Введение. Инженерное проектирование

Введение

Дисциплина Теория механизмов и машин изучается студентами МГТУ им. Н. Э. Баумана в течение двух семестров. Первая часть включает курс лекций, практические занятия и лабораторные работы. На семинарах и в рамках двух домашних заданий приобретаются навыки проведения структурного, кинематического и кинетостатического силового анализа рычажных механизмов. Курсовой проект по предмету выполняется во второй части дисциплины.

Проект состоит из 4 листов графической работы и пояснительной записки. На первом листе проводится динамический анализ машинного агрегата, на втором – кинетостатический анализ основного рычажного механизма, на третьем – проектирование механизмов с зубчатыми передачами, на четвертом – проектирование кулачкового механизма. После выполнения проекта, студент представляет его на защите, на которой оценивается проделанная работа и приобретенные студентом практические навыки и теоретические знания.

Для комфортного и полного изучению дисциплины на сайте Тубуса.нет имеется раздел с рекомендуемой основной и дополнительной литературой. Небольшое описание позволит быстро найти актуальную информацию.

Цель и задачи курса

Теория механизмов и машин – первый раздел общеинженерной дисциплины Основы проектирование машин, который изучает структуру, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом.

Цель дисциплины – анализ и синтез типовых механизмов и их систем.

Задачи дисциплины – разработка общих методов исследования структуры, геометрии, кинематики и динамики типовых механизмов и их систем.

Цель курсового проектирования – получение студентами навыков использования общих методов проектирования и исследования механизмов для создания конкретных машин и приборов разно

Задачи курсового проектирование:

• усвоение методик графического и аналитического методов решения инженерных задач;
• проектирование структурной и кинематической схемы рычажного механизма по заданным условиям;
• анализ режима движения механизма при действии заданных сил;
• силовой анализ механизма с учетом геометрии, масс звеньев при их движении с ускорением;
• проектирование зубчатых рядовых и планетарных механизмов;
• проектирование механизмов с прерывистым движением выходного звена (кулачковых механизмов).

Типовые механизмы – простые механизмы, имеющие широкое применение в машинах, для которых разработаны типовые методы и алгоритмы синтеза и анализа.

К таким механизмам относится кривошипно-ползунный. В современных машинах данный механизм имеет широкую область применения: в двигателях внутреннего сгорания, прессах, плунжерных насосах, компрессорах и ковочных машинах.

В курсе ТММ основное внимание уделяется изучению методов синтеза и анализа, общих для данного механизма, независящих от его конкретного функционального назначения. В дальнейшем студентам энергетических специальностей предстоит проектировать механизмы конкретного назначения, уделяя основное внимание специфике области применения данной машины. При этом в основе проектирования будут лежать знания и навыки приобретенные в курсе теории механизмов и машин.

История развития дисциплины

Как самостоятельная дисциплина теория механизмов и машин сформировалась в результате промышленной революции в 30-е годы 18 столетия. Однако машины существовали задолго до этого. Подробнее познакомиться с историей развития дисциплины и механизмами, которые были известны с древнейших времен вы можете в статьях на сайте.

Инженерное проектирование

Курс теории механизмов и машин играет значимую роль в становлении инженера, поскольку знания, приобретаемые при изучении этой дисциплины, служат фундаментом для курсов деталей машин, подъемно-транспортных машин, системы автоматизированного проектирования, проектирование специальных машин. В свою очередь, изучение ТММ требует от студента наличия знаний, полученных при изучении физики, разделов высшей математики, теоретической механики и инженерной графики. Систематизированные и комплексные знания в этих дисциплинах способствуют формированию грамотного инженерного мышления в процессе проектирования машин и аппаратов.

Под инженерным проектированием понимают процесс, в котором научная и техническая информация применяется для создания новой системы, устройства или машины, приносящей обществу определенную пользу.

Определение проектирования установлено ГОСТом 34.003-90.

Проектирование – это процесс составления описания, необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках.

Проект - совокупность документов и описаний на различных языках (графическом - чертежи, схемы, диаграммы и графики; математическом - формулы и расчеты; инженерных терминов и понятий - тексты описаний, пояснительные записки), необходимая для создания какого-либо сооружения или изделия.

Методы проектирования

В настоящее время методы проектирования классифицированы на следующие категории:

Прямые аналитические методы синтеза

Методы, разработанные специально для механизма;

Эвристические методы

Метод итераций, последовательного приближения;

Метод декомпозиций;

Метод контрольных вопросов;

Метод мозгового штурма;

Теория решения изобретательских задач;

Метод морфологического анализа;

Функционально-стоимостный анализ;

Метод конструирования;

Экспериментальные методы

Планирование эксперимента;

Машинный эксперимент;

Мысленный эксперимент;

Формализованные методы

Методы поиска вариантов решения;

Метод автоматизации процедур проектирования;

Метод оптимального проектирования.

К основным этапам процесса проектирования относят:

Этапы проектирования

• Осознание общественной потребности в разрабатываемом изделии;
• Техническое задание на проектирование (первичное описание);
• Анализ существующих технических решений;
• Разработка функциональной схемы;
• Разработка структурной схемы;
• Метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы);
• Статический силовой расчет;
• Эскизный проект;
• Кинетостатический силовой расчет;
• Силовой расчет с учетом трения;
• Расчет и конструирование деталей и кинематических пар (прочностные расчеты, уравновешивание, балансировка, виброзащита);
• Технический проект;
• Рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии изготовления и сборки);
• Изготовление опытных образцов;
• Испытания опытных образцов;
• Технологическая подготовка серийного производства;
• Серийное производство изделия.

Понятие о технических системах и их элементах

Техническая система - ограниченная область реальной действительности, взаимодействующая с окружающей средой U, выполняющая определенные функции F и имеющая структуру S.

E_f, A_f - параметры, характеризующие функции F системы;

E_n, A_n - параметры, не относящиеся к функциям прибора (условия работы, внешние и дополнительные воздействия);

Z - системный оператор;

M - элементы системы;

R - отношения между элементами системы.

Окружающая среда U - совокупность внешних объектов, взаимодействующих с системой.

Функция F - свойство системы, используемое для преобразования входных величин Ef, при внешних и дополнительных воздействиях An и условиях работы En, в выходные величины Af. Функция является объективно измеряемое свойство, которое может быть охарактеризовано параметрами системы.

Количество реализуемых системой функций соответствует количеству используемых системой физических свойств. Если система выполняет несколько функций, то различают общую и частные функции. Общая функция охватывает множество всех входных и выходных величин, которое характеризует рассматриваемую систему как одно целое. Частные функции делятся на: главные и вспомогательные - по их значению в выполнении задачи; основные и элементарные - по типу изменения изменений функций в процессе их выполнения.

Структура S - совокупность элементов М и отношений R между ними внутри системы S=(M,R). Элемент системы при проектировании рассматривается, как одно целое, хотя он может иметь различную степень сложности. Если при рассмотрении элемента, не принимается во внимание его форма и внутреннее строение, а рассматривается только выполняемая им функция, то такой элемент называется функциональным. Для механической системы элементами могут быть: деталь, звено, группа, узел, простой или типовой механизм.

Деталь - элемент конструкции, не имеющий в своем составе внутренних связей (состоящий из одного твердого тела).

Звено - твердое тело или система жестко связанных твердых тел (может состоять из одной или нескольких деталей) входящая в состав механизма.

Группа - кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев, связанных между собой кинематическими парами (отношениями), и удовлетворяющая некоторым заданным условиям.

Узел - несколько деталей, связанных между собой функционально, конструктивно или каким-либо другим образом. С точки зрения системы узлы, группы, простые или типовые механизмы рассматриваются как подсистемы.

Самым низким уровнем разбиения системы при конструировании является уровень деталей; при проектировании - уровень звеньев. Элементы из системы можно выделить только после определения взаимосвязей между ними, которые описываются отношениями. Для механических систем интерес представляют отношения, определяющие структуру системы и ее функции, т.е. расположения и связи.

Расположения - такие отношения между элементами, которые описывают их геометрические относительные положения.

Связи - отношения между элементами, предназначенные для передачи материала, энергии или информации между элементами. Связи могут осуществляться с помощью различных физических средств: механических соединений, жидкостей, электромагнитных или других полей, упругих элементов. Механические соединения могут быть подвижными (кинематические пары) и неподвижными. Неподвижные соединения делятся на разъемные (винтовые, штифтовые) и неразъемные (сварные, клеевые).

Классификация машин

С технической точки зрения, машина – устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышение его качества и производительности.

По виду машины классифицируются:

Энергетические машины – машины, преобразующие энергию из одного вида в другой.Среди энергетических машин выделяют:

• Двигатели – машины, преобразующие любой вид энергии в механический. К таким машинам относятся двигатели внутреннего сгорания, преобразующие энергию расширения газа при сгорании в цилиндре; детандеры, преобразующие энергию сжатого газа.

Функциональная схема двигателя
• Генераторы – машины, преобразующие механическую энергию в любой другой вид. К таким машинам относятся электрогенераторы, механическая энергия в которых переходит в электрическую.

Рабочие машины – машины, использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Рабочие машины разделяются на:

• Транспортные машины преобразуют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат)

Функциональная схема транспортной машины
• Технологическая машина использует механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объектов.

Информационные машины обрабатывают и преобразовывают информацию и классифицируются на:

• Математические машины преобразуют входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.

Функциональная схема математической машины
• Контрольно-управляющие машины преобразуют входную информацию (в виде машинного кода) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.

Функциональная схема контрольно-управляющей машины

Кибернетические машины – машины, управляющие рабочими или энергетическими машинами, которые способны изменять алгоритмы своих действий в зависимости от внешних факторов, т.е. обладающие искусственным интеллектом.

Понятие о машинном агрегате

Для выполнения каких-либо требуемых функций проектируются технические системы, которые состоят из одной или нескольких, соединённых последовательно или параллельно машин. Такое техническая система называется машинным агрегатом.

В настоящее время в состав машинного агрегата часто включается контрольно-управляющая или кибернетическая машина. Для согласованной работы управляющих, рабочих и энергетических машин в состав машинного агрегата входят передаточные механизмы, к которым относятся зубчатые, ременные, цепные и другие передачи.

Схема машинного агрегата в общем виде выглядит следующим образом:

Механизм и его элементы

Понятие механизма в технике неоднозначно, существует несколько вариантов определения механизма:

• Механизм – система твердых тел, предназначенная для передачи и преобразования заданного движения одного или нескольких тел в требуемые движения других твердых тел.
• Механизм – кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено стойка и число степеней свободы которой равно числу обобщенных координат, характеризующих положение цепи относительно стойки.
• Механизмом называют устройство для передачи и преобразования движений и энергии любого рода.
• Механизм – система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся определенным образом относительно одного из них, принятого за неподвижное.

В рамках этой лекции уточним определения, которые были применены для определения понятия механизм. В следующих лекциях определим термины наиболее востребованные для выполнения курсового проекта.

Звено - твердое тело или система жестко связанных тел, входящих в состав механизма.

Кинематическая цепь - система звеньев, образующих между собой кинематические пары.

Кинематическая пара - подвижное соединение двух звеньев, допускающее их определенное относительное движение.

Стойка - звено, которое при исследовании механизма принимается за неподвижное.

Число степеней свободы или подвижность механизма - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение всех его звеньев на плоскости или в пространстве.

Из теоретической механики: Системы материальных тел (точек), положения и движения которых подчинены некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным наперед и не зависящим от начальных условий и заданных сил, называется несвободной. Эти ограничения наложенные на систему и делающие ее несвободной называются связями. Положения точек системы допускаемые наложенными на нее связями называются возможными. Независимые друг от друга величины q₁,q₂, ... q_n, вполне и однозначно определяющие возможные положения системы в произвольный момент времени называются обобщенными координатами системы.

Недостатками этих определений являются:

• первое не отражает способности механизма преобразовывать не только движение, но и силы;
• второе не содержит указания выполняемой механизмом функции.

Оба определения входят в противоречия с определением технической системы. Учитывая сказанное, дадим следующую формулировку понятия механизм:

Механизмом называется система, состоящая из звеньев и кинематических пар, образующих замкнутые или разомкнутые цепи, которая предназначена для передачи и преобразования перемещений входных звеньев и приложенных к ним сил в требуемые перемещения и силы на выходных звеньях.

Здесь: входные звенья - звенья, которым сообщается заданное движение и соответствующие силовые факторы (силы или моменты); выходные звенья - те, на которых получают требуемое движение и силы.

Начальное звено - звено, координата которого принята за обобщенную. Начальная кинематическая пара - пара, относительное положение звеньев в которой принято за обобщенную координату.

Классификация механизмов

Учитывая различные факторы, механизм можно классифицировать по ряду признаков:

• По области применения и функциональному назначению:
  • механизмы летательных аппаратов;
  • механизмы станков;
  • механизмы кузнечных машин и прессов;
  • механизмы двигателей внутреннего сгорания;
  • механизмы промышленных роботов (манипуляторы);
  • механизмы компрессоров;
  • механизмы насосов и т.д.
• По виду передаточной функции на механизмы:
  • с постоянной передаточной функцией;
  • с переменной передаточной функцией:
    • с нерегулируемой (синусные, тангенсные);
    • с регулируемой:
      • со ступенчатым регулированием (коробки передач);
      • с бесступенчатым регулированием (вариаторы).
• По виду преобразования движения на механизмы преобразующие:
  • вращательное во вращательное:
    • редукторы ω_вх > ω_вых;
    • мультипликаторы ω_вх < ω_вых;
    • муфты ω_вх = ω_вых;
  • вращательное в поступательное;
  • поступательное во вращательное;
  • поступательное в поступательное.
• По движению и расположению звеньев в пространстве:
  • пространственные;
  • плоские;
  • сферические.
• По изменяемости структуры механизма на механизмы:
  • с неизменяемой структурой;
  • с изменяемой структурой.
• По числу подвижностей механизма:
  • с одной подвижностью W=1;
  • с несколькими подвижностями W>1:
    • суммирующие (интегральные);
    • разделяющие (дифференциальные).
• По виду кинематических пар (КП):
  • с низшими КП (все КП механизма низшие);
  • с высшими КП (хотя бы одна КП высшая);
  • шарнирные (все КП механизма вращательные - шарниры).
• По способу передачи и преобразования потока энергии:
  • фрикционные (сцепления);
  • зацеплением;
  • волновые (создание волновой деформации);
  • импульсные.
• По форме, конструктивному исполнению и движению звеньев:
  • рычажные;
  • зубчатые;
  • кулачковые;
  • планетарные;
  • манипуляторы.