Классификация машин
Машиной называется устройство, создаваемое человеком, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью полной замены или облегчения физического и умственного труда человека, увеличения его производительности.
Автоматом называется машина, в которой все преобразования энергии, материалов и информации выполняются без непосредственного участия человека.
Функциональные признаки машин:
Преобразование энергии в механическую работу (например, двигатель внутреннего сгорания) или преобразование механической работы в другой вид энергии (например, ветряной электрический генератор);
Определённость движения всех её частей при заданном движении одной части.
По характеру рабочего процесса машины делятся на классы:
Машины-двигатели - энергетические машины, предназначенные для преобразования энергии любого вида (электрической, тепловой и тому подобные) в механическую энергию (вращательную или поступательную энергию твёрдого тела);
Машины-преобразователи - энергетические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в энергию любого вида (электрические генераторы, воздушные и гидравлические насосы и так далее);
Транспортные машины - машины, преобразующие механическую энергию двигателя в энергию перемещения масс и предназначенные для перемещения людей и грузов;
Технологические машины - машины, предназначенные для преобразования обрабатываемого предмета, состоящего в изменении его размеров, формы, свойств или состояния (обрабатывающие станки - токарный, фрезерный, свердильный, штамповочный и так далее);
Информационные машины - машины, предназначенные для получения и преобразования информации (микроконтроллеры, ЭВМ).
Автоматические линии - совокупность машин-автоматов, соединённых между собой автоматическими транспортными устройствами и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса.
В машине можно выделить следующие основные части:
Приёмник, непосредственно воспринимающий действие внешних сил, приводящих машину в движение (например, поршень в двигателе);
Исполнительные механизмы, производящие работу, для получения которой предназначена машина (например, шпиндель станка);
Передаточные механизмы или приводы, служащие для передачи и преобразования движения от приемника к исполнительному механизму (например, кривошипный механизм, редуктор и другие).
Кроме указанных основных частей машина имеет части для управления и регулирования движения, а также неподвижную часть - станину, фундамент, раму, служащую для поддержания движущихся звеньев машины.
Кинематические пары
Классификация кинематических пар
Кинематические пары классифицируются по следующим признакам:
- по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев:
низшие - в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости или поверхности (пары скольжения);
Низшие кинематические пары
Поступательная |
Цилиндрическая |
Вращательная |
Сферическая |
высшие- в которых контакт звеньев осуществляется по линиям или точкам (пары, допускающие скольжение с перекатыванием). Они имеются, например, в зубчатых и кулачковых механизмах, в шарикоподшипниках.
Пример высшей кулачковой кинематической пары
- по относительному движению звеньев, образующих пару:
вращательные; поступательные; цилиндрические; сферические; винтовые; плоские.
Механизм, звенья которого образуют только вращательные, поступательные, цилиндрические и сферические пары, называют рычажным.
- по способу контакта звеньев:
силовое, за счёт действия сил веса или силы упругости пружины;
геометрическое, за счёт конструкции рабочих поверхностей пары.
- по числу подвижностей в относительном движении звеньев.
По условиям связи в кинематических парах определяются классы связей. Для определения класса связей определяются степени свободы тела. В декартовой системе координат (XYZ), не связанное тело имеет 6 степеней свободы.
Пример тела не ограниченного кинематической связью. Не связанное тело имеет шесть степеней свободы - вращение вокруг каждой из 3 осей и перемещение вдоль каждой 3 из осей.
Кинематические пары делятся на пять классов, в зависимости от числа налагаемых связей на подвижность каждого из звеньев. Например, если телами (звеньями), образовавшими кинематическую пару, утрачено по 5 степеней свободы каждым, эту пару называют кинематической парой 5-го класса. Если утрачено 4 степени свободы - 4-го класса и так далее. Число степеней подвижности обозначается - H. Число налагаемых связей обозначается - S. При этом число степеней подвижности можно определить по формуле: H = 6 - S.
Пара первого класса: S = 1; H = 5
Пара второго класса: S = 2; H = 4
Пара третьего класса: S = 3; H = 3
Пара четвёртого класса: S = 4; H = 2
Пара пятого класса: S = 5; H = 1
Пример кинематической пары 5-го класса.
Тело имеет только одну степень свободы - движение вдоль оси.
|
Пример кинематической пары 4-го класса.
Тело имеет две степени свободы - движение вдоль оси и вращение.
|
Условные обозначения кинематических пар
| Число степеней подвижности H |
Класс пары S |
Изображение / название |
Условное обозначение |
| 5 |
1 |
Шар - плоскость |
 |
| 4 |
2 |
Цилиндр - плоскость |
 |
| 3 |
3 |
Сферическая |
 |
| 3 |
3 |
Плоскостная |
 |
| 2 |
4 |
Цилиндрическая |
 |
| 2 |
4 |
Сферическая с пальцем |
 |
| 1 |
5 |
Поступательная |
 |
| 1 |
5 |
Винтовая |
 |
Классификация кинематических цепей. Структура механизмов
Основные виды звеньев, используемых в механизмах
| Наименование |
Вид / Определение |
Условное обозначение
на кинематической схеме |
| Стойка |
Неподвижное звено |
 |
| Кривошип |
Вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвижной оси. |
 |
| Коромысло |
Вращающееся звено рычажного механизма, которое может совершать только неполный оборот вокруг неподвижной оси. |
 |
| Кулиса |
Звено рычажного механизма, вращающееся вокруг неподвижной оси и образующее с другим подвижным звеном поступательную пару. |
 |
| Ползун |
Звено рычажного механизма, образующее поступательную пару со стойкой. |
 |
| Шатун |
Звено рычажного механизма, образующее кинематические пары только с подвижными звеньями. |
 |
| Кулачок |
Звено, имеющее элемент высшей пары, выполненный в виде поверхности переменной кривизны. |
 |
Классификация кинематических цепей
Несколько звеньев механизма, соединённых между собой кинематическими парами, образуют кинематическую цепь. Кинематические цепи бывают 3-х видов:
| Замкнутые (простые) |
|
| Разомкнутые (простые) |
|
| Комбинированные, разветвлённые (сложные) |
|
По наличию разветвлений различают цепи простые(каждое звено цепи входит не более чем две кинематических пары) и сложные или разветвлённые(некоторые звенья входят в три, или более пары); в разветвленных цепях могут присутствовать так называемые кратные (двойные, тройные и т.д.) шарниры.
Для кинематических цепей справедливы следующие определения:
Шарнир- подвижное соединение частей механизма, деталей, обеспечивающее их вращение вокруг общей оси или общей точки;
Звено- твёрдое тело, участвующее в заданном преобразовании движения. Звено может состоять из нескольких деталей, не имеющих между собой относительного движения;
Стойка- звено, принимаемое за неподвижное;
Входное звено- звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев;
Выходное звено- звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм;
Связь- любое условие, которое уменьшает число степеней свободы механизма. Любую связь можно отбросить, заменив её действие реакцией;
Избыточная связь- связь, устранение которой не изменяет число степеней свободы механизма.
Структура механизмов
Механизм- система тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких твёрдых тел и (или) сил, действующих на них, в требуемые движения других тел и (или) сил. В теории механизмов и машин под твёрдыми телами понимают как абсолютно твёрдые, так и деформируемые тела.
Структурой механизмапонимается совокупность его элементов и отношений между ними.
По области движения звеньев цепи бывают плоские(траектории движения точек всех звеньев - плоские кривые, лежащие в параллельных плоскостях) и пространственные.
Чтобы из кинематической цепи получить механизм, необходимо:
- одно звено сделать неподвижным, то есть образовать станину (стойку) или соединить с корпусом машины;
- одному или нескольким звеньям задать закон движения (сделать ведущими) таким образом, чтобы все остальные звенья совершали требуемые целесообразные движения.
Для механизма, так же должны быть определены:
- Обобщенная координата механизма - каждая из независимых координат, определяющих положение всех звеньев механизма относительно стойки;
- Число степеней свободы механизма - это число степеней свободы всей кинематической цепи относительно неподвижного звена (стойки).
Детали машин. Основные требования к деталям и машинам
Деталью называется часть механизма, изготовленная без применения сборочных операций (поршень, шпилька, болт, гайка, корпус и тому подобные).
К деталям машин предъявляются следующие основные требования:
- технологичность - изготовление изделия при минимальных затратах труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению;
- прочность - свойство детали в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать приложенные к ней нагрузки. Деталь не должна разрушаться или получать остаточные деформации под влиянием действующих на нее сил в течение заданного срока службы;
- жёсткость - упругие перемещения, возникающие в детали под влиянием действующих на нее сил, не должны превышать некоторых допустимых заранее заданных величин;
- износостойкость (износоустойчивость) - износ детали в течение заданного срока службы не должен вызывать нарушения характера сопряжения ее с другими деталями и приводить к недопустимому уменьшению ее прочности. Износоустойчивость оценивается при эксплуатации или в результате испытаний на стенде на длительность работы до достижения предельного значения износа;
- теплостойкость - способность деталей сохранять нормальную работоспособность в заданных пределах температурного режима, вызываемого рабочим процессом машины и трением в ее механизмах;
- малая масса и минимальные габариты - деталь должна иметь достаточные прочность, жесткость и износостойкость при минимально возможных габаритах и массе;
- экономичность при выборе материалов - удовлетворение всех предыдущих требований не должно осуществляться за счет применения дефицитных материалов, так как использование таких материалов приводит к резкому увеличению стоимости детали;
- безопасность - форма и размеры детали должны обеспечивать безопасность обслуживающего персонала при изготовлении и эксплуатации машины;
- соответствие государственным стандартам - деталь должна удовлетворять действующим стандартам на формы, размеры, сорта и марки материала.
Основные сведенья о стандартизации и взаимозаменяемости деталей машин
Стандартизацией называется процесс установления в применения стандартов - документов, содержащих обязательные нормы, правила и требования, относящиеся к различным сторонам человеческой деятельности, в том числе к сфере проектирования, производства, эксплуатации и ремонта машин.
Эффективным методом стандартизации является унификация - приведение к единообразию, сведение к минимуму типоразмеров деталей и их элементов.
Стандартизация и унификация позволяют осуществлять взаимозаменяемость деталей и узлов, то есть возможность установки и замены их без предварительной подгонки. В свою очередь, взаимозаменяемость деталей - необходимое условие для организации специализированного и массового производства изделий, а также для его широкого кооперирования.
В нашей стране стандартизация подчиняется ГОСТ (Государственным стандартам). В свою очередь, Государственные стандарты создаются и пересматриваются с учётом рекомендаций и решений международной организации по стандартизации, ИСО (International Organization for Standardization, ISO).
В машиностроении приняты определённые стандарты, которые упорядочивают конструкторскую и технологическую документацию, а также подготовку производства, снижают их трудоемкость и повышают производительность инженерно-технического труда. К ним относятся:
- Единая система конструкторской документации (ЕСКД) - содержит более 100 ГОСТ;
- Единая система технологической документации (ЕСТД) - содержит около 20 ГОСТ;
- Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП) - содержит около 20 ГОСТ.
|
