Теория механизмов и машин (также — Теория машин и механизмов ; ТММ ) — это научная дисциплина об общих методах исследования, построения, кинематики и динамики механизмов и машин и о научных основах их проектирования.

История развития дисциплины

В качестве самостоятельной научной дисциплины ТММ, как и многие другие прикладные разделы механики, возникла на волне промышленной революции, начало которой относится к 30-м годам XVIII столетия, хотя машины создавались задолго до этого, и простые механизмы ( колесо , винтовая передача и др.) широко использовались ещё во времена Древнего Египта .

Глубокий научный подход в теории механизмов и машин начал широко применяться с начала XIX века. Весь предшествующий период развития техники можно рассматривать как период эмпирического создания машин , на протяжении которого делались изобретения большого количества простых машин и механизмов , среди которых:

• грузоподъёмные машины ;
• дробилки ;
• ткацкие и токарные станки;
• насосы и др.

Теория механизмов и машин в своём развитии опиралась на важнейшие физические законы — закон сохранения энергии , законы Амонтона и Кулона для определения сил трения , золотое правило механики и др. В ТММ широко используются законы, теоремы и методы теоретической механики . Важное значение для данной дисциплины имеют: понятие передаточного отношения , основы теории эвольвентного зацепления и др.

Можно отметить роль, которую сыграли в создании предпосылок для развития ТММ следующие учёные: Архимед , Дж. Кардано , Леонардо да Винчи , Л. Эйлер , Д. Ватт , Г. Амонтон , Ш. Кулон .

Одним из основоположников теории механизмов и машин считается Пафнутий Чебышёв (1812—1894), который во второй половине XIX века опубликовал серию важнейших работ, посвящённых анализу и синтезу механизмов. Одно из его изобретений — механизм Чебышёва .

В XIX веке развиваются такие разделы, как кинематическая геометрия механизмов ( Савари , Шаль, Оливье), кинетостатика ( Г. Кориолис ), классификация механизмов по функции преобразования движения ( Г. Монж ), решается задача расчёта маховика ( Ж. В. Понселе ) и др. Были написаны первые научные монографии по механике машин ( Р. Виллис , А. Бориньи), читаются первые курсы лекций по ТММ, выходят первые учебники ( А. Бетанкур , Д. С. Чижов, Ю. Вейсбах).

Во второй половине XIX столетия публикуются работы немецкого учёного Ф. Рёло , в которых вводятся важные понятия кинематической пары , кинематической цепи и кинематической схемы .

В советское время крупнейший вклад в становление теории механизмов и машин как отдельной дисциплины внес Артоболевский И. И. Им опубликован целый ряд фундаментальных и обобщающих работ.

В 1969 году он был инициатором создания Международной федерации по теории машин и механизмов (МФТоММ), насчитывающей 45 стран-участниц, несколько раз избирался её президентом.

Основные понятия

Машина — технический объект, состоящий из взаимосвязанных функциональных частей (узлов, устройств, механизмов и др.), предназначенный для получения или преобразования механической энергии с целью выполнения возложенных на него функций.

Механизм — система взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел. Механизм составляет основу большинства машин .

Твёрдое тело , входящее в состав механизма, называется звеном . Звено — отдельная деталь, либо группа деталей, жёстко связанных между собой. Звено может состоять из одной или нескольких неподвижно соединённых деталей.

Соединение звеньев, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой . Наиболее распространённые кинематические пары: цилиндрический шарнир ; шаровой шарнир; ползун и направляющая; винтовая передача . На рисунках приведены условные трёхмерные обозначения типовых кинематических пар для построения пространственных кинематических схем механизмов согласно ISO 3952 .

• 
  Цилиндрический шарнир
• 
  Ползун и направляющая
• 
  Винтовая пара
• 
  Сферический шарнир

При построении механизма звенья соединяются в кинематические цепи. Другими словами, механизм — это кинематическая цепь, в состав которой входит неподвижное звено (стойка или корпус (основание)), число степеней свободы которого равняется числу обобщённых координат , характеризующих положения звеньев относительно стойки. Движение звеньев рассматривается по отношению к неподвижному звену — стойке (корпусу, основанию).

Задачи дисциплины

Теория механизмов и машин решает следующие задачи:

• анализ механизмов , то есть описание движения, кинематический и динамический анализ существующих и разрабатываемых механизмов;

• синтез механизмов , то есть проектирование структуры и геометрии механизмов на основе заданных кинематических и динамических характеристик;
• задачи теории машин-автоматов , рассматривающей вопросы построения схем автоматических машин, исходя из условий согласованной работы отдельных механизмов, и достижения оптимальной продуктивности, точности и надёжности машин-автоматов.

Структура дисциплины

1. Структура механизмов и машин.
2. Геометрия механизмов и их элементов.
3. Динамика машин и механизмов.

Современное состояние дисциплины

Широкое развитие систем автоматизированного проектирования на базе компьютерной техники позволило существенно снизить трудоемкость ранее применявшихся графических методов анализа и синтеза механизмов. Появилась возможность пространственной анимации виртуальных моделей механизмов. САПР позволяют также проводить проверку на пространственную совместимость звеньев в сложных механизмах, что было весьма затруднительно ранее без изготовления моделей.

Рост вычислительных мощностей позволил отказаться от ранее применявшихся вынужденных упрощений в методиках расчетов.

Широкое распространение получила параметризация моделей, когда, например, геометрические размеры звеньев могут быть изменены на любом этапе проектирования с пересчетом результатов.

Примечания

Литература

• Артоболевский И. И. Теория машин и механизмов. М. Наука 1988.
• Носко П. Л., Филь П. В., Манько Н. В., Шисман В. Е. — Луганск: Издательство ВУНУ им. В. Даля, 2002. — 122 с.
• Машин и механизмов теория // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978. — статья в Большой Советской Энциклопедии
• Заблонский К. И. и др. Теория механизмов и машин. — Киев.: Выша школа, 1989.
• Фролов М. М. Детали машин

Ссылки

• — Электронный журнал
• — Straight-line mechanism models
• — «How to Draw a Straight Line» — tutorial by Daina Taimina
• using the Molecular Workbench software