформляет отчет по лабораторной работе, в котором указывает ее цель, основные теоретические положения, исходные и полученные данные, обработанные результаты, схемы исследуемых механизмов и установок, эскизы деталей, окончательные выводы. Оформление отчета должно соответствовать требованиям ЕСКД.

Отчет сдается на проверку преподавателю с приложением протокола наблюдений (испытаний). Проверенный и подписанный отчет подлежит защите.

Лабораторная работа № 1

СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ (КИНЕМАТИЧЕСКИХ) СХЕМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЗМОВ

Цель работы – составление схем по действующим моделям механизмов и определение основных характеристик механизмов.

 

Общие сведения

 

Механизм – система твердых тел, предназначенная для преобразования заданного движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. В теории механизмов и машин под твердыми телами понимают как абсолютно твердые, так и деформируемые и гибкие тела. Так, например, в гидравлическом механизме преобразование движения происходит посредством твердых и жидких тел, а в пневматическом – посредством твердых и газообразных тел.

Любой механизм состоит из звеньев, образующих между собой кинематические пары.

Звено механизма – твердое тело, входящее в состав механизма. Звено может состоять из нескольких деталей (отдельно изготовленных частей), жестко связанных между собой и совершающих один вид движения. Различают подвижные и неподвижные звенья. Условные обозначения звеньев механизма приведены на рис 1.1.

Стойка – неподвижное звено механизма, представляющее собой совокупность всех неподвижных элементов механизма (рис. 1.1а). В механизме может быть только одно неподвижное звено.

Кривошип –звено, вращающееся вокруг неподвижной оси и совершающее при этом полный оборот (рис 1.1б). Угол поворота кривошипа j ³ 360⁰.

Коромысло (балансир) –звено, вращающееся вокруг неподвижной оси и совершающее при этом неполный оборот, т.е. выполняющее возвратно-вращательное движение (рис 1.1в). Угол поворота коромысла j < 360⁰.

Ползун –звено, совершающее прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно неподвижной направляющей (рис. 1.1г).

Шатун –звено, кинематически не связанное со стойкой и совершающее плоскопараллельное (сложное) движение (рис. 1.1д).

Кулиса –звено механизма, вращающееся относительно неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару; камень –звено с меньшей протяженностью элемента подвижной поступательной пары (рис. 1.1е).

(а)

 

 

(б) (в)

(г) (д)

камень

(е)

кулиса

 

Рис. 1.1. Условные обозначения звеньев механизмов

Входное звено – звено, которому задается простейший закон движения (w = const, w = var).

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

Обобщенная координата механизма – независимая координата, однозначно определяющая положение всех его звеньев относительно стойки.

Кинематическая пара – соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение. Кинематические пары бывают высшими, элементы звеньев которых соприкасаются в точке или по линии (рис. 1.2 а), или низшими, элементы звеньев которых соприкасаются по поверхности (рис. 1.2 б). Кинематические пары классифицируются по числу условий связей (S), наложенных на относительные движения звеньев в парах. Существует пять классов кинематических пар (рис. 1.3.).

 

(а) (б)

 

1.2. Кинематические пары: высшие (а), низшие (б)

 

 

1-й класс (S = 1) 2-й класс (S = 2) 3-й класс (S = 3)

 

4-й класс (S = 4) 5-й класс (S = 5)

 

1.3. Классы кинематических пар

 

Система звеньев, связанных между собой кинематическими парами, образует кинематическую цепь. Кинематические цепи бывают: простые и сложные; замкнутые и незамкнутые; плоские и пространственные; определенные и неопределенные.

Простой кинематической цепью называется цепь, звенья которой входят в состав не более, чем двух кинематических пар (рис. 1.4 а, в, г, д), а сложной – цепь, в которой присутствует хотя бы одно звено, входящее в состав более, чем двух кинематических пар (рис. 1.4 б).

Замкнутой кинематической цепью называется цепь, каждое звено которой входит как минимум в две кинематические пары (рис. 1.4а, б, в, д), а незамкнутой – цепь, в которой есть звенья, входящие только в одну кинематическую пару (рис. 1.4 г).

Плоской кинематической цепью называется цепь, звенья которой движутся в одной или в параллельных плоскостях (рис. 1.4а, б, в, г), а пространственной – цепь, звенья которой движутся в пересекающихся плоскостях (рис. 1.4 д).

Определенной кинематической цепью называется цепь, движения звеньев которой носят вынужденный, строго определенный характер (рис. 1.4 а, б, в, д), а неопределенной – цепь, движения звеньев которой имеют хаотичный, неопределенный характер (рис. 1.4 г).

 

 

(а) (б) (в)

 

 

 

(г) (д)

 

Рис. 1.4. Кинематические цепи

Структурная схема механизма – схема, дающая представление о взаимосвязи между отдельными звеньями механизма. Она может быть представлена графическим изображением с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар или аналитической записью, при этом абсолютные длины звеньев не учитываются.

Кинематическая схема механизма – это его структурная схема, выполненная с учетом размеров звеньев. Кинематическая схема не отражает внешних конструктивных форм механизма, но дает полное преставление о характере движения звеньев и способе их соединения между собой.

На структурных и кинематических схемах звенья обозначают арабскими цифрами, начиная с входного (на модели оно определяется наличием рукоятки), стойку обозначают цифрой 0. Кинематические пары обозначают прописными латинскими буквами. Вращательную кинематическую пару, образованную подвижным звеном со стойкой, обозначают буквой «О» с индексом, соответствующим номеру подвижного звена.

Пример кинематической схемы механизма вытяжного пресса с учетом условных обозначений звеньев и кинематических пар представлен на рис. 1.5.

 

	Рис. 1.5. Кинематическая схема механизма вытяжного пресса

 

Способ соединения звеньев механизма между собой определяет характер их относительного движения и вид кинематической пары. Для механизма, представленного на рис. 1.5, кинематические пары О ₁, А, В, С, D, О ₃ – вращательные, т.е. цилиндрические шарниры, а кинематическая пара Е - поступательная. Траектории подвижных осей шарниров: А – окружность; В и С – дуга окружности; D – вертикальная прямая.

Основные характеристики механизма сведены в таблицы 1.1, 1.2 и 1.3.

Т а б л и ц а 1.1