Обзор основных видов механизмов

Практическое занятие № 1

Механизм есть система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других тел. Если в преобразовании движения кроме твердых тел участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим. Механизм входит в состав многих машин, т. к. для преобразования энергии, материалов и информации требуется обычно преобразование движения получаемого от двигателя. Нельзя отождествлять понятия «машина» и «механизм». Во-первых, кроме механизмов в машине всегда имеются дополнительные устройства, связанные с управлением механизмами. Во-вторых, есть машины, в которых нет механизмов. Например, в последние годы созданы технологические машины, в которых каждый исполнительный орган приводится в движение от индивидуального электро- или гидродвигателя.

При описании механизмов, они были разделены на отдельные группы по признаку их конструктивного оформления (рычажные, кулачковые, фрикционные, зубчатые и др.)

1. Рычажные механизмы

Рычажными механизмами называют механизмы, в которые входят жесткие звенья, соединенные между собой вращательными и поступательными кинематическими парами. Простейшим рычажным механизмом является двухзвенный механизм, состоящий из неподвижного звена-стойки 2 (рисунок 1) и подвижного рычага 1, имеющего возможность вращаться вокруг неподвижной оси (обычно это начальный механизм).

Рисунок 1 – Двухзвенный рычажный механизм

К двухзвенным рычажным механизмам относятся механизмы многих ротационных машин: электромоторов, лопастных турбин и вентиляторов. Механизмы всех этих машин состоят из стойки и вращающегося в неподвижных подшипниках звена (ротора).

Более сложными рычажными механизмами являются механизмы, состоящие из четырех звеньев, так называемые четырехзвенные механизмы.

Рисунок 2 – Кривошипно-коромысловый механизм

На рисунке 2 показан механизм шарнирного четырехзвенника, состоящего из трех подвижных звеньев 1, 2, 3 и одного неподвижного звена 4. Звено 1, соединенное со стойкой, может совершать полный оборот и носит название кривошипа. Такой шарнирный четырехзвенник, имеющий в своем составе один кривошип и одно коромысло, называется кривошипно-коромысловым механизмом, где вращательное движение кривошипа посредством шатуна преобразуется в качательное движение коромысла. Если кривошип и шатун вытянуты в одну линию, то коромысло займет крайнее правое положение, а при наложении друг на друга – левое.

Другим примером четырехзвенника является широко распространенный в технике кривошипно-ползунный механизм (рисунок 3).

Рисунок 3 – Кривошипно-ползунный механизм

В этом механизме вместо коромысла устанавливается ползун, движущийся в неподвижной направляющей. Этот кривошипно-шатунный механизм применяют в поршневых двигателях, насосах, компрессорах и т.д. Если эксцентриситет е равен нулю, то получим центральный кривошипно-ползунный механизм или аксиальный. При е не равном нулю кривошипно-ползунный механизм называется нецентральным или дезаксиальным. Здесь вращение кривошипа ОА через шатун АВ преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна. Естественно крайние положения ползуна, будут при расположении кривошипа и шатуна в одну линию.

Если в рассмотренном механизме заменить неподвижную направляющую на подвижную, которая называется кулисой, то получим четырехзвенный кулисный механизм с кулисным камнем (рисунок 4). Кривошип 1, вращаясь вокруг оси, через кулисный камень 2 заставляет кулису 3 совершать качательное движение. При этом кулисный камень относительно кулисы движется возвратно-поступательно.

Рисунок 4 – Четырехзвенный кулисный механизм

Крайние положения кулисы будут при перпендикулярном расположении к ней кривошипа. Построить такие положения просто: изображается окружность радиусом равным длине кривошипа (траектория движения точки А), и проводятся касательные из оси вращения кулисы.

Таким образом звенья могут совершать поступательное, вращательное или сложное движения.

2. Кулачковые механизмы

Широкое распространение в технике получили кулачковые механизмы. Простейший кулачковый механизм – трехзвенный, состоящий из кулачка, толкателя и стойки. Входным звеном чаще всего бывает кулачок. Кулачковые механизмы бывают как плоскими, так и пространственными.

Плоские кулачковые механизмы для удобства рассмотрения разобьем на механизмы в зависимости от движения выходного звена на два вида: 1 – кулачковый механизм с поступательно движущимся толкателем (ползуном); 2 – кулачковый механизм с поворачивающимся толкателем (коромыслом).

Пример первого кулачкового механизма показан на рисунке 5. Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью, действует на ролик 3 и заставляет толкатель 2 в виде ползуна двигаться в направляющих возвратно-поступательно.

На рисунке 6 приведена схема кулачкового механизма с поворачивающим­ся толкателем (коромыслом). Кулачок 1, вращаясь с заданной угловой скоростью ω₁, действует на толкатель 2 и заставляет последний вращаться вокруг оси вращения А.

Рисунок 5 – Механизм с поступательно-движущимся толкателем	Рисунок 6 – Кулачковый механизм с поворачивающимся толкателем

Кулачковые механизмы имеют разновидности в зависимости от геометрических форм элемента выходного (ведомого) звена и взаимного расположения толкателя и кулачка. Например, кулачковый механизм, показанный на рисунке 5 может иметь разные виды ведомых звеньев (рисунок 7).

Рисунок 7 – Виды ведомых звеньев, применяемые для кулачковых

механизмов с поступательно движущимся выходным звеном:

а) толкатель с острием; б) с плоскостью; в) толкатель с роликом;

г) толкатель со сферическим наконечником.

Рисунок 8 – Кулачковый механизм с центральным толкателем	Рисунок 9 – Кулачковый механизм со смещенным толкателем

Кулачковые механизмы с поступательно движущимся ведомым звеном можно разделить на кулачковые механизмы с центральным толкателем, у которых направление движения толкателя совпадает с осью вращения кулачка (рисунок 8) и кулачковые механизмы со смещенным толкателем (дезаксиальные), если ось толкателя отстоит на расстояние е – дезаксиал от оси вращениякулачка (рисунок 9).

При работе кулачковых механизмов необходимо, чтобы было постоянное соприкосновение ведущего и ведомого звеньев. Это может быть обеспечено либо силовым замыканием, чаще всего с помощью пружин (рисунок 10), либо геометрически, если выполнить профиль кулачка 1 в форме паза, боковые поверхности которого воздействуют на ролик 3 толкателя 2. Пазовый кулачок обеспечивает геометрическое замыкание высшей пары кулачкового механизма (рисунок 11).

Рисунок 10 – Кулачковый механизм с силовым замыканием	Рисунок 11 – Кулачковый механизм с геометрическим замыканием

Все рассмотренные выше кулачковые механизмы плоские. Часто встречаются пространственные кулачковые механизмы, которые весьма разнообразны по конструктивному оформлению. Наиболее распространенными пространственными кулачковыми механизмами являются механизмы барабанного типа (рисунок 12). Цилиндрический кулачок 1 с профильным пазом, обеспечивающим кинематическое замыкание высшей пары, вращается с постоянной угловой скоростью и через ролик 3 сообщает качательное движение толкателю 2, закон изменения которого зависит от очертания паза.

Рисунок 12 – Пространственный кулачковый механизм барабанного типа

3. Фрикционные механизмы

Во фрикционных механизмах передача вращательного движения между звеньями (катками – роликами) осуществляется вследствие трения возникающего между ними. На рисунке 13 показан фрикционный механизм с цилиндрическими катками. Передача движения от ведущего катка 1 к ведомому катку 2 осуществляется силой трения, возникающей под действием пружины с силой равной Q.

Нами рассмотрен фрикционный механизм с цилиндрическими катками для передачи вращательного движения между параллельными валами. В передачах же с пересекающимися осями применяют фрикционные механизмы с коническими катками.

Достоинствами фрикционной передачи являются плавность работы и возможность осуществления бесступенчатого изменения передаточного отношения, а также реверсирования. Поэтому фрикционные передачи широко применяют в машиностроении в качестве вариаторов. Простейший вариатор, называемый лобовым (рисунок 14), состоит из диска 1 и ролика 2.

Рисунок 13 – Фрикционный механизм с цилиндрическими катками

Ролик можно смещать вдоль оси О₂, следствием чего точка контакта М может занимать различные положения, определяемые расстоянием x. Это позволяет плавно регулировать величину и направление угловой скорости выходного звена.

Рисунок 14 – Лобовая фрикционная передача

В качестве вариаторов можно применять также фрикционные механизмы с коническими барабанами.

В процессе эксплуатации фрикционных механизмов, вследствие перегрузки или попадания масла на них, может наблюдаться проскальзывание одного катка относительно другого. Поэтому фрикционные механизмы не обеспечивают постоянства передаточного отношения между ведущим и ведомым валами, что является существенным недостатком, который отсутствует у зубчатых механизмов.

4. Зубчатые механизмы

Самое широкое применение в машинах и приборах находят зубчатые механизмы, которые позволяют передавать вращательные движения от одного вала к другому с заданными угловыми скоростями.

В зависимости от расположения осей валов, между которыми осуществляется вращательное движение при постоянном значении передаточного отношения, различают передачи:

1. При параллельных валах

2. При пересекающихся валах

3. При скрещивающихся валах

Рисунок 15 – Зубчатый механизм с внешним зацеплением	Рисунок 16 – Зубчатый механизм с внутренним зацеплением

1) На рисунке 15 показаны цилиндрические колеса с внешним зацеплением, а на рисунке 16 изображены цилиндрические колеса с внутренним зацеплением, где зубья одного из колес расположены по внутренней поверхности.

2) При пересекающихся валах применяют конические колеса (рисунок 17).

Рисунок 17 – Коническая зубчатая передача

3) При скрещивающихся валах используется червячная передача (рисунок 18), у которой входным звеном является червяк 1, выходным – колесо 2.

Рисунок 18 – Червячная передача

Зубчатые передачи осуществляются не только в виде отдельной пары зубчатых колес в одноступенчатой передаче, но и в более сложных комбинациях, образуя сложные механизмы.

5. Механизмы с гибкими звеньями

Кроме механизмов с твердыми звеньями, рассмотренными нами выше, в качестве промежуточных звеньев применяются гибкие звенья (ремни, канаты, цепи, ленты и т.д.). Механизмы с гибкими звеньями применяются при значительных межосевых расстояниях.

Рисунок 19 – Открытая ременная передача

На рисунке 19 показан простейший пример открытой ременной передачи, у которой вращение шкивов 1 и 2происходит в одном и том же направлении.

Передача ремнем осуществляется за счет трения возникающего между шкивом и ремнем. Ремень может быть плоский, клиновой или зубчатый.

Для обеспечения необходимой силы трениямежду ремнем и шкивами, ремень должен быть натянут. Простейшее натяжное приспособление показано на рисунке 20, где ролик 3 установлен на рычаге 4, который вращается вокруг оси В. На противоположном плече рычага закреплен груз 5, перемещением которого вдоль рычага достигается регулировка силы натяжения.

Рисунок 20 – Открытая ременная передача с натяжным роликом

6. Клиновые и винтовые механизмы

Эти механизмы трехзвенные. Они состоят из стойки и двух подвижных звеньев, образующих три кинематические пары.

1) Трехзвенный клиновый механизм простейшего вида, показанный на рисунке 21, состоит из клиньев 1 и 2 и стойки 3. Он служит для преобразования одного прямолинейного движения в другое. Например, в механизме клинчатого пресса, клин 1, движущийся под действием силы F₁, перемещает вверх клин 2, преодолевая усилие F₂. Эти механизмы применяются для различного вида прессов, поглощающих аппаратов железнодорожных автосцепок, зажимов, механизмов подачи деталей и т.д.

2) Трехзвенный винтовой механизм (рисунок 22) состоит из винта 1, гайки 2 и стойки 3. Он предназначен для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки по направляющим стойки. Винтовой механизм, иначе называемый передачей винт – гайка, применяют для осуществления перемещений, связанных с теми или иными технологическими процессами (винты прессов, ходовые винты станков, домкраты, струбцины, съемники и т. д.).

Рисунок 21 – Простой клиновый механизм

Рисунок 22 – Трехзвенный винтовой механизм

7. Механизмы с гидравлическими и пневматическими устройствами

Простейшиймеханизм с гидравлическим устройством является гидравлический пресс (рисунок 23). Его можно рассматривать как четырехзвенный механизм, в котором ведущим звеном может быть один из поршней, например 1, ведомым – поршень 2. Жидкость 3 является звеном, передающим движение от ведущего к ведомому поршню с выигрышем в силе. Здесь емкость 4 – стойка.

Аналогичное устройство имеют многие механизмы, в которых используется сжатый воздух, например, различные станочные приспособления, инструменты.

Рисунок 23 – Гидравлический пресс

Вопросы

1. Дайте общую характеристику и приведите примеры рычажных механизмов.

2. Дайте общую характеристику и приведите примеры кулачковых механизмов.

3. Дайте общую характеристику и приведите примеры фрикционных механизмов.

4. Дайте общую характеристику и приведите примеры зубчатых механизмов.

5. Дайте общую характеристику и приведите примеры механизмов с гибкими связями.

6. Дайте общую характеристику и приведите примеры клиновых и винтовых механизмов.

7. Дайте общую характеристику и приведите примеры механизмов с гидравлическими и пневматическими устройствами.