Составление кинематической схемы механизма и его структурный анализ. Методические указания к выполнению лабораторной работы

Министерство образования и науки Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА СО СТ АВЛ ЕНИЕ К ИН ЕМ АТИ ЧЕСК ОЙ СХ ЕМ Ы М ЕХ АН ИЗМ А И ЕГО СТРУК ТУ РН ЫЙ АН АЛ ИЗ Методические указания к выполнению лабораторной работы

Составители: Павлов А.Н, Дабаин Б.Н.

Улан-Удэ 2004

Аннотация: Составление кинематической схемы механизма и его структурный анализ. Методические указания к выполнению лабораторной работы. Предназначены для студентов всех специальностей и форм обучения, изучающих курс «Теория механизмов и машин» и выполняющих лабораторные работы. Ключевые слова: ТММ, лабораторная работа, структурный анализ, механизм, кинематическая схема, методические указания

2

Цель работы: Овладение практическими навыками в составлении кинематических схем и проведении структурного анализа механизмов. Оборудование: Для выполнения работы студенту выдается макет рычажного механизма, а также чертежный инструмент. Теоретическая часть: Механизм представляет собой систему тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. Механизм состоит из различных деталей, которые образуют жесткие соединения или соединяются между собой подвижно. Отдельная деталь или несколько жестко соединенных деталей называются звеном механизма. Неподвижное звено механизма называется стойкой. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой. Кинематические пары делятся на пять классов. Номер класса пары определяется числом условий связи, налагаемых на движение одного звена ары относительно другого. Следовательно,

пара

1-го

класса

является

пятиподвижной,

пара

2-го

класса

–

четырехподвижной и т. д. Поверхности, линии или точки звена, по которым оно может соприкасаться с другим звеном, образуя кинематическую пару, называются элементами звена. Кинематические пары делятся на высшие и низшие. В высших парах звенья соприкасаются по линии или в точках, а в низших – по поверхностям. Связанная система звеньев, образующих между собой кинематические пары, называется кинематической цепью. Механизм, у которого все подвижные звенья могут двигаться в одной или нескольких параллельных плоскостях, называется плоским. В плоских механизмах могут быть пары только 4-го и 5-го классов. Все пары 4-го класса являются высшими, а пары 5-го класса обычно относятся к низшим (вращательные и поступательные). Плоский механизм называется рычажным, если его звенья образуют только низшие пары. Степень свободы (степень подвижности) W механизма показывает число степеней свободы его звеньев относительно стойки. В плоских механизмах степень подвижности определяется по формуле Чебышева:

W = 3 ⋅ n − 2 ⋅ P5 − P4 где n – число подвижных звеньев механизма; Р5 – число кинематических пар 5-го класса (низших пар). Р4 – число кинематических пар 4-го класса (высших пар). 3

Плоский механизм обладает определенностью движения в том случае, если число ведущих звеньев равно числу степеней подвижности. В тех случаях, когда в механизме сложные шарниры соединяют более двух звеньев (рис. 1), то число кинематических пар в таком соединении равно p = k – 1, где k – число звеньев, сходящихся в сложном шарнире.

Рис. 1 Сложный шарнир Любой механизм может быть образован из механизма 1-го класса, представляющего собой ведущее звено со стойкой, и присоединенных к нему структурных групп. Структурной группой Ассура называется такая кинематическая цепь, которая после присоединения свободными элементами звеньев к стойке имеет нулевую степень подвижности. Поэтому после присоединения группы к механизму степень подвижности его не изменится. Согласно классификации, структурные группы делятся на классы: II, III, IV и т. д. Группы IIго класса состоят из 2-х звеньев и 3-х кинематических пар, группы III-го класса – из 4-х звеньев и 6-ти пар. Вообще, структурная группа состоит из четного числа звеньев, а число пар должно быть кратно трем. Порядок группы определяется числом звеньев, которыми группа присоединяется к механизму. Очевидно, все группы II-го класса имеют второй порядок. Группы II-го класса делятся на виды в зависимости от сочетания и взаимного расположения вращательных и поступательных пар (табл.1). Структурные группы II-го класса

1 вид

2 вид

3 вид 4

4 вид

табл. 1

5 вид

Класс механизма определяется высшим классом структурной группы, входящей в его состав. Разложение механизма на структурные группы следует начинать с отсоединения наиболее удаленной от ведущего звена группы, состоящей из двух звеньев и трех пар, т.е. группы II класса. Если это не удается, то надо попытаться отделить группу более высокого класса. После отделения первой группы надо попытаться отделить опять группу II класса и так до тех пор, пока не останется механизм I класса. Структурный анализ заканчивается определением класса механизма и составлением формулы строения механизма, показывающей из каких групп он состоит и в какой последовательности они соединяются. При разложении механизма на структурные группы следует иметь в виду, что класс механизма может измениться в зависимости от выбора ведущего звена. Порядок выполнения работы: 1. Ознакомиться с механизмом, установить его назначение (как он преобразует движение), выбрать положение механизма, при котором хорошо видно относительное расположение звеньев. 2. Начертить кинематическую схему механизма, пользуясь условными обозначениями звеньев и пар (см. приложение 2). 3. Пронумеровать все звенья, начиная с ведущего (стойку обозначить цифрой 0), кинематические пары обозначить заглавными буквами латинского алфавита. Ведущее звено обозначить стрелкой 4. Составить таблицу кинематических пар. 5. Определить, какие движения совершают звенья. 6. Определить степень подвижности механизма по формуле П.Л. Чебышева. 7. Разложить механизм на структурные группы Ассура. Начертить каждую группу отдельно, указать ее класс, порядок и вид. 8. Составить формулу строения механизма (структурная формула). В формуле строения римские цифры обозначают классы групп Ассура (цифра I обозначает механизм I класса), а стрелки показывают на порядок присоединения групп Ассура к механизму первого класса. 9. Ответить на контрольные вопросы. Пример оформления отчета по лабораторной работе находится в приложении 1.

5

Контрольные вопросы: 1. Что называется звеном, кинематической парой, кинематической цепью, механизмом? 2. Как подразделяются кинематические пары по числу условий связи, налагаемых на относительное движение звеньев? 3. Какие кинематические пары относятся к высшим и какие к низшим? 4. Какие механизмы называются рычажными? 5. Какие задачи решаются в ходе структурного анализа механизма? 6. Как рассчитать степень подвижности плоского механизма? 7. Что называется структурной группой Ассура и как определяются ее класс, порядок и вид? Используемая литература 1. Лабораторные работы по ТММ / Под общей ред. Камцева Е.А. Минск, Вышейшая школа, 1975. С. 5-16. 2. Теория механизмов и механика машин / Под ред. К.В. Фролова. – М.: Высш. шк, 1998. С. 38-66. 3. Теория механизмов, машин и манипуляторов / И.П.Филонов, П.П.Анципорович, В.К.Акулич. – Минск: Дизайн ПРО, 1998. С. 16-52.

6

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИМЕР СОСТАВЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ: 1.Кинематическая схема механизма: Механизм 2-поршневого компрессора. В этом механизме вращательное движение коленчатого вала АВ преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней 3 и 7. Ведущее звено – кривошип АВ – обозначено стрелкой. Все неподвижные детали, образующие одно неподвижное звено, обозначены цифрой 0. Цифрой 1 обозначен кривошип, 2, 4, 6 – шатуны, 3, 7 – ползуны, 5 – коромысло.

2.Таблица кинематических пар механизма: №

Обозначение пары

Название пары

Звенья, которые соединяет пара

1

А

вращательная

0, 1

2

В1

вращательная

1, 2

3

В2

вращательная

1, 4

4

С1

вращательная

2, 3

5

С2

поступательная

0, 3

6

D

вращательная

4, 5

7

Е

вращательная

0, 5

8

F

вращательная

5, 6

9

Н1

вращательная

6, 7

10

Н2

поступательная

0, 7

3.Движение звеньев: Звено 0 – неподвижно (стойка). Звено 1 – вращательное. Звено 2 – сложное. Звено 3 – поступательное. Звено 4 – сложное. Звено 5 – вращательное. 7

Звено 6 – сложное. Звено 7 – поступательное. 4.Степень подвижности механизма:

W = 3 ⋅ n − 2 ⋅ P5 − P4 = 3 ⋅ 7 − 2 ⋅10 − 0 = 1 где n = 7 – количество подвижных звеньев механизма; Р5 = 10 – количество кинематических пар 5-го класса; Р4 = 0 – количество кинематических пар 4-го класса; 5.Разложение механизма на структурные группы:

Группа II-го класса 2-го порядка 2-го вида

Группа II-го класса 2-го порядка 1-го вида

6.Формула строения механизма: I (0, 1) → II (4, 5) → II (6, 7) ↓ II (2, 3) Механизм II-го класса.

8

Группа II-го класса 2-го порядка 2-го вида

Механизм I-го класса

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ МЕХАНИЗМОВ Объект изображения

Обозначения

Звенья Рычаг, стержень, шатун, вал, ось и т.д. Звено, входящее в две вращательные пары

Звено, входящее в три вращательные пары

Звено, входящее в три вращательные пары, центры которых расположены: а – не на одной прямой б – на одной прямой

Стойка (неподвижное звено), входящая в состав: а – вращательной пары б – поступательной пары

а

б

а

б

Звено (кривошип), образующее со стойкой вращательную пару

Ползун в неподвижных направляющих

Кинематические пары Вращательная пара Поступательная пара

Зубчатые механизмы Колесо, посаженное на валу: а – жестко б – свободно в – на скользящей шпонке

а

9

б

в

Подписано в печать 10.11.2004 г. Формат 60 × 84 1/16. Усл. п. л. 0,7, уч.-изд. л. 0,5. Электрон. вариант. Заказ №150. Издательство ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40. в.

10