Механи́змНаучно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия» ( — приспособление, устройство) — внутреннее устройство машины, прибора, аппарата, приводящее их в действиеЯндекс. Словари › Толковый словарь иноязычных слов — 2004.
Механизмы служат для передачи движения и преобразования энергии (редуктор, насос, электрический двигатель). Теория механизмов и машин определяет механизм как такую кинематическую цепь, в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев относительно любого из них, все остальные звенья совершают однозначно определяемые движения.
Механизм характеризуется числом степеней свободы — количеством независимых скалярных параметров, задание которых в виде функций времени однозначно определяет траектории и скорости всех точек механизмаПримером механизма с двумя степенями свободы может служить дифференциал автомобиля: для однозначного определения его движения достаточно указать, как зависят от времени углы поворота двух из трёх его звеньев — карданного вала и полуосей колёс..
Как преобразователь движения механизм видоизменяет скорости или траектории (или же и то, и другое). Он преобразует скорости, если при известной скорости одной из его частей другая его часть совершает движение, подобное движению первой, но с другой скоростью. Механизм преобразует траекторию, если, в то время как одна из его точек описывает известную траекторию, другая описывает другую заданную траекторию.
Определённость движения механизма достигается надлежащим попарным соединением его частей. Если требуется поставить тело A в такие условия, чтобы оно могло проходить последовательно только через определенные положения, то определяют поверхность, касательную ко всем этим положениям тела A (такая поверхность называется огибающей) и делают в неподвижном теле B канал, имеющий форму найденной огибающей. Тело A, помещённое в такой канал, будет способно только к определённому движению.
Виды и типы Механизмы делятся на следующие виды и типы:
Вспомогательные судовые механизмы; Газораспределительный механизм; Заводной механизм; Направляющие механизмы; Параллелограммы; Переборный механизм; Передаточные механизмы; Поворотный механизм; Подъёмные механизмы; Рулевой механизм; Храповой механизм; и так далее.
Элементы механизмов Такая совокупность двух тел, в которой формой одного тела определяется весь ряд последовательных положений, которые способно в нём занять другое тело, называется кинематической парой. Тела, составляющие пару, называются её звеньями. Например, тело, имеющее призматический канал, и помещённая в этот канал призма составляют поступательную пару, потому что одно из этих тел может совершать относительно другого только поступательное движение. Цилиндрическая втулка и размещённый в ней шип (снабжённый закраинами, не дающими ему выскочить из втулки) составляют вращательную пару. Винт и гайка составляют винтовую пару; расстояние между нарезками винта, считаемое по направлению оси винта, называют его шагом (обойдя винт один раз, нарезка приближается к концу винта на один шаг). Заметим, что поступательную пару можно формально трактовать как винтовую, шаг которой равен бесконечности, а вращательную пару — как винтовую с шагом, равным нулю.
Перечисленные кинематические пары называются простыми; отличительное свойство их — в том, что относительное движение одного их звена по отношению к другому тождественно с относительным движением второго звена по отношению к первому.
Кинематические пары, не обладающие этим свойством, называются высшими. Таковы: зацепляющиеся между собой зубчатые колёса, шкив и перекинутый через него ремень, дуговой двухсторонник и полая трёхгранная призма и многие другие. Применительно к высшим кинематическим парам используют такую терминологию: движение звена A относительно звена B называется обращённым по отношению к движению звена B относительно звена A.
Одну из наиболее интересных высших пар представляет собой эллиптический циркуль. Он состоит из доски, в которой сделаны два крестообразно пересекающихся между собой прямолинейных, перпендикулярных друг к другу прореза, и из стержня с выступающими на концах цилиндрическими шипами, диаметры которых равны ширине прорезов. Стержень вставляется шипами в прорезы так, чтобы один шип ходил по одному, а другой по другому из прорезов; с противоположной стороны на шипы навинчиваются винты с головками, препятствующими шипам выскочить из прорезов. При неподвижности доски траектории всех точек стержня суть эллипсы (частные случаи: траектории центров шипов — прямые линии, траектория середин стержня — окружность). Движение стержня относительно доски происходит так, как будто бы соединённый с ним круг, построенный на нём как на диаметре, катился по внутренней стороне окружности, описанной из точки пересечения средних линий прорезов радиусом, равным диаметру катящегося круга. При этом в обращённом движении (т. е. при неподвижности стержня) все точки доски описывают улитки Паскаля.
Звено B, соединённое в какую-либо пару со звеном A, может быть соединено в пару же со звеном C, которое, в свою очередь, может составлять пару со звеном D и так далее. Такое последовательное соединение звеньев в пары называется кинематической цепью. Если последнее звено кинематической цепи соединено в пару с первым, то цепь называется замкнутой, в противном случае она называется открытой.
Кинематическая замкнутая цепь, получающая при неподвижности одного из звеньев вполне определённое движение, характеризующее механизм, называется принудительной. Когда в принудительной цепи одно из звеньев предполагается неподвижным, то говорят, что цепь поставлена на этом звене. Ставя принудительную цепь последовательно на разные её звенья, получим столько механизмов, сколько имеется звеньев в цепи. Примером принудительной цепи может служить шарнирный четырёхзвенник, состоящий из четырёх стержней, соединённых между собой вращательными парами, называемыми шарнирами.
Типы механизмов
Плоские механизмы Механизм, все точки которого описывают траектории, лежащие в параллельных между собой плоскостях, называется плоским. Движение твёрдого тела, в котором все его точки описывают траектории, параллельные одной и той же плоскости, также называется плоским.
Всякое плоское движение происходит так, как будто бы некоторая кривая, соединённая неизменяемо с движущимся телом, катилась по некоторой другой неподвижной кривой; эти кривые называются полодиями. Полодии, как катящиеся друг по другу кривые, постоянно прикасаются одна к другой. Их общая точка прикосновения называется мгновенным полюсом. В течение весьма малого промежутка времени движение тела можно рассматривать как бесконечно малое вращение около мгновенного полюса. Так, например, в описанном выше эллиптическом циркуле движение, как мы видели, приводится к качению одного круга по другому; эти круги и есть полодии данного движения. Если бы весь эллиптический циркуль (и доска, и стержень) был подвижен, то всё-таки относительное движение стержня и доски было бы тем же самым и определялось бы качением тех же полодий. Относительное движение каждых двух звеньев принудительной цепи, хотя бы эти звенья и не были соседними, составляя пару, характеризуется качением двух соответствующих полодий (в плоском механизме). Всякое движение твёрдого тела (не плоское) приводится к качению друг по другу, соединённому со скольжением, двух линейчатых поверхностей, называемых аксоидами.
Пространственные механизмы Механизм, не являющийся плоским, называется пространственным. Одним из примеров пространственного механизма является обычный межколёсный дифференциал автомобиля на конических шестернях; ряд других примеров рассмотрен ниже.
Зубчатые колёса Наибольшим практическим значением из всех высших пар пользуются зубчатые колёса, представляющие собой необходимое для преодоления более или менее значительных сопротивлений видоизменение катков. Цилиндрическими катками называются цилиндрические твёрдые тела, вращающиеся около своих геометрических осей и прикасающиеся друг к другу своими боковыми поверхностями, которые делаются шероховатыми. Если вращать один из таких катков, то благодаря существующему между катками трению и другой будет вращаться. Скорости вращения были бы обратно пропорциональны радиусам, если бы катки не скользили один по другому. Полодиями относительного движения двух соприкасающихся катков служат окружности основания самих катков. Чтобы устранить скольжение полодий, можно было бы на каждом из катков сделать впадины и выступы, чтобы выступы одного входили во впадины другого. Это и будут зубчатые колеса.
Полодии двух зацепляющихся между собой зубчатых цилиндрических (лобовых) колес суть окружности, называемые начальными. Отношение угловых (вращательных) скоростей обратно пропорционально радиусам начальных окружностей. Впадины и выступы зубчатого колеса образуют зубцы. Расстояние между двумя соответственными точками пересечения профилей двух соседних зубцов с начальной окружностью, считаемое по этой окружности, называется шагом. Приготовление зубчатого колеса начинается с того, что начальную окружность его, размер которой определяется по данной относительной скорости колеса, делят на столько равных частей, сколько зубцов предполагается сделать на колесе; расстояние между соседними точками деления и будет равно шагу. Шаги сцепляющихся колес должны быть равны между собой, а, следовательно, радиусы начальных окружностей пропорциональны числам зубцов. Если полодии относительного движения двух зубчатых колёс суть окружности, то отношение скоростей обратно пропорционально радиусам полодий и, следовательно, постоянно; такое постоянство и требуется от правильно устроенных колёс, а так как в зубчатых колёсах полодии ничем не отмечены, то сама форма зубцов должна быть такова, чтобы при сцеплении их относительное движение колёс характеризовалось бы круговыми полодиями данных радиусов.
Существует несколько способов определения правильной формы зубцов, удовлетворяющих этому условию. Все эти способы основаны на следующем соображении. Пусть дан профиль зубца колеса A; покатим начальную окружность колеса A по начальной окружности колеса B на один шаг и найдем огибающую ко всем положениям, принимаемым при этом данным зубцом; эта огибающая и будет, по общему методу построения пар, представлять собой искомую форму зубца колеса B. Способ этот приложим к определению вида зубца колеса B в том случае, когда профиль зубца колеса A есть маленькая окружность, описанная из точки деления начальной окружности радиусом, раза в четыре меньшим шага; такое колесо называется цевочным и имеет зубцы, называемые цевками, в виде палок, параллельных оси колеса (профили цевок суть кружки, представляющие собой сечения цевок плоскостью, перпендикулярной к оси колеса). Покатим цевочное колесо A по колесу B; при этом центр цевки опишет эпициклоиду и огибающая последовательных положений цевки будет кривая, параллельная этой эпициклоиде и отстоящая от неё на расстояние радиуса цевки. Этой кривой и нужно ограничить бок зубца колеса B. Полный зубец ограничивается двумя такими боками, расположенными симметрично относительно средней линии зубца, направленной по радиусу колеса.