Основные понятия и определение
Кинематическая пара — это фундаментальное соединение двух твёрдых тел (звеньев) в механике, которое формирует подвижное сопряжение. Особенность такой пары заключается в том, что геометрическая форма одного звена жёстко определяет все возможные последовательные положения другого звена относительно него. Это соединение накладывает определённые условия связи, которые целенаправленно ограничивают свободу относительного движения звеньев, делая его предсказуемым и управляемым.
Классификация по условиям связи и степеням свободы
Каждое наложенное условие связи устраняет одну степень свободы в относительном движении. Поскольку в пространстве тело обладает шестью степенями свободы (три поступательных и три вращательных), количество оставшихся степеней свободы (W) для пары рассчитывается по формуле: W = 6 – S, где S — число условий связи. На основе этого принципа все кинематические пары систематизируются на пять классов. Для более детального разделения внутри каждого класса анализируются оставшиеся допустимые относительные движения.
Низшие и высшие пары
По характеру контакта между звеньями пары делятся на два основных типа. Низшие пары характеризуются контактом по поверхностям (например, цилиндр в отверстии, ползун в направляющей). Они встречаются только в трёх классах и представлены шестью классическими видами. Высшие пары образуются при контакте по линиям или точкам (например, зубья шестерён, кулачок и толкатель). Этот тип пар возможен во всех пяти классах и имеет огромное разнообразие видов.
Принципы замыкания и виды простых пар
По способу обеспечения постоянного контакта различают геометрически замкнутые пары (контакт поддерживается самой формой звеньев, как в шарнире) и силово (или незамкнуто) замкнутые пары, где соприкосновение обеспечивается внешней силой, например, силой тяжести или пружиной, как в некоторых кулачковых механизмах.
Среди простейших и наиболее распространённых видов пар можно выделить:
- Поступательная пара: позволяет звеньям только скользить друг относительно друга по прямой линии (пример — призма в призматическом канале).
- Вращательная (шарнирная) пара: допускает только вращательное движение вокруг общей оси (пример — шип во втулке с закраинами).
- Винтовая пара: обеспечивает сложное движение, при котором вращение одного звена преобразуется в поступательное движение другого с определённым шагом (винт и гайка). Интересно, что поступательную пару можно рассматривать как винтовую с бесконечно большим шагом, а вращательную — как винтовую с нулевым шагом.
Высшие и условные кинематические пары
Высшие пары не обладают свойством простых пар — их относительное движение более сложное. Яркими примерами служат зацепление зубчатых колёс, контакт шкива с ремнём или кулачка с роликом. Движение в таких парах часто не является обратимым в простом смысле.
Отдельную группу составляют условные кинематические пары. В них сопряжение звеньев осуществляется не напрямую, а через промежуточные элементы. Это могут быть тела качения (шарики или ролики в подшипниках качения) или упругие деформируемые элементы (например, в безлюфтовых шарнирах с плоскими пружинами). Несмотря на наличие дополнительных элементов, такая система в целом функционирует как единая кинематическая пара с заданными свойствами.