ШАРНИРНЫЙ ЧЕТЫРЕХЗВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ЯРИМОВА Российский патент 1997 года по МПК F16H21/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и пневматических устройствах с неравномерным движением рабочих органов, в механизмах для передачи усилий на вращательное движение, преимущественно в мускульных и паро- или газодинамических приводах.

Известен шарнирный четырехзвенный механизм, содержащий основание, шарнирно соединенные с ним одними концами кривошип и коромысло и шатун, шарнирно соединенный с другими концами соответственно кривошипа и коромысла.

Недостатком известного шарнирного четырехзвенного механизма является низкий КПД (эффективность) передачи сил на вращательное движение по причине невыполнения механизма с определенными размерами звеньев.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД (эффективности) передачи сил на вращательное движение кривошипа.

Поставленная задача решается тем, что шарнирный четырехзвенный механизм выполнен с возможностью передачи сил на вращательное движение кривошипа, а размеры звеньев механизма выбраны из следующих соотношений:
l < 9r
R < 9r
L < 6r
M(λ, p, δ)>114,588,
где r длина кривошипа;
l длина шатуна;
R длина коромысла;
L расстояние между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла;
M момент на оси кривошипа;
λ отношение длины шатуна к длине кривошипа;
p отношение длины коромысла к длине кривошипа;
d отношение расстояния между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла к длине кривошипа.

Увеличение КПД (эффективности) шарнирного четырехзвенного механизма при передаче сил F на вращательное движение кривошипа характеризуется моментом М на оси А кривошипа и определяется углом давления v (по фиг. 1). Посредством углов давления определяется сумма моментов сил F на оси А:

где M_i сумма моментов на оси кривошипа;
F сила, действующая вдоль шатуна;
r длина кривошипа;
Φ угол давления.

Поставленная задача повышения КПД (эффективности) решается определением зависимостей величин моментов на оси А кривошипа от длин звеньев шарнирного четырехзвенного механизма r кривошипа, l длины шатуна, R длины коромысла, L расстояния между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла. Принимается угол j независимый параметр, v функция. Задача сводится к v(ψ) функция положения.

После введения безразмерных величин λ отношение длины шатуна к длине кривошипа, р отношение длины коромысла к длине кривошипа, d отношение расстояния между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла к длине кривошипа, тогда при F 1, r 1.

( обеспечивается равномерное перемещение точек В и С механизма и достигается максимальный результат по моменту)
где

Расчетами получены величины моментов в зависимости от относительных длин звеньев. Данные расчетов приведены на графике (фиг. 2) зависимостей M(λ, p, δ) при условии в области существования проворачиваемого кривошипа. Для сравнения приведен единичный суммарный момент кривошипно-ползунного механизма M114,6, M const так же при F 1, r 1 при любых относительных значениях l/r (отношение длины шатуна к длине кривошипа). Такое же значение единичного момента имеет кривошипный механизм, а также известный шарнирный четырехзвенный механизм и другие механизмы, предназначенные для передачи сил на вращательное движение. Момент вышеназванных известных механизмов не зависит от размеров звеньев и равен константе при действии силы, равной единице, и кривошипе, равном единице. Значение константы М 114,588. или М 114,6 получено с достаточной степенью точности для практического применения, она имеет размерность произведения длины на силу и характеризует вращательный эффект силы, равной единице, при (плече) кривошипе, равном единице, для механизмов, содержащих кривошип.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема шарнирного четырехзвенного механизма, содержащего основание 1, шарнирно соединенные с ним одними концами кривошип 2 и коромысло 4, и шатун 3, шарнирно соединенный с другими концами соответственно кривошипа и коромысла в трех положениях. В начальном положении C₁ψ₁, в произвольном положении C₁ψ и в конечном положении C₂j₂. На фиг. 2 изображены значения суммарных единичных моментов в зависимости от параметров шарнирных четырехзвенных механизмов. Кривая δ 1,0 является наибольшей по суммарному моменту. Кривая d 6,0 является наименьшей по суммарному единичному моменту, она близко прилегает к горизонтальной прямой M(λ, p, δ) 114,588, которая отображает суммарный единичный момент известных механизмов (кривошипного, кривошипно-ползунного и известного шарнирного четырехзвенного механизма и др.).

Механизм работает следующим образом.

На фиг. 1 под действием силы F происходит перемещение точек С₁ и B₁ механизма в положение С₂ и B₂ против часовой стрелки. Соответственно при перемещении кривошипа из первоначального положения ψ₁ в конечное ψ₂ происходит рабочий ход, или максимальная передача силы F для образования суммарного единичного момента на оси A кривошипа при определенных параметрах шарнирного четырехзвенного механизма. Затем из положения ψ₂ в положение ψ₁ кривошипа происходит обратный ход, также против часовой стрелки, сила F не действует, точка С₂ механизма возвращается в первоначальное положение. Затем этот цикл повторяется.

Исполнение шарнирного четырехзвенного механизма с размерами звеньев, исходя из следующих соотношений
l < 9r,
R < 9r,
L < 6r,
M(λ, p, δ)>114,588,,
где r длина кривошипа;
l длина шатуна;
R длина коромысла;
L расстояние между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла;
M момент на оси кривошипа;
λ отношение длины шатуна к длине кривошипа;
p отношение длины коромысла к длине кривошипа;
d отношение расстояния между осью вращения кривошипа и осью качения коромысла к длине кривошипа,
позволяет увеличить его КПД (эффективность) до двух раз.

Предлагаемая конструкция шарнирного четырехзвенного механизма обеспечивает увеличение КПД (эффективности) передачи усилий на вращательное движение кривошипа.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: с основанием 1 шарнирно соединены одними концами кривошип 2 и коромысло 4. Шатун 3 шарнирно соединен с другими концами кривошипа 2 и коромысла 4. Размеры звеньев выбраны из соотношений l < 9r, R < 9r, L < 6r, M/λ, p, d > 114,588, где r, l, R - длины соответственно кривошипа, шатуна коромысла; L - расстояние между осью вращения кривошипа и осью качания коромысла; М - момент на оси кривошипа; l - отношение l к r; р - отношение R к r; d - отношение L к r. Качательное движение коромысла 4 преобразуется во вращательное движение кривошипа 2. 2 ил.

Шарнирный четырехзвенный механизм, содержащий основание, шарнирно соединенные с ним одними концами кривошип и коромысло и шатун, шарнирно соединенный с другими концами соответственно кривошипа и коромысла, отличающийся тем, что размеры звеньев механизма выбраны из следующих соотношений:
l < 9r;
R < 9r;
L < 6r;
M(λ, p, δ)>114,588,
где r длина кривошипа;
l длина шатуна;
R длина коромысла;
L расстояние между осью вращения кривошипа и осью качания коромысла;
M момент на оси кривошипа;
λ отношение длины шатуна к длине кривошипа;
p отношение длины коромысла к длине кривошипа;
d отношение расстояния между осью вращения кривошипа и осью качания коромысла к длине кривошипа.