Mechanismus (Engineering)

Schema des Aktuatormechanismus für ein Flugzeug Fahrwerk

Im Ingenieurwesen, a Mechanismus ist ein Gerät Das verwandelt Eingangskräfte und Bewegungen in einen gewünschten Satz von Ausgangskräften und Bewegungen. Mechanismen bestehen im Allgemeinen aus sich bewegenden Komponenten, zu denen auch gehören kann:

Der deutsche Wissenschaftler Franz Reuleaux Definiert Maschine als "eine Kombination von resistenten Körpern, die so angeordnet wurden, dass die mechanischen Kräfte der Natur gezwungen werden können, Arbeiten mit einer bestimmten bestimmten Bewegung begleitet zu werden". In diesem Zusammenhang seine Verwendung von Maschine wird im Allgemeinen interpretiert, um zu bedeuten Mechanismus.

Die Kombination von Kraft und Bewegung definiert Energieund ein Mechanismus verwaltet die Macht, um einen gewünschten Satz von Kräften und Bewegungen zu erreichen.

Ein Mechanismus ist normalerweise ein Stück eines größeren Prozesses, bekannt als a Mechanisches System oder Maschine. Manchmal kann eine ganze Maschine als Mechanismus bezeichnet werden; Beispiele sind die Lenkmechanismus in einem Wagen, oder der Wicklungsmechanismus von a Armbanduhr. Typischerweise wird jedoch eine Reihe mehrerer Mechanismen als Maschine bezeichnet.

Kinematische Paare

Siehe auch: Kinematischer Paar

Aus der Zeit von Archimedes zum Renaissance, Mechanismen wurden als konstruiert von konstruiert einfache Maschinen, so wie die Hebel, Rolle, schrauben, Rad und Achse, Keil, und schiefe Ebene. Reuleaux konzentriert sich auf Körper, genannt Linksund die Verbindungen zwischen diesen Körpern, genannt Kinematische Paare, oder Gelenke.

Um die Geometrie zu verwenden, um die Bewegung eines Mechanismus zu untersuchen, werden seine Verbindungen als modelliert als Starre Körper. Dies bedeutet, dass sich die Entfernungen zwischen Punkten in einer Verbindung nicht ändern, wenn sich der Mechanismus bewegt - das heißt, die Verbindung biegt nicht. Somit wird die relative Bewegung zwischen Punkten in zwei verbundenen Verbindungen als aus dem kinematischen Paar angesehen, das sich ihnen anschließt.

Kinematische Paare oder Gelenke werden als ideale Einschränkungen zwischen zwei Verbindungen angesehen, z. . Ein Mechanismus wird als Anordnung von starren Verbindungen und kinematischen Paaren modelliert.

Links und Gelenke

Revolute Pair Cutaway View

Reuleaux bezeichnete die idealen Verbindungen zwischen Links Kinematische Paare. Er unterschieden zwischen Höhere Paaremit Linienkontakt zwischen den beiden Links und niedrigere Paare, mit Flächenkontakt zwischen den Links. J. Phillips[Klarstellung erforderlich] zeigt, dass es viele Möglichkeiten gibt, Paare zu konstruieren, die nicht zu diesem einfachen Modell passen.

Unteres Paar: Ein unteres Paar ist ein ideales Gelenk, das den Oberflächenkontakt zwischen dem Elementpaar wie in den folgenden Fällen aufweist:

  • Ein Revolutepaar oder ein Scharniergelenk verlangt, dass eine Linie im sich bewegenden Körper mit einer Linie im festen Körper co-linear bleibt, und eine Ebene senkrecht zu dieser Linie im sich bewegenden Körper muss den Kontakt mit einer ähnlichen senkrechten Ebene in der festen Ebene aufrechterhalten Karosserie. Dies führt zu fünf Einschränkungen für die relative Bewegung der Verbindungen, die dem Paar daher einen Freiheitsgrad verleihen.
  • Ein prismatisches Gelenk oder Schieber . Dies führt zu fünf Einschränkungen für die relative Bewegung der Verbindungen, die dem Paar daher einen Freiheitsgrad verleihen.
  • A Zylindergelenk erfordert, dass eine Linie im sich bewegenden Körper mit einer Linie im festen Körper co-linear bleibt. Es kombiniert ein revoluteem Gelenk und eine Schiebung. Dieses Gelenk hat zwei Freiheitsgrade.
  • Ein kugelförmiges Gelenk oder ein Ballgelenk erfordert, dass ein Punkt im sich bewegenden Körper den Kontakt mit einem Punkt im festen Körper aufrechterhalten. Dieses Gelenk hat drei Freiheitsgrade.
  • Eine planare Verbindung verlangt, dass eine Ebene im sich bewegenden Körper den Kontakt mit einer Ebene in einem festen Körper aufrechterhalten. Dieses Gelenk hat drei Freiheitsgrade.
  • Ein Schraubengelenk oder ein Helikgelenk hat nur einen Freiheitsgrad, da die Gleit- und Rotationsbewegungen durch den Helixwinkel des Fadens zusammenhängen.

Höhere Paare: Im Allgemeinen ist ein höheres Paar eine Einschränkung, die eine Linie oder einen Punktkontakt zwischen den elementaren Oberflächen erfordert. Zum Beispiel ist der Kontakt zwischen einer Kamera und seinem Anhänger ein höheres Paar namens a CAM -Gelenk. In ähnlicher Weise sind der Kontakt zwischen den involventen Kurven, die die Mischzähne von zwei Zahnrädern bilden, Nockenfugen.

Kinematischer Diagramm

Dimensionierte Zeichnung einer Schieberie-Kurbel (links) und ihres kinematischen Diagramms (rechts)

A Kinematischer Diagramm reduziert Maschinenkomponenten auf ein Skelettdiagramm, das die Gelenke betont und die Links zu einfachen geometrischen Elementen reduziert. Dieses Diagramm kann auch als formuliert werden Graph durch Darstellung der Verbindungen des Mechanismus als Kanten und die Gelenke als Scheitelpunkte des Graphen. Diese Version der Kinematischer Diagramm hat sich bei der Aufzählung kinematischer Strukturen im Prozess des Maschinenbaues als wirksam erwiesen.[1]

Eine wichtige Überlegung in diesem Entwurfsprozess ist die Freiheitsgrad des Systems von Links und Gelenken, das mit der bestimmt wird Chebychev–Grübler–Kutzbach criterion.

Planare Mechanismen

Theo Jansen's Strandbeest, eine Gruppe planarer Wandermechanismen

Während alle Mechanismen in einem mechanischen System dreidimensional sind, können sie analysiert werden Ebene Geometrie Wenn die Bewegung der einzelnen Komponenten so eingeschränkt ist, dass alle Punktbahnen parallel oder in einer Serienverbindung zu einer Ebene sind. In diesem Fall wird das System a genannt Planarmechanismus. Die kinematische Analyse der planaren Mechanismen verwendet die Teilmenge der speziellen euklidischen Gruppe Se, bestehend aus planaren Rotationen und Übersetzungen, gekennzeichnet durch se.

Die Gruppe SE ist dreidimensional, was bedeutet, dass jede Position eines Körpers in der Ebene durch drei Parameter definiert wird. Die Parameter sind oft die x und y Koordinaten des Ursprungs eines Koordinatenrahmens in M, gemessen aus dem Ursprung eines Koordinatenrahmens in Fund der Winkel aus dem gemessen x-Axis in F zum x-Axis in M. Dies wird oft beschrieben, dass ein Körper in der Ebene drei hat Freiheitsgrade.

Die reine Rotation eines Scharniers und die lineare Übersetzung eines Schiebereglers kann mit Untergruppen von SE identifiziert werden und die beiden Fugen mit einem Grad-of-Freiheitsgelenke planarer Mechanismen definieren.[unverständlich] Die Nockenfuge, die von zwei Oberflächen beim Gleiten und im rotierenden Kontakt gebildet wird, ist eine zwei Grad-of-Freizeitverbindung.

Sphärische Mechanismen

Ein Beispiel für einen sphärischen Einsatzmechanismus

Es ist möglich, einen Mechanismus so zu konstruieren, dass die Punktbahnen in allen Komponenten in konzentrischen kugelförmigen Schalen um einen festen Punkt liegen. Ein Beispiel ist das Gimbaled Gyroskop. Diese Geräte werden genannt sphärische Mechanismen.[2] Kugelmechanismen werden konstruiert, indem Verbindungen mit Scharnierfugen so verbinden, dass die Achsen jedes Scharniers durch denselben Punkt verlaufen. Dieser Punkt wird zum Zentrum der konzentrischen kugelförmigen Schalen. Die Bewegung dieser Mechanismen ist durch die Gruppe (3) der Rotationen im dreidimensionalen Raum gekennzeichnet. Andere Beispiele für sphärische Mechanismen sind die Kfz -Differential und das Robotergelenk.

Das Rotationsgruppe SO (3) ist dreidimensional. Ein Beispiel für die drei Parameter, die eine räumliche Rotation angeben, sind die Roll-, Pitch- und Gierwinkel Wird verwendet, um die Ausrichtung eines Flugzeugs zu definieren.

Räumliche Mechanismen

Ein Beispiel für eine Stewart -Plattform, ein räumlicher Mechanismus

Ein Mechanismus, bei dem sich ein Körper durch eine allgemeine räumliche Bewegung bewegt räumlicher Mechanismus. Beispiel Stabenden, auch kugelförmige Gelenke genannt oder Kugelgelenke. Die Stabenden lassen die Eingangs- und Ausgangskurbs der RSSR -Verknüpfung bis zu dem Punkt, an dem sie in verschiedenen Ebenen liegen, falsch ausgerichtet werden, was dazu führt, dass sich die Kupplerverbindung in einer allgemeinen räumlichen Bewegung bewegt. Roboterarme, Stewart -Plattformen, und Humanoide Robotersysteme sind auch Beispiele für räumliche Mechanismen.

Bennetts Verknüpfung ist ein Beispiel für eine räumliche überkonstanter Mechanismus, das aus vier Scharniergelenken gebaut wird.

Die Gruppe SE (3) ist sechsdimensional, was bedeutet, dass die Position eines Körpers im Raum durch sechs Parameter definiert wird. Drei der Parameter definieren den Ursprung des sich bewegenden Referenzrahmens relativ zum festen Rahmen. Drei weitere Parameter definieren die Ausrichtung des sich bewegenden Rahmens relativ zum festen Rahmen.

Verknüpfungen

Jansens' Strandbeest
Theo JansenKinetische Skulptur Strandbeest, eine windgetriebene Wandermaschine
Siehe auch: Verknüpfung (mechanisch) und Parallele Bewegung

A Verknüpfung ist eine Sammlung von Links, die durch Gelenke verbunden sind. Im Allgemeinen sind die Verbindungen die Strukturelemente und die Gelenke ermöglichen eine Bewegung. Vielleicht ist das nützlichste Beispiel der Planar Vier-Tanne-Verknüpfung. Es gibt jedoch viele weitere besondere Verknüpfungen:

  • Watts Verknüpfung ist eine Vier-Tanne-Verknüpfung, die eine ungefähre gerade Linie erzeugt. Es war entscheidend für den Betrieb seines Designs für die Dampfmaschine. Diese Verknüpfung erscheint auch in Fahrzeugsuspensionen, um die Seiten-zu-Seite-Bewegung des Körpers relativ zu den Rädern zu verhindern.
  • Der Erfolg von Watts Verknüpfung führte zum Design ähnlicher ungefährer geradliniger Verknüpfungen wie z. Hokens Verknüpfung und Chebyshevs Verknüpfung.
  • Das PEAUCELLIER -BINKAGE Erzeugt eine echte geradlinige Ausgabe aus einem Dreheingang.
  • Das Sarrus -Verknüpfung ist eine räumliche Verknüpfung, die eine geradlinige Bewegung von einem Rotationseingang erzeugt.
  • Das Klann -Verknüpfung und die Jansen Verknüpfung sind jüngste Erfindungen, die interessante Wanderbewegungen bieten. Sie sind jeweils a Sechsbar und eine 8-Tanne-Verknüpfung.

Konforme Mechanismen

A konformer Mechanismus ist eine Reihe starre Körper, die durch konforme Elemente verbunden sind. Diese Mechanismen haben viele Vorteile, einschließlich reduzierter Teilzählern, reduziertes "Slop" zwischen den Gelenken (keine parasitäre Bewegung aufgrund von Lücken zwischen Teilen[3]), Energiespeicher, geringer Wartung (sie erfordern keine Schmierung und es gibt niedrige mechanische Verschleiß) und eine einfache Herstellung.[4]

Biegerlager (auch bekannt als Biegergelenke) sind eine Untergruppe konformer Mechanismen, die eine geometrisch genau definierte Bewegung (Rotation) bei der Anwendung einer Kraft erzeugen.

Nocken- und Anhängermechanismen

Nocken und Anhänger Mechanismus: Kraft wird vom Anhänger zum Kamera angewendet
Siehe auch: Nockenwelle

A Nocken und Anhänger Der Mechanismus wird durch den direkten Kontakt von zwei speziell geformten Links gebildet. Die Fahrverbindung wird als CAM bezeichnet und der Link, der durch den direkten Kontakt ihrer Oberflächen gefahren wird, wird als Nachfolger bezeichnet. Die Form der Kontaktflächen der Nocken und Anhänger bestimmt die Bewegung des Mechanismus. Im Allgemeinen wird eine Nocken- und Nachfolgermechanismus Energie von Cam zu Anhänger übertragen. Das Nockenwelle wird gedreht und nach dem CAM -Profil bewegt sich der Anhänger nach oben und unten. Heutzutage sind auch leicht unterschiedliche Arten von exzentrischen Nocken -Followern verfügbar, bei denen Energie vom Anhänger auf die Nockene übertragen wird. Der Hauptvorteil dieser Art von Nocken- und Anhängermechanismus besteht darin, dass sich der Anhänger leicht bewegt und die sechsmal mehr Umfangslänge mit 70% der Kraft dreht.

Zahnrad- und Ausrüstungszüge

Getriebe, eine Art Mechanismus
Siehe auch: Fahrradgetriebe

Die Übertragung der Drehung zwischen dem Kontakt mit Zahnrädern kann wieder auf das zurückverfolgt werden Antikythera -Mechanismus von Griechenland und die südbezogener Streitwagen von China. Illustrationen durch die Renaissance Wissenschaftler Georgius Agricola Zeigen Sie Ausrüstungszüge mit zylindrischen Zähnen. Die Implementierung der involieren Zahn ergab ein Standard -Getriebedesign, das ein Verhältnis mit konstanter Geschwindigkeit bietet. Einige wichtige Merkmale von Zahnrad- und Ausrüstungszügen sind:

Mechanismus -Synthese

Das Design von Mechanismen zur Erreichung einer bestimmten Bewegung und einer Kraftübertragung ist als die bekannt kinematische Synthese von Mechanismen.[5] Dies ist eine Reihe von geometrischen Techniken, die die Abmessungen von Verknüpfungen, CAM- und Follower -Mechanismen sowie Zahnräder und Zahnradzüge ergeben, um eine erforderliche mechanische Bewegung und Stromübertragung durchzuführen.[6]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Lung-wen Tsai, 2001, Mechanismus -Design: Aufzählung kinematischer Strukturen nach Funktion, CRC Press
  2. ^ J. M. McCarthy und G. S. Soh, Geometrisches Design von Verknüpfungen, 2. Auflage, Springer 2010
  3. ^ Nigatu, Hassen; Yihun, Yimesker (2020), Larochelle, Pierre; McCarthy, J. Michael (Hrsg.), "Algebraische Einsicht in die gleichzeitige Bewegung von 3RPs und 3PRS -PKMs", Verfahren des USCTM -Symposiums 2020 über mechanische Systeme und Robotik, Cham: Springer International Publishing, Vol. 83, S. 242–252, doi:10.1007/978-3-030-43929-3_22, ISBN 978-3-030-43928-6, S2CID 218789290, abgerufen 2020-12-14
  4. ^ "Konforme Mechanismen über konforme Mechanismen". konformMechanismen. Abgerufen 2019-02-08.
  5. ^ Hartenberg, R.S. und J. Denavit (1964) Kinematische Synthese von Verbindungen, New York: McGraw-Hill-Online-Link von Cornell Universität.
  6. ^ J. J. Uicker, G. R. Pennock und J. E. Shigley, Theorie der Maschinen und Mechanismen, fünfter Aufl., Oxford University Press, 2016.

Externe Links