МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ
механические устройства, облегчающие труд и повышающие его производительность. Машины могут быть разной степени сложности - от простой одноколесной тачки до лифтов, автомобилей, печатных, текстильных, вычислительных машин. Энергетические машины преобразуют один вид энергии в другой. Например, генераторы гидроэлектростанции преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию бензина в тепловую, а затем в механическую энергию движения автомобиля
(см. также
ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ;
ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ;
ТУРБИНА).
Так называемые рабочие машины преобразуют свойства или состояние материалов (металлорежущие станки, транспортные машины) либо информацию (вычислительные машины). Машины состоят из механизмов (двигательного, передаточного и исполнительного) - многозвенных устройств, передающих и преобразующих силу и движение. Простой механизм, называемый полиспастом
(см. БЛОКИ И ПОЛИСПАСТЫ),
увеличивает силу, приложенную к грузу, и за счет этого позволяет вручную поднимать тяжелые предметы. Другие механизмы облегчают работу, увеличивая скорость. Так, велосипедная цепь, входящая в зацепление со звездочкой, преобразует медленное вращение педалей в быстрое вращение заднего колеса. Однако механизмы, увеличивающие скорость, делают это за счет уменьшения силы, а увеличивающие силу - за счет уменьшения скорости. Увеличить одновременно и скорость и силу невозможно. Механизмы могут также просто изменять направление силы. Пример - блок на конце флагштока: чтобы поднять флаг, тянут за шнур вниз. Изменение направления может сочетаться с увеличением силы или скорости. Так, тяжелый груз можно приподнять, нажимая на рычаг вниз.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
Основной закон.
Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии.
В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение. Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.
Выигрыш в силе или скорости.
Механизмы, как указывалось выше, могут применяться для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш в силе или скорости - это коэффициент увеличения силы или скорости, который был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный выигрыш на практике недостижим. Реальный выигрыш, например в силе, равен отношению силы (называемой нагрузкой), которую развивает механизм, к силе (называемой усилием), которая прикладывается к механизму.
Механический КПД.
Коэффициентом полезного
действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. КПД рычага может быть очень высоким - до 90% и даже больше. В то же время КПД полиспаста из-за значительного трения и массы движущихся частей обычно не превышает 50%. КПД домкрата может составлять лишь 25% из-за большой площади контакта между винтом и его корпусом, а следовательно, большого трения. Это приблизительно такой же КПД, как у автомобильного двигателя. См. АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ . КПД можно в известных пределах повысить, уменьшив трение за счет смазки и применения подшипников качения. См. также СМАЗКА .
ПРОСТЕЙШИЕ МЕХАНИЗМЫ
Простейшие механизмы можно найти почти в любых более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах - рычаге и наклонной плоскости, - так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт - варианты наклонной плоскости.
Рычаг.
Это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла. Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 1). Идеальный выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния DE от точки приложения усилия до точки опоры к расстоянию DL от точки приложения нагрузки до точки опоры. Для рычага I рода расстояние DE обычно больше DL, а поэтому идеальный выигрыш в силе больше 1. Для рычага II рода идеальный выигрыш в силе тоже больше единицы. Что же касается рычага III рода, то величина DE для него меньше DL, а стало быть, больше единицы выигрыш в скорости.
Блок.
Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в грузоподъемных устройствах. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 2). Блок с закрепленной осью действует как рычаг I рода с точкой опоры на его оси. Поскольку плечо усилия равно плечу нагрузки (радиус блока), идеальный выигрыш в силе и скорости равен 1. Подвижный же блок действует как рычаг II рода, поскольку нагрузка расположена между точкой опоры и усилием. Плечо нагрузки (радиус блока) вдвое меньше плеча усилия (диаметр блока). Поэтому для подвижного блока идеальный выигрыш в силе равен 2.
Более простой способ определения идеального выигрыша в силе для блока или системы блоков - по числу параллельных концов каната, удерживающих нагрузку, как это нетрудно сообразить, взглянув на рис. 2. Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.
Дифференциальный ворот. Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси (рис. 3), например, колодезный ворот с ручкой.
Дифференциальный ворот может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от того, где прилагается усилие, а где - нагрузка, поскольку он действует как рычаг I рода. Точка опоры расположена на закрепленной (фиксированной) оси, а поэтому плечи усилия и нагрузки равны радиусам соответствующих колес. Пример такого устройства для выигрыша в силе - отвертка, а для выигрыша в скорости - шлифовальный круг.
Зубчатые колеса. Система двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, сидящих на валах одинакового диаметра (рис. 4), в какой-то мере аналогична дифференциальному вороту (см. также ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА). Скорость вращения колес обратно пропорциональна их диаметру. Если малая ведущая шестерня A (к которой приложено усилие) по диаметру вдвое меньше большого зубчатого колеса B, то она должна вращаться вдвое быстрее. Таким образом, выигрыш в силе такой зубчатой передачи равен 2. Но если точки приложения усилия и нагрузки поменять местами, так что колесо B станет ведущим, то выигрыш в силе будет равен 1/2, а выигрыш в скорости - 2.
Наклонная плоскость. Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия. К таким устройствам относятся пандусы, эскалаторы, обычные лестницы, а также конвейеры (с роликами для уменьшения трения). Идеальный выигрыш в силе, обеспечиваемый наклонной плоскостью (рис. 5), равен отношению расстояния, на которое перемещается нагрузка, к расстоянию, проходимому точкой приложения усилия. Первое есть длина наклонной плоскости, а второе - высота, на которую поднимается груз. Поскольку гипотенуза больше катета, наклонная плоскость всегда дает выигрыш в силе. Выигрыш тем больше, чем меньше наклон плоскости. Этим объясняется то, что горные автомобильные и железные дороги имеют вид серпантина: чем меньше крутизна дороги, тем легче по ней подниматься.
Клин. Это, в сущности, сдвоенная наклонная плоскость (рис. 6). Главное его отличие от наклонной плоскости в том, что она обычно неподвижна, и груз под действием усилия движется по ней, а клин вгоняют под нагрузку или в нагрузку. Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях, как топор, зубило, нож, гвоздь, швейная игла.
Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина, в отличие от других простейших механизмов, трудно определить. Сопротивление, встречаемое им, непредсказуемо меняется для разных участков его "щек". Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения.
Винт. Резьба винта (рис. 7) - это, в сущности, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления подъема наклонной плоскости винтовая резьба может быть левой (A) или правой (B). Сопрягающаяся деталь, естественно, должна иметь резьбу такого же направления. Примеры простых устройств с винтовой резьбой - домкрат, болт с гайкой, микрометр, тиски.
Поскольку резьба - наклонная плоскость, она всегда дает выигрыш в силе. Идеальный выигрыш равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию, проходимому при этом нагрузкой по оси винта. За один оборот нагрузка перемещается на расстояние между двумя соседними витками резьбы (a и b или b и c на рис. 7), которое называется шагом резьбы. Шаг резьбы обычно значительно меньше ее диаметра, так как иначе слишком велико трение.
КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Комбинированный механизм состоит из двух или большего числа простых. Это не обязательно сложное устройство; многие довольно простые механизмы тоже можно считать комбинированными. Например, в мясорубке имеются ворот (ручка), винт (проталкивающий мясо) и клин (нож-резак). Стрелки наручных часов поворачиваются системой зубчатых колес разного диаметра, находящихся в зацеплении друг с другом. Один из наиболее известных несложных комбинированных механизмов - домкрат. Домкрат (рис. 8) представляет собой комбинацию винта и ворота. Головка винта подпирает нагрузку, а другой его конец входит в резьбовую опору. Усилие прилагается к рукоятке, закрепленной в головке винта. Таким образом, расстояние усилия равно длине окружности, описываемой концом ручки. Длина окружности дается выражением 2pr, где p = 3,14159, а r - радиус окружности, т.е. в данном случае длина ручки. Очевидно, что чем длиннее ручка, тем больше идеальный выигрыш в силе. Расстояние, проходимое нагрузкой за один оборот ручки, равно шагу резьбы. В идеале можно получить очень большой выигрыш в силе, если длинную ручку сочетать с малым шагом резьбы. Поэтому несмотря на малый КПД домкрата (около 25%) он дает большой реальный выигрыш в силе.
Выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав. Так, идеальный выигрыш в силе (ИВС) для домкрата равен отношению длины окружности, описываемой ручкой, к шагу резьбы. Для входящего в состав домкрата ворота ИВС равен отношению длины окружности, описываемой ручкой (расстояние усилия), к длине окружности винта (расстояние нагрузки). Для винта домкрата ИВС равен отношению длины окружности винта (расстояния усилия) к шагу резьбы винта (расстоянию нагрузки). Перемножая ИВС отдельных механизмов домкрата, получаем для комбинированного механизма ИВС = (Окружность ручки/Окружность винта) * (Окружность винта/Шаг резьбы) = (Окружность ручки/Шаг резьбы). Для более сложных комбинированных механизмов вычислить ИВС труднее. Поэтому для них обычно указывают лишь реальный выигрыш.
См. также
КУЛАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ ;
ДИНАМИКА ;
СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ ;
МЕХАНИКА .
ЛИТЕРАТУРА
Попов С.А. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. М., 1986
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое "МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ" в других словарях:
- «Машины и Механизмы» Специализация: научно популярный Периодичность: ежемесячно Сокращённое название: ММ Язык: русский Адрес редакции: 197110, Санкт Петербург, ул. Большая Разночинная 28 … Википедия
Машины и механизмы, применяемые при монтаже. - 8. Машины и механизмы, применяемые при монтаже. Кран на автомобильном ходу г.п. 10 т и кран на гусеничном ходу г.п. до 100 т. Автотранспортные средства для перевозки упакованных поставочных единиц к месту монтажа г.п. 5 т, тракторы на гусеничном… …
ГОСТ 12.2.106-85: Система стандартов безопасности труда. Машины и механизмы, применяемые при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых. Общие гигиенические требования и методы оценки - Терминология ГОСТ 12.2.106 85: Система стандартов безопасности труда. Машины и механизмы, применяемые при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых. Общие гигиенические требования и методы оценки оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
машины - 3.26 машины (machinery): Устройство, состоящее из соединенных между собой частей или компонентов, по крайней мере, один из которых движется, с соответствующими исполнительными механизмами, силовыми цепями и цепями управления и т.д., объединенных… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Машины погрузочно – разгрузочные - – основная цель этих машин и механизмов – работы по перемещению различных грузов. Обычно это самоходные универсальные машины на базе, как правило, колесных транспортных средств. В них тоже применяются быстросъемные рабочие… …
Машины грузоподьемные - – краны всех типов, краны экскаваторы (экскаваторы, предназначенные для работы с крюком, подвешенным на канате), тали, лебедки для подъема груза и людей. [Правила техники безопасности при эксплуатации теплопотребляющих установок и тепловых… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Машины для рыхления заполнителей - – устройства и механизмы, предназначенные для восстановления сыпучести смерзшихся заполнителей при их выгрузке; по принципу действия делятся на вибрационные и виброударные. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Машины разгрузочные - – предназначены для выгрузки заполнителей из полувагонов и платформ (из полувагонов выгрузка осуществляется многоковшовым элеватором, из платформ толкателем; подача в штабель, силоса ленточными конвейерами). [Терминологический словарь… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Механизм - система твердых тел, предназначенная для передачи и преобразования заданного движения одного или нескольких тел в требуемые движения других твердых тел.
Машина - техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности.
Машинный агрегат - техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Основные виды механизмов:
Рычажные, зубчатые, кулачковые, мальтийские,планетарные,манипуляторы
Существуют следующие виды машин:
1. Энергетические машины - преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей:
Двигатели , которые преобразуют любой вид энергии в механическую Генераторы , которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида.
2. Рабочие машины – машины, использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины тоже имеют две разновидности:
Транспортные машины , которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).
Технологические машины , использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.
3. Информационные машины предназначены для обработки и преобразования информации. Они подразделяются на: Математические машины , преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.
Контрольно-управляющие машины , преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.
4. Кибернетические машины - машины обладающие элементами искусственного интеллекта).
Структура механизмов - виды простейших типовых механизмов и их элементы, кинематические пары и их классификация.
Структура механизма - совокупность его элементов и отношений между ними.
Основные виды механизмов.
рычажные
зубчатые
кулачковые
мальтийские
планетарные
манипуляторы
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.
Кинематические пары (КП) классифицируются по следующим признакам:
по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев:
низшие, в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости или поверхности (пары скольжения);
высшие, в которых контакт звеньев осуществляется по линиям или точкам (пары, допускающие скольжение с перекатыванием).
по относительному движению звеньев, образующих пару:
вращательные;
поступательные;
винтовые;
сферические.
по способу замыкания (обеспечения контакта звеньев пары):
силовое (за счет действия сил веса или силы упругости пружины);
геометрическое (за счет конструкции рабочих поверхностей пары).
по числу условий связи, накладываемых на относительное движение звеньев (число условий связи определяет класс кинематической пары);
по числу подвижностей(Н) в относительном движении звеньев.
1.1. Структура машин и механизмов
Большинство современных машин создается по схеме:
Машина – устройство, осуществляющее механические движения, необходимые для выполнения рабочего процесса с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека.
Механизм является составной частью машины и представляет собой совокупность взаимосвязанных деталей и узлов, обеспечивающих выполнение заданных функций.
Привод состоит из двигателя и передаточного механизма. Он предназначен для обеспечения кинематических и силовых характеристик исполнительного механизма.
Передаточный механизм предназначен для передачи энергии от двигателя к исполнительному механизму с преобразованием вида и направления движения, а также изменения кинематических и силовых характеристик.
Исполнительный механизм предназначен для выполнения непосредственно рабочего процесса (обработка, транспортировка, перемешивание и др.).
1.2. Простые передачи. Основные характеристики
и расчетные зависимости
Необходимость введения передаточного механизма обусловлена способностью выполнения им различных функций:
Передача энергии (мощности);
Преобразование (уменьшение или увеличение) сил или моментов сил;
Преобразование (уменьшение или увеличение) скорости движения звеньев;
Преобразование вида движения (вращательное в поступательное или наоборот) и изменение направления движения;
Разделение потоков движения от двигателя к нескольким исполнительным органам рабочей машины.
Среди передаточных механизмов широкое применение получили передачи вращательного движения , которые можно разделить на две основные группы:
Передачи, основанные на использовании сил трения (фрикционные, ременные);
Передачи, основанные на использовании зацепления (зубчатые, червячные, винтовые, цепные).
Рассмотрим простые передачи зацеплением, каждая из которых содержит два подвижных звена (валы с закрепленными на них зубчатыми колесами), совершающих вращательное движение, и одно неподвижное звено (опоры валов). На рис. 1.1 представлен внешний вид передач и варианты изображения на структурных схемах.
| Коническая передача |
| Червячная передача |
Цилиндрические передачи характеризуются параллельным расположением осей зубчатых колес а и b и отличаются расположением зацепления: с внешним зацеплением и с внутренним зацеплением. В конической передаче оси зубчатых колес а и b пересекаются . В червячной передаче оси червяка а и червячного колеса b перекрещиваются .
Основной кинематической характеристикой передаточных механизмов является передаточное отношение U , которое представляет собой соотношение угловых скоростей w или частот вращения n входного (ведущего) а и выходного (ведомого) b звеньев. При этом обозначение передаточного отношения имеет два индекса, указывающие направление передачи движения от звена а к звену b :
.
Частота вращения n связана с угловой скоростью w соотношением:
, об/мин.
Передачи, уменьшающие скорость вращения, называются редукторами . В них передаточное отношение реализуется за счет соотношения диаметров d или числа зубьев Z ведомого b и ведущего а зубчатых колес в зацеплении:
.
Таким образом, редукторы уменьшают скорость вращения в передаточное число раз за счет соотношения чисел зубьев зацепляемых колес:
.
При этом ведущее зубчатое колесо в цилиндрических и конических передачах, имеющее меньшее число зубьев, называют шестерней , а ведомое – колесом .
Вращающий момент в редукторах увеличивается в передаточное число раз с учетом потерь на трение, оцениваемых коэффициентом полезного действия η :
.
Коэффициент полезного действия (h) – это отношение полезной мощности Р n на выходном звене, расходуемой на реализацию полезной работы в производственном или технологическом процессе, к мощности на входном звене, затраченной двигателем :
.
КПД учитывает потери мощности на преодоление сил трения в кинематических парах и является важным критерием оценки эффективности использования энергии и технического совершенства механизма.
При решении задач можно использовать следующие значения КПД для различных передач: цилиндрическая – η = 0,97; коническая – η = 0,96; червячная – η = 0,95 (1 – U / 200), где U – передаточное отношение в червячной передаче.
1.3. Многоступенчатые передаточные механизмы
При необходимости реализации передаточного отношения, величина которого превышает рекомендуемые пределы для отдельных передач, используют последовательное расположение передач (ступеней) в передаточном механизме.
В этом случае общее передаточное отношение (U общ) и общий КПД (h общ) многоступенчатого передаточного механизма определяют как произведение передаточных отношений и КПД всех его ступеней (передач):
,
где m – количество ступеней в механизме.
Передаточное отношение одной или группы ступеней m – ступенчатого механизма характеризует способность изменять частоту вращения n и вращающий момент Т при передаче движения между ведущим i и ведомым k звеньями рассматриваемой части механизма:
.
Полезную мощность на выходном валу механизма (Р вых , Вт) рассчитывают по зависимости:
,
где Т вых , Нм и n вых , об / мин – соответственно вращающий момент и частота вращения выходного вала механизма.
Требуемую (расчетную) мощность двигателя () определяют с учетом потерь в узлах трения механизма:
По расчетной мощности и частоте вращения подбирают по каталогу стандартный электродвигатель, имеющий ближайшее большее значение мощности .
1.4. Примеры решения задач
Задача 1.
Провести структурный, кинематический и силовой анализ изображенного на рис. 1.2 привода, содержащего электродвигатель и редуктор.
Заданы параметры :
– числа зубьев , , , , , ;
– частота вращения вала двигателя об/мин;
– вращающий момент на выходном валу редуктора Нм.
Решение
Структурный анализ. Трехступенчатый передаточный механизм образован путем последовательного присоединения трех отдельных передач.
Первая ступень – цилиндрическая передача с внешним зацеплением; оси шестерни 1 и колеса 2 параллельны.
Вторая ступень – коническая передача; оси шестерни 3 и колеса 4 пересекаются.
Третья ступень – червячная передача; оси червяка 5 и червячного колеса 6 перекрещиваются.
Оси входного I и выходного IV валов перекрещиваются.
Кинематический анализ.
– первой ступени: 
;
– второй ступени: 
;
– третьей ступени: 
;
– механизма: .
Определяем частоту вращения каждого вала механизма, учитывая, что зубчатые колеса закреплены на валах и имеют с ними одинаковые скорости:
Об/мин (по условию задачи);
об/мин;
об/мин;
об/мин.
Силовой анализ. Определяем вращающие моменты на каждом валу:
Нм (по условию задачи);
Нм.
КПД червячной передачи определяем по зависимости:
Нм;
Нм.
Таким образом, частота вращения валов уменьшается ступенчато в передаточное число раз ( об/мин; об/мин; об/мин; об/мин), а вращающие моменты увеличиваются (с учетом КПД) в передаточное число раз ( Нм; Нм; Нм; Нм).
Рассчитываем полезную мощность по выходному валу редуктора:
Вт = 2,5 кВт.
Требуемая (расчетная) мощность двигателя:
кВт,
По каталогу подбираем стандартный электродвигатель 4А100S4 с частотой вращения об/мин и мощностью кВт.
Задача 2. Провести кинематический анализ привода (см рис. 1.2 в задаче 1), используя другие исходные данные.
Заданы параметры:
– числа зубьев: , , , ;
– частота вращения вала двигателя: об/мин;
– частота вращения вала III редуктора: об/мин.
Решение
Определяем передаточные отношения:
– первой ступени: 
;
– третьей ступени: 
;
– общее передаточное отношение первой и второй ступеней:
;
– передаточное отношение второй ступени определяем, учитывая, что 
:
;
– всего механизма: .
Определяем частоту вращения каждого вала механизма:
Об/мин (по условию задачи);
об/мин;
об/мин (по условию задачи);
об/мин.
Таким образом, редуктор уменьшает частоту вращения вала двигателя в 120 раз (с 3000 об/мин до 25 об/мин), изменяя её ступенчато: в первой ступени в 3 раза (с 3000 об/мин до 1000 об/мин), во второй ступени в 2 раза (с 1000 об/мин до 500 об/мин) и в третьей ступени в 20 раз (с 500 об/мин до 25 об/мин).
Контрольные вопросы
1. Что такое привод, передаточный механизм, исполнительный механизм? Для чего они предназначены?
2. Какие функции может выполнять передаточный механизм?
3. Назовите простые передачи зацеплением и нарисуйте их структурные схемы. Какое взаимное расположение осей ведущего и ведомого звеньев характерно для каждой из передач?
4. Что такое передаточное отношение? Как оно характеризует передаточный механизм?
5. Что такое редуктор? Какие функции передаточного механизма он может выполнять? Как требуемое передаточное отношение реализуется в редукторах? Изобразите на схеме: цилиндрический редуктор с передаточным отношением ; конический редуктор с .
6. Составьте все возможные зависимости, по которым можно рассчитать передаточное отношение.
7. Что такое коэффициент полезного действия (КПД)? Как он характеризует передаточный механизм? Какие эксплуатационные параметры рассчитывают с учетом КПД?
8. Для чего предназначены многоступенчатые передаточные механизмы? Как определить общее передаточное отношение и общий КПД?
9. Решите задачу. Провести структурный, кинематический и силовой анализ изображенного на рис. 1.3 редуктора.
Заданы параметры:
– числа зубьев , , , ;
– частота вращения валов
– вращающий момент
|
Определите:
а) количество ступеней в механизме;
б) тип передачи в каждой ступени;
в) передаточное отношение каждой ступени;
г) частоту вращения валов I и II;
д) вращающий момент на валах I, III, IV;
е) общее передаточное отношение;
ж) общий КПД;
з) мощность полезную и затраченную;
и) расположение осей входного I и выходного IV валов.
Ответы: а) 3; б) 1-Ч, 2-К, 3-Ц; в) 15, 2, 4; г) 200 и 100; д) 10, 253, 983; е) 120; ж) 0,82; з) 2,57 и 3,14; и) перекрещиваются.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТАТИКИ
2.1. Сила и момент силы.
Пара сил и момент пары сил
Статика – это раздел механики, в котором изучают условия равновесия звеньев механизма под действием сил.
Сила (F , Н) – мера механического взаимодействия твердых тел. Силу представляют в виде вектора , действие которого характеризуется точкой приложения (например, т. А), направлением по линии действия и величиной F (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Рис. 2.2
Пара сил (рис. 2.2) – система параллельных сил (), равных по модулю (F 1 = F 2) и направленных в противоположные стороны ().
Момент силы
( , Нм) относительно точки (например т. О
) – это произведение численной величины силы F
на плечо h
– кратчайшее расстояние от точки до линии действия силы (см. рис. 2.1): 
Момент пары сил(сосредоточенный момент)
(m, Hм)
определяется как произведение величины одной из сил на плечо пары h –
расстояние между линиями действия сил (см. рис. 2.2):
.
|
Вращающий момент (Т, Нм) – момент силы, действие которого сопровождается поворотом звена (рис. 2.4, а ).
Изгибающий момент (М,Нм) – момент силы, действие которого сопровождается изгибом звена (рис. 2.4, б ).
2.2. Связи и их реакции
Любой элемент конструкции или звено механизма является несвободным телом, перемещения которого в пространстве ограничивают другие тела, называемые связями . Связь, препятствующая перемещению несвободного тела, действует на него силой, называемой реакцией связи .
Направление реакций связей определяют на основании следующих правил:
1. Реакция связи прикладывается в точке контакта соприкасающихся поверхностей и направлена в сторону, противоположную тому направлению, в котором ограничивается перемещение.
2. Если связь ограничивает перемещение одновременно по нескольким направлениям, то направление реакции неизвестно и ее представляют в виде составляющих, направленных вдоль осей выбранной системы координат.
Рассмотрим направление реакций для основных видов связей (рис. 2.5).
Контакт гладких поверхностей (рис. 2.5, а ). Реакция направлена по общей нормали к соприкасающимся поверхностям.
Контакт гладких поверхностей с угловыми точками и заострениями (рис. 2.5, б ). Реакция направлена по нормали к гладкой поверхности.
Нерастяжимая нить (рис. 2.5, в ). Реакции и направлены вдоль нитей к точкам подвеса.
Шарнирно-подвижная опора (рис. 2.5, г ). Реакция перпендикулярна опорной поверхности.
Шарнирно-неподвижная опора (рис. 2.5, д ). Направление реакции неизвестно. Представлена в виде неизвестных составляющих и .
Жесткая заделка (рис. 2.5, е ). В такой опоре может быть три составляющих реакции: , и опорный момент .
2.3. Условия равновесия плоской системы сил
Твердое тело находится в состоянии равновесия, если оно неподвижно относительно рассматриваемой системы отсчета.
Для равновесия твердого тела под действием произвольной системы сил необходимо и достаточно, чтобы главный вектор и главный момент этой системы относительно любой точки О тела были равны нулю:
Главный вектор системы сил равен геометрической сумме всех сил системы:
Главный момент системы сил равен сумме моментов всех сил относительно выбранного центра приведения 0:
.
В результате условия равновесия имеют вид:
.
При решении практических задач используется аналитический метод решения векторных уравнений, согласно которому проекция суммы векторов на какую-либо ось равна сумме проекций слагаемых векторов на ту же ось .
В связи с этим представленные выше условия равновесия для плоской системы сил могут быть записаны в виде трех независимых уравнений равновесия твердого тела относительно прямоугольной системы координат XY:
.
Твердое тело находится в равновесии, если алгебраическая (с учетом знака) сумма проекций всех сил на каждую из координатных осей равна нулю и алгебраическая сумма моментов всех сил относительно любой точки О плоскости XY равна нулю.
Для определения величины и направления реакции связи необходимо произвести следующие действия:
1) заменить внешние связи на их реакции, изобразив на силовой схеме их возможное направление;
2) из уравнений равновесия системы сил определить величину неизвестных реакций;
3) если в результате вычислений какая-либо реакция получается отрицательной, нужно изменить на схеме ее направление на противоположное;
4) произвести контрольную проверку правильности определения реакций как по величине, так и по направлению, используя дополнительно одно из уравнений равновесия, например уравнение моментов относительно не рассматриваемой ранее точки плоскости.
При составлении уравнений равновесия удобно использовать следующие положения:
– проекция вектора силы на ось равна произведению модуля (величины) силы на косинус угла между линией действия силы и осью, взятому со знаком плюс, если направления вектора и оси совпадают, или минус, если они противоположны:
– момент силы берется со знаком плюс, если он действует в направлении движения часовой стрелки, и со знаком минус, если наоборот.
2.4. Пример решения задач
Задача. На рис. 2.6 изображена балка на двух шарнирных опорах А и С, нагруженная плоской системой внешних сил и моментов:
Н; Н; Нм;
Размеры участков балки:
Требуется определить величину и направление векторов реакций опор и .
Решение
Изобразим на силовой схеме предположительное направление реакций опор и – оба вектора направлены вверх.
Определим величину и направление реакций и , используя уравнения равновесия плоской системы сил.
Составим уравнение моментов сил относительно опоры С , считая действие момента по направлению движения часовой стрелки положительным (со знаком «плюс»):
Реакция = 400 Н , направлена вниз.
Составим уравнение проекций всех сил на вертикальную ось Y , считая направление вектора вверх положительным (со знаком «плюс»):
Знак «минус» свидетельствует о неправильно выбранном направлении . Меняем на схеме направление вектора на противоположное.
Реакция = 200 Н , направлена вниз.
Проверяем правильность решения, используя дополнительное уравнение моментов сил относительно любой неопорной точки, например точки В :
Полученный в результате вычислений «ноль» свидетельствует о правильности определения реакций и как по величине, так и по направлению.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение силы. Чем характеризуется действие силы?
2. Как определить момент силы относительно точки?
3. Дайте определение пары сил. Как найти момент пары сил? Как он обозначается на схемах?
4. Дайте определение вращающего и изгибающего моментов.
5. Что называется связью, реакцией связи?
6. Сформулируйте правила определения направления реакций связей.
7. Что называется главным вектором и главным моментом системы сил? Как они определяются?
8. Сформулируйте условия равновесия плоской системы сил; напишите уравнения равновесия.
9. Решите задачу. На рис. 2.7 изображена балка на двух шарнирных опорах В и D, нагруженная силами Н, Н и сосредоточенным моментом Нм. Размер м. Определить величину и направление реакций опор и и произвести проверку.
Ответ: Н, направлена вверх; Н, направлена вниз.
3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Прочность, жесткость, устойчивость
Работоспособность конструкции зависит от прочности, жесткости и устойчивости составляющих ее элементов.
Прочность – способность конструкции и ее элементов воспринимать нагрузку без разрушения.
Жесткость – способность конструкции и ее элементов сопротивляться деформации, то есть изменению первоначальной формы и размеров под действием нагрузок.
Устойчивость – способность конструкции и ее элементов сохранять начальную форму упругого равновесия.
Большинство деталей механизмов рассчитывают на прочность, решая три основные задачи:
Определение рациональных размеров;
Определение безопасных нагрузок;
Выбор наиболее подходящих материалов.
При этом реальную конструкцию заменяют расчетной схемой, а результаты расчетов проверяют экспериментально.
3.2. Метод сечений. Внутренние силовые факторы
Внешние силы
, действующие на элементы конструкций, разделяют на активные (нагрузки) и реактивные (реакции связей). Они вызывают появление внутренних сил
сопротивления. Если внутренние силы превзойдут силы сцепления отдельных частиц материала, произойдет разрушение данного элемента конструкции. Следовательно, для оценки прочности изучаемого объекта необходимо знать внутренние силы и закон их распределения по объекту. Для решения этих задач используют метод сечений
. Рассмотрим в равновесии элемент конструкции произвольной формы (рис. 3.1), нагруженный системой внешних сил 
. В любом сечении этого элемента будут действовать внутренние силы, которые необходимо определить. Для этого мысленно рассечем рассматриваемый объект произвольно выбранным сечением на две части: А и Б.
На каждую из этих частей будут действовать внешние силы и и внутренние силы в сечении , уравновешивающие действие отсеченной части:
; 
.
Следовательно, внутренние силы, возникающие в рассматриваемом сечении, равны сумме внешних сил, действующих на одну из отсеченных частей.
Весьма разнообразны. Одни из них представляют собой сочетание только твердых тел, другие имеют в своем составе гидравлические, пневматические тела или электрические, магнитные и другие устройства. Соответственно такие механизмы называются гидравлическими, пневматическими, электрическими и т.д.
С точки зрения их функционального назначения механизмы обычно делятся на следующие виды:
Механизмы двигателей осуществляют преобразование различных видов энергии в механическую работу (например, механизмы двигателей внутреннего сгорания, паровых машин, электродвигателей, турбин и др.).
Механизмы преобразователей (генераторов) осуществляют преобразование механической работы в другие виды энергии (например, механизмы насосов, компрессоров, гидроприводов и др.).
Передаточный механизм (привод) имеет своей задачей передачу движения от двигателя к технологической машине или исполнительному механизму, преобразуя это движение в необходимое для работы данной технологической машины или исполнительного механизма.
Исполнительный механизм – это механизм, который непосредственно воздействует на обрабатываемую среду или объект. В его задачу входит изменение формы, состояния, положения и свойств обрабатываемой среды или объекта (например, механизмы металлообрабатывающих станков, прессов, конвейеров, прокатных станов, экскаваторов, грузоподъемных машин и др.).
Механизмами управления, контроля и регулирования называются различные механизмы и устройства для обеспечения и контроля размеров обрабатываемых объектов (например измерительные механизмы по контролю размеров, давления, уровней жидкости; регуляторы, реагирующие на отклонение угловой скорости главного вала машины и устанавливающие заданную скорость этого вала; механизм, регулирующий постоянство расстояния между валками прокатного стана, и т.д.).
К механизмам подачи транспортировки, питания и сортировки обрабатываемых сред и объектов относятся механизмы винтовых шнеков, скребковых и ковшевых элеваторов для транспортировки и подачи сыпучих материалов, механизмы загрузочных бункеров для штучных заготовок, механизмы сортировки готовой продукции по размерам, весу, конфигурации и т.д.
Механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки готовой продукции применяются во многих машинах, в основном выпускающих массовую штучную продукцию. Надо иметь в виду, что эти механизмы могут быть и исполнительными механизмами, если они входят в специальные машины, предназначенные для этих целей.
Данная классификация показывает лишь многообразие функционального применения механизмов, которая может быть еще значительно расширена. Однако для выполнения различных функций часто применяются механизмы, имеющие одинаковое строение, кинематику и динамику. Поэтому для изучения в теории механизмов и машин выделяются механизмы, имеющие общие методы их синтеза и анализа работы, независимо от их функционального предназначения. С этой точки зрения выделяются следующие виды механизмов.
Просмотр: эта статья прочитана 5345 раз
Rar Выберите язык... Русский Украинский Английский
Краткий обзор
Полностью материал скачивается выше, предварительно выбрав язык
Одной из задач современной теории механизмов является изучение и систематизация громадного наследства, накопленного практическим машиностроением в виде различных механизмов, применяемых в самых разнообразных машинах, приборах и устройствах. Анализ этого материала по видам механизмов показал, что вся работа по их систематизации должна быть разбита на несколько этапов. Первый этап — сборники, включающие механизмы, применяемые в самых различных отраслях машиностроения. Следующий этап — сборники, посвященные отдельным отраслям машиностроения, например, механизмы точной механики, механизмы металлорежущих станков, механизмы авиадвигателей и т. д.
При отборе механизмов автор в основном дал схемы и описания механизмов общего назначения, или механизмов, применяемых в самых различных отраслях машиностроения. Но отдельные механизмы целевого, отраслевого направления были также включены в справочник как представляющие интерес не только для данной узкой отрасли, но и для других отраслей машиностроения. Эти механизмы выделены в отдельную подгруппу — механизмов целевых устройств. Кинематические пары и подвижные соединения даны автором не в схематическом, а в конструктивном изображении, с тем, чтобы облегчить конструктору процесс проектирования механизма. Автором был использован обширный материал на русском и иностранных языках.
С целью большей наглядности и удобства пользования настоящим справочным руководством при изображении механизмов, были взяты в основу не установленные соответствующими стандартами условные изображения звеньев и элементов кинематических: пар, а схематические обозначения, носящие пол у конструктивный характер, т. е. звенья и элементы кинематических пар изображались в виде условных стержней, ползунов, кулис и т. д., обладающих только приблизительно теми соотношениями размеров, которыми они могли бы обладать при их конструктивном оформлении.
Далее, в процессе обработки материала в большинстве случаев приходилось отказываться от точного изображения отдельных деталей механизмов, как это принято в чертежах конструкций, так как это потребовало бы введения в чертеж ряда дополнительных частностей, имеющих важное конструктивное значение, но затемняющих основное восприятие той формы движения, которая данным механизмом может быть воспроизведена. Особенно это относится к деталям рам, подшипников, стоек, к упорным кольцам, втулкам и т. д. Более того, некоторые условности, применяемые в современных чертежах конструкций в части разрезов, проекций, штриховки, изображения резьб, пунктиров и т. д., не всегда принимались во внимание, так как строгое их соблюдение нанесло бы ущерб ясности восприятия читателями кинематики и структуры механизмов.
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи
Пример расчета прямозубой цилиндрической передачи. Выполнен выбор материала, расчет допускаемых напряжений, расчет на контактную и изгибную прочность.
Пример решения задачи на изгиб балки
В примере построены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов, найдено опасное сечение и подобран двутавр. В задаче проанализировано построение эпюр с помощью дифференциальных зависимостей, провелен сравнительный анализ различных поперечных сечений балки.
Пример решения задачи на кручение вала
Задача состоит в проверке прочности стального вала при заданном диаметре, материале и допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры крутящих моментов, касательных напряжений и углов закручивания. Собственный вес вала не учитывается
Пример решения задачи на растяжение-сжатие стержня
Задача состоит в проверке прочности стального стержня при заданных допускаемых напряжениях. В ходе решения строятся эпюры продольных сил, нормальных напряжений и перемещений. Собственный вес стержня не учитывается
Применение теоремы о сохранении кинетической энергии
Пример решения задачи на применение теоремы о сохранение кинетической энергии механической системы
Определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям движения
Пример решение задачи на определение скорости и ускорения точки по заданным уравнениям движения
Определение скоростей и ускорений точек твердого тела при плоскопараллельном движении
Пример решения задачи на определение скоростей и ускорений точек твердого тела при плоскопараллельном движении
Определение усилий в стержнях плоской фермы
Пример решения задачи на определение усилий в стержнях плоской фермы методом Риттера и методом вырезания узлов
Применение теоремы об изменении кинетического момента
Пример решения задачи на применение теоремы об изменении кинетического момента для определения угловой скорости тела, совершающего вращение вокруг неподвижной оси.
Загрузка...
