Этапы проектирования механизмов

Проектирование механизмов представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой разбивается на несколько этапов. Первым этапом проектирования является выбор кинематической схемы механизма, которая бы обеспечивала требуемый вид и закон движения. Ко второму этапу относится разработка конструкторских форм механизма, обеспечивающих его прочность и долговечность. Третьим этапом проектирования является разработка технологических и технико-экономических показателей проектируемого механизма.

В теории механизмов в основном рассматриваются и решаются задачи первого этапа проектирования, с помощью которых разрабатываются кинематические схемы механизмов, воспроизводящих требуемый закон движения. Проектирование механизма начинается с выбора структурной схемы. Ее выбирают из справочных материалов или разрабатывают на основе анализа видов движения, которые должны быть реализованы. Этот этап проектирования называется структурным синтезом. Разработчик должен в первом приближении оценить кинематические, силовые, точностные и другие характеристики механизма, что заранее сделать трудно, а часто — невозможно.

Если имеется несколько структурных схем различных механизмов, пригодных для реализации требуемых параметров, то из них следует выбрать наиболее простую. На практике выбор структурной схемы производится чаще всего на основе предшествующего опыта, знаний или интуиции проектировщика. При огромном разнообразии схем одних только рычажных механизмов [1—9] такой эвристический подход к их выбору оправдан. Однако далеко не всегда проектировщик выбирает удачную структурную схему, о чем свидетельствуют конструкции многих существующих механизмов, применяемых в машинах и приборах. Вопрос рационального выбора структуры проектируемого механизма сравнительно сложен [9, 12, 13, 15, 20], поскольку он трудно поддается формализации и недостаточно освещен в литературе по теории механизмов.

После выбора структурной схемы механизма определяют геометрические размеры звеньев. При этом учитываются в основном геометрические функции, которые должен реализовать механизм. Этот этап проектирования называют этапом геометрического синтеза механизма, в режиме которого определяют относительные размеры звеньев, т. е. отношение геометрических размеров звеньев к размеру одного из них. Относительные геометрические размеры звеньев называются геометрическими параметрами механизма.

Структурный и геометрический синтез позволяет получить кинематическую схему механизма, отвечающую требованиям, предъявляемым к проектируемому механизму. Геометрические функции, которые должен реализовать проектируемый механизм, воспроизводятся им с определенной точностью и определяются условиями работы механизма, обусловленными технологическим процессом. На основании анализа спроектированного механизма по степени точности воспроизведения заданной функции решают, пригоден ли полученный механизм или необходимо провести корректировку предыдущих этапов проектирования с изменением исходных данных. Если и повторные просчеты не дают удовлетворительных результатов, то необходимо перейти к другой структурной схеме механизма и выполнить для нее соответствующие расчеты. Этот этап проектирования называют этапом точностного проектирования.

Таким образом, задача проектирования механизма является сложной, многонараметрической, причем число исходных параметров механизма, как правило, больше числа исходных данных, поэтому частью параметров приходится варьировать.

По принципу использования рычажные механизмы делятся на две группы.

• 1. Передаточные механизмы, реализующие заданную функциональную зависимость между положениями входного и выходного звеньев механизма или между их перемещениями.
• 2. Направляющие механизмы, в которых точка на звене, совершающем сложное движение, перемещается при движении механизма по заданной траектории.

Решение указанных задач синтеза рычажных механизмов с низшими парами может вестись как графическими, так и аналитическими методами. Выбор метода в значительной мере зависит от тех условий, которые поставлены при проектировании (в частности, точность). Графические методы нагляднее и проще с точки зрения их усвоения, но недостаточно точны. В последние годы учеными широко развиты аналитические методы синтеза механизмов с низшими парами [4, 16].

Схемы возможных вариантов проектирования наиболее распространенных механизмов представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1.

В начальной стадии проектирования машинного агрегата при выборе кинематической схемы для осуществления заданного движения рабочего органа, с переменными скоростями движения в течение цикла, разработчик обращает внимание на четырехзвенные механизмы (рис. 4.2), образованные на основе четырехзвенной шарнирной кинематической цепи (а): кривошипно-коромысловый механизм (б); двухкривошипный механизм (в); двухкоромысловый механизм (г); механизм параллелограмма (д) (1_{ = /₃, /₂ = /₄); механизм антипараллелограмма с противоположным на;

Рис. 4.2.

правлением вращения кривошипа (е) (/, < /₄); механизм антипараллелограмма с одинаковым направлением вращения кривошипов (ж) (/j > /₄). Составляющие элементы: кривошип 1 шатун 2; коромысло 3 и стойка 4.

Другой вариант выбора кинематической схемы — на основе четырехзвенной цепи с тремя вращательными и одной поступательной парами (рис. 4.3): исходная аксиальная кинематическая цепь (а); кривошипно-ползунный механизм (б); кривошипно-шатунный механизм (в) (/_| < /₂); коромыслово-ползунный механизм (г) (1_Х < /₂); кривошипнокулисный механизм с качающейся кулисой (д, е) (/, < /₄); кривошипно-кулисный механизм с вращающейся кулисой (ж, з) (/₄ < /,). Если поставленную задачу нельзя решить с помощью четырехзвенного механизма, разработчик усложняет кинематическую схему, применяя шестизвенные или более сложные механизмы, образованные присоединением к одному из звеньев двухповодковой группы [1, 2, 4, 5, 6]. Подробные сведения о кинематических и конструктивных модификациях приведенных механизмов можно найти в работах [1—4, 8, 20].

Геометрический синтез механизма заключается в определении постоянных параметров его кинематической схемы, исходя из условий задачи синтеза. Эти условия могут быть разнообразными по содержанию, но аналитически они представляют собой условия связей, накладываемых на па;

Рис. 43.

раметры механизма, и имеют форму уравнений или неравенств. В ряде случаев условие синтеза формулируется в виде требования минимизации функции параметров механизма, принимающей неотрицательные значения.

Кроме параметров механизма в условиях синтеза фигурируют обычно и задаваемые величины или функции (например, заданная для воспроизведения функция перемещения механизма, заданный угол размаха выходного звена, заданный допустимый угол давления).