 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( февраль 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон ) |
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:
- Шестерни и зубчатые передачи ;
- Ремни и цепные приводы ;
- Кулачки и последователи ;
- Связи ;
- Фрикционные устройства, такие как тормоза или сцепления ;
- Структурные компоненты, такие как рама, крепежные детали, подшипники, пружины или смазочные материалы;
- Различные элементы станка , такие как шлицы, штифты или ключи.
Немецкий ученый Франц Рило 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 - это обычно 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.
Кинематические пары [ править ]
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 при движении механизма, то есть звено не изгибается. Таким образом, считается, что относительное перемещение между точками в двух связанных звеньях является результатом кинематической пары, которая их соединяет.
Считается, что кинематические пары или шарниры 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 [ править ]
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 [ необходимо пояснение ] 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 сохраняла 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 винтовое соединение, имеет только одну степень свободы, потому что скользящие и вращательные движения связаны углом винтовой линии 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 соединением . Точно так же контакт между эвольвентными кривыми, которые образуют зубья зацепления двух шестерен, представляют собой кулачковые соединения.
Кинематическая диаграмма [ править ]
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. [1]
Важным моментом в этом процессе проектирования является степень свободы системы звеньев и шарниров, которая определяется с помощью критерия Чебычева – Грюблера – Куцбаха .
Планарные механизмы [ править ]
Хотя все механизмы в механической системе трехмерны, 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, обозначенных 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. [ непонятно ] Кулачковый шарнир, образованный двумя поверхностями в скользящем и вращающемся контакте, представляет собой соединение с двумя степенями свободы.
Сферические механизмы [ править ]
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. [2] Сферические механизмы создаются путем соединения звеньев шарнирными соединениями, так 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 [ править ]
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 входным и выходным кривошипам рычажного механизма RSSR быть смещенными 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 подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета. Три других параметра определяют ориентацию подвижной рамки относительно неподвижной рамки.
Связи [ править ]
Связь представляет собой совокупность звеньев , соединенных суставами. Как правило, звенья являются структурными элементами, 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 паровой машины. Эта связь также присутствует в подвеске транспортных средств, чтобы предотвратить поперечное перемещение 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 недавних изобретения , которые обеспечивают интересные движения ходьбы. Это соответственно шести- и восьмирычажная навеска.
Совместимые механизмы [ править ]
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 [3] ), накоплением энергии, низкими эксплуатационными расходами (они не требуют смазки и имеют низкий механический износ. ), и простота изготовления. [4]
Подшипники с изгибом (также известные как изгибающиеся соединения ) представляют собой подмножество совместимых механизмов, которые создают геометрически четко определенное движение (вращение) при приложении силы.
Кулачковые и ведомые механизмы [ править ]
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 следящим. Форма контактирующих поверхностей кулачка и толкателяопределяет движение механизма. Как правило, 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 [ править ]
Передачу вращения между соприкасающимися зубчатыми колесами можно проследить до антикиферского механизма в Греции и колесницы, направленной 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:
- Отношение делительных окружностей сопряженных шестерен определяет передаточное число и механическое преимущество зубчатой передачи.
- Планетарная зубчатая передача обеспечивает снижение высокой передачи в компактном корпусе.
- Можно спроектировать зубья шестерни для некруглых шестерен , но при этом плавно передавать крутящий момент.
- Коэффициенты скоростные цепи и ременных приводов вычисляются таким же образом , как и передаточных отношений .
Синтез механизмов [ править ]
Конструкция механизмов для достижения определенного движения и передачи силы известна как кинематический синтез механизмов . [5] Это набор геометрических методов, которые определяют размеры рычажных механизмов, кулачковых и следящих механизмов, а также зубчатых колес и зубчатых передач для выполнения необходимого механического движения и передачи мощности. [6]
См. Также [ править ]
- Зубчатая передача
- Тяга (механическая)
- Машина (механическая)
- Механическая система
- Механические часы
- Схема машин
- Виртуальная работа
- Механизм Хобермана
Ссылки [ править ]
- ^ Лунг-Вэнь Цай, 2001, Конструирование механизмов: перечисление кинематических структур в соответствии с функцией , CRC Press
- Перейти ↑ JM McCarthy and GS Soh, Geometric Design of Linkages, 2nd Edition, Springer 2010
- ^ Нигату, Хассен; Ихун, Йимэскер (2020), Ларошель, Пьер; Маккарти, Дж. Майкл (ред.), «Алгебраическое понимание сопутствующего движения ПКМ 3RPS и 3PRS» , Труды симпозиума 2020 USCToMM по механическим системам и робототехнике , Cham: Springer International Publishing, 83 , стр. 242–252, DOI : 10.1007 / 978-3-030-43929-3_22 , ISBN 978-3-030-43928-6, получено 14 декабря 2020 г.
- ^ «Соответствующие механизмы | О совместимых механизмах» . совместимые механизмы . Проверено 8 февраля 2019 .
- ^ Хартенберг, Р.С. и Дж. Денавит (1964) Кинематический синтез связей , Нью-Йорк: МакГроу-Хилл - Интернет-ссылка из Корнельского университета .
- ^ JJ Uicker, GR Pennock и JE Shigley, теория машин и механизмов, Fifth Ed., Oxford University Press, 2016.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме « Механизмы (инженерия)» . |
- Сбалансированный шарнирно-рычажный механизм
- 507 Механические движения, публикация Генри Т. Брауна в 1908 году
- Машины и механизмы вики
- Kinematic Models for Design Цифровая библиотека (KMODDL) коллекции фильмов и фотографий сотен моделей механизмов
- Шестистержневой прямой рычажный механизм в коллекции моделей Reuleaux в Корнельском университете.
- Анимации различных механизмов
- Пример генератора функций с шестью столбиками, который вычисляет угол для заданного диапазона
- Разнообразные анимации привязки
- Разнообразные конструкции рычажных механизмов с шестью стержнями
- Анимация сферического развертываемого механизма
