Mechanismus (Ingenieurwesen) – Wikipedia

Schema des Aktuatormechanismus für ein Flugzeugfahrwerk.

Im Ingenieurwesen a Mechanismus ist ein Gerät, das Eingangskräfte und Bewegungen in einen gewünschten Satz von Ausgangskräften und Bewegungen umwandelt. Mechanismen bestehen im Allgemeinen aus beweglichen Komponenten, die Folgendes umfassen können:

Der deutsche Wissenschaftler Reuleaux definiert: “Eine Maschine ist eine Kombination widerstandsfähiger Körper, die so angeordnet sind, dass die mechanischen Kräfte der Natur durch ihre Mittel gezwungen werden können, Arbeiten auszuführen, die von bestimmten bestimmten Bewegungen begleitet werden.” In diesem Zusammenhang ist seine Verwendung von Maschine wird allgemein als gemeint interpretiert Mechanismus.

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

Ein Mechanismus ist normalerweise ein Teil eines größeren Prozesses oder eines mechanischen Systems. Manchmal kann eine ganze Maschine als Mechanismus bezeichnet werden. Beispiele sind der Lenkmechanismus in einem Auto oder der Aufzugsmechanismus einer Armbanduhr. Mehrere Mechanismen sind Maschinen.

Kinematische Paare[edit]

Siehe auch: Kinematisches Paar

Von der Zeit Archimedes bis zur Renaissance wurden Mechanismen als aus einfachen Maschinen konstruiert angesehen, wie Hebel, Riemenscheibe, Schraube, Rad und Achse, Keil und schiefe Ebene. Reuleaux konzentrierte sich auf Körper, genannt Linksund die Verbindungen zwischen diesen Körpern genannt kinematische Paare, oder Gelenke.

Um die Bewegung eines Mechanismus mithilfe der Geometrie zu untersuchen, werden seine Verbindungen als starre Körper modelliert. Dies bedeutet, dass angenommen wird, dass sich die Abstände zwischen Punkten in einer Verbindung nicht ändern, wenn sich der Mechanismus bewegt, dh die Verbindung biegt sich nicht. Daher wird angenommen, dass die Relativbewegung zwischen Punkten in zwei verbundenen Verbindungen aus dem kinematischen Paar resultiert, das sie verbindet.

Kinematische Paare oder Verbindungen bieten ideale Bedingungen zwischen zwei Gliedern, z. B. die Einschränkung eines einzelnen Punkts für die reine Drehung oder die Einschränkung einer Linie für das reine Gleiten sowie das reine Rollen ohne Verrutschen und Punktkontakt mit dem Verrutschen . Ein Mechanismus wird als Zusammenbau von starren Gliedern und kinematischen Paaren modelliert.

Revolute Paarschnittansicht.

Glieder und Gelenke[edit]

Reuleaux nannte die idealen Verbindungen zwischen Verbindungen kinematische Paare. Er unterschied zwischen höheren Paaren mit Linienkontakt zwischen den beiden Gliedern und niedrigeren Paaren mit Flächenkontakt zwischen den Gliedern. J. Phillips zeigt, dass es viele Möglichkeiten gibt, Paare zu konstruieren, die nicht zu diesem einfachen Modell passen.

Unteres Paar: Ein unteres Paar ist eine ideale Verbindung, die wie in den folgenden Fällen Oberflächenkontakt zwischen dem Elementpaar hat:

• Ein Drehpaar oder Gelenk erfordert, dass eine Linie im beweglichen Körper mit einer Linie im festen Körper kolinear bleibt, und eine Ebene senkrecht zu dieser Linie im beweglichen Körper muss Kontakt mit einer ähnlichen senkrechten Ebene im festen Körper halten Körper. Dies führt zu fünf Einschränkungen für die relative Bewegung der Verbindungen, die daher einen Freiheitsgrad haben.
• Ein prismatisches Gelenk oder ein Schieber erfordert, dass eine Linie im sich bewegenden Körper mit einer Linie im festen Körper kolinear bleibt, und eine Ebene parallel zu dieser Linie im sich bewegenden Körper muss Kontakt mit einer ähnlichen parallelen Ebene im festen Körper halten . Dies führt zu fünf Einschränkungen für die relative Bewegung der Verbindungen, die daher einen Freiheitsgrad haben.
• Eine zylindrische Verbindung erfordert, dass eine Linie im sich bewegenden Körper mit einer Linie im festen Körper kolinear bleibt. Es kombiniert ein Drehgelenk und ein Gleitgelenk. Dieses Gelenk hat zwei Freiheitsgrade.
• Ein Kugelgelenk oder Kugelgelenk erfordert, dass ein Punkt im sich bewegenden Körper Kontakt mit einem Punkt im festen Körper hält. Dieses Gelenk hat drei Freiheitsgrade.
• Ein planares Gelenk erfordert, dass eine Ebene im sich bewegenden Körper Kontakt mit einer Ebene im festen Körper hält. Dieses Gelenk hat drei Freiheitsgrade.
• Eine Schraubverbindung oder Spiralverbindung hat nur einen Freiheitsgrad, da die Gleit- und Drehbewegungen durch den Spiralwinkel des Gewindes zusammenhängen.

Höhere Paare: Im Allgemeinen ist ein höheres Paar eine Einschränkung, die einen Linien- oder Punktkontakt zwischen den Elementoberflächen erfordert. Beispielsweise ist der Kontakt zwischen einem Nocken und seinem Mitnehmer ein höheres Paar, das als a bezeichnet wird Nockengelenk. In ähnlicher Weise ist der Kontakt zwischen den Evolventenkurven, die die kämmenden Zähne zweier Zahnräder bilden, Nockenverbindungen.

Maßzeichnung einer Kurbel (links) und deren kinematisches Diagramm (rechts).

Kinematisches Diagramm[edit]

Ein kinematisches Diagramm reduziert die Maschinenkomponenten auf ein Skelettdiagramm, das die Verbindungen hervorhebt und die Verknüpfungen zu einfachen geometrischen Elementen reduziert. Dieses Diagramm kann auch als Diagramm formuliert werden, indem die Verknüpfungen des Mechanismus als Kanten und die Gelenke als Eckpunkte des Diagramms dargestellt werden. Diese Version des kinematischen Diagramms hat sich bei der Aufzählung kinematischer Strukturen im Prozess der Maschinenkonstruktion als wirksam erwiesen.^[1]

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei diesem Entwurfsprozess ist der Freiheitsgrad des Systems der Verbindungen und Verbindungen, der anhand des Chebychev-Grübler-Kutzbach-Kriteriums bestimmt wird.

Theo Jansens Strandbeest, eine Gruppe planarer Gehmechanismen.

Planare Mechanismen[edit]

Während alle Mechanismen in einem mechanischen System dreidimensional sind, können sie unter Verwendung der Ebenengeometrie analysiert werden, wenn die Bewegung der einzelnen Komponenten eingeschränkt ist, sodass alle Punkttrajektorien parallel oder in einer Reihenschaltung zu einer Ebene sind. In diesem Fall heißt das System a planarer Mechanismus. Die kinematische Analyse planarer Mechanismen verwendet die Teilmenge der speziellen euklidischen Gruppe SE, die aus planaren Rotationen und Translationen besteht und SE bezeichnet.

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

Die reine Drehung eines Scharniers und die lineare Verschiebung eines Schiebers können mit Untergruppen von SE identifiziert werden und definieren die beiden Gelenke mit einem Freiheitsgrad von planaren Mechanismen. Das Nockengelenk, das durch zwei Oberflächen in Gleit- und Drehkontakt gebildet wird, ist ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden.

Sehen Sie Theo Jansens Strandbeest-Laufmaschine mit Beinen, die aus planaren Achtgelenkverbindungen aufgebaut sind

Im spanischen Mechanismus sind “Mecanismos”

Sphärische Mechanismen[edit]

Es ist möglich, einen Mechanismus so zu konstruieren, dass die Punktbahnen in allen Komponenten in konzentrischen Kugelschalen um einen festen Punkt liegen. Ein Beispiel ist das kardanische Gyroskop. Diese Geräte werden aufgerufen sphärische Mechanismen.^[2] Sphärische Mechanismen werden konstruiert, indem Glieder mit Scharnierverbindungen so verbunden werden, dass die Achsen jedes Scharniers durch denselben Punkt verlaufen. Dieser Punkt wird zum Zentrum der konzentrischen Kugelschalen. Die Bewegung dieser Mechanismen ist durch die Gruppe SO (3) der Rotationen im dreidimensionalen Raum gekennzeichnet. Andere Beispiele für sphärische Mechanismen sind das Fahrzeugdifferential und das Roboterhandgelenk.

Wählen Sie diesen Link für eine Animation von a Sphärisch einsetzbarer Mechanismus.

Ein Beispiel für einen sphärisch einsetzbaren Mechanismus

Die Rotationsgruppe SO (3) ist dreidimensional. Ein Beispiel für die drei Parameter, die eine räumliche Drehung angeben, sind die Roll-, Nick- und Gierwinkel, mit denen die Ausrichtung eines Flugzeugs definiert wird.

Raummechanismen[edit]

Ein Beispiel für eine Stewart-Plattform, einen räumlichen Mechanismus.

Ein Mechanismus, bei dem sich ein Körper durch eine allgemeine räumliche Bewegung bewegt, wird als a bezeichnet räumlicher Mechanismus. Ein Beispiel ist das RSSR-Gestänge, das als Viergelenkgestänge angesehen werden kann, bei dem die Scharniergelenke des Kupplungsglieds durch Stangenenden ersetzt werden, die auch als Kugelgelenke oder Kugelgelenke bezeichnet werden. Durch die Stangenenden können die Eingangs- und Ausgangskurbeln der RSSR-Verbindung so weit falsch ausgerichtet werden, dass sie in verschiedenen Ebenen liegen, wodurch sich die Kupplungsverbindung in einer allgemeinen räumlichen Bewegung bewegt. Roboterarme, Stewart-Plattformen und humanoide Robotersysteme sind ebenfalls Beispiele für räumliche Mechanismen.

Bennetts Verknüpfung ist ein Beispiel für einen räumlich überlasteten Mechanismus, der aus vier Scharnierverbindungen besteht.

Die Gruppe SE (3) ist sechsdimensional, dh die Position eines Körpers im Raum wird durch sechs Parameter definiert. 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[edit]

Theo Jansens kinetische Skulptur Strandbeest. Eine windgetriebene Laufmaschine.

Eine Verknüpfung ist eine Sammlung von Verknüpfungen, die durch Gelenke verbunden sind. Im Allgemeinen sind die Glieder die Strukturelemente und die Gelenke ermöglichen Bewegung. Das vielleicht nützlichste Beispiel ist die planare Viergelenkverbindung. Es gibt jedoch noch viele weitere spezielle Verknüpfungen:

• Die Watt-Verbindung ist eine Vier-Balken-Verbindung, die eine ungefähre gerade Linie erzeugt. Es war entscheidend für den Betrieb seines Entwurfs für die Dampfmaschine. Diese Verbindung tritt auch bei Fahrzeugaufhängungen auf, um eine Bewegung der Karosserie von Seite zu Seite relativ zu den Rädern zu verhindern. Siehe auch den Artikel Parallelbewegung.
• Der Erfolg der Watt-Verknüpfung führte dazu, dass ähnliche ungefähre geradlinige Verknüpfungen wie die Hoeken-Verknüpfung und die Chebyshev-Verknüpfung entworfen wurden.
• Die Peaucellier-Verbindung erzeugt eine echte geradlinige Ausgabe von einer rotierenden Eingabe.
• Die Sarrus-Verknüpfung ist eine räumliche Verknüpfung, die aus einer Rotationseingabe eine geradlinige Bewegung erzeugt.
• Das Klann-Gestänge und das Jansen-Gestänge sind neuere Erfindungen, die interessante Gehbewegungen ermöglichen. Sie sind jeweils eine Sechs-Balken- und eine Acht-Balken-Verbindung.

Konforme Mechanismen[edit]

Ein nachgiebiger Mechanismus ist eine Reihe von starren Körpern, die durch nachgiebige Elemente verbunden sind. Diese Mechanismen haben viele Vorteile, einschließlich einer verringerten Anzahl von Teilen und einer verringerten “Neigung” zwischen den Gelenken (keine parasitäre Bewegung aufgrund von Lücken zwischen Teilen^[3]), Energiespeicherung, geringer Wartungsaufwand (sie erfordern keine Schmierung und geringer mechanischer Verschleiß) und einfache Herstellung.^[4]

Biegelager (auch bekannt als Biegegelenke) sind eine Untergruppe von nachgiebigen Mechanismen, die bei Anwendung einer Kraft eine geometrisch genau definierte Bewegung (Rotation) erzeugen.

Nocken- und Mitnehmermechanismen[edit]

Nockenfolgermechanismus – Die Kraft wird vom Mitnehmer auf den Nocken angewendet

Ein Nocken und ein Mitnehmer werden durch den direkten Kontakt zweier speziell geformter Glieder gebildet. Das Antriebsglied wird als Nocken bezeichnet (siehe auch Nockenwelle), und das Glied, das durch den direkten Kontakt ihrer Oberflächen angetrieben wird, wird als Mitnehmer bezeichnet. Die Form der Kontaktflächen von Nocken und Mitnehmer bestimmt die Bewegung des Mechanismus. Im Allgemeinen wird die Energie eines Nockenstößelmechanismus von Nocken zu Stößel übertragen. Die Nockenwelle wird gedreht und je nach Nockenprofil bewegt sich der Mitnehmer auf und ab. Jetzt sind auch leicht unterschiedliche Arten von exzentrischen Nockenfolgern erhältlich, bei denen Energie vom Mitnehmer auf den Nocken übertragen wird. Der Hauptvorteil dieser Art von Nockenstößelmechanismus besteht darin, dass sich der Stößel ein wenig bewegt und dabei hilft, den Nocken mit 70% Kraft um das 6-fache des Umfangs zu drehen.

Zahnräder und Getriebezüge[edit]

Zahnräder sind eine Art Mechanismus.

Die Rotationsübertragung zwischen berührenden Zahnrädern lässt sich auf den Antikythera-Mechanismus Griechenlands und den nach Süden ausgerichteten Streitwagen Chinas zurückführen. Illustrationen des Renaissance-Wissenschaftlers Georgius Agricola zeigen Getriebezüge mit zylindrischen Zähnen. Die Implementierung des Evolventenzahns ergab eine Standardzahnradkonstruktion, die ein konstantes Drehzahlverhältnis bietet. Einige wichtige Merkmale von Zahnrädern und Getriebezügen sind:

Mechanismussynthese[edit]

Das Design von Mechanismen zur Erzielung einer bestimmten Bewegung und Kraftübertragung ist als kinematische Synthese von Mechanismen bekannt.^[5] Dies ist eine Reihe von geometrischen Techniken, die die Abmessungen von Gestängen, Nocken- und Mitnehmermechanismen sowie Zahnrädern und Getriebezügen ergeben, um eine erforderliche mechanische Bewegung und Kraftübertragung durchzuführen.^[6]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]