2.2. Основні поняття і визначення курсу теорії механізмів і машин

Кожний механізм або машина складається з окремих деталей. У стаціонарних машинах і ме­ханізмах є нерухомі деталі і деталі, що рухаються відносно нерухо­мих. У рухомих машинах і механізмах, наприклад, у двигуні авто­мобіля нерухомими деталями умовно вважаються ті, що постійно зв'язані з корпусом автомобіля. Відповідно до цього у кривошип­но-поршневому двигуні (рисунок 2.1, а): нерухомі деталі  корпус двигуна 4, підшипник корінного (колінчастого) вала 0, циліндри 5 тощо; рухомі  корінний вал 1, шатун 2, поршні З, клапани 6 то­що. На рисунку 2.1, с наведено кінематичну схему цього механізму.

Рисунок 2.1 – Кривошипно-поршневий двигун

а) – поздовжній розріз двигуна: 0 – підшипник корінного вала, 1 – корінний (колінчастий) вал, 2 – шатун, 3 – поршень, 4 – корпус двигуна, 5 – циліндр, 6 – клапан;

b) – шатун двигуна: 1 – тіло шатуна, 2 – втулка, 3,4 – вкладиші, 5 – головка, 6 – болт, 7 - гайки із шайбами і шплінтами;

с) – кінематична схема кривошипно-поршневого двигуна.

Кожна рухома деталь або група деталей, які утворюють одну жорстку рухому систему тіл, має назву рухомої ланки механізму або машини.

Наприклад, шатун двигуна (рисунок 2.1,b) буде однією рухомою ланкою, хоч він може складатися з ряду деталей (тіло шатуна 1, запресованої в нього втулки 2, вкладиші 3 і 4, головка 5, болти 6 із гайками 7, шайбами і шплінтами). Деталі, які утворюють одну ланку, іноді не мають жорсткого зв'язку між собою (на­приклад, стрічка конвеєра з деталями, які вона переносить); тоді ознакою того, що вони належать до однієї ланки, буде відсутність відносного руху деталей.

Усі нерухомі деталі утворюють одну нерухому систему тіл, яка називається нерухомою ланкою або стояком. Наприклад, корпус двигуна, підшипники корінного вала тощо разом утво­рюють одну нерухому ланку, або стояк.

Таким чином, у будь-якому механізмі або машині маємо од­ну нерухому ланку і одну або декілька рухомих ланок.

У механізмах або машинах ланки з'єднуються одна з одною так, що завжди забезпечується можливість їхнього відносного руху. Рухоме з'єднання двох ланок, які стикаються, називається кінематичною парою.

Рух ланок відносно одна одної визначається формою еле­ментів ланок, якими вони стикаються. Сукупність поверхонь, ліній або точок, які належать ланкам і які стикаються при відносному русі ланок, називають елементами кінематичних пар.

Зв'язана система ланок, що входять у кінематичні пари, утворює кінематичний ланцюг. Таким чином, колінчастий вал кривошипно-поршневого двигуна разом з нерухомим підшип­ником утворює одну кінематичну пару О (рисунок 2.1,с). Шатун з колінчастим валом утворює другу кінематичну пару А, ша­тун з поршнем  третю (шарнір В), поршень з циліндром  четверту, а всі ці ланки і кінематичні пари разом утворюють кінематичний ланцюг.

Механізм. В основі кожного механізму або машини лежить кінематичний ланцюг. Виходячи з цього, механізму можна дати таке визначення.

Механізм є кінематичний ланцюг з однією нерухомою ланкою, призначений виконувати цілком визначені доцільні рухи.

Визначення терміну "механізм" постійно змінюється, оскіль­ки змінюються наші знання про самі механізми. Механізми, що входять до складу сучасних машин, дуже різноманітні. Одні з них складаються тільки з твердих тіл, інші  з гідравлічних, пневматичних, електричних, магнітних та інших пристроїв. Такі механізми називають гідравлічними, пневматич­ними, електричними тощо. Тепер дамо більш загальне визна­чення механізму.

Механізмом називають систему тіл, призначену для перетво­рення руху одного або кількох тіл у потрібні рухи інших тіл.

З цього визначення випливає, що не можна називати ме­ханізмом пристрій, у якому немає перетворення механічного руху. Наприклад, ротор електродвигуна і підшипники, у яких він обертається, не утворюють механізму, оскільки у цьому ви­падку взаємодія магнітного поля і провідника з електричним струмом надає необхідний рух без будь-якого проміжного пере­творення механічного руху.

У кожному механізмі є нерухома ланка (стояк) і рухома лан­ка або система рухомих ланок. Із рухомих ланок виділяють вхідні і вихідні ланки. Вхідною (входом) називають ланку, якій надається рух, що перетворюється механізмом у потрібний рух інших ланок. Вихідною (виходом) називають ланку, що здійснює рух, для виконання якого призначений механізм. Решту рухомих ланок механізму називають з'єднуючими, або проміжними.

Як правило, у механізмі є один вхід і один вихід. Вхідна ланка одержує рух від двигуна, а вихідна  зв'язана з робочим (виконавчим) органом машини. Але можуть бути механізми, в яких є кілька вхідних і вихідних ланок. Наприклад, у авто­мобільному диференціалі є один вхід  рух від двигуна, і два виходи  два колеса.

Терміни "вхідна ланка" і "вихідна ланка" введено в курс ТММ порівняно недавно. Раніше ці ланки називали відповідно ведучими і веденими. Заміна зумовлена тим, що у динаміці ме­ханізмів розділення ланок ведеться за іншою ознакою  за зна­ком елементарних робіт сил, які діють на ланку. Ведучою нази­вають таку ланку, для якої елементарна робота зовнішніх сил, що прикладаються до неї, додатна. Веденою називають ланку, для якої елементарна робота зовнішніх сил, що прикладені до неї, від'ємна. Тому вхідна ланка у деяких механізмах може бути як ведучою, так і веденою. Наприклад, у механізмі кривошип­но-поршневого двигуна, колінчастий вал і поршень залежно від співвідношення сил, які діють на ланки механізму, можуть бути або ведучими, або веденими.

З точки зору конструкції механізми поділяють на: важільні, кулачкові, зубчасті, зірчасті (цівкові), мальтійські, храпові, гвин­тові, клинові, фрикційні, пасові, ланцюгові, гідравлічні, пневма­тичні й електричні. Широко використовуються комбіновані ме­ханізми: зубчасто-важільні, кулачково-зубчасті, кулачково-важільні тощо.

За функціональним призначенням є механізми:

а) двигунів і перетворювачів;

б) передавальні;

в) виконавчі;

г) керування, контролю і регулювання;

д) подачі, транспортування, живлення і сортування об'єктів, які обробляються.

Машина. З розвитком машин зміст терміну "машина" також змінювався. Для сучасних машин існує таке визначення. Машина є пристрій, який виконує механічний рух для перетворен­ня енергії, матеріалів та інформації з метою заміни або полег­шення фізичної або розумової праці людини.

Залежно від того, які функції виконують машини, їх можна розділити на: а) енергетичні; б) транспортні; в) технологічні; г) контрольно-керуючі; д) математичні; е) кібернетичні.

Енергетичною називають машину, що призначена для пере­творення будь-якого виду енергії на механічну або навпаки. У першому випадку  це машина-двигун, у другому  машина-генератор. Прикладом енергетичних машин є електродвигуни, парові машини, двигуни внутрішнього згоряння, турбіни, гене­ратори електричного струму тощо.

Транспортною називають машину, що призначена для зміни положення оброблюваного матеріалу, предметів або людей. До транспортних машин належать крани, транспортери, автокари, автомобілі, тепловози, трактори, ліфти, літаки тощо.

Технологічною називають машину, у якій змінюються власти­вості, стан, форма оброблюваного матеріалу або об'єкта. Це найрізноманітніший клас машин, до якого належать мета­лорізальні верстати, прокатні стани, металургійні, текстильні, поліграфічні, сільськогосподарські машини, машини легкої та харчової промисловості та багато інших машин. Часто транс­портні і технологічні машини називають робочими.

Контрольно-керуючою називають машину, що перетворює одержану контрольно-вимірювальну інформацію для керування тією чи іншою машиною або технологічним процесом. У сучас­них машинах і технологічних лініях широко застосовуються різні контрольно-вимірювальні пристрої або машини. Так, для автоматизації контролю розмірів поршневих кілець, пальців, шариків для шарикопідшипників і багатьох інших об'єктів ви­користовуються контрольно-вимірювальні машини, які здійснюють не тільки контроль розмірів, але й їх сортування за розмірами та іншими показниками.

Математичною називають машину, що перетворює інфор­мацію у вигляді різних математичних образів, які задано у формі чисел і алгоритмів. До цих машин належать лічильно-обчис­лювальні машини, механічні інтегратори, бухгалтерські та інші машини.

Кібернетичною називають машину, яка замінює або імітує різні механічні, фізіологічні або біологічні процеси, що властиві людині та живій природі, і яка має елементи штучного інтелекту. Прикладом таких машин можуть бути машини, які розпізнають той чи інший образ, наприклад букви, наче здатні читати; машини, які відтворюють людську мову за заданими акустичними спектрами; машини, які виконують різні рухи за усною командою людини; машини, які замінюють окремі орга­ни людини (серце, нирки, кінцівки тощо). У 90-ті роки створе­но кібернетичні машини, що виконують необхідні механічні ру­хи за допомогою відповідних систем керування, у яких викори­стовуються ЕОМ, біострум, спеціальні керуючі прилади тощо. Це автооператори, роботи, маніпулятори, крокуючі, повзучі та інші машини. Проте головним у кібернетичних машинах є їхня "чутливість", яка забезпечується відповідними датчиками, штучним баченням за допомогою телевізійних пристроїв тощо. Завдяки спеціальним керуючим машинам маніпулятори, роботи та інші машини можуть виконувати технологічні операції за­лежно від ситуації, наприклад вибирати необхідні деталі, розрізняти їх за формою, кольором, геометричними параметра­ми тощо, рухатися по різних поверхнях, обходити перешкоди на своєму шляху або переступати через них.

Машина, в якій перетворення енергії, матеріалів та інформації відбувається без втручання людини, називається машиною-автоматом. Машини-автомати не вимагають участі лю-дини у технологічному процесі, проте вимагають присутності так званих операторів, тобто людей, які стежать за роботою машини-автомата, визначають програми роботи і корегують у не­обхідних випадках роботу механізмів.

Із розвитком науки і техніки все ширше використовуються системи машин автоматичної дії. Сукупність машин-автоматів, з'єднаних між собою автоматичними транспортними пристроя­ми і призначених для виконання певного технологічного процесу, називається автоматичною лінією. Автоматичні лінії лежать в основі цехів-автоматів і заводів-автоматів.

Сучасні розвинуті системи машин є комплексом машин різних класів. Так, автоматичні лінії містять у собі енергетичні машини у вигляді електроприводу, транспортні машини для пе­реміщення деталей або транспортерів, технологічні машини, які змінюють форму, склад або структуру оброблюваних об'єктів, контрольно-керуючі машини, які контролюють якість і розміри виробу і регулюють режими руху двигунів і робочих органів, логічні (математичні) машини, які підраховують кількість ви­робів. Така сукупність машин називається машинним агрегатом. Машини, особливо машини-автомати та автоматичні лінії, при вмілому їх використанні полегшують працю людини, сприяють підвищенню продуктивності праці, забезпечують високу якість виконання робочого процесу.