Mechanizm (inżynieria)
W inżynierii mechanizm jest urządzeniem , które przekształca siły wejściowe i ruch w pożądany zestaw sił wyjściowych i ruchu . Mechanizmy zazwyczaj składają się z ruchomych elementów, które mogą obejmować:
- zębate i przekładnie zębate ;
- pasowe i łańcuchowe ;
- Kamery i obserwujący ;
- powiązania ;
- Urządzenia cierne, takie jak hamulce lub sprzęgła ;
- Elementy konstrukcyjne, takie jak rama, elementy złączne, łożyska, sprężyny lub smary;
- Różne elementy maszyn , takie jak wielowypusty, sworznie, czy klucze.
Niemiecki naukowiec Franz Reuleaux definiuje maszynę jako „kombinację odpornych ciał tak ułożonych, że za ich pomocą mechaniczne siły natury mogą zostać zmuszone do wykonania pracy, której towarzyszy określony ruch”. W tym kontekście jego użycie maszyny jest ogólnie interpretowane jako mechanizm .
Połączenie siły i ruchu określa moc , a mechanizm zarządza mocą w celu osiągnięcia pożądanego zestawu sił i ruchu.
Mechanizm jest zwykle częścią większego procesu, znanego jako system mechaniczny lub maszyna . Czasami cała maszyna może być określana jako mechanizm; przykładami są mechanizm kierowniczy w samochodzie lub mechanizm nakręcania zegarka na rękę . Jednak zazwyczaj zestaw wielu mechanizmów nazywany jest maszyną.
Pary kinematyczne
Od czasów Archimedesa do Renesansu mechanizmy były postrzegane jako zbudowane z prostych maszyn , takich jak dźwignia , koło pasowe , śruba , koło i oś , klin i pochylona płaszczyzna . Reuleaux skupił się na ciałach, zwanych ogniwami , 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 się nie wygina. Zatem względny ruch między punktami w dwóch połączonych ogniwach uważa się za wynikający z łączącej je pary kinematycznej.
Uważa się, że pary kinematyczne lub połączenia zapewniają idealne powiązania między dwoma ogniwami, takie jak ograniczenie pojedynczego punktu dla czystego obrotu lub ograniczenie linii dla czystego poślizgu, a także czyste toczenie bez poślizgu i kontakt punktowy z poślizgiem . Mechanizm jest modelowany jako zespół sztywnych ogniw i par kinematycznych.
Linki i połączenia
Reuleaux nazwał idealne połączenia między ogniwami parami kinematycznymi . Rozróżnił pary wyższe , z stykiem liniowym między dwoma ogniwami, oraz pary niższe , z kontaktem powierzchniowym między ogniwami. J. Phillips [ potrzebne wyjaśnienie ] 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 połączenie zawiasowe wymaga, aby linia w ciele ruchomym pozostawała współliniowa z linią w ciele nieruchomym, a płaszczyzna prostopadła do tej linii w ciele ruchomym stykała się z podobną prostopadłą płaszczyzną w ciele nieruchomym ciało. Nakłada to pięć ograniczeń na względny ruch ogniw, co daje parze jeden stopień swobody.
- Pryzmatyczny przegub lub ślizgacz wymaga, aby linia w poruszającym się ciele pozostawała współliniowa z linią w nieruchomym ciele, a płaszczyzna równoległa do tej linii w ruchomym ciele stykała się z podobną równoległą płaszczyzną w nieruchomym ciele . Nakłada to pięć ograniczeń na względny ruch ogniw, co daje parze jeden stopień swobody.
- Połączenie cylindryczne wymaga, aby linia w ciele ruchomym pozostawała współliniowa z linią w ciele nieruchomym. Łączy w sobie przegub obrotowy i przegub przesuwny. Połączenie to ma dwa stopnie swobody.
- Przegub kulisty lub przegub kulowy wymaga, aby punkt w poruszającym się ciele utrzymywał kontakt z punktem w nieruchomym ciele. 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.
- Połączenie śrubowe lub połączenie śrubowe ma tylko jeden stopień swobody, ponieważ ruchy ślizgowe i obrotowe są powiązane z kątem pochylenia linii śrubowej gwintu.
Wyższe pary: Ogólnie rzecz biorąc, wyższa para jest ograniczeniem, które wymaga kontaktu liniowego lub punktowego między powierzchniami elementów. Na przykład kontakt między krzywką a jej popychaczem to wyższa para zwana przegubem krzywkowym . Podobnie kontakt między ewolwentowymi krzywymi, które tworzą zazębione zęby dwóch kół zębatych, to przeguby krzywkowe.
Schemat kinematyczny
Schemat kinematyczny redukuje komponenty maszyny do schematu szkieletowego, który podkreśla połączenia i redukuje połączenia do prostych elementów geometrycznych. Ten diagram można również sformułować jako wykres , przedstawiając ogniwa mechanizmu jako krawędzie, a połączenia jako wierzchołki wykresu. Ta wersja diagramu 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 Czebyczewa-Grüblera-Kutzbacha .
Mechanizmy planarne
Chociaż wszystkie mechanizmy w systemie mechanicznym są trójwymiarowe, można je analizować za pomocą geometrii płaszczyzny, jeśli ruch poszczególnych elementów jest ograniczony, tak że wszystkie trajektorie 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, oznaczanych przez SE.
Grupa SE jest trójwymiarowa, co oznacza, że każde położenie ciała na płaszczyźnie jest określone trzema parametrami. Parametrami są często 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 o tym, że ciało na płaszczyźnie ma trzy stopnie swobody .
Czysty obrót zawiasu i liniowe przesunięcie suwaka można utożsamić z podgrupami SE i zdefiniować dwa przeguby o jednym stopniu swobody mechanizmów płaskich. [ niezrozumiałe ] Połączenie krzywkowe utworzone przez dwie powierzchnie stykające się ślizgowo i obrotowo jest przegubem o dwóch stopniach swobody.
Mechanizmy sferyczne
Możliwe jest skonstruowanie takiego mechanizmu, aby trajektorie punktowe we wszystkich składowych leżały w koncentrycznych kulistych powłokach wokół stałego punktu. Przykładem jest gimbaled żyroskop . Urządzenia te nazywane są mechanizmami sferycznymi. Mechanizmy sferyczne są zbudowane przez połączenie ogniw przegubami zawiasowymi w taki sposób, że osie każdego zawiasu przechodzą przez ten sam punkt. Punkt ten staje się środkiem koncentrycznych kulistych powłok. Ruch tych mechanizmów charakteryzuje grupa SO(3) obrotów w przestrzeni trójwymiarowej. Innymi przykładami mechanizmów sferycznych są samochodowe mechanizmy różnicowe i robotyczny nadgarstek.
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, nazywa się mechanizmem przestrzennym . Przykładem jest połączenie RSSR, które można postrzegać jako połączenie z czterema prętami, w którym przeguby przegubowe łącznika są zastąpione końcówkami drążków , zwanymi również przegubami kulistymi lub przegubami kulowymi . Końcówki drążków pozwalają korbom wejściowym i wyjściowym drążka RSSR być źle wyrównane do tego stopnia, że leżą w różnych płaszczyznach, co powoduje, że łącznik sprzęgu porusza się w ogólnym ruchu przestrzennym. Ramiona robotów , platformy Stewarta i humanoidalne systemy robotyczne są również przykładami mechanizmów przestrzennych.
Połączenie Bennetta jest przykładem przestrzennego mechanizmu z nadmiernymi ograniczeniami , który jest zbudowany z czterech przegubów.
Grupa SE(3) jest sześciowymiarowa, co oznacza, że położenie ciała w przestrzeni jest określone przez sześć parametrów. Trzy parametry określają początek ruchomej ramki odniesienia względem ramki nieruchomej. Trzy inne parametry określają orientację ramki ruchomej względem ramki nieruchomej.
Powiązania
Powiązanie to zbiór powiązań połączonych przegubami . Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa są elementami konstrukcyjnymi, a stawy umożliwiają ruch. Być może najbardziej użytecznym przykładem jest płaskie połączenie z czterema prętami . Istnieje jednak o wiele więcej specjalnych powiązań:
- Połączenie Watta to połączenie z czterema prętami, które generuje przybliżoną linię prostą. Miało to kluczowe znaczenie dla działania jego projektu silnika parowego. To połączenie pojawia się również w zawieszeniach pojazdów, aby zapobiec ruchom nadwozia na boki względem kół.
- Sukces połączenia Watta doprowadził do zaprojektowania podobnych przybliżonych połączeń prostoliniowych, takich jak połączenie Hoekena i połączenie Czebyszewa .
- Połączenie Peaucellier generuje prawdziwie prostą linię wyjściową z wejścia obrotowego.
- Połączenie Sarrusa to połączenie przestrzenne, które generuje ruch w linii prostej z wejścia obrotowego.
- Połączenie Klanna i połączenie Jansena to najnowsze wynalazki, które zapewniają interesujące ruchy chodzenia. Są to odpowiednio sześcio- i ośmio-belkowe połączenie.
Zgodne mechanizmy
Mechanizm zgodny to szereg sztywnych korpusów połączonych elementami zgodnymi. Mechanizmy te mają wiele zalet, w tym zmniejszoną liczbę części, zmniejszone „poślizgi” między przegubami (brak ruchu pasożytniczego z powodu przerw między częściami), magazynowanie energii, niskie wymagania konserwacyjne (nie wymagają smarowania i charakteryzują się niskim zużyciem mechanicznym) oraz łatwość produkcji.
Łożyska elastyczne (znane również jako przeguby elastyczne ) to podzbiór podatnych mechanizmów, które po przyłożeniu siły wytwarzają dobrze zdefiniowany geometrycznie ruch (obrót).
Mechanizmy krzywki i popychacza
krzywki i popychacza powstaje w wyniku bezpośredniego kontaktu dwóch specjalnie ukształtowanych ogniw . Ogniwo napędzające nazywa się krzywką, a ogniwo, które jest napędzane przez bezpośredni kontakt ich powierzchni, nazywane jest popychaczem. Kształt stykających się powierzchni krzywki i popychacza determinuje ruch mechanizmu. Zasadniczo energia mechanizmu krzywki i popychacza jest przenoszona z krzywki na popychacz. Wałek rozrządu jest obracany i zgodnie z profilem krzywki popychacz porusza się w górę iw dół. Obecnie dostępne są również nieco inne typy popychaczy mimośrodowych, w których energia przekazywana jest z popychacza na krzywkę. Główną zaletą tego typu krzywki i mechanizmu popychacza jest to, że popychacz porusza się nieznacznie i pomaga obrócić krzywkę o sześciokrotnie większą długość obwodu z 70% siłą.
Przekładnie i przekładnie zębate
Przenoszenie obrotów między stykającymi się kołami zębatymi można prześledzić wstecz do mechanizmu z Antykithiry w Grecji i skierowanego na południe rydwanu w Chinach. Ilustracje autorstwa renesansowego naukowca Georgiusa Agricoli przedstawiają przekładnie zębate z cylindrycznymi zębami. Implementacja zęba ewolwentowego zaowocowała standardową konstrukcją przekładni, która zapewnia stałe przełożenie prędkości. Niektóre ważne cechy kół zębatych i przekładni zębatych to:
- Stosunek kół podziałowych współpracujących kół zębatych określa przełożenie prędkości i mechaniczną przewagę zestawu kół zębatych.
- Przekładnia planetarna zapewnia wysoką redukcję przełożeń w kompaktowej obudowie.
- Możliwe jest zaprojektowanie zębów dla kół zębatych, które nie są okrągłe , ale nadal 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 ruchu i przenoszenia siły jest znane jako kinematyczna synteza mechanizmów . Jest to zestaw technik geometrycznych, które dają wymiary połączeń, mechanizmów krzywkowych i popychaczy oraz kół zębatych i przekładni zębatych w celu wykonania wymaganego ruchu mechanicznego i przenoszenia mocy.
Zobacz też
- Pociąg zębaty
- Połączenie (mechaniczne)
- Maszyna (mechaniczna)
- Układ mechaniczny
- Zegarek mechaniczny
- Zarys maszyn
- Praca wirtualna
- mechanizm Hobermana
- Ruchome części
Linki zewnętrzne
- Zrównoważony mechanizm dźwigniowo-zawiasowy
- Maszyny i Mechanizmy Wiki
- Kinematic Models for Design Digital Library (KMODDL) zbiory filmów i zdjęć setek modeli mechanizmów
- Sześciobelkowy łącznik w linii prostej w kolekcji modeli Reuleaux na Cornell University
- Animacje różnych mechanizmów
- Przykład sześciopaskowego generatora funkcji, który oblicza kąt dla zadanego zakresu
- Różnorodne animacje powiązań
- Różnorodne projekty połączeń z sześcioma prętami
- Animacja kulistego rozkładanego mechanizmu