Механизм (инженерия) - Mechanism (engineering)

Схема исполнительного механизма самолета шасси.

В инженерное дело, а механизм это устройство который преобразует входные силы и движение в желаемый набор выходных сил и движения. Механизмы обычно состоят из движущихся компонентов, которые могут включать:

Немецкий ученый Reuleaux дает определение «машина - это комбинация сопротивляющихся тел, устроенных таким образом, что с их помощью можно заставить механические силы природы совершать работу, сопровождаемую определенным определенным движением». В этом контексте его использование машина обычно интерпретируется как механизм.

Сочетание силы и движения определяет мощность, а механизм управляет мощностью для достижения желаемого набора сил и движения.

Механизм обычно представляет собой часть более крупного процесса или механическая система. Иногда целая машина можно назвать механизмом. Примерами являются рулевой механизм в машина, или заводной механизм из наручные часы Множественные механизмы - это машины.

Кинематические пары

Смотрите также: Кинематическая пара

С момента Архимед в эпоху Возрождения механизмы рассматривались как построенные из простые машины, такой как рычаг, шкив, винт, колесо и ось, клин, и наклонная плоскость. Рило сосредоточился на телах, названных ссылки, а связи между этими телами называются кинематические пары, или же суставы.

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 перемещение 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 для чистого качения без проскальзывания и точечного контакта с проскальзыванием. . Механизм моделируется как набор жестких звеньев и кинематических пар.

Революционная пара в разрезе.

Ссылки и суставы

Рило назвал идеальные связи между звеньями кинематические пары. Он различал более высокие пары с линейным контактом между двумя звеньями и нижние пары 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, которое, следовательно, имеет 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, которое, следовательно, имеет 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, более высокая пара - это ограничение, которое требует линейного или точечного контакта между элементными поверхностями. Например, контакт между кулачком и его ведомым элементом представляет собой более высокую пару, называемую кулачок. Точно так же контакт между эвольвентными кривыми, которые образуют зубья зацепления двух шестерен, представляют собой кулачковые соединения.

Размерный чертеж кривошипа (слева) и его кинематическая схема (справа).

Кинематическая диаграмма

А кинематическая диаграмма сокращает компоненты машины до каркасной схемы, которая подчеркивает соединения и сокращает связи до простых геометрических элементов. Эта диаграмма также может быть сформулирована как график путем представления звеньев механизма в виде ребер и соединений в виде вершин 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 Критерий Чебышева – Грюблера – Куцбаха..

Strandbeest Тео Янсена, группа плоских шагающих механизмов.

Планарные механизмы

Хотя все механизмы в механической системе трехмерны, их можно проанализировать с помощью плоская геометрия, если движение отдельных компонентов ограничено, поэтому все точечные траектории параллельны или последовательно соединены с плоскостью. В этом случае система называется планарный механизм. Кинематический анализ плоских механизмов использует подмножество специальной евклидовой группы SE, состоящие из плоских поворотов и перемещений, обозначим SE.

Группа SE является трехмерной, что означает, что каждое положение тела на плоскости определяется тремя параметрами. Параметры часто представляют собой координаты x и y начала координатной системы координат в M, измеренные от начала координатной системы координат в F, и угол, измеренный от оси x в F до оси x в M. Это часто описывается, говоря, что у тела в самолете 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.

Видеть Strandbeest Тео Янсена шагающая машина с опорами, состоящими из плоских восьмизвенников

По-испански механизм - это «mecanismos».

Сферические механизмы

Можно сконструировать такой механизм, что точечные траектории во всех компонентах лежат в концентрических сферических оболочках вокруг фиксированной точки. Примером может служить подвешенный гироскоп. Эти устройства называются сферические механизмы.[2] Сферические механизмы построены 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.

Выберите эту ссылку для анимации Сферический выдвижной механизм.

Пример сферического развертываемого механизма

В группа вращения SO (3) трехмерный. Примером трех параметров, определяющих пространственное вращение, являются углы крена, тангажа и рыскания используется для определения ориентации самолета.

Пространственные механизмы

Пример платформы Стюарта, пространственного механизма.

Механизм, в котором тело совершает общее пространственное движение, называется пространственный механизм. Примером является соединение RSSR, которое можно рассматривать как четырехзвенное соединение, в котором шарнирные соединения соединительного звена заменены на концы стержней, также называемые сферическими соединениями или шаровые шарниры. 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. Руки роботов, Платформы Стюарта, и гуманоидные роботизированные системы также являются примерами пространственных механизмов.

Связь Беннета является примером пространственного чрезмерно ограниченный механизм, состоящий из четырех шарнирных соединений.

Группа SE (3) является шестимерным, 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 рамы относительно неподвижной.

Связи

Смотрите также: Тяга (механическая)
Strandbeest Янсенса
Тео Янсен кинетическая скульптура Strandbeest. Ветровая шагающая машина.

А связь представляет собой набор ссылок, соединенных суставами. Как правило, звенья являются структурными элементами, а шарниры допускают движение. Возможно, самый полезный пример - планарный четырехзвенная навеска. Однако есть еще много специальных связей:

  • Связь Ватта представляет собой четырехзвенную связь, образующую приблизительную 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. Также смотрите статью Параллельное движение.
  • Успех связи Ватта привел к созданию аналогичных приближенных прямолинейных связей, таких как Связь Хукена и Чебышевская связь.
  • В Звено Peaucellier генерирует истинно прямолинейный выходной сигнал от поворотного входа.
  • В Связь Сарруса представляет собой пространственную связь, которая генерирует прямолинейное движение от вращательного входа.
  • В Кланн связь и Связь Янсена - недавние изобретения, обеспечивающие интересные движения при ходьбе. Они соответственно шесть бар и восьмизвенный рычажный механизм.

Совместимые механизмы

А совместимый механизм представляет собой серию твердых тел, соединенных податливыми элементами. Эти механизмы имеют много преимуществ, в том числе уменьшение количества деталей, уменьшение «просачивания» между соединениями (отсутствие паразитных движений из-за зазоров между деталями), накопление энергии, низкие эксплуатационные расходы (они не требуют смазки и имеют низкий механический износ) и простота изготовления [3].

Подшипники изгиба (также известен как изгиб суставов) представляют собой подмножество совместимых механизмов, которые создают геометрически четко определенное движение (вращение) при приложении силы.

Кулачковые и ведомые механизмы

Последователь кулачка Механизм - сила прилагается от ведомого к кулачку

А кулачок и последователь образуется в результате прямого контакта двух звеньев особой формы. Ведущее звено называется кулачком (см. Также кулачковый вал ), а звено, приводимое в движение за счет прямого контакта их поверхностей, называется ведомым. Форма контактирующих поверхностей кулачок и последователь определяет движение механизма. Как правило, энергия кулачкового толкателя передается от кулачка к толкателю. Кулачковый вал вращается и, в соответствии с профилем кулачка, толкатель перемещается вверх и вниз. Теперь также доступны несколько другие типы эксцентриковых толкателей кулачка, в которых энергия передается от толкателя к кулачку. Основным преимуществом этого типа кулачкового механизма толкателя является то, что толкатель немного перемещается и помогает повернуть кулачок в 6 раз больше длины окружности с силой 70%.

Шестерни и зубчатые передачи

Шестерни представляют собой тип механизма.

Передачу вращения между контактирующими зубчатыми колесами можно проследить до Антикитерский механизм Греции и колесница, указывающая на юг Китая. Иллюстрации ученого эпохи Возрождения Георгиус Агрикола показать зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Реализация эвольвентный зуб дали 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.[4] 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.[5]

Смотрите также


Рекомендации

  1. ^ Лунг-Вэнь Цай, 2001 г., Конструкция механизма: перечисление кинематических структур по функциям, CRC Press
  2. ^ Дж. М. Маккарти и Г. С. Со, Геометрический дизайн связей, 2-е издание, Springer 2010 г.
  3. ^ «Соответствующие механизмы | О совместимых механизмах». совместимые механизмы. Получено 2019-02-08.
  4. ^ Хартенберг, Р. и Дж. Денавит (1964) Кинематический синтез связей, Нью-Йорк: McGraw-Hill - Интернет-ссылка с сайта Корнелл Университет.
  5. ^ Дж. Дж. Уикер, Г. Р. Пеннок и Дж. Э. Шигли, Теория машин и механизмов, Пятое изд., Oxford University Press, 2016.

внешняя ссылка