CC BY
86
УДК 621.8.02-231.3
Т. О. Невенчанная, О. А. Хохлова Астраханский государственный технический университет
СТРУКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
Учение о структуре и классификации механизмов [1-4] является одним из средств при решении вопросов анализа и синтеза механизмов технологических машин. Однако в связи с тем, что наблюдаются расхождения в части некоторых определений, сохраняют актуальность исследования вопросов структуры и классификации механизмов.
Современное развитие технического прогресса характеризуется многовариантностью исполнений механизмов, используемых в технологических машинах различных отраслей промышленности. По признаку постоянства структуры все механизмы можно разделить на две группы: механизмы постоянной структуры и механизмы переменной структуры, которые в процессе работы периодически изменяют свою структуру.
Структура и классификация механизмов первой группы нашли отражение в работах П. Л. Чебышева [5], И. О. Сомова [6], Г. Х. Гохмана [7], Л. В. Ассура [8] и других русских исследователей и получили дальнейшее развитие в трудах советских учёных А. П. Малышева [9], В. В. Добровольского [3, 4], И. И. Артоболевского [2], разработавших основы рациональной классификации.
В настоящее время опубликованы работы Л. Т. Дворникова [10, 11], излагающие принципиально новый подход к решению вопросов структурного синтеза механизмов. В его исследованиях введено понятие т-угольника, принятого за базисное звено кинематической цепи, на основе которого создано систематизированное учение, позволяющее рассматривать структуру механических систем любой сложности.
A. И. Смелягиным [12] создан новый метод структурного анализа и синтеза механизмов, разработаны структурные математические модели механизмов, предложены универсальные зависимости для определения подвижности простых и сложных механизмов.
B. И. Пожбелко [13] установлена взаимосвязь между структурными параметрами механических систем с разными типами связей и подвижностью этих систем.
Механизмы второй группы [4, 14-16] находят весьма широкое применение в технике. Вопросы, касающиеся их структуры, впервые рассматриваются в работах С. Н. Кожевникова, Е. А. Антонюка [15, 16], где они выделены в отдельную группу. В работе С. Абдраимова, Т. О. Невенчанной [14] по анализу и синтезу механизмов, изменяющих структуру при
малом изменении одного из параметров, предложено учитывать конверсионное звено. Группа механизмов переменной структуры, как показывают последующие исследования, более широкая, и вопросы их структуры и классификации изучены не в полной мере. В этой связи важное значение имеют исследования тех особенностей звеньев и их соединений, благодаря которым представляется возможным создавать разнообразные механизмы переменной структуры.
Анализ механизмов различного назначения показывает, прежде всего, необходимость рассмотрения функциональных и структурноконструктивных особенностей звеньев и некоторых соединений, которые существенно отличаются от кинематических пар как по своему конструктивному исполнению, так и по той роли, которую они выполняют в составе механизмов.
По функциональному назначению все звенья механизмов могут быть отнесены к двум типам: основным, из которых состоят кинематические цепи, и вспомогательным.
К основным следует относить звенья, составляющие кинематические цепи, которые по терминологии теории механизмов и машин [17] представляют собой связанные системы звеньев, образующих между собой кинематические пары. Поскольку кинематические цепи служат для преобразования движения одних звеньев в движение других, что соответствует и смыслу термина «механизм», очевидно, что основные звенья отличаются от звеньев другого типа тем, что они осуществляют передачу движения друг другу.
Вспомогательными следует считать такие звенья, которые не входят в состав кинематических цепей, не передают движение другим звеньям и не влияют на выполнение законов движения кинематических цепей, но, выполняя различные вспомогательные операции, осуществляют функционирование основных звеньев.
С точки зрения конструктивного исполнения звенья могут быть целыми, выполненными в виде одной или нескольких деталей, жёстко соединённых между собой, и составными, выполненными в виде нескольких деталей, соединённых между собой вспомогательными звеньями (например, упругими), допускающими, при определённых условиях, относительное движение деталей (составных частей).
Из особенностей образования кинематических цепей вытекает также наличие двух разновидностей основных звеньев: постоянно присоединённых к другим звеньям и периодически соединяющихся с другими звеньями.
Постоянно соединёнными являются звенья, у которых элементы, образующие кинематические пары, постоянно замкнуты, а периодически соединяющимися следует считать звенья, имеющие незамкнутые элементы, которые периодически соединяются друг с другом, образуя кинематические пары.
Наряду с рассматриваемыми в теории механизмов и машин подвижными соединениями (кинематическими парами), которыми обладают раз-
личные структурные группы, присоединяемые к ведущему звену и стойке и определяющие структуру кинематических цепей и характер их движения, представляется необходимым выделить соединения звеньев, которые по структурно-конструктивным признакам существенно отличаются от кинематических пар.
Рассматриваемые в механике соединения звеньев, называемые кинематическими парами (КП), характеризуются, как известно, тем, что число их степеней свободы Н и условий связи S определяется из соотношения Н = 6 - S и изменяется в пределах от 1 до 5.
Не менее важная особенность КП заключается в том, что конструктивные элементы, из которых они состоят, выполняют две функции: а) перемещения друг относительно друга; б) передачи движения друг другу. Очевидно, что эти признаки проявляются только у тех элементов, которые не входят в пары со стойкой.
Совершенно иную роль выполняют в механизмах соединения звеньев, которые будем называть кинематическо-статическими парами (КСП). Эти соединения характеризуются ограниченной подвижностью своих элементов, проявляющейся при периодическом вращении друг относительно друга или при перемещении одного из звеньев с целью присоединения к другому звену. В действиях КСП есть некоторые элементы кинематики и статики (в момент вращения или перемещения звена КСП имеет Н = 1, а при соединении или жестком сцеплении с другим звеном Н = 0), поэтому понятие «кинематическо-статическая пара», на наш взгляд, довольно точно отражает существо этого соединения.
КСП отличают от КП следующие признаки:
а) главное и принципиальное отличие состоит в том, что элементы КСП не передают движения друг другу;
б) относительное движение элементов КСП (с автоматической цикличностью или с нерегламентируемой дискретностью управления), как правило, ограничено во времени и пространстве (по существу - мгновенное);
в) кинематическая возможность КСП используется периодически и ограничена их функциональными свойствами.
Примером механизма, в котором используются КСП, может служить конусная фрикционная муфта.
Анализ существующих механизмов различного функционального назначения, рассмотренных под углом зрения структурно-конструктивных признаков соединений звеньев, позволил выявить разнообразные варианты исполнения КСП. Характерные конструктивные признаки соединений звеньев, которые следует относить к КСП, показаны в табл. 1.
Таблица 1
Соединения звеньев, образующие КСП
№
п/п
Г рафическое изображение
Конструктивные признаки
Плоское
Цилиндрическое
Прямоугольное
Коническое фрикционное
Плоское фрикционное
—ЕЮ—
Кулачковое
—00—
Храповое
Зубчатое
Винтовое
10
Дисковое
11
Клиновое
12
Ленточное
13
-О-
Шариковое
14
Штифтовое
15
Пружинное
2
3
4
5
6
7
8
9
Существуют и соединения звеньев совершенно иного типа, которые постоянно находятся в неподвижном состоянии. Такие соединения будем называть статическими парами (СП).
К статическим парам будем относить такие соединения, у которых всегда Н = 0. Звенья, образующие такие пары, неподвижно соединяются друг с другом в процессе сборки.
Конструктивные элементы (КЭ) звеньев, входящих в СП, могут быть выполнены совершенно аналогично элементам КП и могут обладать таким же числом степеней свободы Н. Однако их подвижность используется только в момент сборки механизмов. Иными словами, СП допускают относительное перемещение звеньев, но только при регулировке их относительного положения.
Рассмотренные на примерах структурно-конструктивные особенности звеньев и их соединений позволили установить различные варианты их исполнения и применения. Систематизированное представление о кон-
структивном исполнении, структуре и функциональном назначении звеньев приведено в табл. 2.
Таблица 2
Структурно-конструктивные признаки звеньев
Звенья механизмов
Твердые
Детали из металла, пластмасс, дерева, резины, стекла и других материалов
Упругие Пружины, пластины, детали из металла, пластмасс, резины
Г ибкие Ленты, сетки, ремни, канаты,
тросы, цепи, шнуры, нити,
\?) проволока
Жидкости, газы
Тормозные жидкости, масла, воздух
Основные Ползуны, кулачки, шатуны,
от 0)0—0 МЛ' ленты, цепи, пружины и т. п.
Вспомогательные Пружины, рычаги, полумуфты
конусные и кулачковые и др.
Целые Выполненные из целой заго-
0—° 0 ДІ, о товки или из частей жестко скрепленных
Составные Выполненные из нескольких частей, допускающих относительное движение
Постоянно соединенные с другими звеньями С помощью КП и СП
Периодически соединяющиеся Посредством КП и КСП
о Л о
Анализ существующих механизмов переменной структуры позволил выявить особенности конструктивного исполнения звеньев и подвижных
соединений, на основе которых механизмы изменяют и потом восстанавливают свою структуру. Изменение структуры может осуществляться с помощью звеньев, элементы которых образуют КСП (например, конус -но-фрикционные муфты), или же с помощью звеньев, образующих между собой кинематические пары (например, различные коробки скоростей). Обращает на себя внимание характер соединений звеньев в кинематические пары: постоянное или периодическое соединение их друг с другом, что объясняет наличие постоянно и периодически замкнутых кинематических цепей. Описанные выше способы соединения звеньев в пары объясняют принципы изменения структуры механизмов.
При изменении структуры механизмов может происходить изменение их подвижности, передаточного отношения, количества звеньев и подвижных соединений, их геометрии и других параметров.
Отличительные признаки механизмов переменной структуры приводятся в табл. 3.
Таблица 3
Классификация механизмов переменной структуры
Исследование структуры механизмов различного назначения и конструктивного исполнения позволило расширить представление о структуре и особенностях кинематических цепей, звеньев и их соединений.
Выявленные структурно-конструктивные особенности соединений звеньев дают более полное представление о структуре механизмов и принципах их преобразования.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Абдраимов С., Невенчанная Т. О. Построение механизмов переменной структуры и исследование их динамики. - Фрунзе: Илим, 1990.
2. Артоболевский И. И. Основы единой классификации механизмов // Изв. АН СССР. - 1939. - № 10.
3. Добровольский В. В. Основные принципы рациональной классификации механизмов. - М.: Изд-во АН СССР, 1939.
4. Добровольский В. В., Артоболевский И. И. Структура и классификация механизмов. - М.: Изд-во АН СССР, 1939.
5. Чебышев П. Л. О параллелограммах. Соч. Т. 2. - СПб., 1907.
6. Сомов И. О. О степенях свободы кинематической цепи // Журнал русского физико-химического общества. - Т. XIX, вып. 9. - 1887.
7. Гохман Х. И. Кинематика машин. Т. I. Основы познания в создании пар и механизмов. - Одесса, 1896.
8. Ассур Л. В. Исследование плоских стержневых механизмов с низшими парами с точки зрения их структуры и классификации. - СПб.: Изд-во
С.-Петербург. политех. ин-та, 1913-1918.
9. Малышев А. П. Анализ и синтез механизмов с точки зрения их структуры // Изв. Томского технолог. ин-та. Т. 44, 1923.
10. Дворников Л. Т. Начала теории структуры механизмов. - Томск, Новокузнецк: Сибир. гос. горно-метал. акад., 1994.
11. Дворников Л. Т. К вопросу о структурном синтезе групп Ассура // Проблемы механики современных машин: Материалы междунар. конф. Т. I. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2000.
12. Смелягин А. И. Структура, структурный анализ и синтез механизмов. - Новосибирск: НГТУ, 1997.
13. Пожбелко В. И. Универсальная структурная формула и классификация механических систем любой структуры // Изв. вузов. - № 1-2. - М.: Машиностроение, 2000.
14. Абдраимов С., Невенчанная Т. О. Концепция построения механизмов переменной структуры // Материалы совещания по безмуфтовым прессам с механизмами переменной структуры. - Фрунзе, 1989.
15. Антонюк Е. Я. Динамика механизмов переменной структуры. - Киев: Наук. думка, 1988.
16. Кожевников С. Н., Антонюк Е. Я. Систематизация динамических моделей механических агрегатов // Теория механизмов и машин. - 1983. - Вып. 35.
17. Теория механизмов и машин. Терминология. Сб. рекомендуемых терминов. -Вып. 93. - М.: Наука, 1978.
Получено 15.02.05
STRUCTURAL FEATURES OF KINEMATIC CIRCUITS OF MECHANISMS
IN GRADED STRUCTURES
T. O. Nevenchannaya, O. A. Hohlova
Analyzing mechanisms of various applications there has been found a number of structural features of segments and their links. It has been stated that along with segment links (as kinematic pairs) there exist other links as well. They are supposed to be called kinematic-and-static and static pairs. There are represented specific constructive variants of compounds making kinematic-and-static pairs. There is given classification of links concerning variants of their performance, functions and constructive features.
There has been stated nature of kinematic circuits of mechanisms of grade structure and has been specified their classification.
