Синтез механизмов. 
Основы физики

При синтезе механизмов обычно задаются функции движения ведомых и ведущих звеньев и требуется определить фиксируемые параметры звеньев (длины, координаты, массы, моменты инерции и т. п.) при некоторых дополнительных критериях. Обращаясь к тем же уравнениям анализа, нетрудно заключить, что искомыми в них являются коэффициенты при переменных функциях, зависящие от параметров механизмов, а переменные функции заранее определены. Как правило, задачи синтеза являются более трудными, сложными, чем и обусловлено еще недостаточное развитие теории синтеза механизмов в настоящее время.

В соответствии с основными разделами теории механизмов и машин, в которых устройство и свойства механизмов изучаются при ограничительных предположениях (теория структуры, кинематика, статика, динамика и др.), различают структурный синтез, кинематический синтез, динамический синтез механизмов и машин. В каждой из этих областей теории синтеза имеются значительные достижения.

Входными параметрами при постановке и решении задач синтеза механизмов называются параметры механизмов, заранее известные или заранее заданные при постановке задач синтеза. Выходными параметрами называют или размеры механизма и его отдельных частей, или параметры движений звеньев, или величины, определяющие интегральные свойства проектируемого механизма (например, угол сервиса манипулятора), и другие, которые должны быть определены в результате решения задачи синтеза.

При формулировке задания для решения задач синтеза часто выдвигается несколько различных требований, часто не вполне совместимых или противоречивых, относящихся к параметрам синтезируемых механизмов. Среди этих требований можно всегда установить одно доминирующее (главное) условие, а остальные отнести ко второстепенным, или дополнительным. Одни и те же условия в одной задаче могут быть основными, а в другой — дополнительными.

Проектирование механизмов представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой может быть разбито на несколько самостоятельных этапов. Первым этапом проектирования является установление основной кинематической схемы механизма, которая обеспечивала бы требуемый вид и закон движения. Вторым этапом проектирования является разработка конструктивных форм механизма, обеспечивающих его прочность, долговечность, высокий коэффициент полезного действия и т. д. Третьим этапом проектирования является разработка технологических и технико-экономических показателей проектируемого механизма, определяемых эксплуатацией в производстве, ремонтом и т. д.

В теории механизмов в основном излагаются методы, с помощью которых может быть разрешен первый этап проектирования — разработка кинематических схем механизмов, воспроизводящих требуемый закон движения. При этом, конечно, учитываются и некоторые вопросы, связанные со вторым и третьим этапами проектирования, как, например, наличие у механизма необходимого коэффициента полезного действия, возможность изготовления его деталей на современном станочном оборудовании, возможность сборки механизма и т. д.

Основной задачей синтеза механизмов является воспроизведение заданного движения одного или нескольких звеньев путем непосредственного их воздействия друг на друга или путем введения между ними промежуточных звеньев. В обоих случаях решение этой задачи сводится к проектированию кинематической цепи заданного движения, т. е. механизма.

При решении задач синтеза должны быть приняты во внимание все условия, обеспечивающие осуществление требуемого движения. Такими условиями в первую очередь являются следующие: правильная структура проектируемого механизма, кинематическая точность осуществляемого движения, возможность создавать проектируемым механизмом заданное движение с точки зрения динамики и, наконец, условие, чтобы размеры звеньев проектируемого механизма допускали воспроизведение заданного движения.

Наиболее важное значение в технике имеют следующие задачи синтеза механизмов:

• 1) преобразование вращательного движения вокруг одной оси во вращательное движение вокруг другой оси;
• 2) преобразование вращательного движения вокруг одной оси в поступательное движение вдоль некоторой заданной прямой, и наоборот;
• 3) преобразование поступательного движения вдоль одной заданной прямой в поступательное движение вдоль другой заданной прямой;
• 4) воспроизведение одной из точек звеньев механизма требуемой траектории.

При решении первых трех задач обычно задаются требуемые законы движения тех звеньев, между которыми осуществляется передача движения в виде заданных в функции времени линейных и угловых перемещений или линейных и угловых скоростей.

При решении четвертой задачи задается требуемая траектория аналитически, в виде уравнения, или графически отдельными точками, лежащими на траектории.

Механизмы, предназначенные для реализации требуемых передаточных функций, называются передаточными. Механизмы, предназначенные для воспроизведения заданных траекторий движения звеньев или их точек, называются направляющими.

Практически оказывается, что решение задач о воспроизведении заданных форм движения с помощью механизмов, в состав которых входят низшие и высшие пары, является более простым, чем воспроизведение тех же форм движения с помощью механизмов, в состав которых входят только низшие пары. Это объясняется тем, что высшие пары обладают большим разнообразием своих видов, в то время как низшие пары, например, в плоских механизмах представлены только двумя видами: парой поступательной и парой вращательной.

Вот почему в большинстве случаев в технике теоретически точное воспроизведение заданных форм движения осуществляется механизмами, в состав которых входят и высшие и низшие пары, а механизмами, в состав которых входят только низшие пары, осуществляется приближенное воспроизведение заданных форм движения.

Поэтому в зависимости от того, какие требования ставит конструктор при проектировании механизма, он выбирает ту или иную кинематическую схему механизма.

Термины «анализ» и «синтез механизмов» применимы ко всем их разновидностям, точно так же, как могут быть применимы и различные методы синтеза, которые разделяются на графические, аналитические, графоаналитические и экспериментальные.

Графические методы основаны на представлении механизмов и параметров их движения на чертежах. При этом длины звеньев и линейные параметры плоских механизмов изображают в некотором масштабе, а угловые перемещения — без искажения. При исследовании пространственных механизмов, представляемых при помощи метода проекций более чем в одной плоскости, такие искажения возможны. Графические способы дают наглядное представление о строении механизмов и закономерностях движения их звеньев, но отличаются погрешностями, свойственными графическим методам.

Аналитические методы отличаются большим разнообразием и основываются на различных методах математики. Они обеспечивают наиболее высокую точность определения искомых величин (при правильном учете влияющих на них факторов) в каждое мгновение промежутка времени действия механизма. Преимуществом аналитических методов при применении ЭВМ является высокая их производительность. Программы вычислений на ЭВМ могут быть построены таким образом, при котором интересующие величины выводятся для контроля в ходе вычислений в виде текстовой и графической интерпретации исследуемых зависимостей — графиков, траекторий движения точек и звеньев в различных ракурсах и масштабах.

Графоаналитические методы объединяют преимущества и недостатки графических и аналитических методов, представляя собой сочетание тех и других.

Экспериментальные методы основаны на изготовлении моделей и макетов проектируемых механизмов, требуемые качества которых достигаются путем доводок или последовательных приближений.

Проектирование механизмов и машин (синтез) должно быть завершено обоснованным определением конфигураций и расчетом размеров всех их элементов, деталей и сборочных единиц по критериям прочности, надежности, долговечности и требуемого выполнения технологических функций. Сначала осуществляют структурный синтез, т. е. выбор наипростейших схем и структуры механизма, которые возможно полно и точно удовлетворяли бы поставленным к проектируемому (синтезируемому) механизму требованиям. При этом определяют вид механизма, количество звеньев, виды кинематических пар, выбор неподвижного звена и ведущих звеньев и др.

После установления принципиальной схемы механизма решают задачу геометрокинематического синтеза. Составляется соответствующая система уравнений, которая решается при заданных ограничениях или ограничениях, которые уместно выбрать для решения задачи.

Установление геометрокинематических параметров механизма дает возможность перейти к следующей стадии решения задачи синтеза механизмов — динамическому синтезу, при котором движение механизма рассматривается под действием сил, собственных и возникающих в процессе движения механизмов и машин. В этой стадии завершается определение размеров звеньев, их масс и моментов инерции, решаются задачи уравновешивания сил инерции, регулирования плавности хода, уровней колебаний, демпфирования колебаний и снижения уровней шумов, обеспечения устойчивости движения и др.

Библиографический список.

• 1. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Высшая школа, 1986. — 10-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1986. — 416 с., ил.
• 2. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: Наука, 1984. — 530 с.
• 3. Эрдеди А. А., Эрдеди Н. А. Теоретическая механика. Сопротивление материалов: Учеб. для машиностр. спец. сред. проф. учеб. заведений. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк.; Изд. центр «Академия», 2003. — 285 с.: ил.
• 4. Теория механизмов и машин. /К.В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов и др.; Под ред. К. В. Фролова. — М., Высшая школа, 1987. — 496 с.
• 5. Анухин В. И. Допуски и посадки. Учебное пособие. 3-е изд. — СПб.: Питер, 2004. — 207 с.: ил.
• 6. Решетов Д. Н. Детали машин. Учебник для вузов. 3-е изд., испр. и перераб. — М., Машиностроение, 1974.
• 7. Эрдеди А. А., Эрдеди Н. А. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец. сред. проф. учеб. заведений. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк.; Изд. центр «Академия», 2001. — 285 с.: ил.
• 8. Мещерский И. В. Задачи по теоретической механике: Учеб. пособие. 38-е изд., стереотипное / Под ред. В. А. Пальмова, Д. Р. Меркина. — СПб.: Изд-во «Лань», 2001. — 448 с., ил.
• 9. Иосилевич Г. Б., Строганов Г. Б., Маслов Г. С. Прикладная механика. — М.: Высшая школа, 1989. — 352 с.
• 10. Прикладная механика /К.И. Заблонский, М. С. Беляев, И. Я. Телис и др. — Киев: Вища школа, 1984. — 280 с.