Попов С. А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин: Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов/ Под ред. К. В. Фролова. — М.: Высш. шк., 1986.— 295 с: ил.


Учебное пособие написано применительно к общетехнической дисциплине «Теория механизмов и машин», предусматривающей изучение общих методов исследования и проектирования механизмов и общих вопросов механики машин. При выполнении проекта студент использует знания, которые он получил при изучении теоретической части дисциплины, выполнении лабораторных работ и домашних заданий, а также предшествующих общетехнических дисциплин: физики, математики, теоретической механики, программирования и алгоритмических языков.
В отличие от традиционного выполнения проекта с использованием в основном графических методов, пособие ориентировано на применение современной вычислительной техники. Однако времени, отводимого учебными планами на самостоятельную работу студентов, недостаточно для того, чтобы каждый студент мог самостоятельно разработать алгоритм, программу вычислений параметров на ЭВМ. и отладить ее. Поэтому в пособии использованы каталогизированные программы системы автоматизированных расчетов курсового проекта (САРКП). Доступ к этим материалам студент получает после изучения соответствующего теоретического материала курса, подтверждения необходимых знаний путем разработки необходимой расчетной схемы обычно в графической (иногда в аналитической) форме, выполнения минимального объема расчетов или контроля знаний с использованием технических средств обучения. Применение САРКП позволяет не только высвободить у студентов большой резерв времени, но и решать более сложные задачи: выбора оптимальных параметров механизмов и машин, получения числовых значений параметров с требуемой точностью и др.; прививает навыки использования прикладных программ вычислений на ЭВМ; способствует лучшему пониманию л усвоению материала курса. САРКП не является замкнутой системой, ее можно непрерывно расширять и совершенствовать, использовать новые, более совершенные методики обучения.
САРКП разработана коллективом кафедры Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана и применяется уже в течение длительного периода времени- Сложившаяся на кафедре методика выполнения курсовых проектов обеспечивает достаточно прочные знания у будущих инженеров-механиков-Автор с признательностью отмечает труд, который вложили в разработку данной методики проф. В. А. Гав-риленко, доценты А. А. Савелова, А- С. Мастрюкова, С. Б. Минут, 3. С. Малышева, А. К. Мусатов, Д. М. Лу-кичев, Т. А. Архангельская, Н. Е. Ремезова, Г. А. Тимофеев, И. Н. Ермакова, В. В. Каганова, В. М. Акопян, В. А. Никоноров, В. А. Суетин, Н. А. Скворцова.
Автор признателен акад. К. В. Фролову, проф. Р. В. Вирабову, проф. В. В. Гортинскому и коллективам кафедр теории механизмов и машин Московского технологического института пищевой промышленности и Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана за рекомендации, советы, критические замечания и пожелания, которые учтены при окончательной доработке книги.
Замечания и пожелания по улучшению книги просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
1.1. Этапы проектирования машин
Создание современной машины требует от конструктора всестороннего анализа ее проекта. Конструкция должна удовлетворять многочисленным требованиям, которые находятся в противоречии. Например, минимальная динамическая нагруженность должна сочетаться с быстроходностью, достаточная надежность и долговечность должны обеспечиваться при минимальных габаритах и массе. Расходы на изготовление и эксплуатацию должны быть минимальными, но обеспечивающими достижение заданных параметров. Из допустимого множества решений конструктор выбирает компромиссное решение с определенным набором параметров и проводит сравнительную оценку различных вариантов. Численных показателей эффективности решения, называемых критериями качества или целевой функцией, по которым следует оценивать конструкцию, обычно бывает несколько. Выделяют главные критерии, а вспомогательные показатели используют как ограничения, накладываемые на элементы решения. В настоящее время расчеты выполняют на ЭВМ, что позволяет оценить конструкцию по многим критериям качества и найти максимум показателя эффективности.
Единой системой конструкторской документации (ЕСКД) установлено пять стадий разработки документации на изделия всех отраслей промышленности: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект и разработка рабочей документации.
Выполнение этих стадий проектирования в сроки, ограниченные разумными пределами, немыслимо без внедрения методов автоматизированного проектирования машин (САПР). В этой системе очень большую роль играют логическая постановка задачи, создание и изучение математических моделей проектируемых объектов, выбор и обоснование системных моделей, проведение вычислений на ЭВМ и анализ результатов с позиции оценки дости- жения заданной цели.
Возможность проведения расчетов связана с формализацией задач и связей, на основе которых можно разработать алгоритм и программу расчетов на ЭВМ. Автоматизированное проектирование предусматривает такое программное обеспечение ЭВМ, которое позволяет специалисту вести диалог с ЭВМ, анализировать и уточнять расчеты и результаты, полученные при выполнении предыдущих этапов. Только определив с помощью ЭВМ выраженные в точной количественной форме интегральные критерии достижения или улучшения заданных параметров машины и оценив различные варианты проекта, конструктор принимает решение о выборе конструкции машины с параметрами, которые при заданных условиях являются наилучшими или оптимальными.
Многовариантный характер инженерных решений в процессе конструирования машины требует достаточной детальной разработки методов расчета и методов принятия и реализации оптимальных решений. Подробное изучение методов обеспечения требований эффективности, качества и экономичности распределено в учебных планах вузов между общеинженерными и специальными учебными дисциплинами. Вопросы синтеза структурной и кинематической схем механизмов, компоновки механизмов и согласования их движения, силовой анализ механизма, определение закона движения механизма, обусловленного заданными силами, оценка виброактивности и виброзащиты механизмов, управление движением и ряд других вопросов изучаются в дисциплине «Теория механизмов и машин». Вопросы конструирования деталей и сборочных единиц, общей компоновки машины по условиям прочности, жесткости, виброустойчивости, виброактивности, износостойкости и технологичности изучаются в дисциплине «Детали машин» и в специальных дисциплинах.
В конструкторской подготовке инженеров особое место отводится вопросам технологичности проектируемых машин. Конструктивные решения должны подчиняться требованиям рациональных технологических процессов изготовления и сборки, _обе-спечения минимума производственных затрат при заданных параметрах и показателях эффективности проектируемой машины. Изделие, достаточно технологичное в единичном производстве, может быть малотехнологичным в массовом производстве и совершенно нетехнологичным в поточно-автоматизированном производстве. Ранее нетехнологичные конструкции могут стать вполне технологичными в условиях гибкого (переналаживаемого) автоматизированного производства (ГАП). ГАП, техническую основу которого составляют гибкие производственные системы (ГПС), т. е. оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленные роботы и манипуляторы и вычислительная техника, позволяет легко приспосабливать производство к постоянно растущим нуждам народного хозяйства. Создание автономно функционирующего автоматизированного оборудования с ЧПУ, оснащенного устройствами загрузки заготовок и удаления обработанных деталей, подачи и замены инструмента, удаления отходов обработки (гибкие производственные модули и гибкие комплексы), нахождение для конкретного производства наилучшего соотношения между производительностью и гибкостью технологического процесса требуют при своем решении ответов на многие вопросы. В числе ряда решений определенное место отводится и
тем, которые могут быть получены с использованием основных методов исследования и проектирования механизмов и машин, изучаемых студентами в учебной дисциплине «Теория механизмов и машин».
1.2. Цель и задачи курсового проектирования
Основная цель курсового проектирования — привить навыки использования общих методов проектирования и исследования механизмов для создания конкретных машин и приборов разнообразного назначения. Студент должен научиться выполнять расче-ты с использованием ЭВМ, применяя как аналитические, так и графические методы решения инженерных задач на разных этапах подготовки конструкторской документации.
Курсовое проектирование ставит задачи усвоения студентами определенных методик и навыков работы по следующим основным направлениям:
оценка соответствия структурной схемы механизма основным условиям работы машины или прибора;
проектирование структурной и кинематической схем рычажного механизма по заданным основным и дополнительным условиям;
анализ режима движения механизма при действии заданных сил;
силовой анализ механизма с учетом геометрии масс звеньев; учет сил трения в кинематических парах и определение коэффициента полезного действия;
проектирование зубчатых рядовых и планетарных механизмов; расчет оптимальной геометрии зубчатых зацеплений; проектирование механизмов с прерывистым движением выходного звена;
разработка циклограмм и тактограмм для систем управления механизмами;
уравновешивание механизмов с целью уменьшения динамических нагрузок на фундамент и уменьшения сил в кинематических парах;
защита механизмов и машин от механических колебаний; определение мощности и выбор типа двигателя. Типовое задание на курсовое проектирование содержит название темы проекта, краткое описание назначения машины или прибора и функций их исполнительных органов и элементов, структурные схемы основных механизмов, схемы согласованности перемещений исполнительных органов (циклограммы, тактограм-мы), исходные данные.
Например, можно предложить следующие темы проектов: проектирование и исследование механизмов технологической машины (металлорежущего станка или автомата, пресса, прокатного стана, брикетировочного автомата, машины кузнечно-прессо-вого и литейного производства и т. п.); проектирование и исследование механизмов для автоматизации и комплексной механизации процессов в машиностроении (шаговые транспортеры, автоматические линии, загрузочные устройства, подъемно-транспортные машины и т. п.);
проектирование и исследование механизмов транспортной машины (автомобиля, трактора и т. п.);
проектирование и исследование энергетической машины (теплового двигателя, механизмов гидро- и пневмомашин и т. п.);
проектирование и исследование механизмов летательных аппаратов (рулевые машинки, механизмы шасси, приводы антен, локационные устройства и т. п.);
проектирование и исследование механизмов приборов и средств автоматики.
При разработке комплексного задания на курсовой проект стремятся использовать наиболее характерные механизмы, при проектировании которых студент может усвоить важнейшие методики синтеза и анализа механизмов. Предпочтение отдается таким заданиям, которые содержат исходные данные на проектирование рычажного, зубчатого (в том числе планетарного) и кулачкового механизмов. Однако искусственное включение в задание механизмов, которые не используются в реальной машине, является нецелесообразным. В таких случаях необходимые навыки студент приобретает при выполнении дополнительных заданий, например, при выполнении расчетов по синтезу только планетарной зубчатой передачи или только кулачкового механизма.
В качестве примера ниже рассмотрены два задания на курсовое проектирование механизмов технологических машин.
Задание № 01. Проектирование и исследование механизмов шагового транспортера. Шаговый транспортер (рис. 1.1) предназначен для перемещения заготовок на шаг в комплексе технологического оборудования. Заготовки 8 перемещаются по направляющим с помощью штанги 5. Оси цилиндрических катков У неподвижны, а заготовки перемещаются с помощью подпружиненных захватов 6, шарнирно соединенных со штангой 5. Перемещение заготовок — одностороннее (на рис. 1.1—слева направо). При рабочем ходе защелки захватывают заготовку и перемещают ее на величину одного шага НЕ, при вспомогательном (обратном) ходе они перемещаются под заготовкой. Штанга транспортера получает движение от кулисно-ползунного механизма, состоящего из кривошипа 1, шатуна («камня») 2, кулисы 3 и шатуна («камня») 4. Кривошип 1 получает вращение от электродвигателя М через зубчатую передачу Z—22, четырехрядный планетарный редуктор 23, 24, 25, 2в, 27, 28, 2g, zi0 и зубчатую передачу 2ц—z12.
Для управления работой устройств 8 зажима заготовок (на схеме не показаны) используется кулачковый механизм с вращающимся толкателем и переключателем 7. Кулачок закреплен на общем валу с кривошипом /. Согласование работы кулисно-ползунного и кулачкового механизмов отображается циклограммой, показанной на рис. 1.2.