Кинематическая связь описывает приспособления , предназначенные для точного закрепления рассматриваемой детали, обеспечивая точность и уверенность в ее местоположении. Канонический пример кинематической муфты состоит из трех радиальных V-образных канавок в одной части, которые сопрягаются с тремя полусферами в другой части. Каждое полушарие имеет две точки контакта, всего шесть точек контакта, чего достаточно, чтобы ограничить все шесть степеней свободы детали . Альтернативная конструкция состоит из трех полусфер на одной детали, которые вписываются соответственно в четырехгранную вмятину, V-образную канавку и плоскую поверхность. [1]
Кинематические связи возникли из-за необходимости точного соединения между структурными интерфейсами, которые должны были регулярно разбираться и снова собираться.
Муфта Кельвина названа в честь Уильяма Томпсона (лорда Кельвина) , опубликовавшего конструкцию в 1868–1871 годах. [2] Он состоит из трех сферических поверхностей, которые опираются соответственно на вогнутый тетраэдр , V-образную канавку, направленную к тетраэдру, и плоскую пластину. Тетраэдр обеспечивает три точки контакта, V-образный паз — две, а плоский — одну, всего требуется шесть точек контакта. Преимущество этой конструкции заключается в том, что центр вращения расположен в тетраэдре, однако при высоких нагрузках возникают проблемы с контактным напряжением. [1]
Принципы этой системы соединения были первоначально опубликованы Джеймсом Клерком Максвеллом в 1871 году. [2] Кинематическая система Максвелла состоит из трех V-образных канавок, ориентированных к центру детали, а сопрягаемая часть имеет три изогнутые поверхности, на которых располагаются вниз в три канавки. [1] Каждая из трех V-образных канавок обеспечивает две точки контакта, всего шесть. Эта конструкция выигрывает за счет симметрии и, следовательно, более простой технологии изготовления. Кроме того, муфта Максвелла термически стабильна благодаря этой симметрии, поскольку изогнутые поверхности могут синхронно расширяться или сжиматься в V-образных канавках. [2]
Воспроизводимость и точность кинематической муфты обусловлены идеей точного проектирования ограничений . Принцип точного проектирования ограничений заключается в том, что количество точек ограничения должно быть равно количеству степеней свободы, которые необходимо ограничить. [1] В механической системе имеется шесть потенциальных степеней свободы. Существует три линейные степени свободы (также известные как перемещение ) вдоль осей «x», «y» и «z», а также три степени свободы вращения вокруг каждой оси, обычно называемые креном , тангажем и рысканием . [2] Если система недостаточно ограничена, ее части могут свободно перемещаться относительно друг друга. Если система чрезмерно ограничена, она может нежелательно деформироваться под воздействием, например, теплового расширения . Кинематические конструкции муфт соприкасаются только с количеством точек, равным числу степеней свободы, которые должны быть ограничены и, следовательно, предсказуемы.