Каким свойством обладают структурные группы механизма

« Назад

Под структурным анализом механизма понимается определение количества звеньев и кинематических пар, классификация кинематических пар, определение степени подвижности механизма, а также установление класса механизма по группам Ассура.

Группа Ассура названа по имени А. В. Ассура, который впервые фундаментально исследовал структурную классификацию плоских стержневых механизмов.

Группой Ассура называется кинематическая цепь, которая в случае ее присоединения элементами внешних пар к стойке получает нулевую степень подвижности, т. е. образует ферму.

Структурные формулы групп Ассура получаются из формулы Чебышева: W=3n-2р5, откуда р5=3n/2, где n– число подвижных звеньев. Отсюда следует, что число подвижных звеньев в группе обязательно четное число, т.к. только в этом случае число кинематических пар пятого класса р5 будет целым. Этот принцип на рис. 1, а – г проиллюстрирован примером присоединения двух двухповодковых групп с нулевыми степенями подвижности к входному звену 1 (цифрами обозначены номера звеньев). При этом звено 1 со стойкой (рис. 1 а) называется структурной группой Ассура 1-го класса. Структурные группы с n=2 и р5=3 относятся ко 2-му классу, которые подразделяются на 5 видов по числу и рас- положению в группе поступательных пар (рис. 2). Например, в группе Ассура 2 класса 1 вида (рис. 1б и 1в) все кинематические пары вращательные. Структурные группы с n=4 и р5=6 относятся к 3-му классу.

Рис. 1 – Пример образования плоского шестизвенного механизма

Рис. 2 – Двухповодковые группы Ассура второго класса

По предложению И. И. Артоболевского класс и порядок механизма определяются по той группе, которая имеет наивысший класс и входит в состав механизма. Около 80% рычажных механизмов используемых в различных машинах являются механизмами 2-го класса.

Порядок группы определяется числом элементов, которыми группа присоединяется к основному механизму (рис. 3).

Рис. 3 – Схемы групп различного порядка

Понятие группы Ассура используется при синтезе структурных схем, а также при кинематических и силовых расчетах механизмов.

Пример 1. На рис. 4 показана схема механизма автомата-перекоса вертолета. Ведущее звено AB отмечено круговой стрелкой.

Рис. 4 – Механизм автомата-перекоса вертолета

Пример разделения на группы Ассура

Решение.

1) Подсчитывается степень подвижности механизма по формуле Чебышева W=3n-2р5. Для этого определяются общее число звеньев k=8, число подвижных п=k–1=7, число кинематических пар Vкласса р5=10 (кинематических пар IVкласса нет, поэтому нет необходимости в построении заменяющего механизма). В механизме отсутствуют пассивные связи и звенья, вносящие лишние степени свободы. Степень подвижности Wравна: W=3n–2р5–р4=3·7–2·10–0=1.

2) Входное звено задано в условии примера, и оно должно быть одно, так как W = 1.

3) Механизм расчленяется на группы Ассура. Вначале отделяется группа Ассура второго класса, образованная звеньями 7 и 6 (LKG), затем группа второго класса, состоящая из звеньев 5 и 4 (HEF), и, наконец, группа второго класса, составленная звеньями 3 и 2 (DCB).

На этом расчленение механизма заканчивается, так как остались ведущее звено 1 и стойка 8 (на рисунке отделяемые группы обведены замкнутыми контурами).

4) Записывается формула строения механизма:

В этой формуле римская цифра Iобозначает ведущее звено, арабские – классы присоединяемых групп (2), а индексы при арабских цифрах указывают, какие звенья образовали ведущее звено и присоединяемые группы.

Из формулы строения механизма видно, что наивысший класс присоединенных групп – второй, поэтому механизм автомата-перекоса вертолета при входном звене 1 следует отнести к первому классу.

Пример 2. На рис. 5 показана схема механизма конхоидографа с ведущим звеном в двух вариантах: на рис. 5, а – это звено 1, на рис. 5, б – звено 4.

Рис. 5 – Механизм конхоидографа

а) ведущее звено первое,

б) ведущее звено четвертое

Решение.

1) Определяется степень подвижности механизма по формуле Чебышева. Так как k=6, п=5, р6=7, р4=0, то, следовательно, W=3n–2р5=3·5–2·7=1.

2) Так как W=1, то достаточно одного ведущего звена, что и указано в условии задачи.

3) Разложение на группы Ассура. По первому варианту (ведущее звено 1) от механизма можно отделить только кинематическую цепь, состоящую из звеньев 2, 3, 4 и 5. Эта цепь представляет собой группу Ассура второго класса третьего порядка, так как в ней три внутренних кинематических пары (вращательные пары D, С и поступательная Е) и три внешних (вращательные пары В, Gи F). По второму варианту (рис. 5, б) от механизма последовательно отделяются группы Ассура второго класса, состоящие из звеньев 1 и 2, 3 и 5.

4) Формула строения механизма запишется так.

При ведущем звене 1 I(1) → 3(2,3,4,5). Механизм второго класса. При ведущем звене 4 I(4) → 2(3,5) → 2(2,1). Механизм третьего класса.

Основы функционирования деталей машин

Машиностроительные материалы

Расчет и проектирование деталей начинаются с выбора материала и назначения режима термической обработки его, которые определяются конструктивными (обеспечение надежности), технологическими (вид производства – единичное, серийное, массовое) и экономическими соображениями.

Для изготовления деталей в машиностроении и приборостроении широко используют стали и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

Стали

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2 %) и другими элементами, поддающийся ковке.

По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-термически и механически.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь наиболее распространена, ее производство составляет 80 % от общего объема выплавки. Углеродистые стали подразделяют на три группы: обыкновенного качества; качественная общего назначения (конструкционная); специальная (инструментальная, котельная и др.). Свойства углеродистой стали изменяются в зависимости от содержания в ней углерода. С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность.

Углеродистые стали обыкновенного качества получили наиболее широкое применение в технике благодаря относительной дешевизне. Из таких сталей изготовляют малонапряженные детали машин (болты, гайки, оси и др.), корпуса сосудов, металлоконструкции и т. п.

В зависимости от назначения и гарантированных механических свойств стали обыкновенного качества делят на группы А, Б и В. Стали группы А поставляются без уточнения химического состава. Они обозначаются буквами Ст и цифрами 0, 1, 2,…, 6 (например, Ст0, Ст1 и т. п.). Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали и выше прочность. Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, а стали группы В – также с гарантированными механическими свойствами. Стали этих двух групп применяют, когда заготовки изготовляемых из них деталей надо подвергать деформационной, термической и другим видам обработки. В обозначения марок сталей этих групп ставятся впереди буквы Б и В соответственно (например, буквы БСт3, ВСт3 и т. д.).

Качественные углеродистые стали выполняют с соблюдением более строгих технологических условий (по составу компонентов, ведению плавки и др.). Их маркируют цифрами 08, 10, 15, …, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 45 содержит 0,45 % С).

В зависимости от содержания углерода качественные углеродистые стали условно подразделяют на низко- (до 0,25% С), средне (от 0,3 до 0,55% С) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 0,85 % C). Благодаря высокой пластичности низкоуглеродистые стали используют для изготовления деталей путем пластического деформирования, сварки. Среднеуглеродистые стали более прочны и менее пластичны. Они хорошо обрабатываются методами резания и широко используются для изготовления разнообразных деталей машин. Высокоуглеродистые стали применяются для изготовления высоконагруженных деталей машин (пружин, рессор и др.).

Легированная сталь в отличие от углеродистой содержит легирующие элементы, которые вводят в химический состав при выплавке стали для улучшения ее технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.). Легированные стали маркируют цифрами и буквами (например, 12ХНЗА, 18ХГТ, 40Х и т.п.). Цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы справа от цифр обозначают легирующий элемент: Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ю – алюминий и др. Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах. При содержании легирующего элемента до 1,5 % цифра не ставится.

Основная часть легированных сталей выплавляется качественными с содержанием вредных примесей фосфора и кремния до 0,035 %. Производятся также высококачественные стали с содержанием фосфора и кремния до 0,025 %. Их маркируют буквой А, записываемой в конце обозначения марки стали (например, высококачественная сталь 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12 % С, 2 % Сr и 4% Ni).

Легированную сталь подразделяют на: а) низколегированную – общее содержание легирующих элементов до 3%; б) среднелегированную – общее содержание легирующих элементов 3…5.5 %; в) высоколегированную – общее содержание легирующих элементов свыше 5,5 %.

Если легирующих компонентов больше, чем железа, и содержание железа менее 50 %, то такие стали называют сплавами (жаропрочные, коррозионно-стойкие и т. п.).

Легированные стали дороже углеродистых. Легированные и углеродистые качественные стали имеют высокую прочность () и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин (зубчатых колес, валов и т. п.).

Термическая обработка. Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т.д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых деталей, которая состоит из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью.

Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг характеризуется медленным охлаждением (иногда вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок. Проводят его для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых и легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений в конструкциях после сварки или предварительной (черновой) обработки резанием.

Нормализация отличается от отжига характером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Ее применяют для получения однородной структуры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига.

Нормализацию применяют для исправления структуры сварных швов, выравнивания структурной неоднородности поковок и отливок, а также для улучшения обрабатываемости резанием низко- и среднеуглеродистых сталей.

Закалка отличается от отжига и нормализации высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Высокая скорость охлаждения достигается за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей NaOH, NaClи др. В результате металл приобретает однородную мелкозернистую структуру с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудной обрабатываемостью резанием.

На практике закалка широко используется для обработки отливок, поковок, штамповок и обработанных деталей из углеродистых и легированных сталей, для получения высоких эксплуатационных характеристик и более полного использования свойств материалов.

Существует ряд разновидностей объемной закалки, отличающихся условиями и характером быстрого охлаждения.

Широко применяется поверхностная закалка – нагрев с большой скоростью поверхностного слоя стальной детали (токами высокой частоты, электронным лучом и др.) выше температуры превращений и последующее быстрое охлаждение с получением мелкозернистой структуры в поверхностном слое определенной толщины. При поверхностной закалке уменьшается коробление (деформация) деталей по сравнению с деформациями при объемной закалке.

Поверхностной закалке подвергают многие детали машин (зубья колес, кулачки, валы и др.), изготовляемые из углеродистых и низколегированных сталей марок 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, 45Х и др.

Высокая твердость и прочность поверхностных слоев деталей после поверхностной закалки обеспечивает им высокую износостойкость и контактную прочность.

Отпуск – нагрев до температуры ниже интервала превращений, выдержка и последующее охлаждение для повышения вязких свойств, уменьшения термических остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Обычно применяется после закалки (нормализации) стальных отливок, поковок, проката и механически обработанных деталей.

В зависимости от температуры нагрева различают высокий отпуск (температура нагрева в интервале 500…670 °С), средний отпуск (250…450 °С) и низкий отпуск (140…230 °С). С увеличением температуры нагрева повышается пластичность стали после отпуска.

Химико-термическая обработка. При химико-термической обработке стальных деталей изменяется химический состав их поверхностных слоев, что позволяет получить после термообработки мелко-зернистую структуру, высокую твердость, прочность и износостойкость деталей.

Существует ряд способов такой обработки: цементация – насыщение поверхностных слоев стали углеродом; азотирование – насыщение азотом; цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом; борирование – насыщение бором и др. Глубина насыщения невелика, обычно 0,2…1 мм.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых легированных сталей 15, 20Х, 12Х2Н4А, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА и др. Для изготовления азотируемых деталей обычно используют стали 38Х2МЮА, 38Х2Ю и др., а для цианируемых деталей – стали марок 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 35Х, 40Х и др.

В последние годы широкое распространение получает обработка поверхностей деталей концентрированными потоками энергии (лазерная, плазменная и др.), существенно повышающая прочность поверхностных слоев и износостойкость деталей.

Чугуны

Чугуном называют железный нековкий сплав с содержанием углерода свыше 2 %.

Он обладает высокими литейными свойствами, определившими области его использования в качестве конструкционного материала. Хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые, ковкие и серые. В изделиях общемашиностроительного применения широко используют серый чугун, обозначаемый буквами СЧ и двузначной цифрой, показывающей деленное на 10 значение пределов прочности при растяжении в МПа (например, СЧ10, СЧ20 и т. д.). Его используют для изготовления литых деталей относительно сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колеса, детали корпусов, шкивы ременных передач и др.). Обладая высокими литейными свойствами, эти чугуны хорошо обрабатываются методами резания, имеют среднюю прочность (), удовлетворительную износостойкость, высокую демпфирующую способность.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди разделяют на латуни и бронзы.

Латуни подразделяют на двойные (сплавы меди и цинка) и многокомпонентные (содержат дополнительно компоненты: свинец, кремний, марганец и др.). Они обладают хорошими технологическими свойствами (обрабатываются давлением, резанием, литьем), имеют достаточную прочность (), хорошее сопротивление коррозии, сравнительно высокие антифрикционные свойства. Стоимость латуни в 5 раз и более превышает стоимость качественной стали. Ее используют для изготовления деталей узлов трения, а также для изготовления арматуры, проволоки и т. д.

В обозначении марки содержится буква Л, например: Л59, Л62, ЛКС80-3-3 и др.

Бронзы (кроме меди) содержат компоненты, определяющие их наименование (оловянистые, алюминиевые и др.). Бронзы обладают коррозионной стойкостью, высокими антифрикционными и технологическими свойствами (имеются литейные бронзы и бронзы, обрабатываемые давлением, – алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.), являются важнейшим, но дорогостоящим (примерно в 10 раз до- роже стали) антифрикционным материалом. Они широко применяются в подшипниках скольжения, в червячных и винтовых колесах и др. Бронзы обозначают буквами Бр, буквенными обозначениями основных компонентов, кроме меди (А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, О – олово, Ц – цинк, Ф – фосфор и др.), и цифрами, показывающими среднее содержание (в %) соответствующих компонентов. Например, БрА9Ж4 обозначает бронзу со средним содержанием алюминия 9 % и железа 4 %.

Баббиты

Баббиты – сплавы на основе олова, свинца и кальция – являются высококачественными хорошо прирабатывающимися антифрикционными подшипниковыми материалами. Их обозначают буквой Б и цифрой, выражающей (в %) содержание олова, или буквой, показывающей дополнительный компонент. Очень высокая стоимость баббитов (в 20 раз и более превышающая стоимость качественной стали) ограничивает области их использования.

Титановые сплавы

Титановые сплавы – это сплавы титана с алюминием и медью и другими присадками (ВТЗ-1, ВТ5, ВТ9, ВТ16, ВТ22 и др.).

Они имеют после термообработки высокую прочность () и небольшую плотность (), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов машин, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и других деталей в изделиях авиакосмической техники, судостроения, химической и пищевой промышленности.

Пластмассы

Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров (смол) – связующего, имеют 40-70 % «несущих» компонентов (наполнителя) в виде волокон (текстильных, стеклянных, асбестовых), ткани, бумаги, муки (древесной, минеральной) и др.

Благодаря невысокой плотности (), высокой коррозионной стойкости и сравнительно высокой прочности () пластмассы применяют (часто взамен металла) для изготовления различных деталей (корпусов, червячных колес и т. д.).

Наиболее распространены слоистые термореактивные пластмассы (текстолит – на основе хлопчатобумажной ткани, гетинакс – бумаги, асботекстолит – асбестовой ткани, стеклопластика и древесно- слоистого пластика и др.); термореактивные пластмассы (волокнит, фенопласт и др.), используемые для изготовления прессованием рукояток, шкивов, ступиц колес и других деталей изделий бытовой техники; термопластичные пластмассы (органической стекло – плексиглас, винипласт, фторопласт и др.) используются для изготовления стекол, труб, защитных пленок и др.; полиамиды (капрон, нейлон и др.) применяют для формовки деталей сложной конфигурации (ремни, зубчатые колеса и др.).

Резина

Резина – материал на основе натурального или искусственного каучука – обладает высокой упругой податливостью (малой жесткостью), хорошо гасит колебания, сопротивляется истиранию и т. д.

В зависимости от назначения резина изготовляется мягкой (для шин), пористой (для амортизаторов) и жесткой (эбонит – для изготовления электротехнических изделий).

Для повышения несущей способности резинотехнических изделий их «армируют» текстильными или стальными элементами (тканью, шнурами, лентой). Такую резину используют для изготовления автопокрышек, ремней, рукавов и др.