Теория механизмов и машин
Учебное пособие М.И. Белова и С.В. Сорокина «Теория механизмов и машин» представляет собой фундаментальный труд, адаптированный под современные требования инженерного образования, в частности для направления «Агроинженерия». Книга систематизирует классические методы анализа механизмов и дополняет их актуальными алгоритмами, пригодными для компьютерного моделирования.
Структурный анализ и классификация
Авторы начинают с базовых понятий, определяя механизм как устройство для преобразования движения и передачи энергии. Особое внимание уделяется классификации кинематических пар и цепей. В пособии подробно рассматриваются формулы Чебышева и Сомова — Малышева для определения числа степеней свободы, а также вводится критически важное понятие избыточных (пассивных) связей. Авторы подчеркивают значимость проектирования самоустанавливающихся механизмов, которые минимизируют риск заклинивания при погрешностях изготовления. Структурный анализ базируется на принципе наслоения групп Ассура, что позволяет декомпозировать сложные системы на элементарные составляющие.
Кинематика и проектирование передач
Раздел кинематики охватывает как традиционные графоаналитические методы (построение планов скоростей и ускорений), так и аналитические подходы, включая метод преобразования координат Ю.В. Морошкина. Детально проработана теория зубчатых зацеплений: от геометрии эвольвентного профиля до расчета планетарных и дифференциальных механизмов. Важным дополнением являются главы, посвященные кулачковым и мальтийским механизмам, где представлены новые авторские методы аналитического расчета профилей, обеспечивающие безударный ход и оптимальные углы давления. Также рассматриваются фрикционные и ременные передачи с учетом их тяговых характеристик и коэффициентов скольжения.
Силовой расчет и динамика
Динамический анализ механизмов строится на принципе Даламбера (методе кинетостатики), позволяющем свести задачи динамики к условиям статического равновесия с учетом сил инерции. В пособии подробно описаны алгоритмы определения реакций в кинематических парах и расчет уравновешивающей силы (в том числе через рычаг Жуковского). Рассматриваются вопросы установившегося движения, где ключевое место занимает расчет маховика для снижения коэффициента неравномерности хода. Отдельная глава посвящена проблеме уравновешивания роторов и методам их динамической балансировки, что критически важно для высокооборотистых сельскохозяйственных агрегатов.
Робототехника и манипуляторы
Современный инженерный контекст подчеркивается включением раздела о манипуляторах и промышленных роботах. Авторы анализируют структуру открытых кинематических цепей, решают прямую и обратную задачи кинематики с использованием матричного представления Денавита — Хартенберга. В тексте приводятся примеры реальных сельскохозяйственных роботов (для сбора плодов, упаковки), что демонстрирует практическую применимость теоретических выкладок в автоматизации АПК.
Трение и эффективность
Завершает теоретический блок анализ трения в кинематических парах. Рассматриваются виды трения (скольжения, качения, покоя) и их влияние на КПД механизмов. Авторы приводят методики расчета моментов трения в подшипниках и направляющих, что позволяет проводить комплексную оценку энергетической эффективности проектируемых машин.
Данное издание является сбалансированным сочетанием классической теории и современных вычислительных методов. Наличие контрольных тестов и алгоритмизированных примеров делает его эффективным инструментом как для обучения студентов, так и для практической работы инженеров-конструкторов.
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- 23.03.02: Наземные транспортно-технологические комплексы
- 23.03.03: Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов
- 35.03.06: Агроинженерия
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Издание второе, переработанное и дополненное Москва РИОР ИНФРА-М М.И. БЕЛОВ С.В. СОРОКИН Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия»
УДК 621.01(075.8)
ББК 22.21я73
Б43
А в т о р ы :
Белов М.И. — д-р техн. наук, профессор. Является автором трех учебных пособий с грифом УМО, более 60 статей в научных рецензируемых журналах,
12 изобретений и полезных моделей, а также разработчиком сайта с курсами
по теоретической механике и теории механизмов и машин;
Сорокин С.В. — канд. техн. наук, доцент. Является автором 80 печатных работ,
в том числе учебного пособия, а также автором 10 изобретений и полезных
моделей и разработчиком курса по теории механизмов и машин.
Н а у ч н ы й к о н с у л ь т а н т :
Ерохин М.Н. — академик РАН, д-р техн. наук, профессор.
Р е ц е н з е н т ы :
Воробьев Е.И. — д-р техн. наук, профессор кафедры технической механики
ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»;
Мачнев В.А. — д-р техн. наук, профессор кафедры основ конструирования
механизмов машин ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА».
Белов М.И., Сорокин С.В.
Б43
Теория механизмов и машин : учебное пособие / М.И. Белов,
С.В. Сорокин. — 2-е изд. — Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2020. —
322 с. — (Высшее образование). — DOI: https://doi.org/10.12737/1742-5
ISBN 978-5-369-01742-5 (РИОР)
ISBN 978-5-16-013598-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102923-7 (ИНФРА-М, online)
Учебное пособие содержит основные положения теории механизмов
и машин, включая главу о манипуляторах роботов, и тесты с заданиями по
каждой главе.
Предназначено студентам, обучающимся по направлению «Агроинженерия». Может быть использовано при изучении теории механизмов и машин
в вузах технического профиля.
УДК 621.01(075.8)
ББК 22.21я73
ISBN 978-5-369-01742-5 (РИОР)
ISBN 978-5-16-013598-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102923-7 (ИНФРА-М, online)
ФЗ
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
© Белов М.И.,
Сорокин С.В.
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие 1. Основные понятия о механизмах 9 1.1. Назначение механизма 9 1.2. Основные определения 9 1.2.1. Звенья и элементы 9 1.2.2. Кинематические пары и классификация пар 11 1.2.3. Кинематическая цепь и механизм 16 1.2.4. Динамические элементы и динамические пары 17 1.3. Классификация и обзор механизмов 19 1.3.1. Признаки классификации 19 1.3.2. Плоские рычажные механизмы 20 1.3.3. Плоские механизмы с высшими парами 23 1.3.4. Механизмы для передачи вращений 32 1.4. Примеры решения задач 36 2. Структура механизмов 38 2.1. Анализ движений звеньев. Формулы Чебышева и Сомова – Малышева 38 2.2. Избыточные связи и локальные подвижности 41 2.3. Число степеней свободы механизмов с контурными избыточными связями 45 2.4. Число степеней свободы механизма с многоконтурной цепью 50 2.5. Аналитическое определение числа степеней свободы 52 2.6. Простейшие группы самоустанавливающегося механизма 56 2.7. Структурные группы Ассура 59 2.8. Алгоритм структурного анализа 60 2.9. Примеры структурного анализа 61 3. Кинематика рычажных механизмов 70 3.1. План положений и кинематические диаграммы 70 3.2. Аналитические методы исследования 74 3.3. Графоаналитические методы исследования 78 3.3.1. План скоростей и теорема подобия 78 3.3.2. План ускорений и теорема подобия 3.4. Передаточное отношение карданного механизма
4. Расчет зубчатых механизмов 4.1. Основная теорема зацепления 92 4.2. Эвольвента и параметры эвольвентного зацепления 95 4.2.1. Определения эвольвенты и эвольвентного зацепления 95 4.2.2. Основная и делительная окружности, профильный угол 95 4.2.3. Начальная окружность, линия зацепления, передаточное отношение 97 4.2.4. Шаг зубьев, толщина зуба, ширина впадины, окружности впадин и вершин 100 4.2.5. Модуль зубьев 101 4.2.6. Реечное станочное зацепление и изготовление колеса методом обкатки 103 4.2.7. Рабочий участок профиля зуба 105 4.3. Расчет эвольвентного зацепления с нулевыми колесами 106 4.3.1. Условие зацепления без бокового зазора 106 4.3.2. Коэффициент перекрытия 108 4.3.3. Коэффициент скольжения 109 4.3.4. Коэффициент удельного давления 109 4.3.5. Алгоритм расчета параметров нулевой передачи 109 4.4. Передаточное отношение 112 4.4.1. Число степеней свободы 112 4.4.2. Ступень и передаточное отношение ступени 113 4.4.3. Передаточное отношение многократного механизма 114 4.4.4. Графический способ определения передаточного отношения многократного механизма 116 4.4.5. Передаточное отношение планетарного механизма 119 4.4.6. Графический способ определения передаточного отношения планетарного механизма 123 4.5. Структурный анализ зубчатого механизма 124 4.6. Условия корректного проектирования 125 4.6.1. Условия зацепления без подреза зубьев 126 4.6.2. Условия соосности 126 4.6.3. Условия соседства сателлитов 126 4.6.4. Условия сборки 128 4.6.5. Условия вращения сателлитов 4.7. Кинематика автомобильного дифференциала
5. Расчет кулачковых механизмов 5.1. Структурный анализ плоских кулачковых механизмов 134 5.2. Фазы движения толкателя 136 5.3. Кинематика ползунного толкателя 137 5.4. Условие движения ползунного толкателя 141 5.5. Расчет профиля кулачка 144 5.5.1. Центральный кулачковый механизм 144 5.5.2. Кулачковый механизм со смещенным толкателем 147 5.6. Силовой расчет 150 5.7. Алгоритм расчета кулачкового механизма 153 5.8. Пример расчета кулачкового механизма 155 6. Силовой расчет рычажных механизмов 159 6.1. Основные положения 159 6.2. Силы инерции и принцип Даламбера 159 6.3. Реакции в кинематических парах 162 6.4. Статическая определимость кинематических цепей 163 6.5. Определение реакций в кинематических парах 164 6.6. Определение уравновешивающей силы 168 7. Движение плоского механизма 171 7.1. Основные положения и обозначения 171 7.2. Уравнение движения механизма 172 7.3. Решение уравнения движения 174 7.4. Установившееся движение 174 7.4.1. Коэффициент неравномерности движения механизма 176 7.4.2. Назначение маховика и определение его момента инерции 176 7.4.3. Расчет маховика по диаграмме Виттенбауэра 183 8. Уравновешивание и балансировка 188 8.1. Основные определения и задача уравновешивания 188 8.2. Уравновешивание вращающегося звена 191 8.2.1. Основные обозначения 191 8.2.2. Условия уравновешивания 191 8.2.3. Расчет противовесов аналитическим способом 194 8.2.4. Расчет противовесов графоаналитическим способом 8.3. Балансировка
9. Манипуляторы и промышленные роботы 9.1. Основные определения 206 9.2. Схема манипулятора и промышленного робота 208 9.3. Схемы манипуляторов сельскохозяйственных роботов 212 9.4. Число степеней свободы и структура манипулятора 218 9.5. Кинематика манипуляторов 224 9.5.1. Прямая задача 224 9.5.2. Закон движения, скорость и ускорение схвата 230 9.5.3. Обратная задача и элементы динамики манипулятора 235 10. Трение в кинематических парах 242 10.1. Виды трения 242 10.2. Трение в поступательной паре 243 10.3. Трение во вращательной паре 245 10.4. Трение в высшей паре 247 11. Ременная передача 249 11.1. Основные определения и обозначения 249 11.2. Кинематика ременной передачи 250 11.3. Динамика шкива и ремня 252 11.4. Алгоритм расчета 256 11.5. Анализ тяговых характеристик 258 12. Фрикционная передача 261 12.1. Основные определения и обозначения 261 12.2. Кинематика фрикционной передачи 262 12.3. Динамика колес 253 12.4. Алгоритм расчета 264 12.5. Анализ характеристик передачи 266 13. Мальтийский механизм 269 13.1. Структурный анализ плоских мальтийских механизмов 270 13.2. Фазы движения мальтийского креста 271 13.3. Кинематика мальтийского креста 274 13.3.1. Крест с радиальными пазами 274 13.3.2. Крест со смещенными пазами 276 13.4. Динамика мальтийского креста 279 13.5. Алгоритм расчета мальтийского механизма 13.6. Пример расчета
14. Тесты 14.1. Тест по главе 1 14.2. Тест по главе 2 290 14.3. Тест по главе 3 294 14.4. Тест по главе 4 297 14.5. Тест по главе 5 303 14.6. Тест по главе 6 307 14.7. Тест по главе 7 310 14.8. Тест по главе 8 312 14.9. Тест по главе 9 314 14.10. Тест по главе 10 Библиографический список
ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемое учебное пособие по теории механизмов и машин предназначено для студентов (бакалавров), специализирующихся на разработке, эксплуатации и техническом обслуживании машин и оборудования АПК. Оно отличается компактностью и вместе с тем содержит все основные положения теории механизмов и машин, предусмотренные Государственным образовательным стандартом по направлению «Агроинженерия», и дополнительные важные темы. Предложены новые методы аналитического расчета кулачковых и мальтийских механизмов, ременных и фрикционных передач. В пособие включены алгоритмы аналитического расчета механизмов, актуальные в настоящее время при широком использовании вычислительных программ. Это делает учебное пособие полезным для использования студентами технических вузов с другим профилем подготовки. Во втором издании исправлены найденные неточности, переработаны разделы по структуре механизмов, кулачковым механизмам, уравновешиванию роторов, добавлены разделы по мальтийским механизмам, ременным и фрикционным передачам. Электронные версии лекций, лабораторных работ, практических занятий, курсовых работ размещены на сайте. Главы 1, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 13 подготовлены М.И. Беловым с учетом предложений и замечаний С.В. Сорокина, главы 2, 6, 8, 10 и приложение подготовлены С.В. Сорокиным и доработаны М.И. Беловым с С.В. Сорокиным. Глава 14 разработана совместно.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МЕХАНИЗМАХ 1.1. Назначение механизма Механизм предназначен для передачи механической энергии между образующими его телами путем преобразования движений тел. С понятием механизма тесно связано понятие передачи, под которой понимается устройство для передачи энергии от двигателя на расстояние. Механизм − неотъемлемая часть машины и машинного агрегата в цепи устройств, соединяющих источник энергии с исполнительным рабочим органом, являющимся потребителем энергии. Машина − техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью повышения качества и производительности труда человека. Различают энергетические, рабочие и информационно-управляющие машины. Особые, энергосиловые машины − это двигатель и генератор. Двигатель предназначен для преобразования немеханической энергии, например энергии горючей смеси, в механическую работу. Генератор преобразует механическую энергию в энергию другого вида, например в электрическую. Машинным агрегатом называется техническая система, состоящая из одной или нескольких машин, соединенных последовательно или параллельно. В машинных агрегатах агропромышленного комплекса двигатель рассматривается как источник механической энергии. 1.2. Основные определения 1.2.1. Звенья и элементы Звеном механизма называется твердое тело, предназначенное для преобразования движения механизма (рис. 1.1).
Гибкие тела (ремни, тросы, цепи) в состоянии растяжения, упругие тела (пружины), сжатые жидкость и воздух в шлангах не являются звеньями и служат динамическими элементами механизма (рис. 1.2). Звено механизма, принимаемое за неподвижное, называется стойкой. Стойка – необходимое звено механизма. Под движением механизма понимают движение его подвижных звеньев относительно стойки. Из подвижных звеньев различают входные и выходные звенья. Входным называется звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. Выходным называется звено, совершающее движение, для которого предназначен механизм. Рис. 1.2. Динамические элементы механизма: ремень 1, цепь 2, пружина 3, жидкость в шланге 4 1 2 3 4 Рис. 1.1. Звенья механизма: кривошип 1; шатун 2; ползун 3
Похожие Показать весь список