В технике механизм — это устройство , которое преобразует входные силы и движение в желаемый набор выходных сил и движения. Механизмы обычно состоят из движущихся компонентов, которые могут включать:
Немецкий учёный Франц Рёло определяет машину как «сочетание сопротивляющихся тел, устроенных таким образом, что с их помощью механические силы природы можно заставить совершать работу, сопровождаемую определённым определенным движением». В этом контексте его использование машины обычно интерпретируется как механизм .
Комбинация силы и движения определяет мощность , а механизм управляет силой для достижения желаемого набора сил и движения.
Механизм обычно представляет собой часть более крупного процесса, известного как механическая система или машина . Иногда механизмом можно назвать всю машину; примерами являются рулевой механизм автомобиля или заводной механизм наручных часов . Однако обычно совокупность нескольких механизмов называют машиной.
Со времен Архимеда до эпохи Возрождения механизмы рассматривались как состоящие из простых машин , таких как рычаг , шкив , винт , колесо и ось , клин и наклонная плоскость . Рело сосредоточился на телах, называемых связями , 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 меняются при движении механизма, то есть звено не изгибается. Таким образом, относительное перемещение между точками в двух связанных звеньях считается результатом соединяющей их кинематической пары.
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 чистое качение без проскальзывания и точечный контакт со скольжением. . Механизм моделируется как совокупность жестких звеньев и кинематических пар.
Рело назвал идеальные связи между звеньями кинематическими парами . Он различал высшие пары с линейным контактом между двумя звеньями и низшие пары с площадным контактом между звеньями. Дж. Филлипс [ нужны разъяснения ] показывает, что существует множество способов построения пар, которые не соответствуют этой простой модели.
Нижняя пара: Нижняя пара представляет собой идеальное соединение, имеющее поверхностный контакт между парой элементов, как в следующих случаях:
Высшие пары: Как правило, высшая пара представляет собой ограничение, требующее линейного или точечного контакта между поверхностями элементов. Например, контакт между кулачком и его толкателем представляет собой высшую пару, называемую кулачковым соединением . Аналогично контакт между эвольвентными кривыми, образующими зацепляющиеся зубья двух шестерен, представляет собой кулачковые соединения.
Кинематическая диаграмма сводит компоненты машины к скелетной диаграмме, в которой особое внимание уделяется соединениям, а звенья сводятся к простым геометрическим элементам. Эту диаграмму можно также сформулировать в виде графа , представляя звенья механизма в виде ребер, а соединения — в виде вершин графа. Этот вариант кинематической схемы зарекомендовал себя эффективным при перечислении кинематических структур в процессе проектирования машин. [1]
Важным фактором в этом процессе проектирования является степень свободы системы связей и соединений, которая определяется с помощью критерия Чебычева-Грюблера-Куцбаха .
Хотя все механизмы в механической системе являются трехмерными, их можно анализировать с использованием плоской геометрии , если движение отдельных компонентов ограничено так, что траектории всех точек 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 трансляций, обозначаемых SE.
Группа SE трехмерна, а это означает, что каждое положение тела в плоскости определяется тремя параметрами. Параметрами часто являются координаты x и y начала системы координат в M , измеренные от начала системы координат в F , и угол, измеренный от оси x в F до оси x в M . Об этом часто говорят, что тело на плоскости имеет три степени свободы .
Чистое вращение шарнира и линейное перемещение ползуна можно отождествить с подгруппами SE и определить два шарнира с одной степенью свободы шарниров плоских механизмов. [ непонятно ] Кулачковое соединение, образованное двумя поверхностями, находящимися в контакте скольжения и вращения, представляет собой соединение с двумя степенями свободы.
Можно построить механизм, в котором траектории точек во всех компонентах лежат в концентрических сферических оболочках вокруг неподвижной точки. Примером может служить подвесной гироскоп . Эти устройства называются сферическими механизмами. [2] Сферические механизмы сконструированы 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.
Группа вращения SO(3) трехмерна. Примером трех параметров, определяющих пространственное вращение, являются углы крена, тангажа и рыскания, используемые для определения ориентации самолета.
Механизм, в котором тело движется посредством общего пространственного движения, называется пространственным механизмом . Примером может служить рычажный механизм RSSR, который можно рассматривать как четырехзвенный рычажный механизм, в котором шарнирные соединения соединительного звена заменены концами стержней , также называемыми сферическими шарнирами или шаровыми шарнирами . Концы стержней позволяют входному и выходному кривошипам рычажного механизма РССР смещаться до такой степени, что они лежат в разных плоскостях, что приводит к перемещению звена сцепки в общем пространственном движении. Роботы-манипуляторы , платформы Стюарта и гуманоидные роботизированные системы также являются примерами пространственных механизмов.
Рычаг Беннета является примером пространственного сверхограниченного механизма , который состоит из четырех шарнирных соединений.
Группа SE(3) шестимерна, что означает, что положение тела в пространстве определяется шестью параметрами. Три параметра определяют начало координат движущейся системы отсчета относительно фиксированной системы координат. Три других параметра определяют ориентацию движущейся рамки относительно неподвижной.
Связь – это совокупность звеньев, соединенных суставами . Как правило, звенья являются структурными элементами, а суставы допускают движение. Пожалуй, самым полезным примером является плоское четырехзвенное соединение . Однако существует еще много особых связей:
Податливый механизм – это совокупность твердых тел, соединенных податливыми элементами. Эти механизмы имеют множество преимуществ, в том числе уменьшенное количество деталей, уменьшенный «раскачивание» между соединениями (отсутствие паразитного движения из-за зазоров между деталями [3] ), накопление энергии, низкие эксплуатационные расходы (они не требуют смазки и имеют низкий механический износ). ) и простота изготовления. [4]
Подшипники изгиба (также известные как шарниры изгиба ) представляют собой подмножество податливых механизмов, которые производят геометрически четко определенное движение (вращение) при приложении силы.
Кулачково - ведомый механизм образуется в результате прямого контакта двух звеньев специальной формы . Ведущее звено называется кулачком, а звено, приводящееся в движение за счет прямого контакта их поверхностей, называется ведомым. Форма соприкасающихся поверхностей кулачка и толкателя определяет движение механизма. В общем, энергия механизма кулачка и толкателя передается от кулачка к толкателю. Распределительный вал вращается и в соответствии с профилем кулачка толкатель перемещается вверх и вниз. В настоящее время также доступны несколько другие типы эксцентриковых толкателей, в которых энергия передается от толкателя на кулачок. Основное преимущество этого типа кулачкового и ведомого механизма заключается в том, что ведомый механизм слегка перемещается и помогает вращать кулачок в шесть раз на большую длину окружности с 70% усилия.
Передачу вращения между соприкасающимися зубчатыми колесами можно проследить до антикиферского механизма в Греции и колесницы, указывающей на юг в Китае. На иллюстрациях ученого эпохи Возрождения Георгия Агриколы изображены зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Внедрение эвольвентного зуба позволило получить стандартную конструкцию шестерни, обеспечивающую постоянное передаточное число. Некоторые важные особенности зубчатых передач и зубчатых передач:
Проектирование механизмов для достижения определенного движения и передачи силы известно как кинематический синтез механизмов . [5] Это набор геометрических методов, которые определяют размеры рычажных механизмов, кулачковых и ведомых механизмов, а также шестерен и зубчатых передач для выполнения необходимого механического движения и передачи мощности. [6]
