Механизм как устройство и система¶

Механизм — это искусственно созданная совокупность подвижно соединённых тел, предназначенная для преобразования движения, сил или энергии. В широком смысле под механизмом понимают также внутреннее устройство какого-либо процесса или системы: говорят о механизме действия лекарства, механизме наследования, хозяйственном механизме. В технике термин обозначает конкретный класс устройств, изучаемых теорией машин и механизмов.

¶Общее понятие

В механике механизм служит для передачи и преобразования движения от источника (двигателя) к исполнительному органу. Его основу составляют звенья — твёрдые тела, входящие в состав устройства, — и кинематические пары, то есть подвижные соединения двух звеньев, допускающие их относительное перемещение. Совокупность звеньев, соединённых парами, образует кинематическую цепь. Если хотя бы одно звено неподвижно (стойка), цепь становится механизмом.

Неподвижное звено называют стойкой, ведущее звено, которому сообщается движение, — входным, а звено, совершающее требуемое движение, — выходным (ведомым). Число степеней свободы механизма определяется числом независимых координат, задающих положение всех его звеньев; для большинства технических устройств оно равно единице.

¶История развития

Простейшие механизмы известны с глубокой древности. Рычаг, клин, ворот, наклонная плоскость, блок и винт — так называемые простые механизмы — применялись при строительстве пирамид, подъёме тяжестей и в военном деле. Архимед описал рычаг и его свойства, а античные авторы систематизировали сведения о блоках и винтовых устройствах.

В эпоху Возрождения и Нового времени механизмы усложняются: появляются зубчатые передачи, кулачковые и кривошипно-шатунные устройства, применяемые в часах, ткацких станках и насосах. В XVIII–XIX веках формируется теория машин и механизмов как самостоятельная дисциплина; российский учёный Пафнутий Чебышёв внёс значительный вклад в теорию шарнирных механизмов и синтез передач. В XX веке развитие вычислительной техники и материаловедения привело к появлению высокоточных, планетарных и волновых передач, а также мехатронных систем.

¶Классификация

Механизмы классифицируют по нескольким признакам.

По назначению:

• механизмы передачи движения (зубчатые, ремённые, цепные);
• механизмы преобразования движения (кривошипно-шатунные, кулачковые);
• механизмы управления и регулирования;
• исполнительные механизмы.

По структуре:

• рычажные (шарнирные);
• зубчатые и фрикционные;
• кулачковые;
• винтовые;
• гибкими звеньями (ременные, цепные).

По числу степеней свободы различают одноподвижные и многоподвижные механизмы, а по характеру движения выходного звена — механизмы с возвратно-поступательным, вращательным или прерывистым движением.

¶Основные характеристики

Ключевые параметры механизма — передаточное отношение (отношение скоростей или чисел оборотов входного и выходного звеньев), коэффициент полезного действия, кинематические и динамические характеристики. Передаточное отношение показывает, во сколько раз изменяется скорость движения при передаче. КПД отражает долю полезно используемой энергии и зависит от трения в кинематических парах.

Важны также точность, жёсткость, долговечность и надёжность. В машиностроении к механизмам предъявляют требования по прочности, износостойкости и виброустойчивости. Для расчёта применяют методы кинематического, силового и динамического анализа, а также структурного синтеза, позволяющего подобрать схему с нужными свойствами.

¶Применение

Механизмы лежат в основе практически любой техники. В автомобиле это коробка передач, дифференциал, рулевое управление и кривошипно-шатунный механизм двигателя. В станках — приводы подачи и главного движения. В бытовой технике — редукторы, кулачковые и рычажные узлы. В робототехнике — манипуляторы и мехатронные приводы. Механизмы применяются в авиации, судостроении, энергетике, приборостроении и медицинской технике.

Отдельное направление — микромеханизмы и наномеханизмы, используемые в микроэлектромеханических системах (МЭМС), датчиках и прецизионных приборах.

¶Механизм в переносном смысле

Помимо технического значения, слово широко используется для описания внутреннего устройства процессов. Говорят о механизме рыночного регулирования, механизме государственного управления, механизме правового регулирования, механизме памяти. В биологии и медицине изучают механизмы действия ферментов, иммунного ответа, передачи нервного импульса. В таком употреблении термин подчёркивает наличие устойчивой внутренней структуры, последовательности звеньев и причинно-следственных связей, обеспечивающих функционирование системы.

¶Значение

Теория механизмов и машин — одна из базовых инженерных дисциплин. Она связывает математику, физику и проектирование, позволяя создавать устройства с заданными характеристиками. Развитие механизмов определяет прогресс машиностроения, транспорта, робототехники и приборостроения, а расширительное употребление термина делает его универсальным инструментом описания сложных систем в науке и практике.

Источники: учебники по теории машин и механизмов, технические энциклопедии, справочники по машиностроению, труды П. Л. Чебышёва по теории механизмов.