Mechanizm (inżynieria) - Mechanism (engineering)
W inżynierii , A mechanizm jest urządzenie że siły wejściowe i przekształca ruch w pożądanym zestaw sił wyjściowych i ruchu. Mechanizmy zazwyczaj składają się z ruchomych elementów, które mogą obejmować:
- Koła zębate i przekładnie zębate ;
- Napędy pasowe i łańcuchowe ;
- Kamery i obserwujący ;
- powiązania ;
- Urządzenia cierne, takie jak hamulce lub sprzęgła ;
- Elementy konstrukcyjne, takie jak rama, łączniki, łożyska, sprężyny lub smary;
- Różne elementy maszyn , takie jak wielowypusty, kołki czy klucze.
Niemiecki naukowiec Franz Reuleaux definiuje maszynę jako „połączenie odpornych ciał tak ułożonych, że za ich pomocą mechaniczne siły natury mogą być zmuszone do wykonywania pracy, której towarzyszy pewien określony ruch”. W tym kontekście jego użycie maszyny jest ogólnie interpretowane jako oznaczające mechanizm .
Połączenie siły i ruchu definiuje moc , a mechanizm zarządza mocą, aby osiągnąć pożądany zestaw sił i ruchu.
Mechanizm jest zwykle elementem większego procesu, zwanego systemem mechanicznym lub maszyną . Czasami cała maszyna może być określana jako mechanizm; przykładami są mechanizm kierowniczy w samochodzie lub mechanizm naciągowy zegarka na rękę . Jednak zazwyczaj zestaw wielu mechanizmów nazywany jest maszyną.
Pary kinematyczne
Od czasów Archimedesa do renesansu postrzegano mechanizmy jako skonstruowane z prostych maszyn , takich jak dźwignia , koło pasowe , śruba , koło i oś , klin i pochylona płaszczyzna . Reuleaux skupił się na ciałach, zwanych łączami , oraz połączeniach między tymi ciałami, zwanych parami kinematycznymi lub stawami .
Aby użyć geometrii do badania ruchu mechanizmu, jego połączenia są modelowane jako bryły sztywne . Oznacza to, że zakłada się, że odległości między punktami w łączu nie zmieniają się wraz z ruchem mechanizmu — to znaczy, że łącze nie ugina się. Uważa się zatem, że względny ruch między punktami w dwóch połączonych ogniwach wynika z pary kinematycznej, która je łączy.
Uważa się, że pary kinematyczne lub połączenia zapewniają idealne wiązania między dwoma ogniwami, takie jak wiązanie pojedynczego punktu dla czystego obrotu lub wiązanie linii dla czystego poślizgu, a także czyste toczenie bez poślizgu i punktowy kontakt z poślizgiem . Mechanizm jest modelowany jako zespół sztywnych ogniw i par kinematycznych.
Linki i stawy
Reuleaux nazwał idealne połączenia między ogniwami par kinematycznych . Wyróżnił pary wyższe , z kontaktem liniowym między dwoma ogniwami, i pary niższe , z kontaktem powierzchniowym między ogniwami. J. Phillips pokazuje, że istnieje wiele sposobów konstruowania par, które nie pasują do tego prostego modelu.
Dolna para: Dolna para to idealne połączenie, które ma kontakt powierzchniowy między parą elementów, jak w następujących przypadkach:
- Para obrotowa lub złącze przegubowe wymaga, aby linia w korpusie ruchomym pozostawała współliniowa z linią w korpusie nieruchomym, a płaszczyzna prostopadła do tej linii w korpusie ruchomym musi utrzymywać kontakt z podobną prostopadłą płaszczyzną w korpusie nieruchomym. ciało. Nakłada to pięć ograniczeń na względny ruch ogniw, co daje parze jeden stopień swobody.
- Połączenie pryzmatyczne lub suwak wymaga, aby linia w korpusie ruchomym pozostawała współliniowa z linią w korpusie stałym, a płaszczyzna równoległa do tej linii w korpusie ruchomym musi utrzymywać kontakt z podobną równoległą płaszczyzną w korpusie stałym . Nakłada to pięć ograniczeń na względny ruch ogniw, co daje parze jeden stopień swobody.
- Połączenie cylindryczne wymaga, aby linia w korpusie ruchomym pozostawała współliniowa z linią w korpusie nieruchomym. Łączy w sobie złącze obrotowe i złącze przesuwne. To połączenie ma dwa stopnie swobody.
- Przegub sferyczny lub przegub kulowy wymaga, aby punkt w korpusie ruchomym utrzymywał kontakt z punktem w korpusie nieruchomym. To połączenie ma trzy stopnie swobody.
- Płaskie połączenie wymaga, aby płaszczyzna w poruszającym się ciele utrzymywała kontakt z płaszczyzną w nieruchomym ciele. To połączenie ma trzy stopnie swobody.
- Złącze śrubowe lub złącze śrubowe ma tylko jeden stopień swobody, ponieważ ruchy ślizgowe i obrotowe są powiązane z kątem spirali gwintu.
Wyższe pary: Ogólnie rzecz biorąc, wyższa para jest wiązaniem, które wymaga kontaktu liniowego lub punktowego między powierzchniami elementarnymi. Na przykład kontakt między krzywką a popychaczem to wyższa para zwana przegubem krzywkowym . Podobnie, kontakt między krzywymi ewolwentowymi, które tworzą zazębiające zęby dwóch kół zębatych, są przegubami krzywkowymi.
Schemat kinematyczny
Schemat kinematyczny zmniejsza komponenty urządzenia do szkieletu diagramu podkreśla stawów i zmniejsza połączenia z prostych elementów geometrycznych. Diagram ten można również sformułować jako graf , przedstawiając powiązania mechanizmu jako krawędzie, a połączenia jako wierzchołki grafu. Ta wersja wykresu kinematycznego okazała się skuteczna w wyliczaniu struktur kinematycznych w procesie projektowania maszyn.
Ważnym czynnikiem w tym procesie projektowania jest stopień swobody układu połączeń i połączeń, który jest określany za pomocą kryterium Chebycheva–Grüblera–Kutzbacha .
Planarne mechanizmy
Chociaż wszystkie mechanizmy w systemie mechanicznym są trójwymiarowe, można je analizować za pomocą geometrii płaszczyzny, jeśli ruch poszczególnych komponentów jest ograniczony w taki sposób, że trajektorie wszystkich punktów są równoległe lub połączone szeregowo z płaszczyzną. W tym przypadku system nazywany jest mechanizmem planarnym . Analiza kinematyczna mechanizmów planarnych wykorzystuje podzbiór specjalnej grupy euklidesowej SE , składający się z planarnych obrotów i translacji, oznaczony SE.
Grupa SE jest trójwymiarowa, co oznacza, że każda pozycja ciała w płaszczyźnie jest określona trzema parametrami. Parametrami są często współrzędne x i y początku układu współrzędnych w M , mierzone od początku układu współrzędnych w F oraz kąt mierzony od osi x w F do osi x w M . Często mówi się, że ciało w płaszczyźnie ma trzy stopnie swobody .
Czysty obrót zawiasu i liniowe przesunięcie suwaka można utożsamiać z podgrupami SE i definiują dwa połączenia o jednym stopniu swobody połączeń mechanizmów płaskich. Połączenie krzywkowe utworzone przez dwie powierzchnie stykające się ślizgowo i obrotowo jest połączeniem o dwóch stopniach swobody.
Mechanizmy kuliste
Możliwe jest skonstruowanie mechanizmu tak, że trajektorie punktów we wszystkich komponentach leżą w koncentrycznych kulistych powłokach wokół stałego punktu. Przykładem jest żyroskop kardanowy . Urządzenia te nazywane są mechanizmami sferycznymi. Mechanizmy kuliste są konstruowane przez łączenie ogniw za pomocą przegubów tak, że osie każdego zawiasu przechodzą przez ten sam punkt. Ten punkt staje się środkiem koncentrycznych kulistych powłok. Ruch tych mechanizmów charakteryzuje grupa obrotów SO(3) w przestrzeni trójwymiarowej. Inne przykłady mechanizmów kulistych to dyferencjał samochodowy i nadgarstek robota.
Grupa rotacyjna SO(3) jest trójwymiarowa. Przykładem trzech parametrów określających obrót przestrzenny są kąty przechyłu, pochylenia i odchylenia używane do określenia orientacji samolotu.
Mechanizmy przestrzenne
Mechanizm, w którym ciało porusza się poprzez ogólny ruch przestrzenny, nazywany jest mechanizmem przestrzennym . Przykładem jest połączenie RSSR, które może być postrzegane jako połączenie czteroprętowe, w którym przeguby łącznika sprzęgu są zastąpione końcówkami drążków , zwanymi również przegubami kulistymi lub przegubami kulowymi . Końcówki drążków pozwalają korbom wejściowym i wyjściowym połączenia RSSR na przesunięcie do punktu, w którym leżą w różnych płaszczyznach, co powoduje ruch łącznika sprzęgającego w ogólnym ruchu przestrzennym. Ramiona robotów , platformy Stewart i humanoidalne systemy robotyczne to także przykłady mechanizmów przestrzennych.
Połączenie Bennetta jest przykładem mechanizmu nadmiernie ograniczonego przestrzennie , który jest zbudowany z czterech przegubów.
Grupa SE(3) jest sześciowymiarowa, co oznacza, że położenie ciała w przestrzeni jest określone przez sześć parametrów. Trzy z parametrów definiują początek ruchomej ramki odniesienia względem ramki stałej. Trzy inne parametry definiują orientację ruchomej ramy względem stałej ramy.
Powiązania
Połączenie to zbiór łączy połączonych złączami. Ogólnie rzecz biorąc, łączniki są elementami konstrukcyjnymi, a złącza umożliwiają ruch. Być może najbardziej użytecznym przykładem jest płaski czterobelkowy łącznik . Istnieje jednak wiele innych powiązań specjalnych:
- Połączenie Watta to połączenie czteroprętowe, które generuje przybliżoną linię prostą. Miało to kluczowe znaczenie dla działania jego projektu silnika parowego. To połączenie pojawia się również w zawieszeniach pojazdów, aby zapobiegać ruchom nadwozia na boki względem kół.
- Skuteczność wiązania Watta doprowadziła do zaprojektowania analogicznych przybliżone wiązania liniową, takich jak wiązanie Hoeken za i wiązanie Czebyszewa użytkownika .
- Połączenie Peaucellier generuje prawdziwe wyjście w linii prostej z wejścia obrotowego.
- Połączenie Sarrus jest połączeniem przestrzennym, które generuje ruch w linii prostej z wejścia obrotowego.
- Połączenie Klann i połączenie Jansen to najnowsze wynalazki, które zapewniają interesujące ruchy chodzenia. Są to odpowiednio sześcioprętowe i ośmioprętowe zawieszenie.
Zgodne mechanizmy
Mechanizm zgodny jest szereg sztywnych korpusów połączonych elementów zgodnych. Mechanizmy te mają wiele zalet, m.in. zmniejszoną liczbę części, zmniejszone „rozsypywanie się” połączeń (brak ruchu pasożytniczego z powodu przerw między częściami), magazynowanie energii, niskie koszty utrzymania (nie wymagają smarowania i mają niewielkie zużycie mechaniczne) oraz łatwość produkcji.
Łożyska zginane (znane również jako połączenia zginane ) to podzbiór zgodnych mechanizmów, które wytwarzają dobrze zdefiniowany geometrycznie ruch (obrót) po przyłożeniu siły.
Mechanizmy krzywkowe i popychacze
Mechanizm krzywkowo - popychaczowy powstaje przez bezpośredni kontakt dwóch specjalnie ukształtowanych ogniw. Ogniwo napędowe nazywane jest krzywką, a ogniwo, które jest napędzane przez bezpośredni kontakt ich powierzchni, nazywane jest popychaczem. Kształt stykających się powierzchni krzywki i popychacza determinuje ruch mechanizmu. Ogólnie energia mechanizmu krzywkowego i popychacza jest przekazywana z krzywki na popychacz. Wałek rozrządu obraca się i zgodnie z profilem krzywki popychacz porusza się w górę iw dół. Obecnie dostępne są również nieco inne typy mimośrodowych popychaczy, w których energia jest przekazywana z popychacza na krzywkę. Główną zaletą tego typu mechanizmu krzywki i popychacza jest to, że popychacz porusza się nieznacznie i pomaga obrócić krzywkę o sześć razy większą długość obwodu z 70% siły.
Koła zębate i układy zębate
Przeniesienie obrotu między stykającymi się kołami zębatymi można wywieść z greckiego mechanizmu z Antykithiry i chińskiego rydwanu skierowanego na południe . Ilustracje renesansowego naukowca Georgiusa Agricoli przedstawiają przekładnie zębate z cylindrycznymi zębami. Dzięki zastosowaniu zęba ewolwentowego uzyskano standardową konstrukcję przekładni, która zapewnia stały stosunek prędkości. Niektóre ważne cechy kół zębatych i przekładni zębatych to:
- Przełożenie kół podziałowych współpracujących kół zębatych określa przełożenie prędkości i mechaniczną przewagę zestawu kół zębatych.
- Planetarnych przekładni zębatej zapewnia wysoką redukcję biegów w kompaktowej obudowie.
- Możliwe jest zaprojektowanie uzębienia dla kół zębatych, które nie są kołowe , a mimo to płynnie przenoszą moment obrotowy.
- Przełożenia prędkości napędów łańcuchowych i pasowych są obliczane w taki sam sposób jak przełożenia przekładni .
Synteza mechanizmu
Projektowanie mechanizmów w celu osiągnięcia określonego przeniesienia ruchu i siły jest znane jako kinematyczna synteza mechanizmów . Jest to zestaw technik geometrycznych, które zapewniają wymiary połączeń, mechanizmów krzywkowych i popychaczy oraz kół zębatych i przekładni zębatych w celu wykonania wymaganego ruchu mechanicznego i przeniesienia mocy.
Zobacz też
- Pociąg zębaty
- Połączenie (mechaniczne)
- Maszyna (mechaniczna)
- System mechaniczny
- Zegarek mechaniczny
- Zarys maszyn
- Praca wirtualna
- Mechanizm Hobermana
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Zrównoważony mechanizm zawiasowo-dźwigniowy
- 507 Mechaniczne ruchy publikacja z 1908 roku autorstwa Henry'ego T. Browna
- Maszyny i mechanizmy Wiki
- Kinematic Models for Design Digital Library (KMODDL) kolekcje filmów i zdjęć setek modeli mechanizmów
- Sześcioprętowy łącznik w linii prostej w kolekcji modeli Reuleaux na Uniwersytecie Cornell
- Animacje różnych mechanizmów
- Przykład sześciotaktowego generatora funkcji, który oblicza kąt dla danego zakresu
- Różnorodne animacje powiązań
- Różnorodność sześcioprętowych układów zawieszenia
- Animacja kulistego rozkładanego mechanizmu