Для понимания процесса рассмотрим принцип действия механизма

• Естествознание, 11 класс
• Урок 4. От законов механики к механическим устройствам
• Глоссарий по теме:
• Приспособления, служащие для преобразования силы, называют простыми механизмами.
• Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.

Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению.

Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей.

Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее поло. Закон постоянства состава: Многие вещества, независимо от нахождения в природе или способа получения их в лаборатории, всегда имеют один и тот же состав.

1. Золотое правило механики: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.
2. Закон сохранения энергии: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается неизменной.
3. Под полной механической энергией понимаем сумму кинетической и потенциальной энергий тел, составляющих систему.

Кинетическая энергия характеризует движущиеся тела, потенциальная энергия характеризует энергию взаимодействующих тел . Обе энергии изменяются только в результате взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Основные источники:

1. Еремин В.В. Теоретическая и математическая химия для школьников. – М.: МЦНМО, 2007.
2. Миттова И.Я., Самойлов А.М. История химии с древнейших времен до конца XX века: учебное пособие в 2-х томах. Т. 1. – Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2009.
3. Папулов Ю.Г, Левин В.П., Виноградова М.Г. Строение вещества в естественнонаучной картине мира: Молекулярные аспекты. Учебное пособие, 2-ое издание. Тверь: ТвГУ, 2005 — 208 с.

Дополнительные источники:

1. Травень В. Ф. «Органическая химия», в 2-х томах. Москва, ИКЦ «Академкнига», 2004.
2. Химия. Школьная энциклопедия. Гл. ред. Ю.А.Золотов. М.: Большая российская энциклопедия, 2003.
3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. Гл. ред. В.А.Володин. — М.: Аванта+, 2000.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Механические устройства появились еще до окончательного формирования науки механики, начиная от создания жилищ, мельниц, заканчивая различными средствами для передвижения, которые в настоящее время заменяют уже робототехническими механизмами. Как же, не зная научных теорий и закономерностей человек это осуществлял? И надо ли их знать и уметь использовать, чтобы жить в современном мире?

Одним из чудес света является статуя Зевса. В облике Зевса сочетаются властность и милосердие, мудрость и доброта. В классической механике есть что-то напоминающее Зевса. Фундаментальное правило, которому подчиняются все механизмы.

О том, как усилить воздействие, человек задумывался с давних времен, создавая простые механизмы. Построенные Архимедом мощные метательные машины забрасывали римские войска тяжёлыми камнями. Он же автор знаменитых слов: «Дайте мне точку опоры, и я передвину Землю!»

Рассмотрим подробнее принцип действия простейшего механизма-рычага. Пусть имеется некоторое устройство (Рис. 1). На входе устройства (точка A) подействуем на него с силой FA. При перемещении точки A на величину ΔxA мы совершаем над устройством работу ΔAвх = FAΔxA.

Рис.1. Принцип действия рычага

На выходе (точка B) устройство совершает работу над внешними телами, действуя на них с силой FB. Величина этой работы равна ΔAвых =FBΔxB. Энергия самого устройства при этом изменяется на величину ΔE=ΔAвх — ΔAвых=FAΔxA — FBΔxB.

Если энергия устройства не изменяется, то работа на входе устройства равна работе на выходе устройства, и мы получаем соотношение, соответствующее золотому правилу механики: FAΔxA = FBΔxB.

Таким образом, золотое правило механики является следствием закона сохранения энергии.

Если энергия устройства изменяется, то работа на выходе устройства может быть как больше, так и меньше работы на входе. При уменьшении энергии устройства оно совершает работу над внешними телами, и работа на выходе становится больше работы на входе. В этом случае механическое устройство является двигателем. Для работы двигателя необходим, как всегда, некоторый источник энергии.

Если энергия устройства увеличивается, то работа на выходе оказывается меньше, чем работа на входе. Устройство само потребляет энергию. Иногда эта энергия может запасаться в виде механической энергии.

Например, можно поднимать некоторый груз (накапливать потенциальную энергию), или раскручивать некоторый маховик (накапливать кинетическую энергию). За счет накопленной энергии впоследствии устройство может совершить работу.

В этом случае действие устройства аналогично аккумулятору.

Вывод: используя рычаг, выигрыша в работе не получают. Если мы выигрываем в силе, то проигрываем в пути и наоборот.

Таким образом, ни один из простых механизмов не дает выигрыша в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в расстоянии.

Уже древним ученым, было, известно правило, применимое ко всем механизмам: Во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии.

Это правило назвали «золотым правилом» механики.

Его первооткрывателем считают Герона Александрийского, которому принадлежит описание пяти типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Посмотрите на приведенные примеры и вспомните простые механизмы, основанные на этом правиле.

Во всех реальных механизмах, помимо всего прочего, часть механической энергии переходит в тепло в силу наличия трения между подвижными элементами.

Из этого следует, что в реальных устройствах, не являющихся двигателями, мы всегда проигрываем в работе. Золотое правило механики, таким образом, точно выполняется только в идеализированных системах.

Зачем же нужны такие устройства, которые не дают выигрыша в работе, а лишь передают энергию от одной точки к другой? Первый ответ следует из принципа действия рычага – мы можем получить выигрыш в силе. В некоторых случаях, например, механические часы, необходимо замедлить скорость на выходе.

В часах необходимо замедлить скорость движения стрелок по сравнению со скоростью движения маятника.

Устройства, замедляющие или ускоряющие вращения валов, называются редукторами.

Редукторы могут состоять из шестерен, как в часах, а также из цепей, ремней, шкивов и т.д.

Предназначение этих устройств легче всего понять на основе редуктора велосипеда, состоящего из звездочек и цепи.

В зависимости от передаточного соотношения один оборот педалей может соответствовать разному числу оборотов колеса. При движении в гору выгодно, чтобы колесо крутилось медленнее, при этом сила человека на педали будет наименьшей. Напротив, при движении под гору выгоднее, чтобы колесо крутилось быстрее, при этом за один оборот педалей велосипед проедет большее расстояние.

В любом редукторе действует сила трения, ухудшающая его работу. Но и без этой силы многие механизмы не смогли бы функционировать.

Будет ли движение автомобиля более эффективным, если «вредная» сила трения исчезнет? Увы, в отсутствии силы трения мы получили бы обратный результат, автомобиль, подобно санкам мог бы только катиться под гору. Именно сила трения, а не мифическая «сила тяги», как иногда можно услышать, движет автомобиль.

Конечно же, автомобиль движется вследствие работы двигателя. Но в отсутствие силы трения между колесами и дорогой двигатель может только заставить крутиться колеса без движения автомобиля. Именно это происходит при плохом сцеплении колес с дорогой.

Сила трения здесь играет важную положительную роль и усилия многих изобретателей и инженеров направлены на то, чтобы увеличить силу трения между колесами и дорогой. Таким образом, сила трения играет важную роль при механическом движении.

В некоторых случаях эта роль отрицательна и силу трения следует уменьшать, в других случаях ее нужно увеличивать.

Одной из важных прикладных задач механики является исследование устойчивости различных конструкций. Любая неподвижная конструкция находится в положении механического равновесия.

Из законов механики следует, что система находится в положении равновесия, если сумма всех сил и сумма всех моментов сил, действующих на каждый из элементов конструкции, равны нулю.

Различные типы равновесия тела на опоре представлены на рисунке: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.

Устойчивым равновесием называют такое равновесие, когда при любом малом отклонении от него система возвращается в прежнее положение. Когда речь идет о различных сооружениях в большинстве случаев инженеров интересует именно устойчивое равновесие. Все здания, такие инженерные сооружения, как мосты, вышки должны находиться в положении устойчивого равновесия.

• Законы устойчивого равновесия необходимо соблюдать при строительстве, особенно в сейсмически неустойчивых районах Земли.
• Проблемы механической устойчивости оказываются связанными с проблемами экономической целесообразности.
• Выводы:
• • Механические устройства облегчают жизнь человека с древних времен.

• Сила трения играет важную роль при механическом движении. Её можно увеличивать или уменьшать для достижения необходимого эффекта.

1. • При проектировании различных сооружений обязательно решается задача на механическую устойчивость.
2. Конструкции должны находиться в состоянии устойчивого положения равновесия при изменении множества факторов, действующих в процессе эксплуатации
3. Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ. «Золотое правило» механики является:

• 1) гипотезой
• 2) явлением
• 3) законом
• 4) теорией
• Правильный вариант: 3.

Задание 2. Соедините попарно прямоугольники с овалами так, чтобы каждому рисунку типа равновесия соответствовало название.

Неустойчивое равновесие Безразличное равновесие Устойчивое равновесие Правильный вариант:

Фрикционная передача: что это такое, ее достоинства и недостатки – схема и классификация

16.03.2020

Взглянем на устройства, преобразующие механическую энергию. В фокусе внимания – фрикционная передача: что это такое, из чего состоит, где применяется, как выглядит, какими особенностями обладает – рассмотрим все эти и другие важные моменты, чтобы вы понимали, где, когда и как ее использовать.

Сразу отметим, что она является традиционным предметом изучения в области прикладных наук: понимая ее важное практическое значение, инженеры постоянно предлагают решения по ее улучшению.

А все потому, что она сверхактуальна даже в условиях современной промышленности, ведь причин для ее востребованности хватает: это и трансформация по частоте вращения, и высокий коэффициент полезного действия, и возможность бесступенчатой регулировки скорости… хотя подробнее об этом – ниже.

Общие понятия и определения

Фрикционные передачи являются передачами продлевающими движение за счет сил трения, появляющихся в точках соприкосновения двух катков. Последние представляют собой пару плотно прижатых друг к другу колес, ведущего и ведомого.

Они преобразуют энергию и транспортируют нагрузку на последующие углы в соответствии с таким условием:

Rf ≥ Ft, в котором участвуют силы:

• Rf – трения в месте контакта, в свою очередь, равная ƒFr, где ƒ – коэффициент трения, Fr – усилие прижима;
• Ft – окружная.

Для нормальной работы указанное соотношение обязано соблюдаться, в противном случае катки в процессе эксплуатации будут лишь скользить по поверхностям друг друга, но никак не поставлять мощность дальше, другим функциональным узлам оборудования.

Чтобы обеспечить Rf нужной величины, следует добиться того, чтобы Fr значительно превышала Ft. Для этого необходимо прижать колеса – за счет собственного веса приспособления, с помощью пружины, рычага или какого-то другого устройства.

Принцип работы

Любая отдельно взятая фрикционная передача состоит из двух тел вращения: как мы уже выяснили, это пара катков, ведущий и ведомый.

Первый приводит второй в движение благодаря трению, которое возникает в зоне контакта за счет сил прижатия.

Как мы уже определили, необходимая плотность прилегания может быть достигнута несколькими способами – на практике наиболее применимы следующие решения:

• установка гидроцилиндров – они удобны тем, что позволяют в течение длительного времени выдерживать даже высокие и интенсивные нагрузки;
• придавливание собственным весом (либо тяжестью соседнего функционального узла или всего станка) – этот метод мы уже упоминали, добавим лишь, что он хорош своей простотой;
• задействование комплексных рычагов – несколько усложняет устройство, но подкупает эффективностью результата;
• использование центробежной силы – актуально в планетарных системах.

Напомним, главное, чтобы трение значительно превышало окружное воздействие. Иначе в зоне контакта будет наблюдаться лишь упругое скольжение. В таком случае угловая скорость главного (ведущего) колеса будет постепенно снижаться, вплоть до полного буксования.

Основные характеристики

1. Передаточное отношение фрикционной передачи – чтобы узнать его, нужно число зубьев ведомого вала разделить на количество звеньев ведущего. Чем оно больше, тем быстрее крутящий момент переносится от двигателя к узловому приводу. Также его можно представить (и вычислить) в виде соотношения диаметров катков. Обычно находится на отметке до 7.

2. Контактная прочность, показывающая, насколько серьезные нагрузки может выдерживать устройство. Чтобы оценить их, следует измерить напряжение в зоне трения и подставить его в формулу Герца, вместе с коэффициентом нагрузки, модулем упругости и радиусом кривизны. Чем меньше данная величина, тем раньше в точке соприкосновения возникнут деформации.

3. КПД, в том числе отражающий потерю мощности, зависящую от интенсивности замедления вращательного момента при скольжении и качении. Узнать его значение можно экспериментальным путем, сравнивая колесную пару. В среднем составляет 90%, что считается хорошим показателем.
4. Траектория перемещения рабочих элементов фрикционной передачи – может быть реверсивной или нет.

   В первом случае катки вращаются в разных направлениях, во втором – в одном и том же.

5. Материал исполнения тел качения – от него зависит целый ряд характеристик, не только контактная прочность или общая износостойкость, но и модуль упругости, и коэффициент трения.

   Обычно для их изготовления берут металлокерамику или сталь с закалкой до отметки в 60 HRC, что позволяет сохранить сравнительно легкий вес и высокую производительность.

   Реже предпочтение отдают чугуну, ведь он требует обильной смазки, или текстолиту (дешево стоит, но недолговечный и с КПД всего в 50%); валы с поверхностями из кожи или дерева тоже не самые практичные, так как контактная прочность недостаточна для решения промышленных задач.

Виды фрикционных передач

Классифицировать все их разнообразие можно по нескольким важным параметрам.

По характеру работы:

• нерегулируемые – передаточное число не меняется в процессе эксплуатации;
• вариаторы – отношение зубцов можно задать (или же оно само не будет оставаться одинаковым).

По условиям использования:

• открытые – работают без применения СОЖ, отличаются сравнительно высокой нагрузочной способностью, к ним нужно прикладывать меньше усилия, но они же быстрее нагреваются и изнашиваются;
• закрытые – действуют в масляной ванне, которая эффективно отводит тепло, продлевая срок службы, но снижает трение, а значит прижим приходится повышать искусственным путем.

По количеству направлений мощности фрикционных передач классификация предполагает разделение на две группы:

• одинарные – лобовые или торовые;
• многопоточные, которые, в свою очередь, бывают с параллельным или последовательным соединением, планетарными или замкнутыми.

Катки могут работать с такой мощью прижима:

• с постоянной – удобны именно стабильностью, не требующей использования дополнительных средств;
• с переменной – здесь уже нужны вспомогательные приспособления.

По зоне расположения колес выделяют такие три типа:

• Цилиндрическая – оси валов идут параллельно, а плоскости образуют вытянутое тело (отсюда и название) с гладкой и ровной, выпуклой или вогнутой поверхностью; правда, передает сравнительно малую мощность – при звеньях клиновой формы кинематические пары теряют до 50% от силы трения;
• Коническая фрикционная передача – у нее векторы катков уже пересекаются; снабжена двумя дисками, не требует большого прижима для обеспечения нужного вращательного момента, а также может быть как реверсивной, так и нет, за счет чего актуальна.
• Лобовая – поверхность у нее параллельная, а вот оси колес уже пересекаются; такое устройство оборачивается интенсивным скольжением, которое негативно сказывается на итоговом коэффициенте полезного действия; но она все равно используется за счет возможности изменять скорость и направление вращения валов, пусть и с ограничениями, то есть в маломощных системах, не решающих сложные задачи.

Несмотря на такую широту признаков разделения, есть определенные особенности, которыми обладают практически все фрикционные передачи: основные достоинства и недостатки их мы рассмотрим прямо сейчас.

Преимущества

В числе главных плюсов:

• Простота строения – малое количество деталей обуславливает сравнительно высокую степень надежности.
• Плавность работы, сопровождающаяся низким уровнем шума, что особенно удобно в условиях домашней мастерской.
• Смена скорости станков (и других приборов) происходит бесступенчато.
• При выполнении обработки детали движение вала можно замедлять и ускорять, отключать и включать, реверсировать, что расширяет количество технологических операций.
• Передаточное число не проблема регулировать прямо на ходу, что позволяет оперативно вносить корректировки.
• Наличествуют предохранительные свойства, предотвращающие повреждения, которые могли бы возникнуть в случаях интенсивной пробуксовки.
• Предусмотрена автоматическая остановка при чрезмерной нагрузке на валы или колеса, предупреждающая аварийные ситуации.
• Отсутствует «мертвый» ход, даже при смене вектора вращения.

Недостатки

Они тоже есть, ведь иначе любая сборка фрикционных передач в коробке (или другом достаточно надежном корпусе) применялась бы просто безальтернативно. В списке эксплуатационных минусов:

• Малый коэффициент полезного действия у некоторых моделей (особенно у закрытых, со смазочной ванной).
• Небольшая итоговая мощность, направляемая на последующие узлы, – в среднем до 300 кВт.
• Скольжение звеньев, делающее передаточное число нестабильным, что почти всегда вызывает сложности.
• Окружная скорость не превышает 10 м/с, чего зачастую недостаточно.
• Соприкосновение колес сопровождается значительными потерями момента (КПД может снижаться на 30-50%).
• Частое буксование оборачивается быстрым износом и выходом всего функционального узла из строя.
• Дополнительные опоры и прочие стабилизаторы утяжеляют общий вес конструкции, снижая мобильность валов.

Недостатки нельзя не учитывать, но достоинства все-таки перевешивают, иначе применение не было бы столь частым. Явные минусы можно устранить: обеспечив замкнутый прижим, используя принцип многоконтактности, взяв более надежные материалы и так далее.

Скольжение во фрикционной механической передаче

Оно неизбежно возникает в процессе эксплуатации из-за разницы в скоростях катков. У того же ведущего поверхностные элементы подходят к месту соприкосновения сжатыми, а покидают ее уже растянутыми; и наоборот в случае с ведомым. В результате у первого обод удлиняется, а у второго – укорачивается, что и приводит к потерям трения.

• При сравнении окружных скоростей оказывается, что V2 значительно, в разы, меньше V1, а в таких условиях крайне проблематично добиться хорошего прижима.
• Особняком стоят случаи, когда механизмы фрикционных передач залиты СОЖ, то есть функционируют в так называемых ваннах: масляная пленка способствует еще большему скольжению.
• Свою роль, причем серьезную, также играет нагрузка: если она будет чрезмерной, это обернется буксованием, а значит и отсутствием должного трения, что приведет к остановке ведомого колеса и/или к быстрому износу взаимодействующих поверхностей.

Материалы исполнения катков

Необходимо, чтобы они отвечали следующим требованиям:

• обладали контактной прочностью и достаточной износостойкостью;
• сохраняли высокий модуль упругости, что поможет предотвратить деформации и потери;
• обеспечивали максимально возможный коэффициент трения.

В общем случае коническая, лобовая или цилиндрическая фрикционная передача может быть оснащена такими сочетаниями колес:

• оба из закаленной стали (ШХ15, 18ХГТ, 18Х2Н4МА) – отличаются небольшими габаритами, легкостью, значительным ресурсом, но должны быть изготовлены с максимальной точностью выдерживания размеров;
• пластмассовые (марки КФ-3, 16Л или 24А) и стальные – подходят для открытых узлов с малой степенью нагрузки; зато в их случае точность изготовления не столь критична;
• пара из чугуна – для оборудования, функционирующего либо всухую, либо с малым количеством СОЖ и на небольших скоростях;
• с кожаным покрытием – для колес, эксплуатируемых в условиях низкой влажности, в ситуациях, когда допустима небольшая контактная прочность;
• оба из дерева – обходятся очень дешево, но быстро истираются под нагрузками, поэтому актуальны для малоответственных объектов;
• из металлокерамики (ФАБ-II) и закаленной стали – для открытых силовых агрегатов.

Где используется фрикционная передача: область применения

Они не очень подходят для обеспечения больших мощностей, так как при высоких нагрузках наблюдается скольжение, сопровождающееся быстрым износом валов с последующей частичной или даже полной поломкой. Также их нельзя устанавливать там, где особо критичны ошибки в углах поворота звеньев, так как могут возникать в зоне контакта.

Ниша, в которой они востребованы, – это производство прессов, кузнечно-штамповочных комплексов, транспортеров, тяговых приводов, металлообрабатывающих станков. Наиболее актуальны из них те, что подключены к электромотору или ДВС (двигателю внутреннего сгорания). С их помощью появляется возможность бесступенчатой регулировки скорости, что особенно удобно, например, для АКПП в машинах.

Те, чье передаточное число неизменно, становятся важной частью магнитофонов, спидометров и других устройств, эксплуатируемых при незначительных нагрузках. Вариаторы используют в текстильной промышленности: в силовых агрегатах, чтобы натягивать нити и волокна, в центрифугах, дабы обеспечивать равномерный разгон, при деревообработке, чтобы соотносить скорость с плотностью породы и так далее.

Характер и причины отказов

Фрикционные передачи, назначение которых мы только что рассмотрели, сильно зависят от контактной прочности, которую определяют по напряжению смятия в зоне взаимодействия валов. Рассмотрим снижающие ее факторы и типы повреждений вообще.

Виды разрушений механизмов

• усталостные – проявляются с течением времени, под действием постоянных и чрезмерных нагрузок;
• абразивные – возникают в результате случайного попадания твердых частиц в СОЖ, способны обернуться серьезными повреждениями катков;
• коррозийные – наблюдаются либо при негативном влиянии агрессивной химической среды, либо при окислении в силу очень высоких или низких температур, либо при пластических деформациях колес;
• износ звеньев – характерен для механизмов, работающих всухую, при буксовании поверхностей
• задир плоскостей – актуален для быстроходных систем, появляется при разрыве масляной пленки, при интенсивной эксплуатации.

Факторы отказов

Фрикционная передача, схема которой предполагает простоту и надежность, все-таки выходит из строя. Виной поломки может быть:

• Выкрашивание – характерно для закрытых моделей, функционирующих без СОЖ. Сила прижима концентрирует напряжение в зоне контакта звеньев, на которых появляются трещинки, со временем перерастающие в сколы и раковины.
• Диспергирование – наблюдается в условиях умеренных температур, при работе на граничной смазке.
• Пластическая деформация (смятие) – возникает в результате слишком малой прочности соприкасающихся поверхностей, представляет собой полосы на ранее гладких и блестящих дисках.
• Заедание – проявляется на быстром ходу, при разрыве масляной пленки из-за чрезмерных нагрузок. Зона контакта нагревается, частицы двух валов сцепляются на молекулярном уровне, свариваются между собой, нарушают исходную конструкцию, что существенно ухудшает динамику движения и способствует появлению борозд на ровных плоскостях.
• Изнашивание из-за упругого скольжения, действующего в месте соприкосновения колес; это оборачивается слишком большим трением, падением КПД и серьезными поломками.

Чтобы предотвратить отказы, следует правильно рассчитать контактную прочность и использовать тот механизм, у которого она на достаточном уровне, а также применять подходящие противозадирные масла.

Предлагаем закрепить впечатление и посмотреть фото фрикционных передач и ролики, показывающие их устройство и работу. Лучшие из них устанавливаются в станки ижевского производителя «Сармат» – в мощное, удобное в пользовании и надежное оборудование, помогающее решать самые ответственные задачи.

Исследовательский проект "Механизмы преобразования движения

• Липецкий колледж транспорта и дорожного хозяйства
• Исследовательская работа студентов группы К2-14
• Тема: «Исследование работы механизмов для преобразования движения
• Липецк
• 2015/2016 учебный год
• Содержание
• 1.Введение (исторические основы вопроса преобразования движения)
• 2. Актуальность исследования (прикладной характер гипотезы),
• 3. Цель исследования
• 3. Способы и методы исследовательской работы
• 4. Задачи исследовательской работы
• 5. Практические основы исследовательской работы ( модели, проекты, наглядные примеры)
• 6. Выводы и предложения
• 7. Презентация проекта
• 1. Введение
• Механизмы для преобразования движения
•             Краткий обзор истории развития простых механизмов
•       Согласно существующей в механике классификации ДПЭ относится к семейству простейших механизмов, веками верой и правдой служившим человеку, таким как колесо, блок, рычаг, ворот.

 Все они изначально приводятся  в действие мускульной силой человека и практическая их ценность состоит в многократном умножении (усилении) исходного мускульного воздействия.

Каждый из этих механизмов прошел длительное испытание практикой и временем и по сути они стали своеобразными 'кирпичиками ' (элементарными звеньями) из которых построено великое множество разнообразных сложнейших механизмов. Особое место среди этих механизмов занимает, безусловно, колесо; потому что именно с его помощью было осуществлено непрерывное преобразование механической энергии, использующее в качестве источника силу тяжести.

    Речь идет конечно же о  преобразователе,  известном как водяное колесо, впоследствие ставшим гидротурбиной (что увеличило эффективность механизма, оставив прежним принцип действия).

 Широчайшее  применение данного типа преобразователя объясняется очень просто: его идеальной сопрягаемостью( в простейшем случае — посредством одной общей оси вращения) с важнейшими  механическими нагрузками — мельничным жерновом, а позже — электрогенератором.

Интересно также применение водяного колеса в «инверсном (обратном) включении» для подъема воды, используя «входную» мускульную силу человека.

Однако не все же нагрузки имели вращательный характер ( например, для  мощных кузнечных мехов  лучше бы подходил преобразователь возвратно-поступательного типа ), и тогда приходилось прибегать к промежуточным преобразователям (типа кривошипно-шатунного механизма) , которые вносят свои потери в процесс преобразования и увеличивают сложность и стоимость  системы. Многие примеры необходимости применения промежуточных преобразователей при переходе от вращательного движения к возвратно-поступательному мынаходим в древних рисунках и гравюрах.

На рисунке внизу, например, показано сопряжение вращающегося водяного колеса  с поршневым насосом — механической нагрузкой, требующей возвратно-поступательного движения приводного механизма.

1.   Таким образом становиться очевидной полезность и востребованность
2. для многих практических применений преобразователей энергии возвратно-поступательного типа, приводимых в движение той же силой тяжести.
3.  Наиболее подходящим простым механизмом в этом случае является рычаг.

   Рычаг, в полном смысле  — усилитель силы. Поэтому он и нашел широчайшее применение при подъеме тяжестей, например, в строительстве (классический пример — строительство пирамид египтянами). Однако, в этом применении

«входным» воздействием служили те же мускульные усилия людей, а режим работы рычага был, конечно же, дискретным. 

    Есть еще один интересный практический  пример применения рычага как  преобразователя энергии: это древняя боевая метательная машина — требушет.

  Требушет интересен новым принципиальным отличием от классического применения рычага: он приводится в действие  уже силой тяжести  (а не мускульной силой) падающей массы.

Однако признать требушет преобразователем энергии, с возможностью подсоединения полезной нагрузки не представляется возможным.

Во первых это механизм единичного (разового) действия, во вторых чтобы его зарядить (поднять груз) требуется все та же мускульная сила (хотя и усиленная с помощью блоков и воротов).

     Тем не менее, творческая мысль ищет новые пути в попытках сопряжения рычага с полезной нагрузкой и использования при этом силы тяжести в качестве  исходной движущей силы.

Механизмы, преобразующие движение: зубчато-реечный, винтовой, кривошипный, кулисный, кулачковый. Их детали, характеристики и особенности целевого использования в различных отраслях производства и легкой промышленности. Схемы их работы в различных машинах.

Для приведения в действие рабочих органов, а также для преобразования одного вида движения в другой применяют кривошипно-шатунные, кулачковые и другие механизмы.

Кривошипно-шатунный механизм. Такой механизм преобразует вращательное движение в поступательное. В неподвижных подшипниках станины вращается вал с кривошипом, связанный шарниром с одним концом шатуна.

Другой конец шатуна при помощи шарнира соединен с ползуном, скользящим в неподвижных прямолинейных направляющих. Если кривошип вращается непрерывно, то ползун совершает возвратно-поступательное движение.

В течение одного оборота кривошипа ползун совершает два хода — сначала в одном, а затем в обратном направлении.

Кривошипно-шатунный механизм применяют в паровых машинах, двигателях внутреннего сгорания, поршневых насосах и т. д. Положение кривошипа в верхней точке поступательного хода называют мертвой точкой.

Для перехода кривошипом этого положения, когда он является ведущим звеном механизма, предназначен маховик — колесо с тяжелым ободом, насаженное на кривошипный вал.

Кинетическая энергия маховика обеспечивает непрерывное движение кривошипно-шатунного механизма.

Кулачковый механизм. Такой механизм преобразует вращательное движение в поступательное в различного рода автоматах, металлорежущих станках и других машинах. Кулачек, вращаясь вокруг оси, сообщает толкателю возвратно-поступательное движение.

Движение толкателя зависит от профиля кулачка. Если профиль кулачка представляет дугу окружности, описанной из центра, то толкатель на этом участке будет неподвижным. Такой кулачковый механизм называют плоским.

• Преобразование вращательного движения в прямолинейное
• Кривошипно-шатунные механизмы
• Кулисные механизмы
• Кулачковые механизмы
• Шарнирно-рычажные механизмы
• Кривошипно-шатунные механизмы

Кривошипно-шатунные механизмы служат для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Основными деталями кривошипно-шатунного механизма являются: кривошипный вал, шатун и ползун, связанные между собой шарнирно (а). Длину хода ползуна можно получить любую, зависит она от длины кривошипа (радиуса).

Если длину кривошипа мы обозначим через букву А, а ход ползуна через Б, то можем написать простую формулу: 2А = Б, или А = Б/2. По этой формуле легко найти и длину хода ползуна и длину кривошипа. Например: ход ползуна Б = 50 мм, требуется найти длину кривошипа А.

Подставляя в формулу числовую величину, получим: А = 50/2 = 25 мм, то есть длина кривошипа равна 25 мм.

1. а — принцип действия кривошипно-шатунного механизма,
2. б — одно-коленчатый вал, в — много-коленчатый вал,
3. г — механизм с эксцентриком

В кривошипно-шатунном механизме вместо кривошипного вала часто применяют коленчатый вал. От этого сущность действия механизма не меняется. Коленчатый вал может быть как с одним коленом, так и с несколькими (б, в).

Видоизменением кривошипно-шатунного механизма может быть также эксцентриковый механизм (г). У эксцентрикового механизма нет ни кривошипа, ни колен. Вместо них на вал насажен диск. Насажен же он не по центру, а смещено, то есть эксцентрично, отсюда и название этого механизма — эксцентриковый.

В некоторых кривошипно-шатунных механизмах приходится менять и длину хода ползуна. У кривошипного вала это делается обычно так.

Вместо цельного выгнутого кривошипа на конец вала насаживается диск (планшайба). Шип (поводок, на что надевается шатун) вставляется в прорез, сделанный по радиусу планшайбы.

Перемещая шип по прорезу, то есть удаляя его от центра или приближая к нему, мы меняем размер хода ползуна.

Ход ползуна в кривошипно-шатунных механизмах совершается неравномерно. В местах «мертвого хода» он самый медленный.

Кривошипно-шатунные — механизмы применяются в двигателях, прессах, насосах, во многих сельскохозяйственных и других машинах.

Кулисные механизмы

Возвратно-поступательное движение в кривошипных механизмах можно передавать и без шатуна. В ползунке, которая в данном случае называется кулисой, делается прорез поперек движения кулисы. В этот прорез вставляется палец кривошипа. При вращении вала кривошип, двигаясь влево и вправо, водит за собой и кулису.

а — принудительная кулиса, б — эксцентрик с пружинным роликом,

в — качательная кулиса

Вместо кулисы можно применить стержень, заключенный в направляющую втулку. Для прилегания к диску эксцентрика стержень снабжается нажимной пружиной. Если стержень работает вертикально, его прилегание иногда осуществляется собственным весом.

Для лучшего движения по диску на конце стержня устанавливается ролик.

Кулачковые механизмы

Кулачковые механизмы служат для преобразования вращательного движения (кулачка) в возвратно-поступательное или другой заданный вид движения.

Механизм состоит из кулачка — криволинейного диска, насаженного на вал, и стержня, который одним концом опирается на криволинейную поверхность диска. Стержень вставлен в направляющую втулку.

Для лучшего прилегания к кулачку, стержень снабжается нажимной пружиной. Чтобы стержень легко скользил по кулачку, на его конце устанавливается ролик.

а — плоский кулачек, б — кулачек с пазом, в — кулачек барабанного типа,

г — серцевидный кулачек, д — простейший кулачек

Но бывают дисковые кулачки другой конструкции. Тогда ролик скользит не по контуру диска, а по криволинейному пазу, вынутому сбоку диска (б). В этом случае нажимной пружины не требуется. Движение ролика со стержнем в сторону осуществляется самим пазом.

Кроме рассмотренных нами плоских кулачков (а), можно встретить кулачки барабанного типа (в). Такие кулачки представляют собой цилиндр с криволинейным пазом по окружности. В пазу установлен ролик со стержнем.

Кулачок, вращаясь, водит криволинейным пазом ролик и этим сообщает стержню нужное движение. Цилиндрические кулачки бывают не только с пазом, но и односторонние — с торцовым профилем.

В этом случае нажим ролика к профилю кулачка производится пружиной.

В кулачковых механизмах вместо стержня очень часто применяются качающиеся рычаги (в). Такие рычаги позволяют менять длину хода и его направление.

Длину хода стержня или рычага кулачкового механизма можно легко рассчитать. Она будет равна разнице между малым радиусом кулачка и большим. Например, если большой радиус равен 30 мм, а малый 15, то ход будет 30-15 = 15 мм. В механизме с цилиндрическим кулачком длина хода равняется величине смещения паза вдоль оси цилиндра.

Благодаря тому, что кулачковые механизмы дают возможность получить разнообразнейшие движения, их часто применяют во многих машинах. Равномерное возвратно-поступательное движение в машинах достигается одним из характерных кулачков, который носит название сердцевидного. При помощи такого кулачка происходит равномерная намотка челночной катушки у швейной машины.

Шарнирно-рычажные механизмы

Часто в машинах требуется изменить направление движения какой-либо части. Допустим, движение происходит горизонтально, а его надо направить вертикально, вправо, влево или под каким-либо углом. Кроме того, иногда длину хода рабочего рычага нужно увеличить или уменьшить. Во всех этих случаях применяют шарнирно-рычажные механизмы.

На рисунке показан шарнирно-рычажный механизм, связанный с другими механизмами. Рычажный механизм получает качательное движение от кривошипно-шатунного и передает его ползуну.

Длину хода при шарнирно-рычажном механизме можно увеличить за счет изменения длины плеча рычага.

Чем длиннее плечо, тем больше будет его размах, а следовательно, и подача связанной с ним части, и наоборот, чем меньше плечо, тем короче ход.

2. Актуальность исследования (прикладной характер гипотезы)

Работа с различными механизмами стала сегодня неотъемлемой частью нашей жизни. Мы используем механизмы преобразования движения, не задумываясь, а как они выполнены, почему облегчают нашу жизнедеятельность.

Актуальность темы нашей работы определяется тем, что в настоящее время роль таких механизмов в современной жизни не оценена в полном объеме, в процессе обучения по нашей профессии такие механизмы имеют важное значение.

В современном мире изучение механизмов преобразования движения является важной частью всего курса обучения по профессии «Машинист крана», так как зная основные принципы работы исполнения действующих органов, подъемных механизмов, работы двигателя внутреннего сгорания, преобразования движения в ходовой части автомобиля. Поэтому гипотезой нашего исследования будет следующая версия. При активном изучении работы подобных механизмов активнее происходит выполнение практических работ на различных видах производственных практик. (учебное вождение на автомобиле, учебная практика на автокране)

• Многие интересуются и увлекаются изучением, конструированием и моделированием различными механизмами, в том числе и механизмами преобразования движения
• Наверное, каждый человек хотя бы один раз в жизни задумывался над тем каким способом облегчить свою жизнь и создать необходимые удобства в обработке материалов, управление транспортом, строительстве
• Всегда вызывало у людей множество вопросов проблемы работы подобных механизмов. Исследуя историю вопроса мы пришли к выводу, что подобные механизмы совершенствуются с развитием техники
• 3. Цель исследования
• Цель работы
• Цель работы — изучить, какую роль механизмы преобразования движения играют в современной технике
• Основная цель работы — ответить на вопрос почему важно подробно изучать механизмыпреобразования движения в процессе овладения профессии «Машинист крана», также хотим доказать, что активное изучение подобных машин и механизмов помогает успешно проходить различные практические работы.
• 4. Задачи исследовательской работы
• Для достижения поставленной цели нам необходимо решить следующие задачи:
• Задачи работы:
• 1.Изучить литературу по теме механизмов преобразования движения

2.Выяснить значение терминов кривошипно-шатунный механизм, кулачковый механизм, шарнирный механизм другие виды механизмов.

1. 3. Найти примеры в технике, жизни бытовое применение, собрать материал для упорядочивания данных, изготовить модель механизмов
2. 4.Провести наблюдение за работой подобных механизмов в практической работе
3. 5.Сравнить полученные результаты
4. 6.Сделать выводы о проделанной работе
5. 5. Практические основы исследовательской работы ( модели, проекты, наглядные примеры)
6. фото
7. 6. Выводы и предложения
8. Исследование может быть полезно и интересно студентам профессиональных учреждений, которые изучают подобные механизмов ,а также всем, кто интересуется техникой.
9. Своей работой мы хотели привлечь внимание студентов к проблеме изучения механизмов преобразования движения.
10. В процессе работы над исследованием мы приобрели опыт … Думаю, что полученные мной знания позволят мне избежать ошибок / помогут правильно …
11. Результаты исследования заставили меня задуматься …
12. Больше всего сложностей вызвало у меня …
13. Исследование в корне изменило мое мнение / представление о …

Для понимания процесса рассмотрим принцип действия механизма

Многие отечественные автомобили с карбюраторным мотором имеют тяговый привод дроссельной заслонки карбюратора. Для чего сделана такая конструкция – непонятно, но уж точно не для удобства водителя.

• механизм не позволяет точно дозировать усилие на педали, соответственно добавление газа происходит не плавно, а рывками;
• тяги люфтят в кронштейнах, что не добавляет комфорта при управлении мотором;
• через металл привода в салон проникают дополнительные шумы и вибрации.

Единственное преимущество тягового механизма – высокая надежность. Возможно, это и послужило причиной разработки такого архаичного узла, но многочисленные недостатки такого решения перевешивают единственное достоинство. Немудрено, что многие владельцы подобных автомобилей, стараются заменить тягу на тросик.

На фото изображен тросовый привод.

1. Собственно, тросик в защитной оболочке, вторая сторона соединяется с педалью;
2. Поворотный сектор-шкив, соединенный с осью заслонки.

Когда вы нажимаете на педаль газа, тросик поворачивает сектор-шкив на нужный угол. Движение плавное, линейная зависимость. Это позволяет точно дозировать открытие заслонки. Конструкция педали может отличаться от «старорежимной» напольной. Она подвешена к передней панели, и двигается аналогично тормозу и сцеплению.

Есть конструкции тросового, и даже электронного дросселя, с напольной педалью, но это скорее дань традициям, чем функциональное решение.

Единственный недостаток тросика – он изнашивается, и может оборваться. Правда его замена – достаточно простая процедура.

Как правильно обслуживать и менять тросик газа

Любой элемент тросового привода требуется периодически настраивать. Металл постепенно растягивается, и появляется люфт, который не только раздражает водителя, но и снижает безопасность вождения.

Вы нажимаете на педаль газа с определенным усилием, ждете от автомобиля адекватного ускорения, а мотор раскручивается с задержкой. При вклинивании в поток на оживленной трассе это может привести к ДТП.

Это интересно:  Технические характеристики G4KE 2,4 л/176 л. с.

• На оболочке троса всегда есть регулировочный винт.
• На фото изображены две гайки, с помощью которых общее натяжение привода может быть настроено в пределах нескольких сантиметров:

Перемещая втулку с резьбой, вы двигаете точку упора (соответственно и точку нулевого усилия) ближе или дальше от рычага дроссельной заслонки карбюратора.

1. Необходимо оценить люфт свободного хода педали (до момента начала перемещения заслонки). Для этого понадобится помощник. Он по вашей команде медленно нажимает на педаль, а вы фиксируете выборку свободного хода тросика. Отмечаете точку схватывания заслонки и делаете пометку маркером;
2. Затем, ослабив крепление, натягиваете оболочку с помощью гайки, которая расположена со стороны педали. Зафиксировав точку начала движения заслонки (по отметке маркером), отворачиваете гайку на пол оборота назад, и поджимаете второй гайкой. Снова просите помощника в кабине медленно нажать на педаль. Если люфт составляет не более миллиметра – регулировка окончена. В противном случае повторяете настройку;
3. Если при отпущенной педали, заслонка приоткрыта – вы получите эффект вытянутого рычага подсоса. На холостых оборотах коленвал будет крутиться быстрее положенного. В целом вы получите перерасход топлива;
4. И разумеется, смазка тросика. Достаточно в небольшом количестве нанести ее на места входа в оболочку.

Как отрегулировать педаль с тросовым приводом?

Если тросик карбюратора выставлен правильно, а люфт все равно остался, дело в самой педали. Для возврата заслонки в исходное состояние, на педали установлена пружина. Она может быть спиральной или обычной, работающей на растяжение. Со временем, упругость теряется, и пружину необходимо менять.

Кроме того, возможен люфт оси поворота. После регулировки педаль не должна перемещаться горизонтально, иначе можно зацепиться за боковую стенку центрального тоннеля, и узел заклинит.

Это интересно:  Преимущества автоматических КПП

Переделка педали газа с тяги на тросик

Замена привода дроссельной заслонки легко осуществляется своими силами, с применением простейшего инструмента. Для работы потребуется:

• Новая педаль газа (выполненная под тросик) с установочным кронштейном;
• Тросовый привод и поворотный сектор дроссельной заслонки. Все эти детали можно приобрести в автомагазине, по модели двигателя с инжектором;
• Полоска металла 3-4 мм толщиной;
• Тиски, напильник.

Педаль устанавливается на место тяговой, выбрать точки крепления надо так, чтобы при полном перемещении не было касания вертикальной стенки тоннеля.

Оболочка троса протягивается через стенку моторного отсека, при необходимости в нем сверлится отверстие. При установке необходимо использовать резиновые прокладки, чтобы запах из моторного отсека не попадал в салон. Сам тросик подключаем к педали на штатное место.

Единственная доработка, выполняемая «с нуля» — кронштейн под возвратную пружину дроссельной заслонки. Он необходим для экстренного случая поломки пружины педали, чтобы газ не «завис» в открытом положении.

На иллюстрации показан пример крепления кронштейна к неподвижному корпусу карбюратора и поворотному сектору заслонки.

Пружину заслонки надо подсоединить таким образом, чтобы она работала синхронной с пружиной педали, а не заменяла ее.

Итог

Простое дополнение существенно повышает комфорт водителя в движении. Реакции на педаль акселератора более плавные, в салон не попадает запах из моторного отсека. И самое главное – все работы выполняются своими руками.