Теория машин и механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Университет

Инженерной Экологии

Теория машин и механизмов (ТММ)

Экзаменационные вопросы

для учебных групп дневного отделения.

1. Структура механизмов

1.1 Машина и механизм. Классификация механизмов по функциональному и структурно-конструктивному признакам

ОТВЕТ: По определению академика Артоболевского:

Машина - есть устройства, создаваемые человеком для изучения и использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда, повышения его производительности путём частичной или полной замены его в трудовых и физиологических функциях.

Механизм - система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других твёрдых тел. Если в преобразовании движения участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется гидравлическим или пневматическим. Обычно в механизме имеется одно входное звено, получающее движение от двигателя, и одно выходное звено, соединённое с рабочим органом или указателем прибора. Механизмы бывают плоские и пространственные.

Классификация машин по функциональному назначению:

- энергетические (двигатели, генераторы).

- рабочие (транспортные, технологические).

- информационные (контрольно-управляющие, математические).

- кибернетические.

Машины состоят из механизмов.

По функциональной классификации различают:

- механизмы двигателей и преобразователей;

- исполнительные механизмы;

- передаточные механизмы;

- механизмы контроля, регулирования, наладки;

- механизмы подачи, питания, сортировки;

- механизмы счёта, взвешивания, упаковки.

Много общего с точки зрения структуры и методики расчёта их механических параметров.

Структурно-конструктивная классификация:

- рычажные механизмы;

- кулачковые механизмы;

- зубчатые механизмы (состоят из зубчатых колёс);

- комбинированные.

1.2 Рычажные механизмы. Преимущества и недостатки. Применение в технических устройствах

ОТВЕТ: Рычажные механизмы состоят из тел, выполненных в виде рычагов, стержней. Эти стержни или рычаги взаимодействуют друг с другом по поверхности. Поэтому рычажные механизмы способны воспринимать и передавать значительные усилия.

Используются в качестве основных технологических устройств. Однако воспроизведение требуемого закона движения такими механизмами весьма ограничено.

1.3 Кулачковые механизмы. Типы кулачковых механизмов. Преимущества и недостатки. Основное назначение

ОТВЕТ: Кулачковый механизм состоит из тела криволинейной формы, характер движения которого определяет движение всего механизма. Основное преимущество заключается в том, что, не изменяя количества звеньев, можно воспроизвести любой закон движения за счёт изменения профиля кулачка. Но в кулачковом механизме имеются звенья, соприкасающиеся в точке, или по линии, что существенно ограничивает величину передаваемого усилия в связи с появлением очень больших удельных давлений. Поэтому кулачковые механизмы в основном используются как средство автоматизации технологического процесса, где кулачок играет роль жесткого программоносителя.

1.4 Зубчатые механизмы. Виды зубчатых механизмов. Основное назначение

ОТВЕТ: Зубчатым механизмом называется механизм, в состав которого входят зубчатые колёса (тело, имеющее замкнутую систему выступов или зубьев).

Зубчатые механизмы в основном используются для передачи вращательного движения с изменением, если это необходимо, величины и направления угловой скорости.

Передача движения в этих механизмах осуществляется за счёт бокового давления специально профилированных зубьев. Для воспроизведения заданного соотношения угловых скоростей профили зубьев должны быть взаимоогибаемые, то есть профилю зуба одного колеса должен соответствовать вполне определённый профиль зуба другого колеса. Профили зубьев могут быть очерчены различными кривыми, но наиболее распространение получили механизмы с эвольвентным профилем зуба, то есть с зубом, очерченным по эвольвенте.

Для воспроизведения постоянного соотношения угловых скоростей используются механизмы с круглыми зубчатыми колёсами.

Различают плоские и пространственные механизмы. В плоском механизме оси параллельны, а в пространственном пересекаются или перекрещиваются. В плоском механизме колёса имеют цилиндрическую форму, в пространственном - коническую (если оси пересекаются).

1.5 Задачи и цели структурного анализа и синтеза механизмов

ОТВЕТ: Задачами структурного анализа являются: выявление особенностей строения, определение числа степеней свободы, порядка и класса механизма с целью установления рациональных методов и последовательностью кинематического расчёта.

1.6 Звено, наименование звеньев

ОТВЕТ: Звеном называется одно или несколько жёстко соединённых между собой тел.

Звено, принимаемое за неподвижное, называется стойкой. В зависимости от характера движения относительно стойки, различают:

- кривошип (звено, совершающее полный оборот относительно стойки);

- коромысло (звено, совершающее неполной оборот относительно стойки);

- ползун (звено, совершающее возвратно-поступательное движение по направляющим);

- шатун (звено, совершающее сложные движения). Нет связи со стойкой, только через коромысло, кривошип и так далее.

Звено, которому сообщаются заданные движения, называют входное (или ведущее). Звено, для получения требуемого движения которого создан механизм, называют выходным (или ведомым).

1.7 Кинематическая пара. Классификация кинематических пар. Низшие и высшие кинематические пары

ОТВЕТ: Кинематической парой называют соединение двух звеньев, обеспечивающее их относительную подвижность. Класс кинематической пары устанавливают в зависимости от числа ограничений, накладываемых на относительные движения звеньев. Свободная пара имеет 6 степеней свободы.

- Первый класс - 1 ограничение (по нормали) Пример - шар на плоскости.

- Второй класс - 2 ограничения. Пример - Цилиндр на плоскости.

- Третий класс - 3 ограничения. Пример - сферический шарнир, куб на плоскости.

- Четвёртый класс - 4 ограничения.

- Пятый класс - 5 ограничений.

Поверхность, линия или точка, по которым взаимодействуют звенья в кинематической паре, называются элементами звена.

Если звенья соприкасаются по поверхности, то пара называется низшей. В высших кинематических парах звенья соприкасаются по линии или в точках.

В плоских механизмах, в которых звенья расположены в параллельных плоскостях или одной плоскости, могут быть пары только 4 и 5 класса.

В плоском механизме пары 5 класса - это низшие пары, а пары 4 класса - это высшие пары.

1.8 Кинематическая цепь. Виды кинематических цепей. Кинематические пары плоских цепей

ОТВЕТ: Кинематической цепью называют связанную систему звеньев и кинематических пар. Различают пространственные и плоские кинематические цепи, разомкнутые и замкнутые.

В плоском механизме с низшими парами можно выделить:

1) входные звенья, каждое из которых присоединено с помощью вращательной или поступательной кинематической пары к стойке и имеет одну степень подвижности (W=1);

2) кинематические цепи или структурные группы звеньев, имеющее число степеней подвижности, равное нулю (W=0).

В плоском механизме пары 5 класса - это низшие пары, а пары 4 класса - это высшие пары.

1.9 Основной принцип образования механизмов. Структурный синтез механизмов. Начальный механизм. Структурная группа (группа Асура). Классификация структурных групп

ОТВЕТ: Любой механизм включает в свой состав простейший начальный или первичный механизм, который состоит из одного подвижного звена и стойки, связанной либо поступательной, либо вращательной парой.

Более сложные механизмы образуются из простого начального механизма путём присоединения к нему структурных групп или групп Асура. Группа Асура - это такая кинематическая цепь, которая, будучи присоединённой свободными (незанятыми) элементами пар к стойке, образует неподвижную систему, то есть W=0. (3n-2P₅=0)

Структурный синтез механизмов основан на методе «наслоения» или присоединения к имеющейся кинематической цепи механизма групп с числом степеней подвижности, равным нулю.

Структурная группа имеет порядок и класс. Порядок определяют по числу свободных (независимых) элементов кинематических пар, а класс - по числу кинематических пар, образующих наиболее сложный замкнутый контур.

1.10 Структурный анализ механизмов. Определение степени свободы пространственных и плоских механизмов

ОТВЕТ: Класс и порядок механизма устанавливают по структурной группе, имеющей наиболее высший порядок и класс. Степень свободы пространственного механизма:

W=6n-5P₅-4Р₄-3Р₃-2Р₂-Р₁ (формула Малышева).

Степень подвижности плоского механизма: W=3n-2P₅- Р₄ (формула Чебышева).

1.11 Лишние степени свободы. Избыточные и пассивные связи и звенья

ОТВЕТ: Если действительное число степеней свободы не совпадает с расчетным, то это свидетельствует о наличие пассивных связей. Пассивной называют такую связь, удаление которой не разрушает движение механизма в целом.

Различают полезные и вредные (избыточные) пассивные связи. Полезные пассивные связи вводят в механизм для повышения его жёсткости, его нагрузоспособности, вибростойкости, износостойкости. Вредные связи приводят к нежелательным трениям. Они могут вызвать дополнительные затраты энергии, закручивание и изгиб звеньев.

механизм кинематика зубчатый параметрический

1.12 Замена высших кинематических пар низшими. Условия эквивалентности

ОТВЕТ: При классификации механизмов с высшими парами удобнее последние заменить и получить механизм с одними низшими парами, который можно разбить на входные и группы выходных звеньев. Одна кинематическая высшая пара может быть заменена двумя низшими, центры которых совпадают с центрами кривизны элементов высших пар. После замены высшей пары низшими, в заменяющем механизме появляется фиктивное звено. Порядок присоединения групп выходных звеньев (двухпроводковых или трёхпроводковых) механизма в соответствии с формулой его строения указывает на последовательность кинематического анализа, а обратная последовательность - на порядок силового расчёта механизма.

1.13 Формула строения механизма. Классификация рычажных механизмов по структурному признаку (по Артоболевскому И.И.)

ОТВЕТ: Исследуя структуру механизма, необходимо выделить входное звено и разбить кинематическую цепь механизма на простейшие группы. Характер образования кинематической цепи механизма указывается формулой его строения. Например, формула: I> II (2-3)>II (4-5) указывает, что механизм образован последовательным присоединение двух двухпроводковых групп; формула: I> II (2-3)>III (4-5-6-7) говорит о присоединении к двухпроводковой группе

II (2-3) трёхпроводковой группы III (4-5-6-7).

2. Кинематика рычажных механизмов

2.1 Задачи и цели кинематического анализа механизмов

ОТВЕТ: Кинематический анализ механизмов ставит своей задачей определение траекторий, скоростей и ускорений точки или угловых скоростей и ускорений звеньев механизма. На практике широко применяются метод планов скоростей и ускорений. При исследовании все размеры звеньев механизма должны быть известны.

2.2 Методы кинематического анализа и их сравнительный анализ

ОТВЕТ: Графоаналитический метод - метод построения планов скоростей и ускорений (векторное изображение этих параметров для соответствующего положения механизма). Этот метод отличается от графического возможностью определения не только величин, но и направления для всех подвижных звеньев механизма.

2.3 Аналитический метод (на примере кривошипно-ползунного механизма)

ОТВЕТ: Аналитический метод кинематического исследования рычажных механизмов основан на условии замкнутости контуров их кинематических цепей. Составляя уравнения проекции звеньев на соответствующие оси координат, устанавливают функциональную связь между кинематическими параметрами, характеризующими движение входных и выходных звеньев механизмов. При решении задач кинематического анализа пространственных рычажных механизмов, а также пространственных разомкнутых кинематических цепей (промышленных роботов и манипуляторов), широко используют векторный метод, основанный на общих положениях векторной алгебры, и включающий в себя элементы теории матриц. Применение аналитического метода затрудняется сложностью получаемых расчётных уравнений, поэтому именно в этих случаях целесообразно использование ЭВМ.

2.4 Графический метод. Метод графического дифференцирования

ОТВЕТ: Имеет низкую точность. При использовании этого метода сначала строят планы положений механизма. Планом положений механизма называют кинематическую схему, построенную при заданном положении входного звена (кривошипа). Кинематическая схема - это схема механизма, построенная с учётом размеров звеньев в масштабе, с использованием установленных стандартом условных графических обозначений. При построении планов положения механизма сначала находят крайние положения (если это возможно). Крайним положением называют такое положение, которое ограничивает траекторию точки, совершающей возвратные движения. Масштабным коэффициентом ? называют отношение действительной величины какого-то физического параметра к отрезку (в мм), который изображает эту величину на графике, схеме и так далее.

2.5 Графо-аналитический метод (метод планов). Примеры построения планов скоростей и ускорений.

ОТВЕТ: Графо-аналитический метод заключается в построении планов скоростей и ускорений. Планом скоростей (ускорений) называют векторное масштабное изображение этих параметров для соответствующего положения механизма. Этот метод отличается от графического возможностью определения не только величины скорости и ускорения для всех подвижных звеньев механизма.

2.6 Аналоги кинематических параметров

ОТВЕТ: Аналог - это параметр, зависящий только от структуры и геометрии механизма и независящий от абсолютной скорости входного звена.

- аналог скорости (в метрах), - аналог ускорения (в метрах).

3. Динамический анализ рычажных механизмов

3.1 Задачи динамического анализа механизмов. Их содержание

ОТВЕТ: Динамический анализ рассматривает 2 задачи:

1. Изучение действующих на связи механизма сил.

2. Анализ движения механизма под действием приложенных сил. Влияние действующих сил на движение механизма (динамика).

Силовой расчёт.

Задачи: - Определение сил, действующих на звенья или на связи механизма.

- Определение уравновешивающей силы (уравновешивающего момента) на входном звене.

Цели: - Накопление необходимых данных для последующего проектирования и конструирования механизма.

- Определение форм звеньев, поперечных сечений.

- Проведение расчёта на прочность и жёсткость.

- Расчёт на износостойкость, трение.

- Подбор подшипников.

- Выбор электродвигателя.

Основные допущения: - Скорость входного звена постоянна.

- Механизм идеальный (звенья неупругие, абсолютно жёсткие).

- Трения в кинематических парах нет.

- Все звенья находятся в одной плоскости.

3.2 Силовой анализ механизмов. Статический и динамический расчёт. Задачи и цели. Основные допущения. Уравнения статики.

ОТВЕТ: Силовой расчёт.

Задачи: - Определение сил, действующих на звенья или на связи механизма.

- Определение уравновешивающей силы (уравновешивающего момента) на входном звене.

Цели: - Накопление необходимых данных для последующего проектирования и конструирования механизма.

- Определение форм звеньев, поперечных сечений.

- Проведение расчёта на прочность и жёсткость.

- Расчёт на износостойкость, трение.

- Подбор подшипников.

- Выбор электродвигателя.

Основные допущения: - Скорость входного звена постоянна.

- Механизм идеальный (звенья неупругие, абсолютно жёсткие).

- Трения в кинематических парах нет.

- Все звенья находятся в одной плоскости.

В тихоходных механизмах, где изменения скоростей незначительно, следовательно, сила инерции тоже незначительна, используют статический метод расчёта, при котором используются обычные уравнения равновесия (уравнения статики).

В быстроходных механизмах могут быть значительные силы инерции, превышающие действующие внешние нагрузки. Эти силы надо учитывать при использовании метода кинетостатики.

Силы инерции, возникающие только при движении механизма, носят название динамических усилий. Они приводят к появлению в кинематических парах дополнительных динамических давлений.

Метод кинетостатики заключается в составлении уравнения равновесия и включает в себя силы инерции. Эти уравнения называются уравнениями кинетостатики. Механизм условно принимается за неподвижный. Метод кинетостатики основан на принципе Даламбера: Если ко всем силам, действующим на связанную систему тел приложить силу инерции, то такую систему можно условно считать находящейся в равновесии.

Принцип освобождаемости от связей: Не нарушая состояния покоя или движения системы можно разрывать отдельные связи, заменяя отдельные связи соответствующими реакциями.

3.3 Классификация сил. Внешние и внутренние силы. Статические и динамические нагрузки

ОТВЕТ: Силы, возникающие при работе машинного агрегата, можно подразделить на 6 групп:

- Движущие силы Р_Д.С. или их моменты М_Д.С.. Работа их за цикл всегда положительна.

- Силы Р_П.С. или моменты М_П.С. технологического или полезного сопротивления. Выполнение машиной технологического процесса связано с преодолением сопротивлений, называемых полезными. Таковы, например, сопротивления при резании дерева в лесопильных машинах, дробления в дробильных машинах, сжатия воздуха или газа в компрессорах, резания в металлорежущих станках и др. Полезные сопротивления - это усилия, для преодоления которых и построен данный механизм или машина.

- Силы тяжести G, определяемые материалом и конструкцией звена. В ряде случаев вес звеньев механизма оказывает значительное влияние на нагрузку кинематических пар. Например, масса подвижной щеки дробилки достигает 2500 кг.

- Силы упругости Р или момент от сил упругости звеньев М_Р. Любое звено машины до известной степени деформируемо; потенциальная энергия, определяемая деформацией звена в момент накопления её (зарядки), берёт на себя часть работы движущих сил, и в следующий момент (разрядки) потенциальная энергия превращается в кинетическую, помогая движению отдельных звеньев машины. Деформациям под действием сил подвержены как жесткие звенья машины, так и упругие, например пружины.

- Силы «пассивных» сопротивлений Т или их моменты М_Т. Это могут быть силы трения, силы сопротивления воздушной или жидкой среды. Трение в кинематических парах технологических машин является вредным, а в транспортных машинах и в тормозных системах ими пользуются как необходимыми силами.

- Силы инерции Р_И и моменты от сил инерции М_И. Если звено механизма при своём движении имеет ускорение, то всегда возникают силы инерции или моменты от сил инерции, которые в быстроходных машинах достигают значительной величины и требуют учёта.

- Реакции связи.

Внешними силами являются: силы веса, сопротивления о среду.

Внутренними силами являются усилия, возникающие в связях.

3.4 Силовой расчёт рычажных механизмов методом кинетостатики. Принципы силового расчёта. Уравнения кинетостатики

ОТВЕТ: Метод кинетостатики основан на принципе Даламбера: Если ко всем силам, действующим на связанную систему тел приложить силу инерции, то такую систему можно условно считать находящейся в равновесии.

Принцип освобождаемости от связей: Не нарушая состояния покоя или движения системы можно разрывать отдельные связи, заменяя отдельные связи соответствующими реакциями.

Все внешние силы, действующие на каждое звено, сведём к одной равнодействующей силе P_i, которая определена как вектор и задана по линии её действия, и моменту M_i. Совместное применение начала Даламбера и принципа освобождаемости приводит к уравнениям:

, .

3.5 Учёт сил трения при силовом расчёте. Виды трения. Трение в поступательной паре. Трение во вращательной паре. Угол трения, круг трения. Приведённый коэффициент трения. Расчёт мощности трения

ОТВЕТ: Общие положения:

Природа трения, виды трения, некоторые положения теории сухого трения.

Трение - общее сопротивление, возникающее на соприкасающихся поверхностях при их относительном движении.

По кинематическому признаку различают:

- трение скольжения,

- трение качения,

- трение верчения.

1. Трение скольжения. Природа: возникает за счёт механического сцепления шероховатости поверхностей. Процесс разрушения шероховатости - износ. , где f - коэффициент трения. В зависимости от состояния поверхностей различают:

- сухое трение,

- граничное трение (полусухое),

- полужидкостное трение,

- жидкостное трение (поверхности разделены слоем смазки).

Сухое трение.

- Коэффициент трения принимается величиной постоянной, а сила трения пропорциональна нормальному давлению лишь в определённом диапазоне нагрузок и скоростей.

- Сила трения направлена противоположно скорости относительного движения.

- С увеличением относительной скорости, сила трения несколько снижется, приближаясь к некоторой постоянной величине.

- С увеличением нормального давления сила трения увеличивается.

- Трение покоя больше трения движения.

Жидкостное трение.

Если в слое смазки развивается гидродинамическое давление, создающее усилия, превышающие действующую на вал нагрузку, то вал как бы всплывает и трение происходит по слою смазки.

Для поступательного движения:

.

Для вращательного движения: - для новых, необработанных цапф;

- для старых, проработанных цапф.

- приведённый коэффициент трения.

3.6 КПД машины при последовательном и параллельном соединении механизмов.

ОТВЕТ: При последовательном соединении механизмов:

,

,

,

.

При параллельном соединении механизмов:

,

,

,

,

,

.

3.7 Мгновенный КПД рычажного механизма. Методика расчёта

ОТВЕТ:

, где - коэффициент потерь.

Методика расчёта КПД рычажного механизма:

1. Кинематический расчёт с определением относительных скоростей кинематических пар.

2. Силовой расчёт без учёта трения. Находим реакции связей, которые будут нормальными реакциями связи, и уравновешивать момент на входном звене.

3. Определяем полезную мощность: .

4. Определение потерь мощности на трение:

, , .

3.8 Уравновешивание рычажных механизмов. Постановка задачи. Пример

ОТВЕТ: При движении звеньев механизма на кинематические пары передаются переменные по значению и направлению динамические давления, являющиеся результатом действия сил и моментов от сил инерции. Эти давления, передаваясь на стойку механизма, а затем на фундамент всей машины, могут вызвать различные вибрационные и другие нежелательные явления. Уравновешивая силы инерции и инерционные моменты с помощью рационального подбора и распределения масс звеньев механизма, можно полностью или частично погасить (уменьшить) указанные динамические явления.

3.9 Уравновешивание вращающихся масс звеньев - балансировка. Постановка задачи. Виды неуравновешенности звена

ОТВЕТ: Задача об уравновешивании вращающихся масс заключается в таком подборе масс твёрдого тела, вращающегося относительно неподвижной оси, который обеспечил бы полное или частичное погашение динамических давлений в неподвижных опорах этого тела.

Существует два вида уравновешивания вращающихся масс:

Статическое уравновешивание, при котором уравновешиваются только силы инерции; после статического уравновешивания тела должны лежать на оси вращения.

Динамическое уравновешивание, при котором уравновешиваются силы инерции и инерционные моменты; при динамическом уравновешивании ось вращения является одной из трёх главных центральных осей эллипсоида инерции или свободной осью.

Для полного уравновешивания масс вращающейся системы, расположенных в параллельных плоскостях, необходимо соблюсти два условия:

1. условие уравновешивания центробежных сил инерции: или геометрическая сумма статических моментов масс относительно оси 0 равна нулю: , где , и , - искомые массы и радиусы вращения уравновешивающих противовесов.

2. Условие уравновешивания центробежных инерционных моментов или геометрическая сумма центробежных моментов инерции равна нулю:

3.10 Движение механизмов под действием приложенных сил - динамика. Основные задачи динамики

ОТВЕТ: При кинематическом расчёте мы предполагаем, что скорость входного звена постоянна, так как при этом не учитывались действующие значения силы и массы. В действительности же скоростные характеристики механизмов машин зависят не только от структуры и геометрии механизма, но и от нагрузок, воспринимаемых механизмом, масс подвижных звеньев механизма, рассчитанные по усреднённым скоростям работают с перегрузкой элементов конструкции, что приводит к снижению их надёжности или потере работоспособности.

Основные задачи динамики:

- устранение действительной скорости входного звена.

- регулирование движения механизма, то есть ограничение колебаний угловых скорости входного звена в пределах, обусловленных требованиями технологического процесса.

- расчет времени срабатывания устройства и так далее.

3.11 Замена механизма на динамически эквивалентную модель. Звено приведения. Приведение сил и масс. Условия динамической эквивалентности

ОТВЕТ: С целью упрощения динамических расчётов, реальная схема механизма заменяется динамически-эквивалентной моделью, включающей только одно подвижное звено и стойку, то есть только подвижное звено. Звено приведения - звено, к которому приводятся массы всех подвижных звеньев, силы, действующие на звенья реальных механизмов. Для приведения сил или моментов используется условие динамической эквивалентности: равенство работ или мощностей: , , , , . Приведённый момент (приведённая сила) - условная расчётная величина, которая будучи умноженной на скорость звена приведения, даёт суммарную мощность всех действующих в механизме сил. Приведённая масса (приведённый момент инерции) - это условно расчётная величина, которая, будучи умноженной на половину квадрата скорости, даёт суммарную кинетическую энергию всех подвижных звеньев реального механизма. В качестве условия динамической эквивалентности принимаем равенство кинетических энергий. Кинетическая энергия звена равна суммарной кинетической энергии подвижных звеньев реального механизма.

, , , .

3.12 Уравнения движения звена приведения в дифференциальной и интегральной (энергетической) формах

ОТВЕТ:

, , , , ,

, где - момент движущих сил скорости, - момент сил сопротивления.

.

3.13 Определение действительного закона движения звена приведения аналитически (по уравнению движения)

ОТВЕТ: - аналитически (из уравнения движения в интегральной форме): ,

3.14 Определение действительного закона движения звена приведения графически (по диаграмме энерго-масс)

ОТВЕТ: - графически (по диаграмме энерго-масс).

.

Угловая скорость переменная.

3.15 Регулирование движения машины. Режимы движения машины. Установившиеся режимы движения и их характеристики

ОТВЕТ: Полное время работы технического устройства складывается из времени разгона (пуска), времени установившегося движения и времени торможения (выбега).

При разгоне: , .

При торможении: , .

Установившееся движение - это такое движение, при котором скорость является периодической функцией времени.

3.16 Причины периодических колебаний угловой скорости входного звена механизма

ОТВЕТ: Причины периодических колебаний угловой скорости входного звена механизма:

- приведённый момент движущих сил не совпадает с моментом сил сопротивления, то есть .

- Приведённый момент инерции - величина не постоянная, то есть .

3.17 Коэффициент неравномерности хода машины. Влияние неравномерности хода на технические характеристики машины

ОТВЕТ: Средним коэффициентом неравномерности хода называется степень неравномерности хода машины за цикл установившегося движения.

, , , .

Для большинства производственных машин периодическая неравномерность отрицательно влияет на ход технологического процесса и допускается лишь в определённых пределах, зависящих от значения машины. Например, для поршневых машин: , для щековой дробилки: .

3.18 Ограничение периодических колебаний угловой скорости входного звена с помощью маховика

ОТВЕТ:

, ,

, .

Ограничение периодических колебаний угловой скорости входного звена производится путём установки дополнительной массы на входном звене. Эта масса называется маховиком. Маховик является механическим аккумулятором кинетической энергии. При увеличении угловой скорости звена приведения маховик накапливает кинетическую энергию, а при уменьшении - возвращает кинетическую энергию.

3.19 Определение момента инерции маховых масс приближённым методом, методами Мерцалова и Виттенбауэра (динамический синтез механизмов)

ОТВЕТ: Приближённый метод:

, , , , .

Метод Мерцалова:

, , , , , .

Метод Виттенбауэра.

, , , .

4. Параметрический синтез рычажных механизмов

4.1 Параметрический синтез механизмов. Условия синтеза. Постановка задачи синтеза

ОТВЕТ: Задача синтеза: определение длин звеньев (метрических параметров) механизма по некоторым заданным условиям.

Параметром называется величина, характеризующая основные свойства механизма: технологические, эксплуатационные и т.д. Различают: геометрический, кинематический и динамический синтез. В зависимости от характера условия синтеза различают назначаемые и варьируемые параметры синтеза. Назначаемые параметры не могут быть изменены разработчиком в процессе проектирования. Различают основные и дополнительные условия синтеза. Основные условия синтеза называют критериями эффективности. Дополнительные условия используют в качестве ограничений на область поиска варианта технического решения. Как правило, задачи синтеза имеют многопараметрический и многокритериальный характер. В процессе проектирования возможно появление большого числа возможных вариантов решений. Для выбора лучшего варианта решения используются методы оптимизации. Лучший вариант решения называется оптимальным. Аналитическая зависимость критерия эффективности от варьируемых параметров называется целевой функцией. Задача оптимизации сводится к поиску такой совокупности варьируемых параметров, при которой обеспечивается наилучшее значение целевой функции.

Некоторые условия синтеза:

1. По заданному положению входного звена.

2. По заданному ходу.

3. По заданному закону движения.

4. По заданной траектории движения.

5. По заданному коэффициенту увеличения средней скорости обратного хода.

6. По заданному углу давления или углу передачи (характеризует КПД механизма).

4.2 Синтез рычажных механизмов на примере шарнирного 4-х звенника. Метод замкнутости векторного контура

ОТВЕТ: Теорема Грасгофа: Наименьшее звено в четырёхзвенном механизме будет являться кривошипом, если сумма его длины и длины любого другого звена меньше суммы длин оставшихся звеньев. Если длины звеньев равны r, R, l, L, то , ,

5. Анализ и синтез зубчатых механизмов

5.1 Синтез зубчатых механизмов. Теорема Виллиса о передаче движения в высшей паре - основной закон зацепления

ОТВЕТ: При проектировании планетарного редуктора с заданным передаточным отношением I необходимо соблюдать условия соосности, соседства и сборки.

Условие соосности. Это условие указывает на то, что оба центральных зубчатых колеса и водило должны иметь общую геометрическую ось вращения.

Условие соседства. Это условие учитывает необходимость совместного размещения ряда сателлитов по общей окружности. Для его выполнения необходимо обеспечить некоторый зазор между соседними сателлитами, что может быть установлено, если диаметр окружности вершин больших по размеру сателлитов сделать несколько меньше расстояния между осями их вращения L.

Условие сборки. Это условие учитывает необходимость одновременного зацепления всех сателлитов с центральными колёсами при симметричной геометрии зон зацепления. При установке первого сателлита солнечные колёса принимают вполне определённое положение. Если не выполнить некоторых требований, то зубья следующих сателлитов могут не совпадать с впадинами одного из солнечных колёс и сборка зубчатых колёс станет невозможной. Описанное явление может возникнуть как при однорядной, так и при двухрядной планетарной передаче или дифференциально-планетарном механизме.

Общая нормаль к профилям зубчатых колёс, проведённая в точке их касания (зацепления), делит межцентровое расстояние на части, обратно пропорциональные угловым скоростям. Для постоянства передаточного отношения, необходимо, чтобы нормаль к профилям зубьев в точке их касания, проведённая в любом положении соприкасающихся профилей, проходила через одну и ту же точку на линии центров двух колёс и делила бы линию центов в неизменном соотношении. .

5.2 Эвольвентные зубчатые механизмы. Их преимущества

ОТВЕТ: Эвольвентным называется механизм, в котором линия зацепления является прямая, проходящая через полюс зацепления Р, то есть, механизм, очерченный по эвольвенте.

Преимущества эвольвентного зубчатого зацепления:

1. Преимущество кинематического характера.

Постоянное передаточное отношение: , . Ошибка в межосевом расстоянии не приводит к изменению передаточного отношения, так как линия зацепления проходит по касательной к основным окружностям. И полюс зацепления будет неизменно находиться в одном и том же положении (на линии центров).

2. Преимущество динамического характера.

Линия зацепления - прямая. При постоянной передаваемой мощности усилия в зацеплении и опорах неизменны как по величине, так и по направлению.

3. Преимущество технологического характера.

Так как эвольвента образуется простыми геометрическими приёмами, то изготовление колеса осуществляется с помощью простого инструмента на достаточно простом оборудовании.

4. Преимущество эксплуатационного характера.

Обеспечивается хорошая плавность, бесшумность работы (особенно в косозубых механизмах), обеспечивается взаимозаменяемость.

5.3 Эвольвента круга и её свойства. Использование в зубчатых механизмах

ОТВЕТ: Эвольвентой круга называется плоская кривая, которую вычерчивает точка, лежащая на прямой, перекатываемой без скольжения по неподвижной окружности.

Основные свойства:

- Эвольвента не имеет точек внутри основной окружности.

- Нормаль, проведённая в любую точку эвольвенты проходит по касательной к основной окружности. .

- Точки касания нормалей с основной окружностью образуют центр кривизны эвольвенты. То есть основная окружность представляет собой геометрическое место центров кривизны эвольвенты.

- Любая ветвь эвольвенты вполне определяется величиной радиуса основной окружности () и положением начала отсчёта эвольвентного угла ().

5.4 Методы образования эвольвентного профиля зубчатого колеса. Станочное зацепление. Условия появления и устранения подреза ножки зуба. Цели смещения исходного контура

ОТВЕТ: Существует 2 основных метода нарезания зубчатых колёс:

- Метод копирования, при котором режущие кромки инструмента соответствуют форме впадины зубчатого колеса. Модульная фреза, кольцевая, пальцевая, протяжка (этот метод применяется редко, так как имеет ряд недостатков, в частности не технологичен, требует содержание больших складских помещений).

- Более прогрессивным и технологичным является метод огибания, или метод обкатки. Он заключается в том, что в процессе изготовления режущи инструмент и заготовка получают точно такие же относительные движения, как в процессе зацепления, только режущий инструмент получает дополнительное движение - резание. Процесс идёт непрерывно. Эвольвентный профиль зуба образуется как огибающая ряда последовательных положений режущей кромки инструмента.

При методе огибания одним и тем же инструментом можно изготовить зубчатые колёса с разным числом зубьев. Можно производить исправления зубчатых колёс, то есть смещать инструмент в процессе изготовления. Инструмент- долбяк, зубчатая рейка (гребёнка), червячная фреза.

Линия станочного зацепления - траектория движения точки контактирования эвольвентных профилей инструмента и нарезаемого колеса.

Цели смещения исходного контура:

- Устранение подреза ножки зуба.

- Обеспечение заданного межосевого расстояния.

- Улучшение качественных показателей зацепления: повышение плавности, бесшумности работы механизма, повешение износостойкости профилей зубьев, повышение контактной прочности, повышение изгибной прочности.

5.5 Качественные показатели зубчатого зацепления. Влияние смещения исходного производящего контура на качественные показатели

ОТВЕТ: Качественные показатели зубчатого зацепления:

1. Коэффициент перекрытия. Характеризует плавность, бесшумность работы передачи, очерёдность смены пар зубьев. Для обеспечения плавной бесшумной работы механизма необходимо, чтобы каждая последующая пара зубьев входила в зацепление раньше, чем из зацепления выйдет предыдущая пара зубьев. Положительное смещение исходного контура приводит к уменьшению коэффициента перекрытия.

2. Геометрический коэффициент удельного скольжения. Характеризует износостойкость профилей зубьев. Суммарное положительное смещение исходных контуров приводит к уменьшению коэффициентов удельного скольжения, т.е. к повышению износостойкости профилей зубьев.

3. Геометрически коэффициент удельного давления. Характеризует контактную прочность. Суммарное положительное смещение исходных контуров приводит к уменьшению коэффициента удельного давления, то есть приводит к повышению контактной прочности.

4. Коэффициент формы зубы. Характеризует изгибную прочность. Положительное смещение приводит к повышению изгибной прочности.

5.6 Кинематический анализ зубчатых механизмов. Передаточное число и передаточное отношение. Расчёт передаточного отношения и угловых скоростей колёс в рядовых (простых) и в дифференциально-планетарных механизмах. Формула Виллиса для определения передаточного отношения планетарного механизма

ОТВЕТ: Кинематический расчёт зубчатых механизмов заключается в определении угловых скоростей и передаточных отношений по заданным числам зубьев колёс. Передаточное отношение - соотношение угловых скоростей. Передаточное число - соотношение числа зубьев. В простых (рядовых) передачах: - передаточное отношение. («-» - при внешнем зацеплении, «+» - при внутреннем). . В дифференциально-планетарных механизмах: , . Формула Виллиса (при ): , .

5.7 Силовой расчёт зубчатых механизмов. Определение крутящих моментов по уравнению мощности. Уравнение редукции моментов

ОТВЕТ: При силовом замыкании решают динамическую задачу подбора силы, обеспечивающей непрерывный контакт звеньев, образующих высшую пару. Такой силой в кулачковых механизмах является сила упругости пружины, а в тихоходных механизмах - сила тяжести звеньев. Произведя анализ сил, действующих на звенья и кинематические пары исследуемого механизма, определяют приведённый момент M^*, который характеризует в технологических машинах общее действие сил сопротивления на ведущее (входное) звено, а в машинах-двигателях - действие движущих сил на кривошип или главный вал. Знание величины приведённого момента M^* и характера изменения его за цикл работы технологической машины позволяет определить необходимую мощность двигателя.

- определение крутящих моментов через мощность.

, ,

- уравнение редукции моментов.

Манипулямтор -- механизм для управления пространственным положением орудий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов. Это значение закрепилось за словом с середины XX века, благодаря применению сложных механизмов для манипулирования опасными объектами в атомной промышленности.

[править]

Устройство и применение манипуляторов

Основу манипуляторов составляют пространственные механизмы со многими степенями свободы. Манипуляторы выполняют работы в средах, недоступных или опасных для человека (подводные глубины, вакуум, радиоактивная среда и другие агрессивные среды), вспомогательные работы в промышленном производстве. Манипуляторы используются в медицинской технике (например, в протезировании). Манипуляторы изучает теория манипуляторов, которая является разделом теории машин и механизмов. В узком смысле манипулятором называется механическая рука.

Манипуляторы делятся на управляемые человеком и автоматические манипуляторы (роботы-манипуляторы как разновидность роботов). Развитие манипуляторов привело к созданию промышленных роботов. Проектирование механизмов-манипуляторов требует решения таких задачи, как создание манёвренности, устойчивости в работе, выбор правильного соотношения полезных и холостых ходов. Иногда требуется проектирование таких систем, в которых оператор чувствует усилие, создаваемое на рабочем органе или на грузозахвате.

Виды манипуляторов

Манипулятор в горном деле -- основной механизм буровой каретки, предназначенный для перемещения в призабойном пространстве автоподатчика с перфоратором (бурильной машиной).

Кран манипулятор предназначен для погрузки разгрузки груза с дебаркадера, облегчая тяжелый труд грузчика.

Манипулятор в металлургии -- машина для выполнения вспомогательных операций, связанных с изменением положения заготовки при обработке металлов давлением. Различаются прокатный и ковочный манипулятор. В кузнечных и прокатных цехах используются подвесные и напольные манипуляторы, которые являются разновидностью кантователей (механизмов для переворачивания (кантовки) изделий).

Манипулятор в ядерной технике -- приспособление для работы с радиоактивными веществами, исключающее непосредственный контакт человека с этими веществами.

Кран-манипулятор -- подъёмный кран стрелового типа, установленный на автомобильном шасси и служащий для загрузки и разгрузки этого шасси.

Манипуляторами оснащаются гидростаты для ведения океанографических и других работ на глубинах.

Манипулятор -- кран манипулятор это грузовой автомобиль оснащенный краном или манипуляторной установкой.

Платформа Гью -- Стюарта -- это разновидность параллельного манипулятора, в которой используется октаэдральная компоновка стоек. Имеет шесть степеней свободы. Применяется в станкостроении, подводных исследованиях, авиационных спасательных операциях на море, летательных тренажёрах, позиционировании спутниковых антенн, в телескопах и в ортопедической хирургии.

Кран-манипулятор - грузоподъемная машина, состоящая из краноманипуляторной установки (КМУ), смонтированной на транспортном средстве или фундаменте.

Эвольвентой окружности является траектория любой точки прямой линии, перекатываемой по окружности без скольжения. По эвольвенте обрабатывают профиль зубьев зубчатых колёс. Эвольвенту окружности можно получить, сматывая натянутую нить с цилиндрической поверхности. Конец этой нити будет описывать эвольвенту.

Имеется окружность с диаметром , и с центром в точке . Данную окружность делим на двенадцать равных частей. В точках 2, 3, 4, … проводим касательные к окружности, направленные в одну сторону. Точки эвольвенты находим исходя из того, что при развёртывании окружности точка , должна отстоять от точки 2 на расстоянии, равном длине дуги между точками 1 и 2, а точка , должна отстоять от точки 3 на расстоянии, равном длине дуги между точками 1 и 3 (две длины предыдущей дуги), и т. д.

Точное положение точек эвольвенты получим, откладывая по касательным длины соответствующих дуг. Длину дуги между точками 1 и 2 определяем по формуле , где -- диаметр окружности; -- число частей, на которое разделена окружность.

Получив ряд точек эвольвенты соединяем их плавной линией.

В данном случае окружность с диаметром является эволютой к этой эвольвенте.

Эвольвента окружности

Построение плана положений механизма. Планом положений механизма называется графическое изображение взаимного расположения звеньев, соответствующее выбранному моменту времени. С помощью планов механизма можно наглядно проследить за движением его звеньев и точек.

Рассмотрим в качестве примера кривошипно-шатунный механизм (рис. 20), где 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - ползун. Положение точки С на шатуне определяется длинами отрезков АС и СВ. Для построения траектории точек А, В и С необходимо построить ряд планов (последовательных положений) механизма. Плавная линия, проведенная через все одноименные точки, будет искомой траекторией точки звена.

Иногда изготовляют шаблон механизма и с его помощью определяют траектории точек звеньев. Если конструктивная форма звеньев известна, то шаблон должен полностью ее копировать. Только в этом случае можно выяснить, не заденет ли какое-либо звено механизма при его движении за другие (в том числе и за неподвижное звено - корпус). Положение звена, из которого начинается отсчет его движения в одном направлении, называют начальным или крайним. Положение, в котором кривошип 1 и шатун 2 располагаются на одной прямой, называют мертвым.

Размещено на Allbest.ru