Рычажные механизмы: анализ, типы, применение

Конструктивные особенности

Конструктивно стяжка состоит из четырех основных узлов:

1. Прочная, износостойкая лента.
2. Крепление храповика.
3. Крепление ленты.
4. Храповый механизм.

Крепление ленты и храповика изготавливается из стального прута диаметром не менее 8 мм. Точный размер прута зависит от мощности храпового механизма и ширины ремня, который используется в конкретной конструкции. Прут загибается таким образом, что образует одновременно петлю и крюк для крепления. Через петли просунут ремень и прошит прочными нитками несколько раз. Крюк соединяется с лентой максимально прочно. Предотвращается износ ленты при работе, т.к. поверхность прута не имеет острых краев.

К храповику крюк крепится при помощи отрезка ленты на расстоянии не более полуметра.

Строение храпового механизма

С виду может показаться, что устройство храповика сложное, но если внимательно изучить схему, то все становиться понятно.

В центральной оси конструкции имеется прорезь, ширина которой немного больше ширины ремня. Ось жестко соединяется со звездочками трещотки, которые расположены по её краям. Звездочки предназначены для передачи усилия от рычага к центральной оси. Рычаг храпового устройства снижает усилие зажима, имеет запорный механизм, при помощи которого в момент крепления груза происходит передача усилия от него. Рычаг работает по принципу трещотки, т.е. натягивает только в одну сторону. После натяжки рычаг устанавливается в транспортное положение, запорное устройство начинает выполнять свое прямое назначение – удерживать стяжку от самопроизвольного раскручивания. Удерживать запорное устройство в транспортировочном положении помогают специальные пружины, которые расположены в месте соединения рычага с запором.

Недостатки кулачковых механизмов

Самым заметным минусом служит сложность и высокая себестоимость производства деталей механизма. Наиболее трудоемким является изготовление управляющего профиля. Технологический процесс начинается с отливки заготовки из высокопрочных стальных сплавов, обладающих особой устойчивостью к переменным механическим напряжениям, истиранию и перепадам температуры. Далее требуется провести высокоточную механическую обработку с последующей шлифовкой и полировкой поверхностей. Упрочнение рабочей поверхности достигается термообработкой и цементацией. Такие распредвалы или кулачки привода масляного насоса обходятся дорого, но зато смогут отработать сотни тысяч километров пробега.

Еще одним минусом считается небольшая нагрузка, которую может толкнуть толкатель. Это происходит из-за большого трения в сопряжении пары, кроме того, возникают значительные боковые нагрузки на шток. Этот недостаток ограничивает мощностные возможности исполнительного органа устройства.

Для борьбы с этим недостатком используют роликовый толкатель, размещенный на шариковом или игольчатом подшипнике. Для крупных двигателей с большим диаметром клапанов и мощными возвратными пружинам используют коромысленную схему. Разная длина плеч коромысла работают как рычажная система, трансформируя больший ход на одном плече в большее усилие на другом.

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.

Виды

Что такое напалм? состав и применение напалма

Наиболее часто используются следующие модификации болторезов.

Ручной (механизированный) болторез, который представляет собой ножницы с рычажным приводом. Устройство позволяет объединить в конструкции два рычажных механизма (рис. 1, 2): головка кусачек с режущими кромками, соединенными шарнирным соединением с перекладиной, и ручки-плечи большой длины, соединенные окончаниями.

Из-за разницы плеч создается хороший показатель передаточного числа. При таком устройстве механизма усилие передаётся от ручек на режущую головку-кусачки, что определяет малый ход, но придает весомый передаточный момент на разрезаемый предмет.

Ручки этого инструмента изготовлены из стали и обычно защищены резиновыми накладками. Кусачки изготавливаются из стали, закалённой токами высокой частоты. Кромка режущих губок симметрично заточена под острым углом, так что правильнее назвать данный инструмент кусачками, нежели ножницами по арматуре.

Режущая кромка (губки) может быть двух типов:

• угловые, в которых ось головки распределена под относительным углом от оси ручек;
• прямые, в которых ось головки совпадает с осью ручек.

Характеристики ручных болторезов определяются двумя показателями:

• длинной ручек;
• максимально допустимым сечением прута, который «берет» данный инструмент.

Длина ручек ручного болтореза может составлять от 200 до 1115 мм. В случае если длина ручек лежит до 200 мм, данный инструмент относят к категории карманных инструментов. Болторез длиной больше 350 мм относят к большим и делят по шкале дюймов. Так, подобный инструмент может иметь длину 14/18/24/30/36/42 дюйма.

При этом вид болтореза с общей длиной от 18 до 30 дюймов (600 мм, 750 мм, 900 мм), имеющий головку кусачек из легированной стали и специальное защитное покрытие для работы с породистыми видами стали, принято называть усиленным.

Ручной болторез с гидравлическим приводом (рис. 3) основан на действии того же рычажного принципа, что и механический, однако основное усилие при работе с ним нацелено на накачку гидравлического цилиндра, которым оснащен данный инструмент. После приведения в движение поршня цилиндра внутри него создается давление, которое приводит в движение поршень резака. Передаточное число, в отличие от обычного ручного болтореза с двухрычажным механизмом, в этом случае гораздо выше, в связи с чем данный вид болтореза не нуждается в длинных ручках-плечах.

Заточка нижней части головки кусачек выполнена по тому же принципу, что и на ножницах, т. е. подвижная часть головки заточена с одной стороны, а неподвижная выполнена в виде острогранной пластины. Расположение губок кусачек лежит в разных проекционных плоскостях, поэтому и работает гидравлический болторез, как ножницы, перерезая прут.

Гидравлические ножницы с подачей давления на поршень цилиндра ручным способом по праву могут называться усиленными, так как за счет гидравлики прилагаемые усилия уменьшатся до минимума. Дополнительное преимущество конструкции – относительно небольшой вес. Передача усилия производится посредством ручки инструмента, к которой прикреплен отвод поршня, расположенного внутри цилиндра. Ручной гидравлический болторез имеет заметное превосходство перед обычным двухрычажным, однако проигрывает в производительности инструменту, снабженному маслонасосом.

Для работы гидравлического болтреза с насосной станцией необходима дополнительная подача масла из насоса. Такой вид ножниц подключают к насосной станции при помощи шланга высокого давления. Особенностью комплектации гидравлического болтореза входят сменные головки кусачек разного типа, что делает данный инструмент универсальным. Принцип действия однотипен с работой ручного гидравлического болтореза, однако, основное усилие на перекусываемый материал создает давление, возникающее при накачке цилиндра с подачей масла из маслонасоса либо насосной станции.

Электрогидравлический болторез – максимально усовершенствованный вариант ножниц для резки металлической арматуры. В болторез этого типа встроен электрический маслонасос, который через шланг высоко давления осуществляет подачу масла в цилиндр. Для работы этим видом болтореза требуется электрическая сеть, хотя существует модификация для работы в местах, не оснащенных электропроводкой, которая снабжена аккумулятором. Электрогидравлический болторез так же, как и его более скромный собрат, снабжен сменными насадками для работы в различных условиях.

Назначение и область применения

Кулачковый механизм превращает вращение в линейное перемещение малой амплитуды. На практике это короткое линейное движение используется для выполнения следующих операций:

• сцепление или расцепление частей механизма;
• открытие или закрытие клапана;
• возвратно- поступательно движение какого-либо исполнительного органа изделия;
• повторение исполнительным органом наперед заданной в конфигурации поверхности кулачка сложной пространственной траектории.

Эти операции находят применение в следующих устройствах и системах:

• управление клапанами двигателей внутреннего сгорания;
• топливные и масляные насосы;
• приводы гидравлических и пневматических тормозных систем;
• распределитель зажигания в устаревшем карбюраторном двигателе;
• привод перемены передач в трансмиссиях мотоциклов и другого двухтактного транспорта;
• швейные машины;
• музыкальные механизмы: механический орган, шарманка, шкатулка и т. п.;
• транспортно- технологические машины;
• таймеры с механическим приводом;
• сельскохозяйственные механизмы, комбайны, осуществляющие уборку и сортировку корнеплодов или злаков;

Кроме того, широчайшая область использования кулачковых пар лежит там, где требуется не погасить, а, наоборот, создать вибрацию. Они находят применение в вибромашинах, служащих для уплотнения грунта или бетонных полов в строительстве. Горная техника, используемая при добыче рудных материалов, также производит сортировку тонких фракций на вибростолах, приводимых в движение кулачковыми парами.

Еще одна важная сфера применения – точные измерительные приборы и средства механической и электромеханической автоматизации. Контактный манометр и многие другие прецизионные приборы широко используют кулачковые пары для передачи вращения стрелки на шток, замыкающий контактные группы.

Используются кулачковые устройства в малых и средних металлообрабатывающих станках для переключения передач, периодического перемещения рабочих органов.

В производственных технологических установках в химической, пищевой и фармацевтической промышленности устройства используются для дозированной подачи сыпучего сырья к месту дальнейшей переработки.

Несмотря на стремительное совершенствование электронных средств управления, старая проверенная кулачковая пара уверенно удерживает свои позиции там, где требуется многократно повторять однообразные движения с высокой точностью.

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

• рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
• V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
• оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
• VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
• W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Перечень неисправностей КШМ

Главные неприятности, которые могут случится с кривошипно-шатунным механизмом:

1. Как шатунные, так и коренные шейки коленчатого вала подвержены износу и механическим повреждениям.
2. Износ, механические повреждения и даже расплавление могут угрожать и вкладышам (подшипникам) шеек коленвала.
3. «Болезни» поршневых колец – это закоксовывание не до конца сгоревшими продуктами горения (углеводороды окисляются только до углерода), их залегание и даже поломки, что может привести к фатальным последствиям.
4. Цилиндропоршневая группа также подвержена износу. В современных «движках» это не так заметно, всё-таки они созданы по последнему слову техники, но у каждой детали имеется конечный ресурс.
5. На днище поршня может отложиться нагар.
6. В деталях могут появиться трещины, они могут прогореть, обломиться и даже расплавиться.
7. Двигатель может даже заклинить.

Конструкционное исполнение

Классический храповый механизм предназначен для передачи прерывистого вращения в одном направлении. Чаще всего устанавливается для зубчатого колеса. Рассматриваемое устройство храпового механизма характеризуется следующими особенностями:

При изготовлении заготовки применяется технология литья и ковки

За счет этого обеспечивается высокая степень надежности.
Наиболее важной частью любого устройства можно назвать зубчатые колеса. Они представлены колесами из металла, на поверхности которого есть зубья.
Количество зубьев на поверхности зависит от целевого предназначения механизма

Как показывает практика, чаще всего встречается вариант исполнения с 12 зубьями для 30-градусного поворота.
Для стяжных ремней-передач часто устанавливается вариант исполнения, который имеет только 6 зубьев.

Еще одним важным конструктивным элементом можно назвать собачку. Она выступает в качестве стопорного элемента. Основные свойства элемента и его схема расположения, определенные функции и размеры во многом зависят то конкретной модели и ее области применения.

Строение и применение ЧПУ

Современный токарный станок имеет числовое программное управление (ЧПУ). Применение электрической схемы и видоизменение основных узлов позволяет добиться высокой точности обработки.

Особенности станков с ЧПУ:

1. При выборе оборудования нужно учитывать данные, указанные в ГОСТе. Там указываются класс точности и другие параметры.
2. Устройство имеет сложную электрическую схему и мини-блок управления.
3. Несмотря на свои небольшие размеры и вес, модели могут выдерживать большую нагрузку.
4. Прибор имеет блок, на который выводится вся информация. Для этого применяются языки программирования, установленные стандартом.
5. Оборудование небольших размеров и высокой точности востребовано. На нем производятся детали для электроники и бытовой техники.

Виды кулачковых пар

Разработано множество различных видов кулачковых механизмов. Они объединяются по разным признакам.

По основной функции:

• приводящие исполнительный орган в движение по определенной траектории;
• обеспечивающие простое перемещение (линейное или качающее) толкателя на заданное расстояние.

По пространственной конфигурации:

• плоские, все траектории лежат в одной плоскости;
• пространственно кулачковый механизм, двигается по сложным траекториям.

По типу толкательного механизма различают:

• плоский;
• дисковый;
• ролик;
• сферический;
• остроконечный.

По траектории его движения:

• линейные;
• качающиеся.

По траектории кулачка:

• линейная;
• качающееся;
• вращение (винтовое движение).

Кулачковый механизм с роликовым толкателем по признаку смещения осей подразделяется на:

• аксиальные (ось вращения диска находится в плоскости толкателя)
• дезаксиальные оси вращения и линия движения толкателя разнесены в пространстве.

Дистанцию такого разнесения называют дезаксиалом (e).

Кулачковые регулировочные механизмы часто строятся по дезаксиальной схеме.

Что происходит после нажатия рычага/кнопки?

Изначально активируется шток, производящий подъем пробковой груши – запорного клапана сливного узла, в результате чего вода из накопительной емкости свободно проникает в унитаз, омывая его рабочую поверхность, после чего попадает в канализацию. Потом пробка под воздействием собственной массы становится на место. перекрывая ток воды в унитаз.

Одновременно с падением уровня воды в резервуаре открывается запорный клапан впускного механизма и осуществляется наполнение бачка рабочей жидкостью. Этот процесс прекращается по достижении поплавком верхнего положения, которое обычно устанавливается на 20-30 миллиметров ниже боковых отверстий резервуара.

Кинематический анализ кривошипно-ползунного механизма

Целью кинематического анализа КПМ является проектирование взаимных положений, траекторий передвижения, скоростей и ускорений всех его деталей. Для этого реальные физические тела заменяются моделями- рычагами и поверхностями, имеющими абсолютную жесткость, шарнирами и поверхностями с нулевым трением. Масса детали полагается сконцентрированной в условной точке- центре масс, как правило, совпадающей с геометрическим центром моделируемой детали.

Кинематическое моделирование разбивается на следующие основные этапы:

• выполнение общего плана положений. Строится для основных положений механизма, отражает взаимное расположение его частей в верхней и нижних мертвых точках;
• построение плана скоростей кривошипно-ползунного механизма, применяется графоаналитический способ на основе метода подобия;
• построение плана ускорений кривошипно-ползунного механизма, строятся эпюры как угловых, так и касательных ускорений;
• графическое моделирование моментов инерции;
• формирование графика энергии-массовых зависимостей.

При построении плана скоростей руководствуются следующими рекомендациями:

• Вектора, проходящие через полюс плана, представляют собой абсолютные скорости. Они всегда направлены от точки полюса, конец отрезка обозначается прописной буквой, аналогичной заглавной, обозначающей ту же точку на плане положений.
• Скоростные вектора, не касающиеся полюса, соответствуют относительным скоростям.
• Поскольку скорость является производной от перемещения, векторные изображения скоростей для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам отрезкам, представляющим собой положение, и изображенными на плане положений.
• Неподвижным на плане положений точкам КПМ соответствуют вектора нулевой длины, расположенные в полюсе плана скоростей.

При построении плана скоростей возникает возможность стоить перпендикуляры и касательные к линии перемещения какой-либо точки кривошипно-ползунного механизма без изображения самой траектории.

Поскольку ускорение является производной от скорости, то векторные изображения ускорений для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам векторам, изображенными на плане скоростей.

В ходе кинематического моделирования проводится также анализ на наличие избыточных связей в кривошипно-ползунном механизме. Под ними понимают связи, которые не добавляют степеней свободы и могут быть исключены из схемы без потери функциональности

Однако к удалению таких связей следует подходить осторожно. Например, дополнительные подшипники или опоры направляющих могут быть необходимы в реальном механизме исходя их больших величин перемещения во время рабочего хода

без них будет невозможно удовлетворить проектные требования по жесткости, прочности, температурной стойкости и т. д.