Кинематические пары. Схемы механизмов

Кинематическая пара – подвижное соединение двух звеньев. Из теоретической механики известно, что твердое тело (рис. 3) в трехмерном пространстве имеет шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных.

Если одно звено соприкасается с другим звеном, то, относительно этого звена оно лишается одной или нескольких степеней свободы. В подвижном соединении одно звено относительно другого может иметь максимум пять степеней свободы, минимум – одну степень свободы. В теории механизмов, вместо принятого в теоретической механике словосочетания «степень свободы», часто используют термин «подвижность» Можно сказать, что в соединении двух звеньев, каждое из этих звеньев накладывает на другое определенное число ограничений относительного перемещения – так называемых связей. Класс кинематической пары определяется числом независимых связей, накладываемых одним звеном на другое в их подвижном соединении. Таким образом, кинематические пары подразделяются на пять классов, а подвижность кинематической пары определяется формулой:

Кинематические пары. Схемы механизмов - student2.ru , ,

где S_r – класс кинематической пары. Обозначение «r» в формуле указывает на то, что речь идет о связях и подвижностях одного звена относительно другого (лат. Relativus - относительный).

Кинематическая пара называется высшей, если контакт звеньев осуществляется по линии или в точке.

Кинематическая пара называется низшей, если звенья соприкасаются по поверхности.

Пример 1

Кинематическая пара шар-плоскость (рис. 4,а) имеет первый класс, так как контакт шара и плоскости в точке A дает только одну связь (S_r = 1). Подвижность пары Кинематические пары. Схемы механизмов - student2.ru . Данная кинематическая пара является высшей.

Пример 2

Поступательная кинематическая пара (рис. 4,б) имеет пятый класс ( Кинематические пары. Схемы механизмов - student2.ru ) и является одноподвижной. Контакт звеньев в данной кинематической паре осуществляется по поверхностям, поэтому пара – низшая.

В таблице 1 приведены графические и буквенные обозначения кинематических пар, которые используются при составлении схем механизмов.

Таблица 1

Наименование пары	Обозначение	S_r	W_r	Высшая или низшая
Буквенное	Графическое
Поступательная	П				низшая
Вращательная	В				низшая
Винтовая	Ви				низшая
Цилиндрическая	Ц				низшая
Сферическая	С				низшая
Сферическая с пальцем	Сп				низшая
Плоскостная	Пл				низшая
Цилиндр – плоскость	Ц - Пл				высшая
Шар – плоскость	Ш – Пл				высшая

Структурная схема дает представление о структуре механизма (его звеньях и кинематических парах), на ней также указываются направления движений входных и выходных звеньев. Звенья на схеме нумеруются арабскими цифрами, причем стойка всегда обозначается цифрой «0». Проектирование механизма начинается с разработки его структурной схемы.

Кинематическая схема является более информативной: она содержит также сведения об основных геометрических размерах звеньев и выполняется в масштабе. Разработка кинематической схемы механизма осуществляется на основе его структурной схемы.

Классификация механизмов

Механизмы различаются по функциональному назначению, по конструктивному устройству, по расположению в пространстве, по наличию или отсутствию замкнутых кинематических контуров.

По функциональному назначению механизмы подразделяются на исполнительные, передаточные и программные.

· Исполнительные механизмы предназначены для приведения в движение рабочих органов машины в соответствии с выполняемым технологическим процессом.

· Передаточные механизмы служат для преобразования механической энергии двигателей в механическую энергию с параметрами, требуемыми для приведения в движение входных звеньев исполнительного механизма.

· Программные механизмы задают программу движения механической части машины.

Пример

Рассмотрим транспортную машину – автомобиль. Рабочими органами автомобиля являются колеса. Исполнительный механизм – шасси. Коробка передач – многоступенчатый передаточный механизм, необходимый для согласования работы двигателя и шасси в различных режимах движения машины. Двигатель автомобиля содержит газораспределительный механизм, который является программным (он управляет движением впускных и выпускных клапанов двигателя).

По конструктивному устройству различают рычажные, зубчатые, кулачковые и фрикционные механизмы.

· Механизм, в котором все кинематические пары низшие, называется рычажным (рис. 5,а).

· В зубчатом механизме движение от одного звена к другому передается посредством зубчатого зацепления (рис. 5,б).

· Кулачковый механизм содержит звено со сложным профилем, называемое кулачком (рис 5,в).

· Во фрикционном механизме движение от одного звена к другому передается за счет сил трения (рис. 5,г; звенья вспомогательного винтового механизма, предназначенного для поджатия колеса 1, не пронумерованы).

Механизмы также могут быть комбинированными: например, зубчато-рычажный или зубчато-фрикционный механизмы.

По расположению в пространстве механизмы подразделяются на плоские и пространственные.

· Механизм называется плоским, если траектории точек всех его подвижных звеньев находятся в плоскостях, параллельных неподвижной плоскости. На рис. 5 показаны структурные схемы плоских механизмов.

· Механизм называется пространственным, если траектории точек его подвижных звеньев лежат в непараллельных плоскостях. На рис. 6 приведена схема пространственного механизма – манипулятора, работающего в сферической системе координат.

Механизм называется замкнутым, если каждое его звено образует, как минимум, две кинематические пары. Если есть хотя бы одно звено, образующее только одну кинематическую пару, механизм – разомкнутый.

Механизм называется одноконтурным, если он содержит один замкнутый кинематический контур. Если в механизме имеется более чем один замкнутый контур, то механизм – многоконтурный. На рис. 5 приведены схемы замкнутых одноконтурных механизмов; на рис. 6 – схема разомкнутого механизма, не имеющего замкнутых кинематических контуров.

Кинематические пары. Схемы механизмов - student2.ru