Основы технической механики

Основные понятия о машинах и механизмах

Механизмом называют устройство, предназначенное для передачи механического движения. Как правило, работа механизма связана с изменением угловых скоростей (зубчатая, ременная и другие передачи) или с преобразованием одного вида механического движения в другой (кривошипно-шатунный, кулачковый и другие механизмы).
Машиной называют сочетание тел, соединенных между собой таким образом, что заданному движению одного тела соответствует вполне определенное движение каждого из остальных. Машина предназначена для выполнения работы или для преобразования работы в другой вид энергии.
Таким образом, машину характеризуют следующие признаки:
—     преобразование энергии в механическую работу или преобразование механической работы в другой вид энергии;
—     определенное движение всех ее частей при заданном движении одной части;
—     искусственность происхождения (создана трудом человека).
По характеру рабочего процесса все машины можно разделить на четыре класса:
1)     машины-двигатели, преобразующие тот или иной вид энергии (электрической, тепловой и т. д.) в механическую работу;
2)     машины-преобразователи, превращающие механическую работу в какой-либо другой вид энергии (электрогенераторы, воздушные насосы и т. д.);
3)     транспортные машины, преобразующие механическую работу, полученную от двигателя, в механическую же работу перемещения масс;
4)     производственные (технические) машины, предназначенные для выполнения технологических процессов, т. е. для изменения свойств, формы, размеров и состояния обрабатываемого материала.
Для характеристики машин введены такие понятия, как кинематическая пара и кинематическая цепь.
Кинематической парой называется соединение двух тел, обеспечивающее движение одного тела относительно другого; например, поршень совершает движение по отношению к цилиндру, вал — по отношению к подшипнику и т. д. Тела, составляющие кинематическую пару, называют звеньями. Некоторые части, входящие в состав машины, могут быть скреплены между собой наглухо; совокупность таких частей представляет лишь одно звено.
По характеру соприкосновения элементов кинематические пары делятся на два основных класса: низший и высший. У кинематических пар низшего класса соприкосновение звеньев происходит по поверхности, а у высших — по линиям и точкам.
К числу кинематических пар низшего класса относятся пары, совершающие поступательное и вращательное движение, а также винтовые пары. Так, к первым можно отнести уже упомянутые цилиндр и поршень, ползун и прямолинейные направляющие у крейцкопфного дизеля, золотник и золотниковое зеркало парораспределительного устройства у парового поршневого двигателя и т. д.
Вращательными парами являются плоский и вилкообразный шарниры, валы в подшипниках, шариковые шарниры некоторых рычагов и др. Примером винтовой пары служат болт и гайка.
К числу пар высшего класса относятся колесо и рельс, фрикционные катки, зубчатые колеса, у которых соприкосновение происходит по линии. К этому же классу относятся кулачки механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания.
Пары низшего класса более износостойки, так как сила давления одного звена на другой у них распределяется по всей поверхности соприкосновения, тогда как у пар высшего класса соприкосновение звеньев происходит только в точках или по линии.
Кинематической цепью называется последовательное соединение звеньев, входящих в кинематические пары. Кинематические цепи, каждое звено которых входит в две кинематические пары, называют замкнутыми.
На рис. 74, а показана замкнутая цепь кривошипно-шатунного механизма. Состав такой цепи: подшипник 1, кривошип 2, шатун 3, ползун 4, направляющая 5. Кинематические цепи, у которых имеются звенья, входящие только в одну кинематическую пару, называют открытыми или незамкнутыми.


Рис. 74. Замкнутая цепь кривошипно-шатунного механизма.

Кинематические цепи могут быть простыми и сложными. У простой кинематической цепи каждое звено входит не более чем в две кинематические пары (например, кривошипно-шатунный механизм, показанный на рис. 74, а). Сложной кинематической цепью называют такую цепь, у которой имеется хотя бы одно звено, входящее более чем две кинематические пары. На рис. 74, б звено АВ (шатун) соединено с тремя звеньями: кривошипом, ползуном и звеном CD. Следовательно, приведенная цепь является сложной.
Учитывая вышеизложенное, такому понятию, как механизм, можно дать другое определение: механизм — это кинематическая цепь, в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев все остальные звенья имеют вполне определенное движение.
Механизм обязательно имеет неподвижное, ведущее и ведомое звенья. Неподвижное звено называется также стойкой. Наличие стойки и других налаженных связей в виде кинематических пар делает возможным наличие в механизме определенных движений ведомых звеньев при заданном законе движения ведущего. Ведущим называется звено, которое передает заданное движение. Ведомым называется звено, воспринимающее движение.
К простым машинам относятся: рычаги (первого и второго рода), ворот и ручная лебедка, неподвижный и подвижный блоки, полиспасты.
Для всех простых машин применимо следующее правило механики: что выиграно в силе, то проиграно в пути; ни выигрыша, ни проигрыша в работе не происходит. Простые машины служат для изменения условий работы, но не для получения выигрыша в работе.
Передача энергии от одной машины к другой или в самой машине от одного звена к другому выполняется с помощью различных механизмов, называемых передачами.
Наиболее распространенными из них являются передачи вращательного движения. В зависимости от принципа действия все передачи делятся на две группы: 1) передачи трением—фрикционные и ременные; 2) передачи зацеплением — зубчатые, червячные и цепные. В зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев различают: а) передачи непосредственного контакта — фрикционные, зубчатые, червячные; б) передачи гибкой связью — ременные и цепные.
На рис. 75, а показана фрикционная передача, а на рис. 75, б — ременная. В каждом передаточном механизме различают два основных вала: ведущий и ведомый; между ними в многоступенчатой передаче размещают промежуточные валы.

фрикционная и ременная передачи
Рис. 75. Фрикционная и ременная передачи.

Окружные скорости, м/с, ведущего и ведомого звеньев определяются по формулам:

Окружные скорости обоих звеньев при отсутствии проскальзывания должны быть равны, т. е. 

Отсюда

где ω1, ω2, n1, n2 — соответственно угловые скорости, рад/с, и частоты вращения, об/мин, ведущего и ведомого звеньев, a D1, D2 — диаметры этих звеньев.
Отношение угловой скорости ведущего звена к угловой скорости ведомого или частоты вращения ведущего звена к частоте вращения ведомого называется передаточным числом: Если известна мощность N1 на ведущем валу, то мощность Ni на любом промежуточном или выходном валу будет Ni = N1η1i, где η1i — коэффициент полезного действия передачи от первого до последнего, i-го вала.
Окружной скоростью называется скорость, с которой точка движется по окружности.
Угловой скоростью называется отношение угла поворота радиуса, соединяющего движущуюся точку с центром окружности, к промежутку времени, за который происходит этот поворот.
Передачу вращательного движения с одного вала на другой при значительном расстоянии между ними (до 15 м и больше) можно осуществить гибкой связью, используя силу трения между поверхностью шкива и гибким телом. Гибкой связью служит ремень (см. рис. 75, б). Ременная передача состоит из двух колес (ведущего и ведомого), называемых шкивами, и бесконечного ремня, охватывающего их с необходимым натяжением. Вращающийся ведущий шкив благодаря силе трения увлекает за собой ремень, а последний по той же причине заставляет вращаться ведомый шкив.
Фрикционные передачи служат для изменения угловых скоростей с постоянным или переменным передаточным отношением и для преобразования вращающих моментов. Они состоят из пары прижатых друг к другу катков (см. рис. 75, а). При вращении ведущего катка в месте контакта возникает сила трения, вовлекающая в движение ведомый каток. Передачи бывают с постоянным и переменным передаточным числом, большим или меньшим единицы. Передачу с переменным передаточным отношением называют вариатором. Таким образом, вариаторы относятся к передачам, посредством которых можно плавно изменить передаточное число.
Зубчатые передачи — наиболее распространенные типы передач в современном машиностроении. В зависимости от положения геометрических осей ведущего и ведомого валов различают:
—     зубчатые передачи с цилиндрическими колесами, применяемые при параллельных осях валов;
—     передачи с коническими колесами, применяемые при пересекающихся осях валов;
—     передачи с винтовыми колесами и червячные, используемые при скрещивающихся в пространстве осях валов.
По расположению зубьев относительно образующей зубчатые колеса бывают прямозубые, косозубые и шевронные. Цилиндрические зубчатые колеса могут быть с внешним и с внутренним зацеплением. Конические колеса изготовляют с прямыми, косыми и криволинейными зубьями. По конструктивному исполнению различают передачи открытые, т. е. не заключенные в непроницаемый корпус и подверженные действию внешней среды, и закрытые, т. е. размещаемые в специальном герметичном корпусе.
Червячные передачи (рис. 76) в судовом машиностроении находят большое применение. Такая передача состоит из червяка 1, выполненного как одно полое с валом (иногда червяк изготовляют отдельно и напрессовывают на вал на шпонке) и работающего на шариковых подшипниках 2. Червяк находится в зацеплении с червячной шестерней, состоящей из бронзового венца 3, напрессованного на ступицу 4 (чугунную или стальную). Иногда шестерню изготовляют как одно целое; шестерня насаживается на вал (на шпонке), передающий вращение исполнительному механизму. По числу заходов червяка передачи могут быть одно-, двух-, трех- и многозаходными, а по расположению червяка — с верхним, нижним и боковым расположением.


червячная передача
Рис. 76. Червячная передача.

Цепные передачи относятся к числу передач с промежуточным звеном (гибкой связью). Цепная передача осуществляется
при помощи бесконечной цепи, охватывающей две (или более) звездочки — колес с зубьями специального профиля. Эти передачи предназначены для передачи движения только между параллельными валами.
К числу механизмов, преобразующих движение, относятся реечный, винтовой, кривошипно-шатунный, эксцентриковый и кулачковый механизмы или приводы.
В механизме для преобразования вращательного движения в поступательное (и наоборот) применяют реечную передачу, которая является частным случаем цилиндрической зубчатой передачи. Рейку, имеющую зубья, рассматривают как колесо, диаметр которого равен бесконечности. Эта передача находит широкое применение в машиностроении. При помощи такой передачи, например, у дизелей изменяют количество топлива, подаваемого топливным насосом высокого давления золотникового типа, для чего плунжер насоса поворачивают на некоторый угол посредством зубчатой рейки.
Винтовую передачу применяют в машиностроении для преобразования вращательного движения в поступательное. В зависимости от назначения передачи различают винты: грузовые — для создания больших осевых усилий, например в домкратах; ходовые — для перемещения в механизмах подачи, например в токарных станках; установочные — для точных перемещений и регулировок.
Кривошипно-шатунный механизм применяют в ряде машин и приборов. Он предназначен для преобразования вращательного движения кривошипа в возвратно-поступательное прямолинейное движение ползуна или поршня. Когда же ведущим звеном является ползун или поршни, их прямолинейное движение преобразуется во вращательное движение кривошипа и соединенного с ним вала.
Эксцентриковый привод предназначен для преобразования вращательного движения эксцентрика в возвратно-поступательное движение какой-либо детали, например золотника паровой поршневой машины.
Кулачковые механизмы применяют в тех случаях, когда путь, скорость и ускорение ведомого звена должны изменяться по заранее заданному закону, в частности, когда ведомое звено должно временно останавливаться при непрерывном движении ведущего звена. Как правило, кулачковый механизм состоит из трех звеньев: кулачка 1, толкателя 2 и стойки 3 (рис. 77, а). На рис. 77, б показан четырехзвенный кулачковый механизм (четвертое звено — ролик 4); наличие ролика уменьшает трение. Кулачковые механизмы бывают плоские и пространственные. Плоскими называют такие кулачковые механизмы, у которых кулачок и толкатель перемещаются в одной или в параллельных плоскостях, а пространственными — такие, у которых кулачок и толкатель перемещаются в непараллельных плоскостях.

кулачковый механизм
Рис. 77. Кулачковый механизм.

Слесарь-судоремонтник