Структура механизмов

Структура любой технической системы определяется функционально связанной совокупностью элементов и отношений между ними. При этом для механизмов под элементами понимаются звенья, группы звеньев или типовые механизмы, а под отношениями подвижные кинематические пары или неподвижные соединения. Поэтому под структурой механизма понимается совокупность его элементов и отношений между ними, то есть совокупность звеньев, групп или типовых механизмов и подвижных или неподвижных соединений. Геометрическая структура механизма полностью описывается заданием геометрической формы его элементов, их расположения, указания вида связей между ними. Структурная схема - графическое изображение механизма, выполненное с использованием условных обозначений рекомендованных ГОСТом (см. например ГОСТ 2.703-68) или принятых в специальной литературе, содержащее информацию о числе и расположении элементов (звеньев, групп), а также о виде и классе кинематических пар, соединяющих эти элементы. В отличие от кинематической схемы механизма, структурная схема не содержит информации о размерах звеньев и вычерчивается без соблюдения масштабов. Как на любом этапе проектирования при структурном синтезе различают задачи синтеза и задачи анализа.

Задачей структурного анализа является задача определения параметров структуры заданного механизма - числа звеньев и структурных групп, числа и вида КП, числа подвижностей (основных и местных), числа контуров и числа избыточных связей.

Задачей структурного синтеза является задача синтеза структуры нового механизма, обладающего заданными свойствами: числом подвижностей, отсутствием местных подвижностей и избыточных связей, минимумом числа звеньев, с парами определенного вида (например, только вращательными, как наиболее технологичными) и тому подобное.

Подвижность или степень свободы механизма - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение звеньев механизма на плоскости или в пространстве.

Связь - ограничение, наложенное на перемещение тела по данной координате.

Избыточные связи - это связи число которых в механизме определяется разностью между суммарным числом связей, наложенных кинематическими парами, и суммой степеней подвижности всех звеньев, местных подвижностей и заданной (требуемой) подвижностью механизма в целом.

Местная степень свободы - степень свободы механизма, которая не оказывает влияния на его функцию положения (и передаточные функции), а введены в механизм с другими целями (например, подвижность ролика в кулачковом механизме обеспечивает замену в высшей паре трения скольжения трением качения).

Степень свободы механизма определяется по формуле академика Чебышева П.Л. для пространственного механизма:

,

и для плоского механизма:

.

где: n - число подвижных звеньев в механизме; n = k - 1; k - общее число звеньев механизма (включая и неподвижное звено - стойку); p_i - число кинематических пар i^го класса.

Пример структурного анализа механизма.

На рисунке изображена структурная схема плоского механизма долбежного станка и его функциональная схема на уровне типовых механизмов. Структурная схема механизма в соответствии с принятыми условными обозначениями изображает звенья механизма, их взаимное расположение, а также подвижные и неподвижные соединения между звеньями. На схеме звенья обозначены цифрами, кинематические пары - заглавными латинскими буквами. Цифры в индексах обозначения КП указывают относительную степень свободы звеньев в паре, буквы - на вид пары, который определяется видом относительного движения звеньев (в - вращательное, п - поступательное, ц - цилиндрическое, вп - обозначает высшую пару в которой возможно относительное скольжение с одновременным перекатыванием). Схема отражает структуру механизма в виде последовательного и параллельного соединения простых или типовых механизмов. В этом механизме вращательное движение вала двигателя φ₁ в согласованные движения подачи φ₈ и долбяка S₆. При этом механическая энергия двигателя преобразуется: скоростные составляющие энергетического потока по величине уменьшаются, а силовые - увеличиваются. Структурные элементы (типовые механизмы) в этой схеме связаны между собой неподвижными соединениями - муфтами. Схема показывает из каких простых механизмов состоит исследуемый, как эти механизмы взаимосвязаны между собой (последовательно или параллельно), как происходит преобразование входных движений в выходные (в нашем примере φ₁ в φ₈ и S₆).

Проведем структурный анализ данного механизма. Число подвижных звеньев механизма n = 8, число кинематических пар p_i = 12, из них для плоского механизма одноподвижных p₅ = 10 (вращательных p_{5 в} = 8, поступательных p_5п = 2 и двухподвижных p₄ = 2). Число степеней свободы механизма на плоскости:

W_пл = 3·8 - (2·10 + 1·2) = 2 = 1 + 1,

полученные две степени свободы делятся на основную W₀ = 1 и местную W_м = 1. Основная степень свободы определяет основную функцию механизма преобразование входного движения φ₁ в два функционально взаимосвязанных φ₈ и S₆. Местная обеспечивает выполнение вспомогательной функции: заменяет в высшей паре кулачок - толкатель трение скольжения трением качения.