План навчання

РОБОЧА ПРОГРАМА з дисципліни «Теорія механізмів і машин» для студентів напряму 6.0902 «Інженерна механіка» 

МЕТА ВИКЛАДАННЯ КУРСУ
Ознайомлення студентів з методами дослідження існуючих механізмів (аналіз механізмів), проектування схем механізмів за заданими їх властивостями (синтез механізмів) та розробка теорії машин-автоматів, пов’язаної з удосконаленням методів побудови схем систем керування та проектування схем промислових роботів. Теорія механізмів та машин (ТММ) на відміну від спеціальних інженерних дисциплін, що вивчають конкретні види машин різних галузей промисловості, розглядає у першу чергу ті питання, котрі є загальними при дослідженні та проектуванні механізмів незалежно від того, в якій машині цей механізм застосовується, виявляє за­гальні основи будови, кінематики та динаміки механізмів та машин. Задачі вивчення дисципліни «Теорія механізмів та машин» вип­ливають з мети її викладання та діяльності інженерів-механіків напряму: 6.090 — «Інженерна механіка». В результаті вивчення курсу ТММ студенти мають навчитися обґрунтовувати вибір оптимальних параметрів механізмів та машин; проводити структурний, кінематичний, динамічний аналіз і синтез механізмів, у тому числі, із застосуванням ЕОМ; застосовувати отримані знання для розв’язування конкретних інженерних задач; складати та оформляти конструкторську документацію.
ВСТУП
В навчальних планах спеціальностей механіко-машинобудівного інституту «Теорія механізмів та машин» відноситься до групи професійно-орієнтованих дисциплін. За змістом вона стоїть на межі між циклами фундаментальних і спеціальних інженерних дисциплін. За методикою викладання курс ТММ базується на теоретичних основах дисциплін, що її забезпечують — математиці, фізиці, теоретичній механіці, нарисній геометрії, машинобудівному кресленні, алгоритмічних мовах та програмуванні, а за своїм цільовим призначенням готує студентів до вивчення дисциплін, що забезпечуються, тобто наступних професійно-орієнтованих і спеціальних дисциплін — деталей машин і підйомно-транспортних пристроїв, гідромашин, металорізальних верстатів, ковальсько-пресувального обладнання та ін., а також до розв’язування конкретних інженерних задач, що виникають при проектуванні схем механізмів та машин.
Курс ТММ по суті є вступним у спеціальність майбутнього інженера і тому має інженерну спрямованість, в ньому широко використовується сучасний математичний апарат і вивчаються практичні приклади розв’язання задач аналізу та синтезу механізмів — аналітичні з використанням ЕОМ, графічні та графоаналітичні.
Успішне опанування цього курсу, що є для студентів одним з найбільш складних, в першу чергу залежить від вправної організації лабораторного практикуму. Робота в лабораторії привчає студентів застосовувати теоретичні знання до розв’язання практичних технічних задач, допомагає вникнути у фізичну суть питань машино­знавства, що вивчаються, дає навички роботи з вимірювальною технікою та проведенням експериментальних досліджень. Лабораторні роботи охоплюють розділи «Структура механізмів», «Динамічний аналіз механізмів», «Зрівноважування та віброзахист машин», «Тертя в механізмах», «Синтез зубчастих механізмів».
Навчальна та інженерна цінність курсового проекту визначається комплексністю проектного завдання та реальністю об’єктів проектування. Курсове проектування ставить задачі засвоєння студентами певних методик та навичок роботи по наступних основних напрямках:

  • — оцінка відповідності структурної схеми механізму основним умовам роботи машини;
  • — проектування структурної та кінематичної схем шарнірно-важільного механізму за заданими основними та додатковими умовами;
  • — аналіз режиму руху механізму при дії заданих сил;
  • — силовий аналіз механізму з урахуванням геометрії мас ланок;
  • — проектування зубчастих рядових та планетарних механізмів;
  • — розрахунок оптимальної геометрії зубчастих зачеплень;
  • — проектування механізмів з переривчастим рухом вихідної ланки;
  • — розробка циклограм і тактограм для систем керування механізмами. Важливу роль в засвоєнні матеріалу відіграють контрольні та лабораторні роботи, мета яких — оперативна перевірка засвоєння матеріалу лекцій. Контрольні роботи виконуються студентами наприкінці лекцій на протязі 15 — 20 хв. за темами основних розділів курсу. Домашні завдання видаються студентам паралельно з вивченням відповідної теми курсу з терміном виконання 7 — 10 днів. Для успішного виконання домашнього завдання студентом повинні бути опрацьовані та засвоєні відповідні розділи курсу. 
    АНОТАЦІЯ ДИСЦИПЛІНИ
    Суть дисципліни — загальні методи дослідження (аналізу) загальних властивостей механізмів і машин та проектування (синтезу) їх схем. Результати, одержані при дослідженні механізмів, машин і приладів, використовуються в подальших розрахунках їх деталей на міцність, жорсткість, довговічність тощо. В ТММ вивчаються:
  • — методи структурного, кінематичного, динамічного аналізу та синтезу механізмів;
  • — основи теорії машин-автоматів;
  • — методи проектування систем керування машинами-автоматами;
  • — методи проектування схем промислових роботів та маніпуляторів;
  • — структурні, кінематичні та динамічні особливості основних видів механізмів, що застосовуються в металорізальних верстатах, машинах ковальсько-пресувального виробництва, насосах, гідро та пневмоприводах;
  • — їх порівняльна оцінка;
  • — методи регулювання періодичних та неперіодичних коливань швидкості головного валу машинного агрегату;
  • — вплив зовнішніх сил, сил тяжіння ланок, сил тертя, сил інерції на ланки механізму, на елементи ланок, на нерухомі опори; — методи зменшення динамічних навантажень, що виникають при русі механізму;
  • — взаємозв’язок методів структурного, кінематичного та динамічного аналізу механізмів;
  • — методи балансування обертальних мас, як технологічного процесу;
  • — оформлення конструкторської документації, що містить у собі проектування схем механізмів і машин.

    ЛЕКЦІЇ
    Вступ. Роль машинобудування в здійсненні науково-технічного прогресу. Основні задачі машинобудування в галузі створення нових механізмів і машин, автоматизації та механізації технологічних процесів. Зміст дисципліни ТММ та її значення для інженерної освіти. Зв’язок ТММ з іншими галузями знань. Історія розвитку науки про механіз­ми та машини. Роль вітчизняних вчених в створенні наукових шкіл.Розділ І. Загальні методи визначення кінематичних і динамічних характеристик механізмів, машин і систем машин. Кінематична схема механізму. Початкові, ведучі та ведені ланки. Кінематична пара. Класифікація кінематичних пар за числом ступенів вільності та числом зв’язків. Нижчі та вищі пари. Кінематичні ланцюги. Кінематичні з’єднання.
    Тема 2. Основні види механізмів. Плоскі та просторові механізми з нижчими парами. Кулачкові, зубчасті, фрикційні механізми. Механізми з гнучкими зв’язками. Хвильова передача. Гідравлічні та пневматичні механізми.
    Тема З. Структурний синтез механізмів. Число ступенів вільності механізму. Узагальнені координати. Початкові ланки. Надлишкові зв’язки та їх вплив на точність виготовлення ланок та .умови передачі сил. Структурний синтез механізмів. Утворення механізмів методом нашарування структурних груп Ассура. Заміна в плоских механізмах вищих пар нижчими. Класифікація механізмів.
    Тема 4. Кінематичний аналіз.. Основні задачі кінематичного аналізу механізмів. Визначення положень ланок механізмів. Побудова траєкторій точок ланок. Кінематичне дослідження плоских механізмів методами кінематичних діаграм, планів швидкостей та прискорень. Плани швидкостей і прискорень для механізмів II класу. Визначення кутових швидкостей і прискорень ланок. Плани швидкостей і прискорень механізмів Ш класу. Метод особливих точок АссураКінематичне дослідження аналітичними методами — векторних контурів та перетворення координат. Система лінійних рівнянь для визначення положень, швидкостей та прискорень ланок в плоских та просторових механізмах. Кінематичне дослідження механізмів аналітичними методами з застосуванням ЕОМ.
    Тема 5. Динамічний аналіз механізмів. Основні задачі динамічного аналізу механізмів. Характеристика сил, що діють на ланки механізмів. Механічні характеристики машин. Режими руху машини: розбіг, усталений рух, вибіг. Рівняння руху механізму в формі інтегралу енергії /рівняння кінетичної енергії/. Механічний коефіцієнт корисної дії машини. Зведення задачі про рух механізму до задачі про рух його початкової ланки. Зведений момент сили. Зведений момент інерції механізму. Зведення мас і сип просторових механізмів. Рівняння руху механізму в інтегральній і диференціальній формах. Графо­аналітичний метод розв’язання рівняння руху при силах, що залежать від положення ланок. Числове розв’язання рівнянь руху при силах, що залежать від швидкості та положення ланок. Коефіцієнт нерівномірності руху. Регулювання періодичних коливань швидкості головного валу машинного агрегату. Визначення моменту інерції маховика. Основні відомості про регулювання неперіодичних коливань швидкості. Визначення коливань кутової швидкості головного вала машини та моменту інерції маховика за допомогою персонального комп”ютера.
    Тема 6. Силовий аналіз механізмів. Задачі силового аналізу механізмів. Сили інерції ланок плоских та просторових механізмів. Умова кінетостатичної визначеності кінематичних ланцюгів. Послідовність кінетостатичного дослідження механізму. Визначення реакцій в кінематичних парах механізму. Силовий розрахунок початкової ланки механізму. Зрівноважувальна сила та зрівноважувальний момент. Теорема М.Є.Жуковського про «жорсткий» важіль.
    Тема 7. Тертя в механізмах. Види тертя. Тертя ковзання незмащених тіл. Тертя в кінематичних парах: поступальній, гвинтовій, обертовій (тертя шипа по підшипнику та п’яти по підп’ятнику). Тертя ковзання змащених тіл. Тертя в передачах з гнучкими ланками. Тертя ковзання. Тема 8. Зрівноважування та віброзахист машин. Задачі зрівноважування та віброзахисту машин. Умова зрівноваженості обертової ланки. Статичне та динамічне балансування обертальних мас. Визначення зрівноважувальних мас ротора та координат їх установки аналітичнимим методами за допомогою персонального комп”ютера. Зрівноважування механізмів на фундаменті. Статичне зрівноважування плоских механізмів. Засоби віброзахисту машин. Зниження віброактивності машин. Динамічне віброгасіння. Віброізоляція. Розділ ІІ. Методи проектування схем основних видів механізмів.
    Тема 9. Загальні методи синтезу механізмів. Етапи синтезу механізмів. Вхідні та вихідні параметри синтезу. Основні та додаткові умови синтезу. Цільові функції. Обмеження. Методи оптимізації в синтезі механізмів з застосуванням ЕОМ. Випадковий пошук. Спрямований пошук. Локальний і глобальний мінімуми. Комбінований пошук. Постановка задачі наближеного синтезу механізмі по Чебишеву. Інтерполяція. Квадратичне наближення функцій. Найкраще наближення функцій.
    Тема 10.Синтез механізмів з нижчими парами. Постановка задачі синтезу передаточного шарнірного чотириланкового механізму. Синтез шарнірного чотириланкового механізму за положеннями вхідної та вихідної ланок. Синтез чотириланкових механізмів за коефіцієнтом зміни середньої швидкості. Умови існування кривошипу в чотириланкових механізмах. Програмна реалізація правила Грасгофа на персональному комп”ютері.
    Тема II. Синтез зубчастих механізмів. Основна теорема зачеплення. Циліндрична зубчаста передача. Геометричні елементи циліндричних зубчастих коліс. Види зачеплень. Евольвента кола та її властивості. Побудова картини евольвентного зачеплення. Кінематика евольвентного зачеплення. Якісні показники та основні властивості евольвентного зачеплення. Особливості внутрішнього і рейкового зачеплень. Утворення спряжених поверхонь за Олів’є. Методи виготовлення зубчастих коліс. Явище підрізування евольвентних профілів. Методи усунення явища підрізування та покращення якісних показників зачеплення. Вибір коефіцієнтів зміщення. Косозубі колеса. Циліндрична передача Новікова. Види просторових зубчастих передач. Проектування евольвентного конічного зубчастого зачеплення. Види гіперболоїдних передач. Черв’ячна передача, Механізми багатоланкових зубчастих передач з нерухомими осями. Будова, типи та кінематика планетарних механізмів. Галузі застосування різних типів багатоланкових зубчастих механізмів. Аналітичні та графічні методи визначення передаточного відношення планетарного механізму. Вибір чисел зубців коліс планетарних передач з умов: — необхідного передаточного відношення; — співвісності; -складання; -сусідства; — відсутності заклинювання (не підрізування). Геометричний синтез евольвентного зачеплення та планетарних передач за допомогою персонального комп”ютера.
    Тема 12. Синтез _кулачкових механізмів. Види кулачкових механізмів, галузі їх застосування. Фазові кути повороту та кути профілю кулачка. Метод обернення руху. Аналіз основних законів руху вихідної ланки. Жорсткі та м’які удари. Кут тиску на ведену ланку кулачкового механізму та кут передачі руху. Вибір допустимого кута тиску. Визначення основних розмірів кулачкового механізму з умов обмеження кута тиску та опуклості кулачка по заданому закону руху вихідної ланки. Вибір радіусу ролика. Еквівалентні механізми. Синтез кулачкового механізму аналітичними методами. Проектування кулачкових механізмів на персональному комп”ютері.
    Тема ІЗ. Промислові роботи та маніпулятори. Види маніпуляторів. Промислові роботи. Складові частини промислових роботів. Системи керування промисловими роботами та маніпуляторами Структурний синтез маніпуляторів. Кут і коефіцієнт сервісу. Алгоритми керування маніпуляторами.
    Тема 14. Основні поняття теорії машинавтоматів. Машина-автомат і автоматична лінія. Керування від копірів. Слідкуючий привід. Числове програмне керування. Двійковий код в системах програмного керування. Самоналагоджувана система керування. Система керування за часом. Циклограми. кулачковий розподільний вал. Кути установки кулачків. Кулачковий командоапарат. Системи керування з записом і автоматичним відтворенням програми за шляхом. Використання персонального комп”ютера для реалізації програмного керування.
    Тема 15. Синтез логічних (релейних) систем керування. Логічні елементи машин-автоматів. Логічні елементи заперечення, повторення, складання і множення. Основні закони алгебри логіки. Робочі, заборонені та байдужі набори двійкових функцій. Таблиця включень. Складання формул включень та їх спрощення. Побудова схем систем керування на пневматичних елементах. Тактограми та умови їх реалізації. Реалізація схеми керування за допомогою ЕОМ.
    ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ
    Тема 1. Задачі курсового проектування з ТММ. Вимоги до оформлення курсового проекту. Організація роботи з курсового проектування. Графік виконання етапів курсового проекту.
    Тема 2. Кінематичний синтез шарнірно-важільного механізму. Структурний аналіз шарнірно-важільного механізму. Побудова планів положень механізму. Теми лекцій № 3, 4, 10.
    Тема 3. Кінематичний аналіз шарнірно-важільного механізму методом планів швидкостей та прискорень. Тема лекції № 4.
    Тема 4. Динамічний аналіз механізмів. Графоаналітичний метод визначення моменту інерції маховика /метод М.І.Мерцалова/. Визначення моменту інерції маховика методом А.Грунауера Тема лекції № 5.
    Тема 5. Силовий аналіз шарнірно-важільного механізму. Визначення сил інерції ланок механізму. Визначення реакцій в кінематичних парах та врівноважувальної сили, яка прикладена до початкової ланки. Важіль М.Є.Жуковського. Тема лекції № 6.
    Тема 6. Синтез та аналіз механізму привода. Визначення кількості зубців зубчастих коліс схеми механізму привода, що забезпечує потрібне передаточне відношення. Кінематичний аналіз механізму привода. Побудова картини зачеплення заданої зубчастої пари, визначення якісних показників зачеплення. Тема лекції № 11.
    Тема 7. Синтез кулачкових механізмів. Визначення закону руху вихідної ланки штовхача методом графічного інтегрування. Визначення основних розмірів кулачкового механізму з умов обмеження кута тиску та опуклості профілю кулачка. Побудова профілю кулачка методом інверсії руху. Тема. лекції № 12.
    Тема 8. Аналіз систем керування механізмами машин-автоматів. Синтез релейних систем керування. Таблиця вмикань. Складання формул вмикань та їх спрощення. Побудова схем систем керування на пневматичних та електричних елементах. Тема лекції № 15.
    Тема 9. Захист курсового проекту.


    ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
    Лабораторна робота №1.Ознайомлення з основними видами механізмів за їх натурними моделями. Видача завдань на курсовий проект (теми № 1, 2).
    Лабораторна робота №2,3. Побудова кінематичної схеми шарнірно-важільного механізму та її структурний аналіз (теми № 1, 2, З).
    Лабораторна робота №4. Зрівноважування обертальних мас. а) Динамічне зрівноважування ротора за відомим розташуван­ням неврівноважених мас на лабораторному пристрої ТММ — 35. б) Балансування ротора за невідомого розташування неврівноважених мас на балансувальному верстаті ТММ — 1М (тема № 8).
    Лабораторна робота №5. Визначення коефіцієнтів тертя ковзання. а) Визначення коефіцієнтів тертя ковзання на горизонтальній площині за допомогою приладу ТММ — 32. б) Визначення зведеного коефіцієнта тертя в підшипниках ковзання методом вибігу на лабораторному пристрої ТММ — 7М (тема № 7). Примітка: Лабораторні роботи пунктів а), б) розподіляються між бригадами академгрупи.
    Лабораторна робота №6. Визначення коефіцієнта корисної дії гвинтової пари на лабораторному пристрої ТММ — 33 (теми № 5, 7).
    Лабораторна робота №7. Нарізування евольвентних зубчастих коліс методом обкочування за допомогою інструментальної рейки (пристрій ТММ — 42) (тема № 11).
    Лабораторна робота №8. Обмір зубчастих коліс (тема № 11).
    Лабораторна робота №9. Захист лабораторних робіт.


    КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
    Курсовий проект є самостійною роботою студента під керівництвом викладача. Курсовий проект містить у собі 4 — 5 креслень (фор­мат АІ) і пояснювальну записку об’ємом 40 — 50 аркушів (формат А4). В проекті для одного з типів машин (відповідно до навчальної спеціальності) студент має виконати такі етапи:
  • І креслення — Динамічний аналіз та синтез шарнірно-важільного механізму.
  • 2 креслення — Кінетостатичне дослідження шарнірно-важільного механізму.
  • 3 креслення — Синтез та аналіз механізму приводу.
  • 4 креслення — Синтез кулачкового механізму.
  • 5 креслення — Синтез системи керування механізмами машини-автомата.

    УЗАГАЛЬНЕНИЙ ПЕРЕЛІК ТЕМ КУРСОВИХ ПРОЕКТІВ
  • І. Двигун внутрішнього згоряння (завдання № І, 2, 5).
  • 3. Компресорний двигун (завдання № 4).
  • 4. Поперечно-стругальний верстат (завдання № 6, 7, 9, ІЗ — 17).
  • 5. Довбальний верстат, (завдання № 8).
  • 6. Механізм приводу конвейєра (завдання № 19, 20).
  • 7. Плунжерний насос (завдання № 21, 22).
  • 8. Двоступінчастий компресор (завдання № 23).
  • 9. Механізм пресу (завдання № 10, 29 — 36).
  • 10. Механізм маніпулятора (завдання 40, 41, 42,43).
  • 11. Механізм підйому-випуску головної ноги шасі літака (завдання 07, 08, 09, 10,11)
  • 12. Кулісний механізм з приводом (завдання 05).
  • 13. Шарнірно-важільний механізм з приводом (завдання 01)
  • 14. Горизонтально-кувальна машина (завдання № II).

    КОНТРОЛЬНІ РОБОТИ
  • І. Визначення класу кінематичної пари.
  • 2. Визначення ступені рухомості плоского механізму.
  • 3. Визначення ступені рухомості просторового механізму.
  • 4. Заміна вищої кінематичної пари нижчими.
  • 5. Визначення величин та напрямів кутових швидкостей та прискорень ланки механізму за його планами.
  • 6. Визначення кутової швидкості вихідної ланки багатоланкового зубчастого механізму.
  • 7. Визначення сил інерції ланок механізму за його планами.
  • 8. Визначення зведеної сили за правилом М.Є.Жуковського(з побудо­вою плану швидкостей).