Механизм (инженерия)

редактировать
Схема исполнительного механизма шасси самолета

В технике, А механизм представляет собой устройство, которое преобразует входные силы и движения в желаемый набор выходных сил и движения. Механизмы обычно состоят из движущихся компонентов, которые могут включать:

Немецкий ученый Франц Рёло определяет машину как «комбинацию устойчивых тел, устроенных таким образом, что с их помощью можно заставить механические силы природы совершать работу, сопровождаемую определенным определенным движением». В этом контексте его использование машины обычно интерпретируется как механизм.

Комбинация силы и движения определяет силу, а механизм управляет мощностью для достижения желаемого набора сил и движения.

Механизм обычно представляет собой часть более крупного процесса, известного как механическая система или машина. Иногда механизмом можно назвать всю машину; примеры являются рулевым механизмом в машине, или обмотку механизм из наручных часов. Однако обычно набор из нескольких механизмов называется машиной.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Кинематические пары
    • 1.1 Звенья и сочленения
  • 2 Кинематическая схема
  • 3 Планарные механизмы
  • 4 Сферические механизмы
  • 5 Пространственные механизмы
  • 6 Связи
  • 7 совместимых механизмов
  • 8 Кулачковые и ведомые механизмы
  • 9 Шестерни и зубчатые передачи
  • 10 Синтез механизмов
  • 11 См. Также
  • 12 Ссылки
  • 13 Внешние ссылки

Кинематические пары

См. Также: Кинематическая пара

Со времен Архимеда до Возрождения механизмы рассматривались как построенные из простых машин, таких как рычаг, шкив, винт, колесо и ось, клин и наклонная плоскость. Рело сосредоточился на телах, называемых звеньями, и связях между этими телами, называемых кинематическими парами или суставами.

Чтобы использовать геометрию для изучения движения механизма, его звенья моделируются как твердые тела. Это означает, что предполагается, что расстояния между точками в звене не изменяются по мере движения механизма, то есть звено не изгибается. Таким образом, считается, что относительное движение между точками в двух соединенных звеньях является результатом кинематической пары, которая их соединяет.

Считается, что кинематические пары или соединения обеспечивают идеальные ограничения между двумя звеньями, такие как ограничение одной точки для чистого вращения или ограничение линии для чистого скольжения, а также чистое качение без проскальзывания и точечный контакт с проскальзыванием.. Механизм моделируется как набор жестких звеньев и кинематических пар.

Ссылки и суставы

Революционная пара в разрезе

Рило назвал идеальные связи между звеньями кинематическими парами. Он проводил различие между более высокими парами, с линейным контактом между двумя звеньями, и нижними парами, с областью контакта между звеньями. Дж. Филлипс показывает, что существует множество способов построения пар, которые не соответствуют этой простой модели.

Нижняя пара: нижняя пара - это идеальное соединение, которое имеет поверхностный контакт между парой элементов, как в следующих случаях:

  • Поворотная пара или шарнирное соединение требует, чтобы линия в движущемся теле оставалась коллинеарной с линией в неподвижном теле, а плоскость, перпендикулярная этой линии в движущемся теле, должна поддерживать контакт с аналогичной перпендикулярной плоскостью в неподвижном теле. тело. Это накладывает пять ограничений на относительное движение звеньев, что дает паре одну степень свободы.
  • Призматический шарнир или ползун требует, чтобы линия в движущемся теле оставалась коллинеарной с линией в неподвижном теле, а плоскость, параллельная этой линии в движущемся теле, должна поддерживать контакт с аналогичной параллельной плоскостью в неподвижном теле.. Это накладывает пять ограничений на относительное движение звеньев, что дает паре одну степень свободы.
  • Цилиндрическое соединение требует, чтобы линия в движущемся теле оставалась коллинеарной с линией в неподвижном теле. Он сочетает в себе поворотный шарнир и скользящий шарнир. Этот сустав имеет две степени свободы.
  • Сферический шарнир или шаровой шарнир требует, чтобы точка в движущемся теле поддерживала контакт с точкой в ​​неподвижном теле. Этот сустав имеет три степени свободы.
  • Плоское соединение требует, чтобы плоскость движущегося тела поддерживала контакт с плоскостью неподвижного тела. Этот сустав имеет три степени свободы.
  • Винтовое соединение или винтовой шарнир имеет только одну степень свободы, потому что скользящие и вращательные движения связаны углом спирали резьбы.

Высшие пары: как правило, высшие пары - это ограничение, которое требует линейного или точечного контакта между элементными поверхностями. Например, контакт между кулачком и его толкателем представляет собой более высокую пару, называемую кулачковым шарниром. Точно так же контакт между эвольвентными кривыми, которые образуют зубья зацепления двух шестерен, представляют собой кулачковые соединения.

Кинематическая диаграмма

Габаритный чертеж кривошипа (слева) и его кинематическая схема (справа)

Кинематическая схема, уменьшает компоненты машины к скелетной схеме, которая подчеркивает суставы и уменьшает ссылки на простые геометрические элементы. Эта диаграмма также может быть сформулирована как граф, представляя связи механизма как ребра, а соединения как вершины графа. Эта версия кинематической схемы доказала свою эффективность при перечислении кинематических структур в процессе проектирования машин.

Важным фактором в этом процессе проектирования является степень свободы системы звеньев и шарниров, которая определяется с использованием критерия Чебычева – Грюблера – Куцбаха.

Плоские механизмы

Strandbeest Тео Янсена, группа плоских шагающих механизмов

Хотя все механизмы в механической системе являются трехмерными, их можно анализировать с использованием плоской геометрии, если движение отдельных компонентов ограничено так, что все точечные траектории параллельны или последовательно соединены с плоскостью. В этом случае система называется планарным механизмом. Кинематический анализ плоских механизмов использует подмножество специальной евклидовой группы SE, состоящее из плоских вращений и перемещений, обозначаемых SE.

Группа SE является трехмерной, что означает, что каждое положение тела на плоскости определяется тремя параметрами. Параметры часто являются х и у координаты происхождения координат в М, измеренных от начала координат кадра в F, а угол, отсчитываемый от х осей х в F к х осям х в М. Это часто описывают, говоря, что у тела в самолете есть три степени свободы.

Чистое вращение шарнира и линейное перемещение ползуна можно отождествить с подгруппами SE и определить два шарнира одним шарниром со степенью свободы плоских механизмов. Кулачковый шарнир, образованный двумя поверхностями в скользящем и вращающемся контакте, представляет собой соединение с двумя степенями свободы.

Сферические механизмы

Пример сферического развертываемого механизма

Можно сконструировать такой механизм, что точечные траектории во всех компонентах лежат в концентрических сферических оболочках вокруг фиксированной точки. Примером может служить гироскоп на подвесе. Эти устройства называются сферическими механизмами. Сферические механизмы создаются путем соединения звеньев шарнирными соединениями таким образом, что оси каждого шарнира проходят через одну и ту же точку. Эта точка становится центром концентрических сферических оболочек. Движение этих механизмов характеризуется группой SO (3) вращений в трехмерном пространстве. Другими примерами сферических механизмов являются автомобильный дифференциал и роботизированное запястье.

Группа вращений SO (3) трехмерна. Примером трех параметров, определяющих пространственное вращение, являются углы крена, тангажа и рыскания, используемые для определения ориентации самолета.

Пространственные механизмы

Пример платформы Стюарта, пространственного механизма

Механизм, в котором тело совершает общее пространственное движение, называется пространственным механизмом. Примером является рычажный механизм RSSR, который можно рассматривать как четырехзвенный рычажный механизм, в котором шарнирные соединения сцепного устройства заменены концами стержней, также называемыми сферическими шарнирами или шаровыми шарнирами. Концы стержней позволяют входному и выходному кривошипам рычажного механизма RSSR быть смещены до точки, в которой они лежат в разных плоскостях, что приводит к перемещению рычага муфты в общем пространственном движении. Роботы-манипуляторы, платформы Стюарта и роботизированные системы гуманоидов также являются примерами пространственных механизмов.

Связь Беннета представляет собой пример пространственно-ограниченного механизма, который состоит из четырех шарнирных соединений.

Группа SE (3) шестимерная, что означает, что положение тела в пространстве определяется шестью параметрами. Три параметра определяют начало координат движущейся системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета. Три других параметра определяют ориентацию подвижной рамки относительно неподвижной рамки.

Связи

Strandbeest Янсенса Кинетическая скульптура Тео Янсена Strandbeest, ветряная прогулочная машина. См. Также: Связь (механическая) и Параллельное движение

Связь представляет собой совокупность звеньев, соединенных суставами. Как правило, звенья представляют собой структурные элементы, а шарниры допускают движение. Возможно, самый полезный пример - планарная четырехзвенная связь. Однако есть еще много специальных связей:

  • Связь Ватта представляет собой четырехзвенную связь, образующую приблизительно прямую линию. Это было критически важно для работы его конструкции парового двигателя. Эта связь также присутствует в подвеске автомобиля, чтобы предотвратить поперечное смещение кузова относительно колес.
  • Успех связи Уатта привел к созданию аналогичных приближенных связей прямолинейных, такие как связь Hoeken в и связи Чебышева.
  • Поселье связь генерирует истинный выход прямой линии от поворотного ввода.
  • Связь Sarrus представляет собой пространственную связь, которая генерирует движение прямой линии от поворотного ввода.
  • Связь Klann и связь Jansen недавние изобретения, которые обеспечивают интересные движения ходьбы. Это соответственно шести- и восьмизвенная навески.

Совместимые механизмы

Механизм соответствует серия жестких тел, соединенных совместимых элементов. Эти механизмы обладают множеством преимуществ, в том числе уменьшенным количеством деталей, уменьшенным «перекосом» между соединениями (отсутствие паразитных движений из-за зазоров между деталями), накоплением энергии, низкими эксплуатационными расходами (они не требуют смазки и имеют низкий механический износ) и простота изготовления.

Подшипники изгиба (также известные как изгибные соединения) представляют собой подмножество совместимых механизмов, которые создают геометрически четко определенное движение (вращение) при приложении силы.

Кулачковые и ведомые механизмы

Кулачковый и ведомый механизм: сила прилагается от ведомого к кулачку Смотрите также: Распределительный вал

Кулачок и следящий механизм образован путем непосредственного контакта двух звеньев специальной формы. Ведущее звено называется кулачком, а звено, приводимое в движение за счет прямого контакта их поверхностей, называется толкателем. Форма соприкасающихся поверхностей кулачка и толкателя определяет движение механизма. Обычно энергия кулачкового и ведомого механизма передается от кулачка к ведомому. Распределительный вал вращается, и в соответствии с профилем кулачка толкатель перемещается вверх и вниз. В настоящее время также доступны несколько другие типы эксцентриковых толкателей кулачка, в которых энергия передается от толкателя к кулачку. Основным преимуществом этого типа кулачкового и ведомого механизма является то, что ведомый элемент слегка перемещается и помогает повернуть кулачок в шесть раз большей длины окружности с помощью 70% силы.

Шестерни и зубчатые передачи

Шестерни, вид механизма См. Также: Велосипедная передача

Передачу вращения между контактирующими зубчатыми колесами можно проследить до антикиферского механизма в Греции и колесницы, указывающей на юг в Китае. На иллюстрациях ученого эпохи Возрождения Георгиуса Агриколы изображены зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Использование эвольвентного зуба позволило получить стандартную конструкцию шестерни, которая обеспечивает постоянное передаточное число. Некоторые важные особенности шестерен и зубчатых передач:

Синтез механизмов

Конструкция механизмов для достижения определенного движения и передачи силы известна как кинематический синтез механизмов. Это набор геометрических методов, которые определяют размеры рычажных механизмов, кулачковых и ведомых механизмов, а также зубчатых колес и зубчатых передач для выполнения необходимого механического движения и передачи мощности.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-02 04:18:16
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте