Основы теории механизмов

Подвижно соединенные между собой части механизма называются звеньями. В механизме различают неподвижное звено-стойку (станина станка, корпус прибора, шасси и т. п.) и подвижные звенья, которые могут совершать вра­щательное, поступательное и сложное движение. Звеном может быть одна или несколько жестко связанных между со­бой деталей.

В зависимости от характера движе­ния и назначения звенья имеют опреде­ленные названия. Например, в меха­низме шарнирного четырехзвенника (рис. 1.1, а) и его модификациях, явля­ющихся основой многих машин и при­боров, звено 1, совершающее полный оборот, называется кривошипом; звено 2, совершающее сложное плоскопарал­лельное движение,— шатуном; звено 3, совершающее качательное движение,— коромыслом; неподвижное звено 4 яв­ляется стойкой. На рис. 1.1 штриховы­ми линиями изображены крайние по­ложения механизма.

Модификации шарнирного четырехзвенника образуются в зависимости от относительного расположения вращательно и поступательно движущихся звеньев и их размеров. Если крайнюю вращательную кинематическую пару D заменить на поступательную, то звено 3 (рис. 1.1, а) превращается в ползун, и такой механизм называется кривошипно-ползунным (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1 Механизм четырёхзвенника и его модификации

Если в этом механизме стойкой сделать звено 1, то образуется кривошипно-кулисный ме­ханизм (рис. 1.1, в), звено 4 становится подвижной направляющей для ползуна 3 и называется кулисой. Кулисные механизмы, в состав которых входят два ползуна, образуют тангенсные (рис. 1.1, г) и синусные (рис. 1.1, д) механизмы.

Широкое применение в технике нашли также кулачковые механизмы, отличаю­щиеся большим разнообразием форм кулачков (рис. 1.2, а, б, в, е), фрикцион­ные (рис. 1.2, г) и зубчатые механизмы (рис. 1.2, д, ж, з), типы которых опре­деляются количеством, формой и вза­имным расположением звеньев.

1.1. Кинематические пары и цепи

Кинематическая пара. Соединение двух звеньев, обеспечивающее опреде­ленное относительное движение, обра­зует кинематическую пару. Элементами кинематической пары называются по­верхности, линии или точки, по которым происходит подвижное соединение двух звеньев и которые ограничивают отно­сительное движение этих звеньев. В за­висимости от вида элементов различают высшие и низшие кинематические пары. В высших кинематических парах элементами являются линии или точки (па­ра В, рис. 1.2).

Рис.1.2 Механизмы с высшими парами и способ их замыкания

Кинематические пары, образованные элементами в виде поверх­ностей, называются низшими (пара А, рис. 1.2). Замыкание кинематических пар может быть геометрическим (рис. 1.2, ё) и силовым (рис. 1.2, а, б), напри­мер, с помощью пружин. Условное обоз­начение кинематических пар установле­но ГОСТ 2.770—68.

Класс пары. Свободное звено в про­странстве обладает шестью степенями свободы. Звено, входящее в кинемати­ческую пару, теряет от одной до пяти степеней свободы. Класс кинематической пары определяется числом условий свя­зи S, налагаемых на относительное дви­жение звеньев. Различают пять классов кинематических пар (рис. 1.3). Если Н — число степеней свободы звеньев кинематической пары, то

S = 6 — H. (1.1)

Например, в парах на рис. 1.3, г конструкции элементов позволяют осу­ществлять два независимых движения. Для них Н = 2 и S = 4; следовательно, эта пара—четвертого класса. Если же на звене цилиндрической пары уста­новить бурты, препятствующие посту­пательному движению (рис. 1.3, д), то остается единственное возможное вра­щательное движение, следовательно, Н = 1 и 5 = 5 — пара пятого класса.

Можно подобрать такую форму эле­ментов пары, чтобы при одном незави­симом движении возникло второе — про­изводное: в винтовой паре (рис. 1.3, ж) вращательное движение винта вызывает поступательное перемещение его вдоль оси. Такую пару следует отнести к пя­тому классу, так как имеется всего одно независимое движение (Я = 1).

Кинематическая цепь. Звенья, сое­диненные между собой кинематическими парами, образуют кинематическую цепь. Кинематические цепи могут быть прос­тыми (рис. 1.4, а), сложными, если хотя бы одно звено входит больше чем в две кинематические пары (рис. 1.4, б), замк­нутыми (рис. 1.4, в) и незамкнутыми, если есть звенья, входящие в одну кине­матическую пару (рис. 1.4, а).

Рис.1.4. Кинематические цепи

Различают пространственные и плос­кие кинематические цепи. Все звенья плоской кинематической цепи размеща­ются в параллельных плоскостях и со­вершают плоскопараллельные движе­ния. Поскольку на звенья плоских це­пей налагаются три дополнительных общих условия связи, исключающих движение в других плоскостях, то в плоской цепи могут быть пары только четвертого или пятого класса. Пара четвертого класса в плоской цепи нала­гает на относительное движение звеньев одно условие, а пара пятого класса — два условия связи. Пары четвертого класса в плоских цепях высшие (см. рис. 1,6 пары F и L), пары пятого класса чаще всего низшие: вращатель­ные (рис. 1.3, д) или поступательные (рис. 1.3, е).