Лекция N1

Введение

        Сегодня мы начинаем с Вами изучать одну из группы общеинженерных дисциплин, дисциплину “Теория механизмов и машин”. ТММ – наука, изучающая общие законы и принципы построения машин, позволяющая выполнить первый этап проектирования конструкций, сооружений, систем машин и механизмов на основе разработанных ею методов.

       В ТММ изучаются свойства отдельных типовых механизмов, широко применяемых в самых различных машинах, приборах и устройствах. При этом анализ и синтез механизмов осуществляется независимо от его конкретного назначения, т.е. однотипные механизмы (рычажные, кулачковые, зубчатые…) исследуются одними и теми же приемами  для двигателей, насосов, компрессоров… и для других типов машин.

       ТММ базируется на аппарате математического анализа, векторной и линейной алгебры, дифференциальной геометрии и других разделах математики. В основу методов анализа положены теоремы и положения из теоретической механики.

        Решение задачи геометро-кинематического и динамического синтеза механических систем ТММ является основой курсов “Деталей машин”, “Деталей приборов” и других спецкурсов по проектированию и расчету механизмов и машин (специального назначения). В этих дисциплинах широко используются общие методы разработанные “Теорией механизмов и машин” в приложении к конкретным механизмам.

       Сейчас, как и прежде, перед учеными, инженерами и конструкторами стоят задачи дальнейшего совершенствования всех видов современной техники и в первую очередь создание новых высокопроизводительных машин и систем машин, освобождающих человека от трудоемких и утомительных процессов.

       Становление теории механизмов и машин как   науки относится к 18 веку. Когда рассматривалась кинематика и динамика различных машинных устройств, использовавшая теоремы и постулаты теоретической механики для изучения законов движения этих устройств и создания основ их проектирования.

       Существенный вклад в развитие теории машин и механизмов внесли русские ученые: П.Л. Чебышев, И.А. Вышнеградский, Н.П. Петров, Н.Е. Жуковский. Л.В. Ассур, В.П. Горячкин, И.И. Артоболевский, А.А. Благонравов, а также ученые старейшей кафедры технических вузов страны “Теории механизмов и машин” созданной в МГТУ в 1873 году. Среди них первый заведующий кафедры профессор Ф.Е. Орлов, уделявший много внимания изучению вопросов трения, динамики машин и, главное, разработке основных принципов, которыми необходимо было руководствоваться при проектировании машин того времени. Он был автором первого курса прикладной механики, который пользовался широкой популярностью и систематически переиздавался.

       Много внимания совершенствованию методов анализа и синтеза механизмов уделял Д.С. Зернов, который возглавлял нашу кафедру с 1892 по 1899 год.

       Решение многих сложных задач синтеза механизмов, основ динамики, вопросов гидродинамической теории смазки связано с именем выдающегося педагога и новатора профессора Н.И. Мерцалова, заведовавшего кафедрой с 1899 по 1929 год.

Рекомендуемые материалы

       Многими методами, разработанными профессором Смирновым Л.П. (возглавлял кафедру с 1929 по 1949 год) мы пользуемся и до сих пор. Им же были разработаны методы экспериментальных исследований, создано оборудование для проведения лабораторных работ.

       Широкую известность (не только в СССР, но и в мире) получили труды и изобретения профессора Решетова Л.Н., заведовавшего кафедрой с 1951 по 1962 год. Он внес большой вклад в развитие зубчатых передач. Кулачковых механизмов, вопросов уравновешивания. Он - основатель нового  направления в ТММ – рационального проектирования механизмов.

       Большой вклад в развитие науки о механизмах внес профессор Гавриленко В.А., заведовавший кафедрой с 1962 по 1977 год. Созданная им геометрическая теория эвольвентных передач позволила избавиться от множества эмпирических зависимостей в расчетах и проектировать малогабаритные зубчатые передачи. Его теория  открыла путь к решению динамических и прочностных задач в области зубчатых передач. Ему и его ученикам удалось внедрить в производство новые пространственные передачи, планетарные, кривошипно-планетарные и волновые зубчатые передачи.

       Следует подчеркнуть, что как бы мы не называли наш технический век – веком космоса или автоматики, атомным веком или веком электроники – основой технического прогресса всегда было и остается машиностроение. От уровня развития машиностроения, от степени совершенствования машин в значительной степени зависит производительность общественного труда и благосостояния нашего народа. ТММ, как наука, дает общие методы построения наиболее совершенных, высокоэкономичных и надежных машин. Изучая ТММ, вы получите не только конкретные знания, но и определенные навыки и умения.

       На специальностях, по которым вы проходите подготовку, дисциплина ТММ изучается в течение двух семестров и состоит из:

       4-ый семестр. Курс лекций объемом 51 час (т.е. 25 лекций), 8 практических занятий (включая два рубежных контроля) – 17 часов, лабораторного практикума – 17 часов. В разделе внеаудиторной самостоятельной работы предусмотрено выполнение двух домашних заданий:

       1 – ое – “Структурный и кинематический анализ рычажных механизмов” (8 часов самостоятельной работы)

       2 – ое – “Кинетостатический силовой расчет рычажного механизма” (5 часов самостоятельной работы)

       Семестр завершается экзаменом, в котором учитывается суммарный рейтинг по результатам посещения лекций, выполнения домашних заданий и лабораторных работ и итоги рубежных контролей.

       5-ый семестр. Курсовой проект (работа) объемом графической части – 4 листа чертежей формата А1 и расчетно-пояснительной записки на 30-40 машинописных страницах. Курсовой проект в конце семестра защищается в комиссии из двух преподавателей (с отметкой).

Рекомендуемая основная литература.

1. Теория механизмов и механика машин./ Под ред. К.В. Фролова М., 1998,2001.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М., 1988.

3. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М., 1979.

4. Юдин В.А., Петрокас Л.В. Теория механизмов и машин. М., 1977.

5. Механика машин./ Под ред. Г.А. Смирнова. М.. 1996.

6. Попов С.А., Тимофеев Г.А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. М., 1998,2002.

Дополнительная литература.

 7. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике: в 6-ти т. М., 1970…1975

8. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. М., 1977.

9. Кожевников С.Н.. Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы: Справочное пособие /Под ред. С.Н. Кожевникова. М., 1976.

10. Теория механизмов./Под ред. Гавриленко В.А. М.,1973.

11. Теория механизмов и машин /Под ред. К.И. Заблонского. Киев, 1989.

12. Решетов Л.Н. Самоустанавливающиеся механизмы. Справочник. М., 1979.

13. Коловский М.З. Динамика машин Л., 1989.

14. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам М., 1987.

15. Пейсах Э.Е., Нестеров В.А. Система проектирования рычажных механизмов М., 1988.

16. Механика промышленных роботов. В 3-х т./Под ред.

     К.В. Фролова и Е.И. Воробьева М., 1988,1989.

17.Основы балансированной техники. В 2-х т./Под ред.

     В.А. Щепетильникова М., 1975.

18.Дитрих Я. Проектирование и конструирование:

     Системный подход М., 1981.

19. Джонс Дж.К. Методы проектирования/Пер. с англ. 2-е издание М., 1986.

Несколько слов о методологии проектирования машин.

Процесс проектирования сложен и трудоемок не только в том

случае, когда создается новая машина, не имеющая близких аналогов, но и тогда, когда необходимо получить более высокий качественный уровень одного или нескольких параметров машины с уже существующей кинематической схемой. Последовательность проектирования показана на рис. 1.1.

       При проектировании машины должен быть осуществлен выбор ее оптимальных параметров (структурных, кинематических, точностных, динамических, эксплутационных), наилучшим образом соответствующих предъявляемым к ней требованиям. Решения, принимаемые на стадии проектирования, могут корректироваться несколько позднее на стадии разработки технологии изготовления машины. Однако следует помнить, что качество новой машины, в первую очередь, определяется качеством проектирования. Так что неудачные решения на этой стадии не всегда могут быть компенсированы на последующих стадиях. Поэтому затраты на качественное проектирование окупятся за счет экономии, получаемой в последствии включая и эксплуатацию машины.

Рис. 1.1

Рис.1.2

Рис.1.3

       Любая машина выполняет свой рабочий процесс посредством механического движения. Поэтому она должна иметь носителя этого движения, каковым является механизм или система механизмов. Следовательно, составной частью общего процесса проектирования машины является проектирование ее механизмов. Оно включает разработку и анализ возможных вариантов схем машины и ее механизмов и оценку полученных решений методами оптимизации (см. рис. 1.2). Поиск оптимального, т.е. наилучшего решения для каждого варианта, как правило, ведется с использованием итерационных алгоритмов, которые поддаются формализации и должны быть реализованы на ЭВМ.

       Процесс проектирования состоит из нескольких итерационных (повторяющихся) циклов (см. рис. 1.3). Первый цикл имеет сравнительно узкий состав исходных данных, необходимых для расчета, который заканчивается некоторой совокупностью результатов, именуемых начальными. Эти результаты расчета первого цикла позволяют, во-первых, произвести в составе исходных данных, необходимых для расчета второго цикла, нужные уточнения и, во-вторых, пополнить исходные данные новыми, неизвестными ранее параметрами. Затем следует расчет второго цикла.

       Второй итерационный цикл реализуется в результате определения масс и моментов инерции звеньев и уточнения размеров сочленений звеньев. По этим данным проводится силовой расчет с учетом ускоренного движения звеньев механизма и наличия трения в кинематических парах.

        Третий итерационный цикл позволяет корректировать конструкцию привода. Исходные данные для выбора необходимого двигателя определяются в блоке “Динамический синтез, определение закона движения…”.

       Проектирование нового механизма начинается с создания схемы механизма со структурно-кинематическими свойствами, соответствующими заданным с требуемой точностью. Структурные свойства механизма это, - во-первых, внешние, т.е. количество степеней свободы и число обеспечиваемых механизмом связанных друг с другом перемещений рабочих органов машины, и во-вторых

внутренние – состав механизма, т.е. его внутренняя структура. Внутренняя структура механизма – состав звеньев и способ их соединения друг с другом. С точки зрения внутренней структуры можно выделить два типа механизмов – структурно-элементарные и структурно-сложные.

       Структурно-элементарные механизмы, осуществляющие преобразование и передачу движения по определенному закону, объединены в группы по способу соединения звеньев друг с другом. Такими элементарными механизмами являются рычажные механизмы, зубчатые передаточные механизмы, планетарные, кулачковые и другие, которые будут рассматриваться в последующих лекциях. В состав структурно-сложных механизмов могут входить несколько элементарных механизмов с различными кинематическими свойствами.

       Кинематические свойства проектируемого механизма определяются его геометро-кинематическими характеристиками, связывающими параметры движения на входе механизма и на выходе из него. Основные геометро-кинематические характеристики механизмов: функция положения, определяющая связь координат выходного и входного звеньев, и кинематическая передаточная функция, являющаяся первой производной от функции положения.

       Известно очень большое количество разновидностей как структурно-элементарных, так и структурно-сложных механизмов, обладающих разнообразными структурно-кинематическими характеристиками. Поэтому при проектировании нового механизма следует проанализировать возможности  использования  уже существующих механизмов для осуществления заданной функции. Для этого необходимо использовать систематизацию существующих схем механизмов [7,9,19,14] по структурно-кинематическим признакам с определением их кинематических характеристик. Во многих случаях геометро-кинематические характеристики существующих механизмов вполне подходят для осуществления основной функции проектируемого механизма.

Основные определения и понятия

       Понятие “машина” определяется следующим образом.

       Машиной называется техническое устройство, осуществляющее определенные механические движения, связанные с преобразованием энергии, свойств, размеров, формы или положения материалов (или объектов труда) и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности.

Существуют следующие виды машин:

       Энергетической машиной называется машина, предназначенная для преобразования энергии. Если осуществляется преобразование любого вида энергии в механическую, то имеем дело с машиной-двигателем, а наоборот – машина-генератор. 

       Рабочая машина предназначена для преобразования материалов, причем транспортная машина преобразует материал только путем изменения положения объекта, а технологическая рабочая машина преобразует форму, свойства и положение материала или объекта.

       Информационная машина служит для получения и преобразования информации.

       Контрольно-управляющая машина преобразует информацию с целью управления энергетическими или рабочими машинами, а математическая машина – с целью получения математических образов соответствующих свойствам объекта.

       Кибернетическая машина – имитирует или заменяет человека в процессе присущих только ему или объектам живой природы и обладает элементами искусственного интеллекта.

Понятие о машинном агрегате.

       Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких соединенных последовательно или параллельно машин и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых функций. Обычно в состав машинного агрегата входят: двигатель, передаточный механизм (и их может быть несколько или совсем не быть) и рабочая или энергетическая машина. В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Передаточный механизм в машинном агрегате необходим для согласования механических характеристик двигателя с механическими характеристиками рабочей или энергетической машины.

Схема машинного агрегата.

Рис. 1.4

Механизм и его элементы.

       Механизмом называется система твердых тел, объединенных геометрическими или динамическими связями, предназначенных для преобразования движения входного звена в требуемое движение выходных звеньев.

       Твердые тела, входящие в состав механизма, не является абсолютно твердыми, однако их деформации обычно весьма малы.

       Главное назначение создаваемого механизма – осуществление технической операции в результате движения его элементов.

Звено – это твердое тело, входящее в состав механизма.

Кинематическая пара – это соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение.

Звено, относительно которого рассматривается движение остальных звеньев, считается условно – неподвижным и называется стойкой.

        Входное звено – это звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемое движение других звеньев.

       Выходное звено – звено, которое совершает движение, для выполнения которого предназначен механизм.

Рассмотрим простейший кривошипно-ползунный механизм:

           

1. кривошип

2. шатун

3. ползун

4. стойка

Кинематические пары: А, В, С, D.

       Несколько звеньев, связанных между собой кинематическими парами, образуют кинематическую цепь, которая может быть

а) замкнутой, у которой звенья          б) незамкнутой, звенья

    образуют один или несколько             которой не образуют

   замкнутых контуров.                             замкнутых контуров.

                  

       В современном машиностроении применяются машины и механизмы с абсолютно твердыми (абсолютно жесткими), упругими (гибкими), жидкими и газообразными телами (звеньями).

       К упругим звеньям относят пружины, мембраны и другие элементы, упругая деформация которых вносит существенные изменения в работу механизма. К гибким звеньям относят ремни, цепи, канаты. К жидким и газообразным телам относят масло, воду, газ, воздух и т.п. вещества.

Таблица 1.1

Основные виды звеньев механизмов

Контрольные вопросы к лекции N1

В лекции "11. Литература XVII века" также много полезной информации.

1. Что называется машиной? Какие машины Вы знаете? Что такое машинный агрегат?

2. Что называется механизмом, кинематической цепью? Какие виды кинематических цепей существуют?

3. Какая разница между кинематической цепью и кинематической парой?

4. Что называют кинематической парой, как их классифицируют?

5. Как происходит замыкание кинематических пар в кинематической цепи?

6. Что называют звеном, какие виды звеньев существуют? Чем отличается деталь от звена?