Файл: Лекции по теории механизмов и машин. Учебное пособие к изучению теоретических основ курса для студентов направлений 050502 Инженерная механика.doc

министерство образования и науки Украины

государственное высшее учебное заведение

«Приазовский государственный технический

университет»

В.В.Шишкин

Лекции

по теории механизмов и машин
Учебное пособие к изучению теоретических основ курса

для студентов направлений

050502 - «Инженерная механика» и 050503 - «Машиностроение»
Часть 1


Для самостоятельной работы студентов

дневной, заочной, ускоренной и дистанционной форм обучения

У т в е р ж д е н о :

на заседании кафедры

Теоретической и прикладной механики

Протокол № 8 от 29.03.2011 г.

Р е к о м е н д о в а н о :

методической комиссией механико-

машиностроительного факультета

Протокол № 12 от 11.04.2011 г.

Мариуполь, 2011

УДК 621.031.8 (075.8)
Лекции по теории механизмов и машин. Учебное пособие к изучению теоретических основ курса для студентов направлений 050502 - «Инженерная механика» и 050503 - «Машиностроение». Часть 1./ В.В.Шишкин.- Мариуполь: ПГТУ, 2011 г. – 84 с.

В первой части учебного пособия изложены разделы курса «Теория механизмов и машин», которые осваиваются студентами ПГТУ в первом полугодии изучения дисциплины. Материал структурирован в 9 лекциях и охватывает общие вопросы структуры механизмов, метрического синтеза, а также вопросы кинематического анализа и динамического синтеза и анализа применительно к плоским рычажным механизмам.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров направлений 050502 - «Инженерная механика» и 050503 - «Машиностроение» дневной, заочной, ускоренной и дистанционной форм обучения.

Автор: В.В.Шишкин, доц., к.т.н.

Рисунки: О.Ф.Мисаилова, Р.Е.Николаева

Рецензент: П.К.Антипин, доц., к.т.н., поч.проф.ПГТУ

Ответственный за выпуск: В.В.Шишкин, доц., к.т.н.
Содержание:

стр.

1.	Лекция 1. Теория механизмов и машин (ТММ) - как наука. Основные понятия. Кинематические пары и их классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5
	ТММ как наука. Место ТММ в структуре дисциплин для подготовки инженеров-механиков. Структура ТММ. Задачи ТММ. . . . .	5
	Основные понятия: машина, механизм, звено, кинематическая пара, кинематическая цепь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
	Классификация кинематических пар по количеству условий связи. Низшие и высшие кинематические пары. . . . . . . . . . . . . . . . . . .	13
2.	Лекция 2. Структурный анализ механизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	17
	2.1. Механизм. Структурная и кинематическая схемы. Масштаб в ТММ. Обобщенная координата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	17
	2.2. Структурные формулы для пространственного и плоского механизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	19
	2.3. Замена высших кинематических пар низшими . . . . . . . . . . . . . . . . .	20
	2.4. Структурные группы Л.В.Ассура. Классификация структурных групп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	22
	Принцип образования механизмов. Класс механизма. Формула строения механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	26
	Порядок структурного анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	29
3.	Лекция 3. Структурный и метрический синтез плоских рычажных механизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	30
	Плоские рычажные механизмы. Достоинства и недостатки низших и высших кинематических пар . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	30
	Задачи структурного и метрического синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . .	32
	Критерий существования кривошипа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	34
	Критерий положений ведомого звена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	35
	Критерий максимального угла давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	36
	Критерий отношения средних скоростей ведомого звена . . . . . . . .	38
	Метрический синтез сложного механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	39
4.	Лекция 4. Кинематический анализ плоских рычажных механизмов (графический метод) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	41
	Основная задача и цели кинематического анализа. Методы решения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	41
	Определение положений механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	42
	Определение скоростей точек и угловых скоростей звеньев механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	44
	Определение ускорений точек и угловых ускорений звеньев механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	50
	Кинематический анализ сложных механизмов . . . . . . . . . . . . . . . . .	52
5.	Лекция 5. Кинематический анализ плоских рычажных механизмов (аналитический метод) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	54
	Определение положений механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	54
	Определение скоростей точек и угловых скоростей звеньев механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	56
	Определение ускорений точек и угловых ускорений звеньев механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	58
	Кинематический анализ сложных механизмов . . . . . . . . . . . . . . . . .	60
6.	Лекция 6. Основные понятия динамики механизмов. Задачи динамического исследования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	61
	Силы и их механические характеристики. Работа и мощность. Классификация сил по знаку работы и мощности . . . . . . . . . . . . .	61
	Динамическая модель механизма (машины) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	64
	Приведение сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	67
	Приведение масс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	71
	Уравнение движения машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	72
	Задачи динамического исследования механизмов . . . . . . . . . . . . . .	73
7.	Лекция 7. Динамический анализ механизма (графический метод) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	75
	Режимы движения механизма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	75
	Неравномерность движения начального звена. Средняя скорость. Коэффициент неравномерности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	76
	Диаграмма «Энергия – масса» при установившемся режиме работы. Порядок построения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	79
	Определение мгновенной скорости начального звена . . . . . . . . . . .	82
	Определение ускорения начального звена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	83
8.	Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	84

---

---

Лекция 1

«Теория механизмов и машин» (ТММ) - КАК наука.

Основные понятия.

Кинематические пары и их классификация.

1. 
   ТММ как наука. Место ТММ в структуре дисциплин для подготовки инженеров-механиков. Структура ТММ. Задачи ТММ. ([1], §1; [2], Глава 1)
   
2. 
   Основные понятия: машина, механизм, звено, кинематическая пара, кинематическая цепь. ([1], §2; [2], §2.1; [3], §1)
   
3. 
   Классификация кинематических пар по количеству условий связи. Низшие и высшие кинематические пары. ([1], §3-5; [2], §2.2; [3], §1)
   

1. 
   ТММ как наука. Место ТММ в структуре дисциплин для подготовки инженеров-механиков. Структура ТММ. Задачи ТММ.
   

ТММ – наука, изучающая общие закономерности строения и механического движения механизмов и машин, а также возникающие при этом взаимодействия между их элементами.
ТММ – общеинженерная наука, которая, наряду с теоретической механикой, сопротивлением материалов, деталями машин и др., является теоретической базой для дисциплин, занимающихся расчетом и проектированием механизмов и машин специального назначения (конвейеры, станки, подъемно-транспортные механизмы, металлургические машины и оборудование: рольганги, прокатные клети, ножницы и др.).
Структурно ТММ состоит из 2-х более узких дисциплин: «теория механизмов» и «теория машин».

В рамках теории механизмов изучают основные принципы строения механизмов, закономерности кинематики и динамики их движения, факторы, влияющие на работу механизмов (трение, колебания звеньев, неуравновешенность звеньев и др.).

В рамках теории машин изучают те же закономерности строения и движения, но применительно к машине как совокупности работающих совместно механизмов. Здесь же рассматривают основы автоматического управления и регулирования машин-автоматов, вопросы виброактивности и виброзащиты машин, основы проектирования роботов и манипуляторов. Круг этих вопросов может расширяться с развитием техники и технологий.

Естественно, что основные принципы решения задач механики механизмов и механики машин могут быть общими. В этой связи, многие вопросы теории механизмов и теории машин целесообразно излагать параллельно, объединив их одним названием - «теория механизмов и машин».

---

По постановке задач и способам их решения ¹ ТММ имеет сходство с теоретической механикой.

Действительно, методы решения задач ТММ (аналитические, графоаналитические и графические) часто заимствованы или базируются на методах теоретической механики. Эти методы вначале разрабатывались для абстрактных моделей теоретической механики, и, только потом, нашли применение в расчетной практике ТММ. В определенном смысле, ТММ можно рассматривать как практический курс теоретической механики, созданный для изучения специальных объектов - механизмов и машин. В то же время, по охвату рассматриваемых проблем, ТММ является более широкой и многогранной наукой, область знаний которой распространяется далеко за пределы вопросов кинематики и динамики машин. Современное состояние ТММ таково, что на ее основе уже созданы и развиваются дочерние направления, получившие статус самостоятельных наук.
Все задачи ТММ можно разделить на 2 основные группы (Рис.1.1):

1. 
   Задачи анализа механизмов и машин (структурный, кинематический и динамический).
   
2. 
   Задачи синтеза механизмов и машин (структурный, кинематический и динамический).
   

Рис.1.1

Смысл приведенных типов и видов задач поясним на примере задач анализа и синтеза условного механизма.
Анализ – это процесс исследования определенных характеристик готового механизма. В процессе анализа определяют:

• 
  степень подвижности, структуру и класс механизма (структурный анализ);
  
• 
  кинематические характеристики механизма: положения звеньев, траектории движения точек, их скорости и ускорения, угловые скорости и угловые ускорения звеньев (кинематический анализ);
  
• 
  динамические характеристики механизма: скорости и ускорения (динамический анализ), силы и моменты сил (силовой анализ).
  

Синтез – это процесс создания механизма, удовлетворяющего заранее заданным требованиям (структурным, кинематическим и динамическим). В процессе синтеза определяют:

• 
  структуру механизма (структурный синтез) для удовлетворения заданным критериям (габаритные размеры, мощность привода, КПД и т.д.);
  
• 
  расположение опорных точек и поверхностей (неподвижные шарниры, направляющие), требуемые формы и размеры звеньев, профиль сопрягаемых поверхностей, числа зубьев зубчатых передач (кинематический синтез);
  
• 
  инерционные характеристики звеньев механизма: массы звеньев, их моменты инерции (динамический синтез).
  

---

Примечание. Для лучшего понимания смысла задач анализа и синтеза уместно привести аналогию из «Сопротивления материалов». Так, условия прочности, применяемые для всех видов деформаций, могут быть использованы для проверочного расчета конструкции (аналог задачи анализа в ТММ) и проектировочного расчета (аналог задачи синтеза).

2. 
   Основные понятия: машина, механизм, звено, кинематическая пара, кинематическая цепь.
   

Структура основных понятий ТММ приведена на схеме (Рис. 1.2).




Рис. 1.2

Слова механизм и машина часто употребляют как синонимы, обозначая ими технические устройства, отдельные части которых выполняют механические движения. Действительно, механические движения частей являются характерной особенностью этих устройств. И все же, между понятиями «машина» и «механизм» имеется разница.
Машина – это созданное человеком устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов¹ и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека [3]. Таким образом, главной отличительной особенностью машины является то, что полезный для человека результат всегда достигается за счет механического движения отдельных ее частей. Из определения также вытекает возможная классификация машин по назначению, т.е. условное разделение их на энергетические, технологические, транспортные и информационные.
Энергетические машины предназначены для преобразования любого вида энергии в механическую работу (или наоборот, если машина работает в генераторном режиме). Это машины-двигатели, к числу которых можно отнести электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, электрогенераторы и т.д.
Все остальные машины не преобразовывают, а потребляют подводимую к ним энергию, расходуя ее на выполнение технологических, транспортных задач или обработку информации. Все эти машины можно назвать рабочими машинами. К технологическим машинам относят прокатные станы, металлообрабатывающие, ткацкие станки и т.п. Под транспортными машинами понимают краны, транспортеры, колесные и другие транспортные средства. Термин

---