Н. М. ПУЗЫРЕВ
Курсовое проектирование
по
Теории механизмов и машин
Учебное пособие
Тверь 2003
УДК
Курсовое проектирование по теории механизмов и машин: Учебное пособие. - /Н.М. Пузырев. –Тверь: ТГТУ, 2003. - с.
Учебное пособие предназначено для студентов механических специальностей высших учебных заведений, изучающих дисциплину «Теория механизмов и машин». Рассмотрены и пояснены на примерах решения задач анализа и синтеза механизмов, входящих в курсовой проект: кинематический и силовой анализ рычажных механизмов, синтез и анализ зубчатых механизмов, динамический анализ механизмов и расчет маховика. Приведена последовательность выполнения отдельных разделов курсового проекта с использованием графических, графоаналитических и аналитических методов.
Рецензенты:
профессор кафедры теории механизмов и машин и деталей машин Тверского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор Родионов Л.В.;
доктор физико-математических наук Мурцовкин В.А.
ã Тверской государственный технический университет 2003
ВВЕДЕНИЕ
Курсовое проектирование, являясь одним из важнейших элементов освоения дисциплины «Теория механизмов и машин» студентами механических специальностей высших учебных заведений, способствует закреплению теоретических знаний, полученных при изучении общих методов синтеза, структурного, кинематического и динамического анализа механизмов и машин.
Инженер-конструктор, владея теоретическим знаниями, должен знать и использовать современные методы расчета и конструирования высокопроизводительных и надежных машин и механизмов. Рационально спроектированная машина должна обладать высокими эксплуатационными, технологическими, производственными, экономическими и социальными показателями. Этого можно добиться только путем решения целого комплекса задач, стоящих перед проектировщиком.
Для их успешного решения студент – будущий инженер – должен владеть общими законами механики движения и механики деформируемого тела, полученными при изучении теоретической механики и сопротивления материалов, знать основные положения теории механизмов и машин, общие методы структурного, кинематического, силового и динамического анализа механизмов, методы синтеза, а также приобрести навыки в применении этих методов к исследованию и проектированию кинематических схем различных типов механизмов и машин.
Курсовой проект по теории механизмов и машин – первая самостоятельная работа по расчету машин, которую проводят студенты механических специальностей. Работа над ним способствует усвоению теоретического материала по теории механизмов и машин, развивает навыки в проведении простейших инженерных расчетов. При выполнении курсового проекта хорошо видна связь и взаимозависимость геометрических, кинематических и динамических расчетов механизмов. Выполняя их, студент может проследить влияние на изменение кинематики и динамики реальных геометрически форм и размеров звеньев, их масс и моментов инерции. Знания и навыки, полученные при курсовом проектировании по теории механизмов и машин, позволяют правильно оценивать условия работы деталей механизмов, конструированию и расчету которых студент обучается при изучении дисциплин «Детали машин», «Подъемно-транспортные машины» и других, углубляющих общеинженерную подготовку инженеров-механиков, а так же профилирующих дисциплин, определяющих их специальность или специализацию.
Одной из важнейших методических задач, решаемых при курсовом проектировании по теории механизмов и машин, является привитие навыков оформления инженерных расчетов, графического и текстового материала, соблюдения государственных стандартов, применения условных обозначений, составления расчетных схем.
Задания на курсовое проектирование индивидуальны для каждого студента, выдаются преподавателем и приведены в приложении к настоящему учебному пособию.
Студент должен спроектировать и исследовать привод, состоящий из основных видов механизмов, – рычажного, зубчатого и кулачкового.
Курсовой проект выполняется на 4 листах чертежной бумаги формата А1 (594х841), где располагаются графическая часть (кинематические схемы механизмов, графики, планы скоростей, планы ускорений, планы сил) и расчетная (формулы и результаты расчетов).
Единицы физических величин
и их применение в курсовом проектировании
При проведении и оформлении инженерных расчетов необходимо применять наименования и обозначения расчетных величин в соответствии с ГОСТ 8.417 – 81 «ГСИ. Единицы физических величин». Для механических измерений в нем предусмотрены три системные величины: длина, масса и время. Для этих величин приняты следующие основные единицы стандарта (единицы системы СИ): единица длины – метр (сокращенное обозначение – м), единица массы – килограмм (сокращенное обозначение – кг), единица времени – секунда (сокращенное обозначение – с). Дополнительной единицей является единица плоского угла – радиан (рад).
Вышеперечисленные основные единицы используются для образования других – производных – единиц (табл.).
Физические величины и единицы измерений,
используемые в механике
| Физическая величина | Единица измерений | ||
| Наименование | Обозначение | Наименование | Обозначение |
| Длина Масса Время Угол плоский Перемещение точки Скорость линейная Скорость угловая Ускорение линейное Ускорение угловое Частота вращения Плотность материала Момент инерции Сила Момент силы Вращающий момент Работа Кинетическая энергия Мощность | L, l, r, R m T, t a, b, g, d S u w a e n r J F, P, Q, G M T A E N | Метр Килограмм Секунда Радиан Метр Метр в секунду Радиан в секунду Метр на секунду в квадрате Радиан на секунду в квадрате Оборот в минуту Килограмм на кубический метр Килограмм на метр в квадрате Ньютон Ньютон-метр Ньютон-метр Джоуль Джоуль Ватт | м кг с рад м м/с рад/с м/с2 рад/с2 об/мин кг/м3 кг. м2 Н (кг.м/с2) Нм Нм Дж (Нм) Дж (Нм) Вт (Дж/с) |
Единицы, в целое число раз большие основных или дополнительных единиц, называют кратными, меньшие – дольными. Наиболее часто применяют следующие кратные и дольные единицы: 103 – кило (к), 106 – мега (или М), 10-3 – милли (или м), 10-6 – микро (или мк). Например: кН, мм, мкм.
Векторные физические величины (то есть такие, которые имеют величину и направление, например скорости, силы, моменты, ускорения) в данном учебном пособии будут выделены жирным шрифтом. Например, вектор скорости V, ускорения а и т.д.
Содержание листов (разделов) курсового проекта:
Лист 1. Кинематическое исследование шестизвенного рычажного механизма.
При выполнении данного раздела курсового проекта необходимо провести кинематическое исследование шестизвенного рычажного механизма двумя методами:
- графическим методом (методом диаграмм), при котором строятся несколько совмещенных планов механизма, а также диаграммы перемещений, скоростей и ускорений исследуемого звена или исследуемой точки;
- графоаналитическим методом (методом планов скоростей и ускорений), при котором строятся планы скоростей и ускорений механизма.
Лист 2. Силовое исследование шестизвенного рычажного механизма.
В данном разделе курсового проекта необходимо провести силовое исследование рычажного механизма методом планов сил, а также определить величину уравновешивающей силы Р ур с использованием теоремы о «жестком» рычаге Н.Е. Жуковского.
Лист 3. Синтез и анализ зубчатого механизма.
Сначала необходимо провести синтез (проектирование) планетарной передачи, рассчитать геометрические размеры зубчатых колес и зубчатого зацепления, построить картину реечного зацепления (зацепления колеса с зуборезной рейкой), построить картину зацепления двух зубчатых колес и в заключение оценить качество спроектированного зацепления путем расчета величины коэффициента перекрытия.
Лист 4. Динамический анализ механизма и расчет маховика.
Динамический анализ механизма можно произвести методом приведения сил. При этом учитываются силы инерции и моменты сил инерции, силы веса звеньев, а также силы полезного сопротивления, действующие на выходное звено механизма. На основе данных динамического анализа проводится расчет размеров маховика, а затем оцениваются его регулирующие способности.
Ниже на конкретных примерах приводится последовательность выполнения курсового проекта.
Структура и классификация механизмов
1.1. Структура механизмов
В состав механизмов входят твёрдые тела, которые называют звеньями. Звенья могут быть и не твёрдыми (например ремень). Жидкости и газы в гидравлических и пневматических механизмах звеньями не считаются.
Условное изображение звеньев на кинематических схемах механизмов регламентируются ГОСТом. Примеры изображения некоторых звеньев приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Примеры изображения звеньев на кинематических схемах механизмов.
Звенья бывают:
- входные (ведущие); отличительным признаком их является то, что элементарная работа приложенных к ним сил положительна;
(работа силы считается положительной, если направление действия силы совпадает с направлением движения точки её приложения или под острым углом к ней);
- выходные (ведомые); элементарная работа приложенных к ним сил является отрицательной;
(работа силы считается отрицательной, если направление действия силы противоположно направлению движения точки её приложения);
- подвижные;
- неподвижные (станина, стойка).
На кинематических схемах звенья обозначаются арабскими цифрами:0, 1, 2 и т.д.
Подвижные соединения двух соприкасающихся звеньев называется кинематической парой. Она допускает возможность движения одного звена относительно другого.
Классификация кинематических пар
Существует несколько классификаций кинематических пар. Некоторые из них рассмотрены ниже.
а) Классификация по элементам соединения звеньев:
- высшие (имеются, например, в зубчатых и кулачковых механизмах); в них соединение происходит по линии или в точке:
- низшие, в них соединение происходит по поверхности; они бывают:
б) Классификация по количеству наложенных связей:
Тело, находясь в пространстве (в Декартовой системе координат с осями X, Y и Z.), имеет 6 степеней свободы, а именно - перемещаться вдоль каждой из трёх осей X, Y и Z, а также вращаться вокруг каждой оси. Если тело (звено) образует с другим телом (звеном) кинематическую пару, то оно при этом теряет одну или несколько из этих 6 степеней свободы.
По количеству утраченных телом степеней свободы кинематические пары разделяют на 5 классов. Например, если телами (звеньями), образовавшими кинематическую пару, утрачено по 5 степеней свободы каждым, то эту пару называют кинематической парой 5-го класса. Если утрачено 4 степени свободы, то 4-го класса и т.д. Примеры кинематических пар различных классов приведены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Примеры кинематических пар различных классов
в) Классификация по структурно-конструктивному признаку:
- вращательные,
- поступательные,
- сферические,
- цилиндрические и другие.
Кинематическая цепь
Несколько звеньев, соединённых между собой кинематическими парами, образуют кинематическую цепь.
Кинематические цепи бывают:
Чтобы из кинематической цепи получить механизм, необходимо:
а) одно звено сделать неподвижным (образовать станину (стойку));
б) одному или нескольким звеньям задать закон движения (сделать ведущими) таким образом, чтобы все остальные звенья совершали требуемые целесообразные движения.
Число степеней свободы механизма - это есть число степеней свободы всей кинематической цепи относительно неподвижного звена (стойки).
Для пространственной кинематической цепи в общем виде количество подвижных звеньев и кинематических пар условно обозначим следующим образом:
количество подвижных звеньев - n,
количество степеней свободы всех этих звеньев - 6n,
количество кинематических пар 5-го класса - P5,
количество связей, наложенных кинематическими парами 5-го класса на звенья, входящие в них, - 5Р5,
количество кинематических пар 4-го класса - Р4,
количество связей, наложенных кинематическими парами 4-го класса на звенья, входящие в них, - 4Р4,
и т.д.
Оставшееся число степеней свободы кинематической цепи относительно стойки можно вычислить по формуле
W = 6 n - 5 P5 - 4 P4 – 3 P5 - 2 P2 – P1 .
Это есть структурная формула пространственной кинематической цепи или формула Малышева. Она получена П.И. Сомовым в 1887 году и развита А.П. Малышевым в 1923 году.
Величину W называют степенью подвижности механизма (если из кинематической цепи образован механизм).
Для плоской кинематической цепи и, соответственно, для плоского механизма:
W = 3n - 2P5 - P4
Эту формулу называют формулой П.Л. Чебышева (1869 г.). Она получена из формулы Малышева при условии, что в плоской системе тело обладает не 6-ю, а 3-мя степенями свободы:
W = (6 - 3)n - (5 - 3)P5 - (4 - 3) P4.
Величина W показывает, сколько должно быть у механизма ведущих звеньев (если W = 1 - одно, W = 2 - два ведущих звена и т.д.).
1.2 Классификация механизмов
Количество типов и видов механизмов исчисляется тысячами, поэтому классификация их необходима с целью облегчения возможности выбора того или иного механизма из большого ряда существующих, а также для проведения синтеза механизмов.
Универсальной классификации механизмов пока не существует. Наиболее распространены следующие виды классификации:
- функциональная (приведена в учебнике С.Н. Кожевникова /1/), в основу которой положен принцип выполнения механизмом того или иного технологического процесса, а именно механизмы:
- приведения в движение режущего инструмента;
- питания, загрузки, съёма детали;
- транспортирования и т.д.
- структурно-конструктивная, предложенная И.И.Артоболевским /2/, которая предусматривает разделение механизмов как по конструктивным особенностям, так и по структурным принципам, а именно механизмы:
- кривошипно-ползунные;
- кулисные;
- рычажно-зубчатые;
- кулачково-рычажные и т.д.
- структурная; эта классификация проста, рациональна, тесно связана с образованием механизма, его строением, методами кинематического и силового анализа.
Она предложена Л.В. Ассуром в 1916 году и основана на принципе наслоения кинематических цепей (в виде структурных групп).
Согласно этой классификации любой механизм можно получить из более простого путём присоединения к последнему кинематических цепей с числом степеней свободы W = 0.
Кинематические цепи, имеющие W = 0, получили название структурных групп или групп Ассура. Недостаток этой классификации – неудобство при выборе механизма с требуемыми свойствами.