Принципы преобразования движения
Введение в машиноведение
Машиноведение объединяет комплекс научных исследований по наиболее общим вопросам, связанным с машиностроением независимо от отраслевой принадлежности и целевого назначения машин.
В машиноведение входят:
- общая теория машин и теория механизмов, изучающие их динамику в различных условиях применения с целью создания рациональных образцов на основе кинематического и динамического анализа и синтеза механизмов;
- дисциплины, изучающие свойства материалов, применяемых в машиностроении (например, Металловедение, ТКМ) для правильного выбора материалов при создании определённых видов машин;
- дисциплины, позволяющие определить прочность и несущую способность узлов и деталей в различных условиях эксплуатации машин и на основе этого рассчитывать их размеры (Сопротивление материалов, Упругости теория, Пластичности теория, Детали машин);
- теория трения, исследования износа деталей в узлах, на основе которых решаются вопросы повышения кпд, увеличения ресурсов работы, необходимого качества поверхности сопряжённых деталей;
- исследование оптимальных процессов изготовления;
- вопросы надёжности в смысле обеспечения требуемых свойств, высококачественного выполнения машиной необходимых операций и сохранения этих свойств при её эксплуатации, вопросы рационального использования энергии, вопросы повышения производительности машин и, в конечном счёте, их экономичности.
Принципы преобразования движения
В разделе кинематика теоретической механики под преобразованием простейших движений принимается:
а) преобразование вращательного движения в поступательное (и обратное преобразование);
б) преобразование вращения вокруг одной неподвижной оси во вращение вокруг другой неподвижной оси;
в) преобразование одного поступательного движения в другое поступательное движение.
При решении задач о движении механизмов, преобразующих простейшие движения, пользуются совместно с формулами кинематики точки и формулами кинематики твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси.
Преобразование вращения одного твердого тела вокруг неподвижной оси во вращение второго твердого тела вокруг другой неподвижной оси осуществляется посредством зубчатого или фрикционного зацепления двух колес (рис. 1, а, б) или при помощи ременной передачи (рис. 2, 3).
Рис. 1. Преобразование вращения: а) внутреннее зацепление; б) внешнее зацепление.
При внутреннем зацеплении (рис. 1, а) и нескрещивающейся ременной передаче (рис. 2) направление вращений обоих колес совпадает. При внешнем зацеплении (рис. 1, б) и скрещивающейся ременной передаче (рис. 3) направление вращения колес противоположно. Величины скоростей на ободе зубчатых колес, находящихся в зацеплении, равны. Также равны по модулю скорости на ободе шкивов ременной передачи, если нет скольжения ремня по шкиву. Угловые скорости колес обратно пропорциональны числам зубцов или радиусам, или диаметрам
ω1 / ω2 = r2 / r1 = z2 / z1 = d2 / d1 .
В этой формуле ω1 , ω2 — модули угловых скоростей, r1, r2 — радиусы начальных окружностей, d1, d2 — диаметры начальных окружностей, z1, z2 —числа зубцов первого и соответственно второго колеса.
Зубчатые колеса и ременные передачи, изображенные на рис. 1-3, представляют примеры последовательного соединения колес и шкивов. При последовательном соединении каждое из колес вращается вокруг своей неподвижной оси.
Часто применяется параллельное соединение колес, когда два колеса вращаются вокруг одной неподвижной оси. Если при этом они жестко соединены друг с другом, то их угловые скорости равны.
Рис. 2. Нескрещивающаяся ременная передача. Рис. 3. Нескрещивающаяся ременная передача.
При решении задач на преобразование простейших движений рекомендуется такая последовательность действий:
1) исходя из условия задачи, выписать уравнение движения или другие кинематические соотношения для того твердого тела, движение которого известно;
2) пользуясь формулами кинематики точки и кинематики вращения твердого тела вокруг неподвижной оси, найти уравнение движения другого твердого тела, которому передается движение, а также найти скорости и ускорения различных точек этого твердого тела.
Раздел 1. Общие вопросы проектирования деталей и узлов машин
Основные требования к деталям и узлам машин. Критерии работоспособности деталей машин. Допускаемые расчетные напряжения. Проектный и проверочный расчет.
Детали и узлы машин
Детали машин (от франц. détail — подробность) ДМ, элементы машин, каждый из которых представляет собой одно целое и не может быть без разрушения разобран на более простые, составные звенья машин. ДМ является также научной дисциплиной, рассматривающей теорию, расчёт и конструирование машин.
Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.п.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.п.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы (сборочные единицы).
Узел (сборочная единица) — это изделие, составные части которого (детали) подверглись соединению между собой сборочными операциями на предприятии изготовителе.
Машина (др.-греч. Μηχανή ), (от лат. machina) — совокупность агрегатов или устройств. Используется для выполнения определенных действий с целью облегчить или заменить полностью человека при выполнении конкретной задачи.
Практически любую машину можно причислить к одной из четырех групп:
· Энергетические машины (двигатели, ядерные реакторы, обогреватели и другие преобразователи энергии)
· Информационные машины (ЭВМ, музыкальные инструменты, аппараты связи и другие устройства передачи, обработки и хранения информации)
· Материалообрабатывающие машины (мельницы, печи, станки и т. д.)
· Транспортные и подъемные машины (канатные дороги, ракеты, краны, экранопланы…)
Число деталей в сложных машинах достигает десятков тысяч. Выполнение машин из деталей, прежде всего, вызвано необходимостью относительных движений частей. Однако неподвижные и взаимно неподвижные части машин (звенья) также делают из отдельных соединённых между собой деталей. Это позволяет применять оптимальные материалы, восстанавливать работоспособность изношенных машин, заменяя только простые и дешёвые детали, облегчает их изготовление, обеспечивает возможность и удобство сборки.
ДМ как научная дисциплина рассматривает следующие основные функциональные группы:
· Корпусные детали, несущие механизмы и другие узлы машин: плиты, поддерживающие машины, состоящие из отдельных агрегатов; станины, несущие основные узлы машин; рамы транспортных машин; корпусы ротационных машин (турбин, насосов, электродвигателей); цилиндры и блоки цилиндров; корпусы редукторов, коробок передач; столы, салазки, суппорты, консоли, кронштейны и др.
· Передачи — механизмы, передающие механическую энергию на расстояние, как правило, с преобразованием скоростей и моментов, иногда с преобразованием видов и законов движения. Передачи вращательного движения, в свою очередь, делят по принципу работы на передачи зацеплением, работающие без проскальзывания, — зубчатые передачи, червячные передачи и цепные, и передачи трением — ремённые передачи и фрикционные с жёсткими звеньями. По наличию промежуточного гибкого звена, обеспечивающего возможность значительных расстояний между валами, различают передачи гибкой связью (ремённые и цепные) и передачи непосредственным контактом (зубчатые, червячные, фрикционные и др.). По взаимному расположению валов — передачи с параллельными осями валов (цилиндрические зубчатые, цепные, ремённые), с пересекающимися осями (конические зубчатые), с перекрещивающимися осями (червячные, гипоидные). По основной кинематической характеристике — передаточному отношению — различают передачи с постоянным передаточным отношением (редуцирующие, повысительные) и с переменным передаточным отношением — ступенчатые (коробки передач) и бесступенчатые (вариаторы). Передачи, преобразующие вращательное движение в непрерывное поступательное или наоборот, разделяют на передачи винт — гайка (скольжения и качения), рейка — реечная шестерня, рейка — червяк, длинная полугайка — червяк.
· Валы и оси служат для поддерживания вращающихся ДМ. Различают валы передач, несущие детали передач — зубчатые колёса, шкивы, звёздочки, и валы коренные и специальные, несущие, кроме деталей передач, рабочие органы двигателей или машин орудий. Оси, вращающиеся и неподвижные, нашли широкое применение в транспортных машинах для поддержания, например, неведущих колёс. Вращающиеся валы или оси опираются на подшипники, а поступательно перемещающиеся детали (столы, суппорты и др.) движутся по направляющим. Опоры скольжения могут работать с гидродинамическим, аэродинамическим, аэростатическим трением или смешанным трением. Опоры качения шариковые применяются при малых и средних нагрузках, роликовые — при значительных нагрузках, игольчатые — при стеснённых габаритах. Наиболее часто в машинах используют подшипники качения, их изготавливают в широком диапазоне наружных диаметров от одного ммдо нескольких м и массой от долей г до нескольких т.
· Для соединения валов служат муфты. Эта функция может совмещаться с компенсацией погрешностей изготовления и сборки, смягчением динамических воздействий, управлением и т.д.
Упругие элементы предназначаются для виброизоляции и гашения энергии удара, для выполнения функций двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров и натяга в механизмах. Различают витые пружины, спиральные пружины, листовые рессоры, резиновые упругие элементы и т.д.
· Соединительные детали являются отдельной функциональной группой. Различают: неразъёмные соединения, не допускающие разъединения без разрушения деталей, соединительных элементов или соединительного слоя — сварные, паяные, заклёпочные, клеевые, вальцованные; разъёмные соединения, допускающие разъединение и осуществляемые взаимным направлением деталей и силами трения (большинство разъёмных соединений) или только взаимным направлением (например, соединения призматическими шпонками). По форме присоединительных поверхностей различают соединения по плоскостям (большинство) и по поверхностям вращения — цилиндрической или конической (вал — ступица). Широчайшее применение в машиностроении получили сварные соединения. Из разъёмных соединений наибольшее распространение получили резьбовые соединения, осуществляемые винтами, болтами, шпильками, гайками.