Механизмы, применяемые в современных машинах и системах, весьма многообразны и классифицируются по многим признакам.

1. По области применения и функциональному назначению:

– механизмы летательных аппаратов;

– механизмы станков;

– механизмы кузнечных машин и прессов;

– механизмы двигателей внутреннего сгорания;

– механизмы промышленных роботов (манипуляторы);

– механизмы компрессоров;

– механизмы насосов и т.д.

1. По виду передаточной функции на механизмы:

– с постоянной передаточной функцией;

– с переменной передаточной функцией:

– с нерегулируемой (синусные, тангенсные);

– с регулируемой:

– со ступенчатым регулированием (коробки передач);

– с бесступенчатым регулированием (вариаторы).

1. По виду преобразования движения:

– вращательное во вращательное (редукторы, мультипликаторы, муфты)

– вращательное в поступательное;

– поступательное во вращательное;

– поступательное в поступательное.

1. По движению и расположению звеньев в пространстве:

– пространственные;

– плоские;

– сферические.

1. По изменяемости структуры механизма на механизмы:

– с неизменяемой структурой;

– с изменяемой структурой.

1. По числу подвижностей механизма:

– с одной подвижностью W = 1;

– с несколькими подвижностями W > 1:

– суммирующие (интегральные);

– разделяющие (дифференциальные).

1. По виду кинематических пар (КП):

– с низшими КП ( все КП механизма низшие );

– с высшими КП ( хотя бы одна КП высшая );

– шарнирные (все КП механизма вращательные – шарниры).

1. По способу передачи и преобразования потока энергии:

– фрикционные (сцепления);

– зацеплением;

– волновые (создание волновой деформации);

– импульсные.

1. По форме, конструктивному исполнению и движению звеньев:

– рычажные;

– зубчатые;

– кулачковые;

– фрикционные;

– винтовые;

– червячные;

– планетарные;

– манипуляторы;

– механизмы с гибкими звеньями.

Кроме того, существует большое число различных составных или комбинированных механизмов, представляющих собой те или иные сочетания механизмов перечисленных выше видов.

Однако для фундаментального понимания функционирования машин базовым классификационным признаком является структура механизмов − совокупность и взаимоотношения входящих в систему элементов.

Изучая плоские рычажные механизмы с низшими кинематическими парами, профессор Петербургского университета Л.В.Ассур в 1914 г. обнаружил, что любой самый сложный механизм фактически состоит не просто из отдельных звеньев, а из простейших структурных групп, образованных звеньями и кинематическими парами − небольших открытых кинематических цепей. Он предложил оригинальную структурную классификацию, в которой все механизмы состоят из первичных механизмов и структурных групп (групп нулевой подвижности или “групп Ассура”).

В 1937 г.  советский  академик И.И. Артоболевский усовершенствовал и дополнил эту классификацию, распространив ее вплоть до пространственных механизмов с поступательными кинематическими парами.

Сущность структурной классификации состоит в использовании понятия структурной группы, из которых состоят все механизмы.

Значение передаточных механизмов в машиностроении

Основными функциями передаточных механизмов являются:

– передача и преобразование движения;

– изменение и регулирование скорости;

– распределение потоков мощности между различными исполнительными органами данной машины;

– пуск, останов и реверсирование движения.

Эти функции должны выполняться безотказно с заданными степенью точности и производительностью в течение определенного промежутка времени. При этом механизм должен иметь минимальные габаритные размеры, быть экономичным и безопасным в эксплуатации. В ряде случаев к передаточным механизмам могут быть предъявлены и другие требования: надежная работа в загрязненной или агрессивной среде, при высоких или весьма низких температурах и т. д. Удовлетворение всем этим требованиям представляет собой сложную задачу и требует от проектировщика умения хорошо ориентироваться в многообразии современных механизмов, знания современных конструкционных материалов, новейших методов расчета деталей и элементов машин, знакомства с влиянием технологии изготовления деталей на их долговечность, экономичность и т. д.

Одной из задач курса «Детали машин» и является обучение методам проектирования передаточных механизмов общего назначения.

Большинство современных машин и приборов создается по схеме двигатель – передача – рабочий орган (исполнительный механизм). Необходимость введения передачи как промежуточного звена между двигателем и рабочими органами машины связана с решением ряда задач.

Например, в автомобилях и других транспортных машинах требуется изменять величину скорости и направление движения, а на подъемах и при трогании с места необходимо в несколько раз увеличить вращающий момент на ведущих колесах. Сам автомобильный двигатель не может выполнять эти требования, так как он работает устойчиво только в узком диапазоне изменения величины вращающего момента и угловой скорости. При выходе за пределы этого диапазона двигатель останавливается. Подобно автомобильному двигателю слабо регулируются многие другие двигатели, в том числе большинство электрических.

В некоторых случаях регулирование двигателя возможно, но нецелесообразно по экономическим соображениям, так как за пределами номинального режима работы КПД двигателей существенно понижается.

Масса и стоимость двигателя при одинаковой мощности уменьшаются с увеличением угловой скорости его вала. Применение таких двигателей с передачей, понижающей угловую скорость, вместо двигателей с малой угловой скоростью без передачи экономически более целесообразно.

В связи с широким распространением комплексной механизации и автоматизации производства значение передач в   машинах   еще   более увеличивается. Требуется разветвление потоков энергии и одновременная передача движения с различными   параметрами   к нескольким  исполнительным    органам от одного источника – двигателя. Все это делает  передачи одним из существенных элементов большинства современных машин и установок.

Классификация деталей машин

Не существует абсолютной, полной и завершённой классификации всех существующих деталей машин, т.к. конструкции их многообразны и, к тому же, постоянно разрабатываются новые.

В зависимости от сложности изготовления детали делятся на простые и сложные. Простые детали для своего изготовления требуют небольшого числа уже известных и хорошо освоенных технологи­ческих операций и изготавливаются при массовом производстве на станках-автоматах (например, крепежные изделия – болты, винты, гайки, шайбы, шплинты; зубчатые колеса небольших размеров и т.п.). Сложные детали имеют чаще всего достаточно сложную конфигурацию, а при их изго­товлении применяются достаточно сложные технологические операции и используется значительный объем ручного труда, для выполнения которого в последние годы все чаще применяются роботы (например, при сборке-сварке кузовов легковых автомобилей).

По функциональному назначению узлы и детали делятся на типовые  группы  по характеру их использования.

– ПЕРЕДАЧИ предназначены для передачи и преобразования движения, энергии в машинах. Их разделяют на передачи зацеплением, передающие энергию посредством взаимного зацепления зубьев (зубчатые, червячные и цепные), и передачи  трением, передающие энергию посредством сил трения, вызываемых начальным натяжением ремня (ременные передачи) или прижатием одного катка к другому (фрикционные передачи).

– ВАЛЫ и ОСИ. Валы служат для передачи вращающего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей передач (зубчатые колёса, шкивы звёздочки), устанавливаемых на валах. Оси служат для поддержания вращающихся, деталей без передачи полезных вращающих моментов.

– ОПОРЫ служат для установки валов и осей.

– ПОДШИПНИКИ. Предназначены для закрепления валов и осей в пространстве. Оставляют валам и осям только одну степень свободы – вращение вокруг собственной оси. Подшипники делятся на две группы в зависимости от вида трения в них: а) качения;  б) скольжения.

– МУФТЫ предназначены для передачи крутящего момента с одного вала на другой. Муфты бывают постоянными, не допускающие разъединения валов при работе машин и сцепные, допускающие сцепление и расцепление валов.

– СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ (СОЕДИНЕНИЯ) соединяют детали между собой.

Они бывают двух видов:

а) разъемные – их можно разобрать без разрушения. К ним относятся резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, клеммовые;

б) неразъемные – разъединение деталей невозможно без их разрушения или связано с опасностью их повреждения. К ним относятся сварочное, клеевое, заклепочное, прессовое соединения.

– УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Их применяют: а) для защиты от вибраций и ударов; б) для совершения в течение длительного времени полезной работы путем предварительного аккумулирования или накопления энергии (пружины в часах);  в) для создания натяга, осуществления обратного хода в кулачковых и других механизмах и т.д.

– ИНЕРЦИОННЫЕ ДЕТАЛИ И ЭЛЕМЕНТЫ предназначены для предотвра­щения или ослабления колебаний (в линейном или вращательном движе­ниях) за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии (ма­ховики, противовесы, маятники, бабы, шаботы).

– ЗАЩИТНЫЕ ДЕТАЛИ И УПЛОТНЕНИЯ предназначены для защиты внут­ренних полостей узлов и агрегатов от действия неблагоприятных факторов внешней среды и от вытекания смазочных материалов из этих полостей (пы­левики, сальники, крышки, рубашки и т.п.).

– КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ предназначенны для размещения и фиксации подвижных деталей механизма, для их защиты от действия неблагоприят­ных факторов внешней среды, а также для крепления механизмов в составе машин и агрегатов. Часто, кроме того, корпусные детали используются для хранения эксплуатационного запаса смазочных материалов.

– ДЕТАЛИ И УЗЛЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ предназначены для воздействия на агрегаты и механизмы с целью изменения их режима работы или его поддержания на оптимальном уровне (тяги, рычаги, тросы и т.п.).

– ДЕТАЛИ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ. К ним можно отнести устройства для защиты от загрязнений, для смазывания и т.д.

 

Разъемные соединения деталей машин

В каждой машине существуют звенья, образованные путём соединения деталей. Разъёмными соединениями называют соединения, разборка которых происходит без нарушения целостности составных частей изделия. Разъёмные соединения могут быть как подвижными, так и неподвижными. Наиболее распространенными в машиностроении видами разъёмных соединений являются: резьбовые, шпоночные, шлицевые, клиновые, штифтовые и профильные. Более 60% разъёмных соединений в машиностроении приходится на резьбовые соединения.

Резьбовые соединения

Резьбовым называют разъёмное соединение составных частей изделия с применением детали, имеющей резьбу. Резьба представляет собой чередующиеся выступы и впадины на поверхности тела вращения, расположенные по винтовой линии. Телом вращения может быть цилиндр или круглое отверстие – цилиндрические резьбы. Иногда используется коническая резьба. Профиль резьбы соответствует определённому стандарту.

 

Крепежно-уплотняющие резьбы. Их используют в резьбовых изделиях, предназначенных как для скрепления деталей, так и для создания герметичности. К ним относятся резьбы: трубная цилиндрическая, трубная коническая, коническая дюймовая, круглая дюймовая. Обычно, такие резьбовые соединения используются для герметичного соединения металлических труб.

Две трубы соединяются при помощи цилиндрической муфты (фитинга). Муфта, в отверстии, имеет сквозную резьбу соответствующую резьбе на трубах. На одну трубу накручивается контргайка, а затем муфта. Затем в муфту вкручивается вторая труба, и наконец, муфта поджимается контргайкой. Для надёжного герметичного соединения труб, перед сборкой, следует витки резьбы обмотать паклей или специальной синтетической нитью. Можно для герметизации воспользоваться жидким герметиком, который застывает в резьбе, но такое соединение, в случае ремонта, разобрать будет очень сложно. Трубы большого диаметра соединяются при помощи фланцев. Фланцы труб стягиваются между собой с помощью болтовых соединений.

Установочные винты и соединения.

Установочные винты применяют для фиксации положения деталей и предотвращения их сдвига.

а) С плоским торцом, используется для фиксации при малой толщине детали. б) Конический хвостовик. в) Ступенчатый хвостовик.

Ступенчатый и конический хвостовики используются для крепления деталей имеющих предварительное засверливание.

Пример использования установочного винта с коническим хвостовиком.

Болты и соединения специального назначения.

 

Фундаментные болты. Специальные крепёжные элементы, изготовленные в виде стержня с резьбой. Они служат в основном для крепления различного оборудования и строительных конструкций. Их применяют в местах, где необходимо прочное и надёжное крепление конструкций в бетонном, кирпичном, каменном или другом основании. Болт помещается в основание и заливается бетоном. ГОСТ 24379.1-80

Рым-болт (болт нагруженный) – предназначен для захвата и перемещения машин и деталей при монтаже, разработке, погрузке и тому подобное. ГОСТ 4751-73

Крюк с болтом нагруженным – предназначен для зацепления и перемещения различных грузов.

Гайки

В разъёмных резьбовых соединениях болты и шпильки снабжены гайками. Гайки, в отверстиях имеют ту же резьбу, что и болты (тип, диаметр, шаг). Резьбовое отверстие в гайках определяется из таблиц. Для метрических резьб диаметр отверстия вычисляется по формуле D = d – p, где d – диаметр наружной резьбы (болта); p – шаг резьбы. Например, для гайки М14 с шагом 2 диаметр отверстия будет D = 14 – 2 = 12 мм. Наиболее распространены шестигранные гайки, которые затягиваются гаечными ключами.

а) Гайка с фаской;
б) Проточная гайка;
в) Гайки для нагруженных соединений;
г) Прорезные гайки;
д) Гайки для закручивания с небольшой силой затяжки без ключа.

Шайбы
Шайбы предназначены для увеличения опорной поверхности и предохранение деталей от задиров. Шайбы обычно имеют форму диска с отверстием в середине. Диаметр отверстия должен соответствовать диаметру болта.

Шайба подкладывается под головку болта, в случае затяжки болтом или под гайку, в случае затяжки гайкой. В вибронагруженных механизмах, для предотвращения самоотворачивания резьбовых соединений используются пружинистые разрезные шайбы (граверные шайбы).

Шпоночные соединения

Шпоночные соединения служат для закрепления на валу (или оси) вращающихся деталей (зубчатых колес, шкивов, муфт и т. п.), а также для передачи вращающего момента от вала к ступице детали или, наоборот, от ступицы к валу. Конструктивно, на валу делается паз, в который закладывается шпонка и затем на эту конструкцию надевается колесо, которое так же имеет шпоночный паз.

В зависимости от назначения шпоночного соединения существуют шпонки разной формы:

а) Призматическая шпонка с плоским торцом;

б) Призматическая шпонка с плоским торцом и отверстиями для крепежных винтов;

в) Шпонка со скруглённым торцом;

г) Шпонка со скруглённым торцом и отверстиями для крепежных винтов;

д) Сегментная шпонка;

е) Клиновая шпонка;

ж) Клиновая шпонка с упором.

Пример установки сегментной шпонки

Клиновые шпонки имеют форму односкосных самотормозящих клиньев с уклоном 1:100. Такой же уклон имеют и пазы в ступицах. Головка служит для выбивания шпонки из паза.

Клиновые соединения

Клиновые соединения деталей осуществляется клиньями – деталями с двумя рабочими гранями в виде наклонных плоскостей. Клинья вводятся в паз, который разжимаясь, удерживает деталь на основании. Пример крепления клином при сборке молотка:

Грани клиньев имеют уклон от 1/20 до 1/100, что обеспечивает самоторможение клина. При больших уклонах требуются устройства (винты и шплинты), предохраняющие клин от самопроизвольного выдвижения.Так же, клиновые соединения могут осуществляться не за счёт разжимания паза, а за счёт удержания клина в пазу, например соединения стержень – втулка: При соединениях стержень – втулка толщина клина, как правило, составляет от 0,25 до 0,5 диаметра стержня, а высота от 1,1 до 1,2 диаметра втулки.