МЕХАНИ́ЗМ

МЕХАНИ́ЗМ (от греч. μηχανή – ма­ши­на), сис­те­ма тел, пред­на­зна­чен­ная для пре­об­ра­зо­ва­ния дви­же­ния од­но­го или не­сколь­ких твёр­дых тел в тре­буе­мые дви­же­ния др. тел. Ес­ли в пре­об­ра­зо­ва­нии дви­же­ния уча­ст­ву­ют жид­кие или га­зо­об­раз­ные те­ла, то М. на­зы­ва­ют­ся со­от­вет­ст­вен­но гид­рав­лич. или пнев­ма­ти­чес­ки­ми. М. со­став­ля­ют важ­ней­шую часть боль­шин­ства ма­шин, они при­ме­ня­ют­ся так­же в при­бо­рах, ап­па­ра­тах и разл. тех­но­ло­гич. уст­рой­ст­вах.

Твёр­дые те­ла, вхо­дя­щие в со­став М. и уча­ст­вую­щие в за­дан­ном пре­об­ра­зо­ва­нии дви­же­ния, на­зы­ва­ют­ся звень­я­ми. Не­под­виж­ное зве­но М. на­зы­ва­ет­ся стой­кой, со­еди­не­ние звень­ев, до­пус­каю­щее их за­дан­ное от­но­си­тель­ное дви­же­ние, – ки­не­ма­ти­че­ской па­рой. Ки­не­ма­тич. па­ры раз­де­ля­ют на 5 клас­сов в за­ви­си­мости от ко­ли­че­ст­ва ог­ра­ни­че­ний, на­лагае­мых на от­но­си­тель­ное дви­же­ние звень­ев (па­ра $k$-клас­са на­кла­ды­ва­ет $k$ ог­ра­ни­че­ний на дви­же­ние твёр­до­го те­ла). Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли па­ры: вра­ща­тель­ная (шар­нир), по­сту­па­тель­ная (пол­зун и на­прав­ляю­щая), вин­то­вая (винт и гай­ка), ци­лин­д­рич. (со­че­та­ние вра­ща­тель­но­го и по­сту­па­тель­но­го дви­же­ний), сфе­рич. (ша­ро­вой шар­нир). Так­же в М. при­ме­ня­ют ки­не­ма­тич. со­еди­не­ния, ко­то­рые по ха­рак­те­ру от­но­си­тель­но­го дви­же­ния за­ме­ня­ют ки­не­ма­тич. па­ру (напр., ра­ди­аль­но-упор­ный ша­ри­ко­под­шип­ник за­ме­ня­ет вра­ща­тель­ную ки­не­ма­тич. па­ру).

Рис. 1. Виды кинематических цепей: а – простая разомкнутая плоская цепь; б – простая замкнутая плоская цепь; в – сложная разомкнутая плоская цепь; г – простая разомкнутая пространственная цепь; арабск...

Сис­те­ма звень­ев М., об­ра­зую­щих ме­ж­ду со­бой ки­не­ма­тич. па­ры, на­зы­ва­ет­ся ки­не­ма­ти­че­ской це­пью. Ки­не­ма­тич. це­пи М. мо­гут быть (рис. 1) про­стые и слож­ные, ра­зомк­ну­тые и замк­ну­тые, пло­ские и про­стран­ст­вен­ные. Ки­не­ма­тич. цепь М. обес­пе­чи­ва­ет оп­ре­де­лён­ные дви­же­ния звень­ев от­но­си­тель­но не­по­движ­но­го зве­на (стой­ки) при за­дан­ном дви­же­нии од­но­го или не­сколь­ких звень­ев. Для изу­че­ния строе­ния М. и ха­рак­те­ра дви­же­ния его звень­ев со­став­ля­ет­ся струк­тур­ная схе­ма, ко­то­рая при за­да­нии раз­ме­ров звень­ев и др. па­ра­мет­ров об­ра­зу­ет ки­не­ма­тич. схе­му М., по­зво­ляю­щую оп­ре­де­лять по­ло­же­ние звень­ев, их ско­ро­сти и ус­ко­ре­ния (см. Ки­не­ма­ти­ка ме­ха­низ­мов). На рис. 2 по­ка­заны чер­тёж и ки­не­ма­тич. схе­ма порш­не­вой ма­ши­ны (дви­га­те­ля внутр. сго­ра­ния, ком­прес­со­ра и др.).

В ка­ж­дом М. име­ют­ся вход­ные (ве­дущие) и вы­ход­ные (ве­до­мые) зве­нья. Вход­но­му зве­ну со­об­ща­ет­ся дви­же­ние, пре­об­ра­зуе­мое М. в тре­буе­мое дви­же­ние вы­ход­но­го зве­на. Для ве­ду­ще­го зве­на ра­бо­та при­ло­жен­ных к не­му внеш­них сил яв­ля­ет­ся по­ло­жи­тель­ной, для ве­до­мо­го – от­ри­ца­тель­ной. Так, при ра­бо­те порш­не­вой ма­ши­ны (см. рис. 2) в ка­чест­ве ком­прес­со­ра зве­но 1 яв­ля­ет­ся вход­ным, зве­но 3 – вы­ход­ным; ес­ли же она ра­бо­та­ет как дви­га­тель внутр. сго­ра­ния, то ве­ду­щее и ве­до­мое зве­нья ме­ня­ют­ся мес­та­ми (3 – ве­ду­щее, 1 – ве­до­мое).

Под­виж­ность М. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся чис­лом сте­пе­ней сво­бо­ды, ко­то­рое рав­но чис­лу не­за­ви­си­мых пе­ре­мен­ных (обоб­щён­ных ко­ор­ди­нат), оп­ре­де­ляю­щих по­ло­же­ние ки­не­ма­тич. це­пи М. от­но­си­тель­но стой­ки. Су­ще­ст­ву­ют об­щие за­ко­но­мер­но­сти в струк­ту­ре (строе­нии) разл. М., свя­зы­ваю­щие чис­ло сте­пе­ней сво­боды $W$ М. с чис­лом звень­ев и чис­лом и ви­дом его ки­не­ма­тич. пар. Эти за­ко­но­мер­но­сти но­сят на­зва­ние струк­тур­ных фор­мул М. При вы­во­де струк­тур­ной фор­му­лы про­стран­ст­вен­но­го М. для оп­ре­де­ле­ния $W$ учи­ты­ва­ет­ся про­цесс со­еди­не­ния в ки­не­ма­тич. цепь звень­ев, ко­то­рые в сво­бод­ном со­стоя­нии име­ли бы по 6 сте­пе­ней сво­бо­ды, но их дви­же­ние ог­ра­ни­че­но в ки­не­ма­тич. па­рах (напр., ки­не­ма­тич. па­ра 5-го клас­са на­кла­ды­ва­ет на от­но­си­тель­ное дви­же­ние звень­ев, об­ра­зую­щих па­ру, 5 свя­зей), т. е. $$W=6n-5p_5-4p_4-3p_3-2p_2-p_1+q,$$ где $n$ – чис­ло под­виж­ных звень­ев; $p_1, p_2, p_3, p_4, p_5$ – чис­ло ки­не­ма­тич. пар со­от­вет­ст­вую­ще­го клас­са; $q$ – чис­ло из­бы­точ­ных (по­вто­ряю­щих­ся) свя­зей, ко­то­рые дуб­ли­ру­ют др. свя­зи, не умень­шая под­виж­но­сти М., а толь­ко об­ра­щая его в ста­ти­че­ски не­оп­ре­де­ли­мую сис­те­му. Уст­ра­ня­ют из­бы­точ­ные свя­зи за­ме­ной не­ко­то­рых ки­не­ма­тич. пар на бо­лее по­движ­ные.

В об­щем ви­де эта фор­му­ла, пред­ло­жен­ная П. О. Со­мо­вым и А. П. Ма­лы­ше­вым, мо­жет быть пред­став­ле­на так: $$W=6n-\sum_ {i=1}^{i=5}ip_i+q_i,$$ где $i$ – но­мер клас­са ки­не­ма­тич. па­ры; $p_i$ – ко­ли­че­ст­во ки­не­ма­тич. пар $i$-го клас­са.

Для оп­ре­де­ле­ния чис­ла сте­пе­ней сво­бо­ды пло­ских М., в ко­то­рых зве­нья име­ют толь­ко 3 сте­пе­ни сво­бо­ды, при­ме­ня­ет­ся фор­му­ла Че­бы­ше­ва (1869): $$W=3n-2p_5-p_4.$$

Рис. 2. Чертёж (а) и кинематическая схема (б) механизма поршневой машины: 1 – коленчатый вал (кривошип); 2 – шатун; 3 – ползун; 4 – стойка; φ1 – независимая переменна...

Для оп­ре­де­ле­ния по­ло­же­ния всех звень­ев М. не­ко­то­рым из них за­да­ют­ся оп­ре­де­лён­ные па­ра­мет­ры – од­на или неск. обоб­щён­ных ко­ор­ди­нат. Чис­ло та­ких звень­ев, на­зы­вае­мых на­чаль­ны­ми, рав­но чис­лу сте­пе­ней сво­бо­ды М. На рис. 2 обоб­щён­ной ко­ор­ди­на­той мо­жет быть угол $φ_1$, оп­ре­де­ляю­щий по­ло­же­ние на­чаль­но­го зве­на 1.

В ра­бо­чих ма­ши­нах М. при­ме­ня­ют для пре­об­ра­зо­ва­ния дви­же­ния дви­га­те­ля в тре­буе­мое дви­же­ние ис­пол­нит. ор­га­на ма­ши­ны. В этом слу­чае М. на­зы­ва­ют­ся пе­ре­да­точ­ны­ми или пе­ре­да­ча­ми (см. Пе­ре­да­ча в ма­ши­нах). В за­ви­си­мо­сти от ви­да звень­ев раз­ли­ча­ют ры­чаж­ные, зуб­чатые, фрик­ци­он­ные, цеп­ные, ре­мен­ные и др. пе­ре­да­чи. Ка­ж­дая из ви­дов пе­ре­дач име­ет раз­но­вид­но­сти. Напр., зуб­ча­тая пе­ре­да­ча мо­жет быть с не­под­виж­ны­ми ося­ми зуб­ча­тых ко­лёс, с под­виж­ны­ми (пла­не­тар­ная), с ко­нич. ко­лё­са­ми и др.

Для вы­пол­не­ния ра­бот в сре­дах, не­до­ступ­ных или опас­ных для че­ло­ве­ка (под­вод­ные глу­би­ны, кос­мос, атом­ные ре­акто­ры), при­ме­ня­ют­ся ма­ни­пу­ля­то­ры, ос­но­ву ко­то­рых со­став­ля­ют про­стран­ст­вен­ные М. со мно­ги­ми сте­пе­ня­ми сво­бо­ды. Ма­ни­пу­ля­то­ры так­же ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в пром. ро­бо­тах, по­зво­ляю­щих ав­то­ма­ти­зи­ро­вать про­цес­сы об­ра­бот­ки, мон­та­жа и сбор­ки из­де­лий.