Структурный анализ механизмов (техническая механика)

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По дисциплине «Техническая механика» для студентов направления подготовки

6.070101 «Транспортные технологии»

специальностей: «Организация перевозок и управление на транспорте»

«Транспортные системы»

«Организация перевозок и управление на автомобильном транспорте»

специализаций: «Организация международных перевозок»

«Организация таможенного контроля»

дневной, заочной и дистанционной форм обучения

Составил доцент, канд. техн. Наук

Пирч Игорь Иванович

Мариуполь, 2016г.

Содержание

Часть первая………………………………………………………………………………….1

1. Структурный анализ механизмов (техническая механика)………………………...1

1.1. Кинематическая пара……………………………………………………….....1

1.2. Кинематическая цепь…………………………………………………………4

1.3. Механизмы…………………………………………………………………….6

2. Кинематические характеристики механизмов……………………………………..10

2.1. Способы задания движения точки………………………………………….10

2.2. Вращательное движение твердого тела…………………………………….14

3. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ НА ПРОЧНОСТЬ………………………………………….19

3.1. Основные понятия сопротивления материалов……………………………19

3.2. Деформация растяжения (сжатия).Расчеты на прочность и жесткость

при растяжении……………………………………………………………...22

3.3 Механические свойства материалов……………………………………........23

Часть вторая……………………………………………………………………………….....28

1. Материалы для металлических конструкций и деталей машин…………………..28

1.1. Химический состав стали……………………………………………………28

1.2. Характеристики механических свойств стали……………………………..29

1.3. Материал соединений………………………………………………………..33

Часть третья…………..………………………………………………………………...…...34

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ………………………………………………………..34

1.1. Общие сведения……………………………………………………………...34

1.2. Современные направления в развитии машиностроения…………………39

1.3. Требования к машинам и деталям…………………………………………..36

1.4. Надежность машин…………………………………………………………..37

1.5. Циклы напряжений в деталях машин………………………………………38

1.6. Усталость материалов деталей машин……………………………………..39

1.7. Предел выносливости материалов………………………………………….40

1.8. Местные напряжения в деталях машин…………………………………….41

1.9. Коэффициенты запаса прочности…………………………………………..44

1.10. Контактная прочность деталей машин…………………………………....46

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ……………..………………………………………………………...51

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ……………………………..……………………………51

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАЧАХ…………………………………...51

1.1. Назначения передач и их классификация………………………………….51

1.2. Основные кинематические и силовые соотношения в передачах………..52

ГЛАВА 2. ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ……………………………………………55

2.1. Общие сведения……………………………………………………………...55

2.2. Материалы катков……………………………………………………………56

2.3. Виды разрушения рабочих поверхностей фрикционных катков…………57

2.4. Цилиндрическая фрикционная передача…………………………………...58

2.5. Вариаторы…………………………………………………………………….59

2.6. Расчет на прочность и к.п.д. фрикционных передач………………………61

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ………………..62

3.1. Общие сведения……………………………………………………………...62

3.2. Основы теории зубчатого зацепления……………………………………...66

3.3. Образование цилиндрического зубчатого колеса…………………………67

3.4. Изготовление зубчатых колес………………………………………………68

3.5. Основные элементы и характеристики эвольвентного зацепления………70

3.6. Влияние числа зубьев на форму и прочность зуба………………………...71

3.7. Точность зубчатых передач…………………………………………………73

3.8. Смазывание и к.п.д. зубчатых передач……………………………………..73

3.9. Материалы зубчатых колес………………………………………………….74

3.10. Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых передач………………………………………………………………………78

ГЛАВА 4. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПРЯМОЗУБЫЕ ПЕРЕДАЧИ…………………….81

4.1. Общие сведения……………………………………………………………...81

4.2. Силы в зацеплении прямозубых передач…………………………………..82

ГЛАВА 5. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КОСОЗУБЫЕ ПЕРЕДАЧИ………………………84

5.1. Общие сведения……………………………………………………………...84

5.2. Силы в зацеплении…………………………………………………………..86

5.3. Шевронные цилиндрические передачи…………………………………….87

ГЛАВА 6. РЕДУКТОРЫ……………………………………………………………….88

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ………………………………………………………..88

6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕДУКТОРОВ………………………………………89

6.3. ЗУБЧАСТЫЕ РЕДУКТОРЫ………………………………………………...91

6.4. ЧЕРВЯЧНЫЕ РЕДУКТОРЫ………………………………………………..92

Часть пятая…………..……………………………………………………………………...94

ГЛАВА 3. ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ…………………………………………..94

3.1. Общие сведения……………………………………………………………...94

3.2. Разновидность шпоночных соединений……………………………………94

3.3. Расчет шпоночных соединений……………………………………………..98

3.4. Рекомендации по конструированию шпоночных соединений…………..101

ГЛАВА 4. ШЛИЦЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ…………………………………………...102

4.1. Общие сведения…………………………………………………………….102

4.2. Разновидность шлицевых соединений……………………………………103

4.3. Расчет шлицевых соединений……………………………………………..105

Часть шестая…………………………………..…………………………………………...106

ГЛАВА 1. ВАЛЫ И ОСИ……………………………………………………………..106

1.1. Общие сведения…………………………………………………………….106

1.2. Конструктивные элементы. Материалы валов и осей …………………..107

1.3. Критерии работоспособности валов и осей………………………………109

1.4. Проектировочный расчет валов…………………………………………...109

1.5. Проверочный расчет валов………………………………………………...110

ГЛАВА 2. Подшипники скольжения………………………………………………...112

2.1. Общие сведения…………………………………………………………….112

2.2. Виды смазки………………………………………………………………...114

2.3. Материалы вкладышей……………………………………………………..116

2.4. Смазочные материалы……………………………………………………...117

2.5. Виды разрушения вкладышей……………………………………………..118

2.6. Условный расчет подшипников скольжения……………………………..119

2.7. Подвод смазочного материала. К.п.д……………………………………...120

2.8. Рекомендации по конструированию………………………………………122

ГЛАВА 3. Подшипники качения……………………………………………………..123

3.1. Общие сведения…………………………………………………………….123

3.2. Классификация и маркировка подшипников качения…………………...124

3.3. Основные типы подшипников качения и их материалы………………...126

3.4. Виды разрушения подшипников качения………………………………...130

3.5. Расчет (подбор) подшипников качения на долговечность………………130

ГЛАВА 4. Муфты……………………………………………………………………..132

4.1. Общие сведения…………………………………………………………….132

4.2. Глухие муфты……………………………………………………………….134

4.3. Жесткие компенсирующие муфты………………………………………...135

4.4. Упругие муфты……………………………………………………………..138

4.5. Сцепные муфты…………………………………………………………….141

Часть первая

Структурный анализ механизмов (техническая механика)

Кинематическая пара

Известно, что свободное тело в пространстве обладает шестью степенями свободы и может совершать шесть независимых движении: три поступа­тельных движения вдоль трех осей координат и три вращательных движения вокруг этих осей. Но если это тело образует кинематическую пару с другим телом, то минимум на одно движение у него становится меньше – на движение в направлении обшей нормали к поверхностям звеньев в точке их сопри­косновения. На это движение накладывается условие связи. Следовательно. Кинематическая пара может иметь максимум пять степеней свободы. Минимально – одну. Если количество степеней свободы будет равно нулю, то это уже будет не кинематическая пара, а неподвижно соединенные звенья.

Таким образом, количество степеней свободы кинематической пары может принимать значения от одного до пяти. В соответствии с количеством степеней свободы кинематические пары делятся на классы. Класс кинематической пары определяется количеством ее степеней свободы. На рис. 1.1 представлены примеры кинематических пар.

Кинематическими парами 1-го класса могут быть как вращательные (рис. 1.1 а), так и поступательные (рис. 1.1, б) пары. Кинематическая пара типа «цилиндр в цилиндре» (рис. 1.1 в) является парой 2-го класса. Соединение, допускающее три независимых вращательных движения звеньев (сферический шарнир), образует кинематическую пару 3-го класса (рис. 1.1. г). Примером кинематической пары 4-го класса является цилиндр на плоскости (рис. 1.1 е). А пары 5-го класса – шар на плоскости (рис. 1.1 ж).

Кроме указанных кинематических пар имеются пары, относительные движения звеньев которых являются зависимыми. Рассмотрим часто приме­няемую на практике винтовую кинематические пару винт - гайка (рис. 1.1 З.) Гайка относительно винта совершает два вида движения: вращательное вокруг оси винта и поступательное вдоль оси. Эти движения не являются независимыми, они связаны между собой: величина перемещения гайки вдоль винта зависит от угла поворота гайки. Следовательно, независимое относительное движение здесь одно (вращательное или поступательное), другое – зависимое и поэтому винтовая кинематическая пара является парой первого класса.

Кинематические пары делятся на пространственные и плоские.

Пространственными называются кинематические пары, точки звеньев которых в относительном движении описывают пространственные кривые.

Плоскими называются кинематические пары, точки звеньев которых в относительном движении перемещаются в параллельных плоскостях, т. е. их траектории являются плоскими кривыми.

Плоские кинематические пары могут быть только парами 1-го или 2-го классов. Действительно, свободное тело, совершающее плоскопараллельное движение обладает тремя степенями свободы: двумя поступательными движениями вдоль двух взаимно перпендикулярных осей координат х., у и одним вращательным движением вокруг оси г. перпендикулярной плоскости хоу. Но если звено образует с другим звеном кинематическую пару, то минимум на одно из этих трех движений накладывается условие связи (на движение в на­правлении общей нормали к профилям в точке контакта звеньев), и, следова­тельно, плоская кинематическая пара может иметь не более двух степеней свободы (рис. 1.2).

Плоскими кинематическими парами 1-го класса являются вращательная (см. рис. 1.1. а) и поступательная (см. рис. 1.1. б) пары. Звенья плоской кинематической пары 2-го класса могут совершать поступательное и вращатель­ное движения (рис. 1.2. а). Примером плоской кинематической пары 2-го класса могут быть соприкасающиеся зубья двух зацепляющихся зубчатых колес (рис. 1.2 б), а также кулачок и толкатель кулачкового механизма (рис. 1.2, в).

Рис. 1.2

Кинематические пары различают также по характеру соприкосновения звеньев. Поверхности, линии или точки соприкосновения звеньев, называют­ся цементами кинематических пар. Если элементами соприкосновения звеньев являются поверхности, то кинематические пары называются низши­ми. Если элементами соприкосновения звеньев являются линии или точки, то кинематические пары называются высшими.

Так как в низших кинематических парах элементами соприкосновения звеньев являются площадки (поверхности), то удельное давление в них невели­ко, вследствие чего износ в низших кинематических парах сравнительно неве­лик. В высших парах элементами соприкосновения звеньев являются линии или точки, поэтому удельное давление в них очень велико, что вызывает по­вышенный износ звеньев. Это большой недостаток высших кинематических пар по сравнению с низшими. Однако они имеют и значительное преимущест­во: если количество видов низших пар ограничено, то высших — имеет боль­шое разнообразие и практически не ограничено (профили поверхностей сопри­косновения звеньев высших кинематических пар могут быть различными). По­этому при помощи высших кинематических пар значительно проще создавать механизмы, обеспечивающие заданный закон движения.

Кинематическая цепь

Связанная система звеньев, образующих между собой кинематические пары, называется кинематической цепью.

Кинематические цепи по характеру относительного движения звеньев разделяются на плоские и пространственные.

Кинематическая цепь называется тоской, если точки звеньев описывают траектории, лежащие в параллельных плоскостях. Кинематическая цепь называется пространственной, если точки ее звеньев описывают неплоские

траектории или траектории, лежащие в пересекающихся плоскостях. Наи­большее распространение на практике имеют плоские кинематические цепи.

По виду звеньев, входящих в кинематические цепи, последние разделя­ются на простые и сложные.

Простой кинематической цепью называется такая цепь, в которой каж­дое звено участвует в образовании не более двух кинематических пар (рис. 1.3, а).

Сложной кинематической цепью называется цепь, в которой имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары (рис. 1.3, б).

Все кинематические цепи, кроме того, подразделяются на незамкнутые и замкнутые.

Незамкнутыми кинематическими цепями называют такие цепи, в которых имеются звенья, образующие только одну кинематическую пару (см. рис. 1.3, а, б).

Рис. 1.3

Замкнутыми называ­ются кинематические цепи, в которых каждое звенообразует не менее чем две кинематические пары (рис. 1.3, в, г).

H = 3k – 2p1 – p2 (1.1)

В технике обычно интересует движение звеньев кинематической цепи относительно одного из звеньев, которое является неподвижным и называется стойкой. Если одно звено кинематической цепи сделать неподвижным, то число степеней свободы уменьшится еще на три и относительно неподвижно­го звена (стойки) будет равно

W = H – 3 = 3(k–1) – 2p1 – p2 (1.2)

где W – число степеней свободы кинематической цени относительно неподвижного звена.

Обозначив к-1= п (количество подвижных звеньев кинематической цепи), окончательно получим выражение для числа степеней свободы кине­матической пени относительно неподвижного звена

W = 3n – 2p1 – p2 (1.3)

Число степеней свободы кинематической цепи IV относительно непод­вижного звена (стойки) называется степенью подвижности кинематической цепи. Формула (1.3) впервые была получена русским ученым П. Л. Чебышевым и носит его имя. Следует отметить, что эта формула пригодна только для определения степени подвижности плоских кинематических цепей.

Механизмы

Дадим определение механизма на основании понятия о кинематической цепи. Предварительно отметим, что звенья кинематической цепи, законы движения которых являются заданными, называются ведущими, остальные звенья называются ведомыми.

Механизмом называется кинематическая цепь с одним неподвижным звеном (стопкой), в которой при заданном законе движения одного или нескольких ведущих звеньев все остальные (ведомые) звенья движутся вполне определенным образом.

Рассмотрим условия, при которых кинематическая цепь будет механиз­мом. Известно, что точка на плоскости имеет две степени свободы и для оп­ределения ее положения необходимо задать две координаты. В случае твер­дого тела, имеющего при плоском движении три степени свободы, для одно­значного определения его положения необходимо знать три координаты: две координаты точки, выбранной за полюс, и угол поворота некоторого отрезка, соединяющего две точки тела.

Аналогично и для кинематической цепи. Чтобы положения всех звень­ев кинематической цепи относительно стойки были вполне определенными, необходимо задать столько параметров, сколько степеней подвижности (степеней свободы относительно стойки) имеет кинематическая цепь. Параметры, которые задаются кинематической цепи, определяются заданным законом движения ведущего звена (или ведущих звеньев). Поэтому, чтобы движения ведомых звеньев кинематической цепи были вполне определенными, необходимо, чтобы количество ведущих звеньев цепи было равно степени подвижности этой цепи. Только в этом случае кинематическая цепь является механизмом.

На рис. 1.4 изображены замкнутые кинематические цепи разной степени подвижности. Кинематическая цепь на рис. 1.4, а представляет собой неподвижное соединение звеньев (W = 0) и не может быть механизмом. Остальные кинематические цепи (рис. 1.4. б - ж) при определенных условиях могут быть механизмами. Так кинематическая цепь на рис. 1.4. д. станет механиз­мом, если будет задан закон движения двух ведущих звеньев (W = 2). Осталь­ные кинематические цепи являются механизмами, если известен закон дви­жения одного из звеньев цепи (W = 1). Для механизма, представленного на рис. 1.4. .ж, степень подвижности на единицу больше по сравнению с аналогичным механизмом, представленным на рис. 1.4, е. Увеличение степени под­вижности механизма вызвано введением дополнительно подвижного звена – ролика с целью замены трения скольжения на трение качения.

В 1916 г. профессором Петербургского политехнического института Л. В. Ассуром был предложен следующий принцип образования механизмов: любой механизм может быть образован путем непосредственного присоединения («наслоения») сначала к ведущему звену и стойке, а затем и к любым другим звеньям кинематических цепей с нулевой степенью подвижности.

В самом деле, присоединение к ведущему звену кинематических цепей с путевой степенью подвижности (W = 0) не изменит общей степени подвиж­ности механизма.

Кинематические цепи, обладающие нулевой степенью подвижности (степенью свободы относительно стойки), называются группами Аcсура. Все разнообразие групп Аcсура можно получить из формулы Чебышева.

Будем полагать, что кинематическая цепь состоит лишь из пар 1-го класса. Тогда для группы Аcсура с нулевой степенью подвижности (W = 0) получим

W = 3n – 2p1 = 0 (1.4)

или

P1 = (3/2)*n (1.5)

Так как количество звеньев и кинематических пар может быть только целым числом, то количество звеньев группы Ассура может быть только четным числом. Следовательно, равенству (1.5) могут удовлетворять следующие числа подвижных звеньев п и кинематических пар 1-го класса р1.

n = 2,4,6……

p1 = 3,6,9 …..

Рис. 1.4

В зависимости от количества звеньев и числа кинематических пар опре­деляется класс группы Ассура. Так, кинематическая цепь с количеством звеньев п = 2 и количеством кинематических пар р1 = 3 является группой Ассура 1-го класса. При п = 2 и р₁ = 3 будем иметь группу Ассура 2-го класса и т. д.

Примеры групп Ассура 1-го и 2-го классов представлены на рис. 1.5, а, 6.

Если присоединить любую группу Ассура к стойке, то получим кинематическую цепь с нулевой степенью подвижности, т. е. ферму (рис. 1.6, а), а если присоединить ее внешними кинематическими парами к ведущему звену и к стойке или к новым звеньям первоначального механизма, то получим новый механизм, степень подвижности которого не изменится (рис. 1.6, б).

Рис 1.5

В соответствии со строе­нием механизмы делятся на классы. Класс механизма за­висит от классов групп Ас­сура, входящих в его состав. Если в состав механизма входят группы Ассура раз­личных классов, то номер класса механизма определя­ется номером класса наи­высшей группы Ассура. На рис. 1.6. б изображен меха­низм, в состав которого входят группы Ассура 1-го и 2-го классов. Исходя из сказан­ного выше, данный меха­низм является механизмом 2-го класса.

Механизмы, не содержащие групп Ассура, а состоящие только из ведущего звена, относятся к механизмам нулевого класса. Такие механизмы встречаются на практике довольно часто. К ним, например, относятся механизмы электродвигателей, генераторов и так далее.

Рассмотренная классификация механизмов не является единственной. Существуют также другие виды классификаций. Широко ис­пользуется практическая классификация механизмов, ко­торая в общих чертах учитывает основные кинематические свойства и конст­руктивные особенности механизмов, а в отдельных случаях и функциональ­ное назначение.

В соответствии с практической классификацией механизмы делятся на следующие виды:

а) зубчатые передачи;

б) фрикционные передачи;

в) передачи с гибкой связью;

г) винтовые механизмы;

д) кулачковые механизмы;

е) рычажные механизмы;

ж)механизмы прерывистого действия;

з)электромагнитный механизмы и др.

На рис. 1.7 представлены кинематические схемы механизмов в соответствии с практической классификацией:

фрикционные механизмы: цилиндрический (а) и конический с постоянным передаточным отношением (б), с переменным передаточным отношением (в):

кулачковые механизмы: с поступательно движущимся (г) и качающимся (д) толка гелем;

механизм с гибкой связью (е)

Рис 1.6