Машиной принято называть механическое устройство, выполняю­щее определенную полезную работу, связанную с процессом производства или преобразованием энергии. Во всякой машине имеется исполнительный (рабочий) орган, который приводится в действие машиной-двигателем че­рез систему механизмов.

Механизмом называют определенную совокупность подвижных и неподвижных частей, которые обеспечивают передачу и преобразование движений и сил для выполнения машиной полезной работы.

Тела, входящие в механизм, называются звеньями. Звено может состоять из одной или нескольких неподвижно соединенных между собой деталей. В любом механизме, кроме подвижных звеньев, обязательно имеется неподвижное звено. Звено, движение которому сообща­ется за счет приложения внешних сил или моментов сил, называют ведущим, а звено, которому движение передается, называют ведо­мым. Так, в машинных тисках рукоятка — ведущее звено, подвижная губка — ведомое звено, а неподвижная губка вместе с корпусом образует неподвижное звено. Иногда механизмы имеют самостоятельное примене­ние — преобразователи движения (механизмы часов, арифмометров, та­хометров и т. п. приборов), но чаще всего механизм является кинематиче­ской основой машины.

Таким образом, машину и механизм отличает от сооружения основной признак: при выполнении своего назначения элементы сооружения нахо­дятся в статическом состоянии, в то время как в механизме и машине от­дельные части обязательно находятся в движении.

В то же время механизм от машины отличается тем, что механизм не предназначен ни для преодоления полезных сопротивлений (то есть для со­вершения полезной работы), ни тем более, для преобразования энергии,, в то время как машина именно эти функции и выполняет.

В кинематических парах звенья могут получать относительное, враща­тельное, поступательное или сложное движение. Соответственно и различа­ют вращательные, поступательные и пары сложного движения. Например, зубчатые колеса образуют вращательную пару, ползун и направляющие ус­тройства — поступательную пару, винт и гайка — пару сложного движения или винтовую пару.

Соединения кинематических пар, в свою оче­редь, образуют кинематическую цепь. Для изображения механизмов и их составных ча­стей — звеньев и кинематических пар — пользу­ются стандартными условными обозначениями. Неподвижность звеньев в парах всех видов отмечается на схемах подштриховкой.

В качестве примера приведем последователь­ное изображение кинематической схемы двигате­ля внутреннего сгорания, конструкция которого показана на рис. 25.

Рис. 25

Ведущим звеном, конечно, является поршень 1, так как движение ему сообщают внешние силы (давление газа или пара). Поршень совершает возвратно-поступательное движение относитель­но стенок неподвижного цилиндра 2. Ведомое звено — вал с кривошипом 4 — совершает враща­тельное движение. Между ведущим и ведомым звеньями находит­ся промежуточное — шатун 3, со­вершающий плоскопараллельное движение.

Поршень — это ползун, стенки цилиндра — направляющие, следо­вательно, эта кинематическая пара согласно стандартным условным изображениям изобразится как по­казано на рис. 26,I. Вал с кривоши­пом, совершающий вращательное движение относительно неподвиж­ной опоры, изобразится как пока­зано на рис. 26, II. Шатун — это стержень, концы которого связаны: один с ползуном, другой с кривошипом (рис, 26, III). Связав все звенья воедино, получим схематическое изображе­ние механизма двигателя (рис. 26, IV).

Рис. 26

В этом механизме — четыре звена: ползун, шатун, кривошип и одно не­подвижное звено, обозначенное в двух местах подштриховкой. Однако сле­дует обратить внимание на то, что с кинематической точки зрения — это од­но звено, хотя реальных деталей может быть несколько (цилиндр, корпус и т. д.). Кинематических пар также четыре — три вращательных и одна по­ступательная.

По структурно-конструктивным признакам различают механизмы плос­кие, у которых точки звеньев описывают траектории, лежащие в парал­лельных плоскостях, и пространственные, которые осуществляют взаимо­действие между звеньями, расположенными в различных плоскостях.

На рис. 27 приведена схема пространственного механизма, у которого звенья (стержни) сочленены двумя парами шарниров: шарнирами с одной осью 1 и сферическими шарнирами 3. Как видно из схемы, ведущее 2 и ве­домое 4 звенья могут совершать вокруг шарниров 1 только вращательное движение, каждое в своей плоскости. Промежуточное звено, заключенное между двумя сферическими шарнирами 3, будет совершать сложные коле­бательные движения.

Рис. 27

Плоский механизм (рис. 28) отличается от пространственного тем, что все его звенья, в том числе и опоры, и исполнительного звена (поступательной пары 4), лежат в одной плоско­сти. Изображенный на схеме меха­низм содержит шесть вращатель­ных пар 2— шарниров, каждое из которых представляет сочленение двух звеньев 1 и 3 с одной осью, до­пускающей вращательное их дви­жение только в одной плоскости.

Рис. 28

Звенья механизмов, в зависи­мости от их конструктивной осо­бенности, могут быть неподвиж­ны, совершать вращательные, поступательные и другие движения. Но в каждом механизме, преобразующем движение, имеются, как уже можно было увидеть из вышеприведенных примеров, шарниры с заданными наперед кинематическими свойствами.

На рис. 29 изображены конструктивные разновидности шарнирных со­членений. Поз. I и II — шарнирные сочленения с одной осью двух и трех звеньев, которые могут совершать только круговые движения в одной плоскости. Поз. III и IV — шарнирные сочленения, которые допускают вращательные движения своих звеньев во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Рис. 29

При разработке новых механизмов конструктор прочерчивает несколько вариантов кинематических схем и из них выбирает оптимальный. На осно­вании отобранной схемы производится техническая и технологическая раз­работка деталей и их конструктивное формообразование. Именно кинема­тическая схема, разработанная на стадии эскизного проектирования, явля­ется отправной конструкцией будущего механизма.

Зубчато-реечный механизм (рис. 30)

Рис. 30

Винтовой механизм (рис. 31)

Рис. 31

Кривошипный механизм (рис. 32)

Рис. 32

Кулисный механизм (рис. 37)

Рис. 37

Кулачковый механизм (рис. 39 и 40)

Рис. 39

Рис. 40

• вращая зубчатое колесо на непо­движной оси, перемещать поступа­тельно рейку (например, в реечном домкрате, в механизме подачи свер­лильного станка);
• обкатывая колесо по неподвижной рейке, перемещать ось колеса относи­тельно рейки (например, при осуществ­лении продольной подачи суппорта в токарном станке).

Рис. 30

гайка неподвижна, винт вращается и одновременно поступательно пере­мещается с салазками. Салазки шарнирно соединены с винтом и могут со­вершать возвратно-поступательное движение в зависимости от направле­ния движения винта по направляющим (рис. 31, II);

винт закреплен так, что может лишь вращаться, а гайка (в данном слу­чае салазки) лишена возможности вращаться, так как ее нижняя (или дру­гая) часть установлена между направляющими. В этом случае гайка (салаз­ки) будет перемещаться поступательно (рис. 31, III).

Рис. 31

В перечисленных винтовых механизмах применяются резьбы различно­го профиля, чаще всего прямоугольная и трапецевидная (к примеру в сле­сарных тисках, домкратах и т. п.). Если угол подъема винтовой линии не­большой, то ведущим движением является вращательное. При очень боль­шом угле подъема винтовой линии возможно преобразование поступатель­ного движения во вращательное и тому примером может служить быстро­действующая отвертка.

Рис. 32

Кривошипный механизм — механизм, преобразующий один вид движения в другой. Например, равномерно вращательное — в поступа­тельное, качательное, неравномерное вращательное и т. д. Вращающееся звено кривошипного механизма, выполненное в виде кривошипа или ко­ленчатого вала, связано со стойкой и другим звеном вращательными кине­матическими парами (шарнирами). Принято различать подобные механиз­мы на кривошипно-шатунные, кривошипно-коромысловые, кривошипно- кулисные и др. в зависимости от характера движения и наименования того звена, в паре с которым работает кривошип.

Используются кривошипные механизмы в поршневых двигателях, насо­сах, компрессорах, прессах, в приводе движения металлорежущих станках и других машинах.

Кривошипно-шатунный механизм — один из самых распрост­раненных механизмов преобразования движения. Его применяют как для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (на­пример, поршневые насосы), так и для преобразования возвратно-поступа­тельного во вращательное (например, двигатели внутреннего сгорания).

Шатун — деталь кривошипно-шатунного (ползунного) механизма, передающая движение поршня или ползуна на кривошип коленчатого ва­ла. Часть шатуна, служащая для присоединения к коленчатому валу, назы­вается кривошипной головкой, а противоположная часть — поршневой (или ползунной)головкой.

Механизм состоит из стойки 1 (рис. 33), кривошипа 2, шатуна 3 и ползуна 4. Кривошип совершает непрерывное вращение, ползун — возвратно-посту­пательное движение, а шатун — сложное, плоско-параллельное движение. , Полный ход ползуна получается равным удвоенной длине кривошипа. Рассматривая перемещения ползуна из одного положения в другое, нетруд­но увидеть, что при повороте кривошипа на равные углы ползун проходит разное расстояние: при движении от крайнего положения к среднему участ­ки пути ползуна увеличиваются, а при движении от среднего положения к крайнему — уменьшаются. Это свидетельствует о том, что при равномерном движении кривошипа ползун движется неравномерно. Так скорость движе­ния ползуна меняется от нуля в начале его движения и достигает наиболь­шей величины, когда кривошип и шатун образуют между собой прямой угол, затем снова уменьшается до нуля при другом крайнем положении.

Рис. 33

Неравномерность хода ползуна вызывает появление сил инерции, ока­зывающих отрицательное влияние на весь механизм. В этом главный недо­статок кривошипно-ползунного механизма.

В некоторых кривошипно-шатунных механизмах возникает необходи­мость в обеспечении прямолинейности движения поршневого штока 4 (рис. 34). Для этого между кривошипом 1, шатуном 2 и ползуном 5 используют так называемый крейцкопф 3, воспринимающий на себя качательные движения шатуна (4 — шток промежуточный).

Рис. 34

Рис. 35

По этой причине эксцентриковый механизм применяют только в тех машинах, где необходимо враща­тельное движение преобразовывать в возвратно-поступательное движе­ние и создавать небольшой ход ис­полнительному органу при значи­тельных силах. К таким машинам относятся штампы, прессы и др.

Кривошипно-коромысловый механизм. Коромысло — звено рычажного механизма и пред­ставляет собой деталь в виде двуплечевого рычага, качающегося около средней неподвижной оси на стойке. На рис. 36 представлены конструк­тивная (I) и кинематическая (II) схемы такого механизма. Кривошип 1 мо­жет совершать вращательное движение. Кинематическая цепочка: кривошип 1, шатун 2 и коромысло 3, связанная шарнирными сочленениями, за­ставляет коромысло совершать качательные движения вокруг неподвиж­ной оси на стойке.

Рис. 36

Применяют кривошипно-коромысловый механизм в рессорных подвес­ках паровозов, вагонов, в конструкциях машин для испытания материалов, весов, буровых станков и др.

Рис. 37

Кривошипно-кулисный механизм. На рис. 38 показаны на­иболее распространенные конструктивные разновидности таких меха­низмов.

На рис. 38, I показано, что вокруг неподвижной оси вращается криво­шип 3, шарнирно соединенный одним концом с ползуном (кулисным кам­нем) 2. При этом ползун начинает скользить (перемещаться) в продольном прямолинейном пазу, прорезанном в рычаге (кулисе) 1, и поворачивать его вокруг неподвижной оси. Длина кривошипа позволяет придать кулисе вра­щательное движение. Подобные механизмы служат для преобразования равномерного вращательного движения кривошипа в неравномерное вра­щательное движение кулисы, но если при этом длина кривошипа равна рас­стоянию между осями опор кривошипа и кулисы, то получается кривошипно-шатунный механизм с равномерно вращающейся кулисой.

Рис. 38

Кривошипно-кулисный механизм с качающейся кулисой (рис. 38, II) служит для преобразования вращательного движения кривошипа 3 в качательное движение кулисы 1 и при этом происходит быстрый ход при движе­нии ползуна в одну сторону и медленный — в другую. Механизм широко применяется в металлорежущих станках, например: в поперечно-строгаль­ных, зубодолбежных и др.

Кривошипно-кулисный механизм с поступательно движущейся кулисой (рис. 38, III) служит для преобразования вращательного движения криво­шипа 3 в прямолинейно-поступательное движение кулисы 1. В механизме кулиса может быть расположена вертикально или наклонно. Применяется такой механизм для малых длин хода и находит широкое применение в счетных машинах (синусный механизм).

Кулачковые механизмы — преобразующие механизмы, изменяющие ха­рактер движения. В машиностроении широко распространены кулачковые ме­ханизмы, преобразующие вращательное движение в возвратно-поступательное и возвратно-качательное. Кулачковые механизмы (рис. 39 и 40), как и дру­гие виды механизмов, подразделяют на плоские и пространственные.

Рис. 39

Рис. 40

Кулачковые механизмы применяют для выполнения различных опера­ций в системах управления рабочим циклом технологических машин, стан­ков, двигателей и т. д. Основным элементом системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания является простейший кулачковый меха­низм, изображенный на рис. 39, I. Механизм состоит из кулачка 1, штанги 2, связанной с рабочим органом, и стойки, поддерживающей в пространстве звенья механизма и обеспечивающей каждому звену соответствующие сте­пени свободы. Ролик 3, устанавливаемый в некоторых случаях на конце штанги, не влияет на закон движения звеньев механизма. Штанга, соверша­ющая поступательное движение, называется толкателем 2, а враща­тельное — коромыслом 4 (рис. 39, II). При непрерывном движении ку­лачка толкатель совершает прерывное поступательное, а коромысло — пре­рывное вращательное движения.

Обязательным условием нормальной работы кулачкового механизма яв­ляется постоянное касание штанги и кулачка (замыкание механизма). За­мыкание механизма может быть си­ловым и геометрическим. В первом случае замыкание обычно обеспечи­вается пружиной 5 (рис. 39, III), при­жимающей штангу к кулачку, во вто­ром — конструктивным оформлени­ем толкателя, особенно, его рабочей поверхности. К примеру, толкатель с плоской поверхностью (рис. 39, III) касается кулачка разными точками, потому его применяют только в слу­чае передачи малых усилий.

В машинах легкой промышленнос­ти для обеспечения весьма сложного взаимосвязанного движения деталей,
наряду с простейшими плоскими, применяют пространственные кулачковые механизмы. В пространственном кулачковом механизме можно увидеть ти­пичный пример геометрического замыкания — цилиндрический кулачок с профилем в виде паза, в который входит ролик толкателя (рис. 40,I).

При выборе типа кулачкового механизма стараются остановиться на при­менении плоских механизмов, имеющих значительно меньшую стоимость по сравнению с пространственными, и во всех случаях, когда это возможно, используют штангу качающейся конструкции, так как штангу (коромысло) удобно устанавливать на опоре с применением подшипников качения. Кроме того, в этом случае габаритные размеры кулачка и всего механизма в целом могут быть меньше.

Изготовление кулачковых механизмов с коническими и сферическими кулачками (рис. 40, II и III) является сложным техническим и технологи­ческим процессом, а потому и дорогим. Поэтому такие кулачки применяют в сложных и точных приборах.