МЕХАНИЗМ С ВЫСТОЯМИ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА Российский патент 2004 года по МПК F16H21/08 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к рычажным (стержневым) механизмам, и может быть использовано в составе машин, обеспечивающих при реализации процессов остановки рабочих (исполнительных) органов на границах прямых и обратных ходов. При механизации производственных процессов нередко возникает необходимость использования механизмов с остановами, вызванными различными требованиями, например: характером реализуемого технологического процесса, подачей в машину и выводом из нее объекта обработки, необходимостью регулировки и замены рабочих органов и т.д.

Известен, например, механизм с остановками в крайних положениях, выполненный в виде рычажного шестизвенника, построенного на базе шарнирного четырехзвенника. Выходное звено этого шестизвенника выстаивает в крайних положениях, т.е. на границах интервалов прямого и обратного ходов (Кожевников С.Н. и др. Механизмы. Справочник. - М.: Машиностроение, 1976. - С.461, рис.7.57).

Основным недостатком данного механизма является большое число подвижных звеньев и кинематических пар (усложненность кинематической цепи), а также погрешности синтезирования по шатунным кривым, лишь приближенно совпадающим с дугами окружности. Это ухудшает кинематические и динамические характеристики механизма и не способствует точной реализации выстоев выходного звена в соответствии с циклограммой.

Известен также трехзвенный кулисный механизм с остановками выходного звена в крайних положениях, в котором профиль поступательно движущейся кулисы на двух противоположных участках выполнен по дугам окружности радиуса, равного длине кривошипа. При сопряжении ролика кривошипа с упомянутыми дугами кулиса остается неподвижной (Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т.2. - М.: Наука, 1971. - С.342. - Поз.1337 -прототип).

Основным недостатком прототипа является следующее: наличие ударов при работе механизма, возникающих в местах (точках) сопряжения упомянутых дуг с прямолинейным пазом кулисы (четыре точки сопряжения кривых); при центральной компоновке механизма, когда центр вращения кривошипа расположен на линии хода кулисы, ход последней оказывается меньше двух длин кривошипа; время выстоев кулисы лимитируется, увеличение времени возможно только при увеличении длины кривошипа и размеров замкнутого профиля кулисы. Удары ухудшают кинематические и динамические характеристики механизма, приводят к необходимости уменьшения скоростей и числа рабочих циклов, т.е. к снижению производительности. В центральных рычажных механизмах с поступательным движением выходных звеньев (ползунных, синусных) обеспечивается максимальный ход выходного звена, равный двум длинам кривошипа. У прототипа это условие не выполняется. Надо учесть, что всякое увеличение хода выходного звена требует соответствующего увеличения длины кривошипа и размеров механизма. У прототипа увеличение времени выстоев кулисы в крайних положениях требует увеличения длины кривых, выполненных по дугам окружностей радиуса длины кривошипа, при этом увеличиваются размеры звеньев механизма.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение динамических нагрузок и расширение технологических возможностей механизма.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в механизме с выстоями выходного звена, выполненном в виде рычажного трехзвенника, содержащем подвижно сопряженные кривошип, выходное звено и стойку, выходное звено выполнено в виде кулисы с фигурным профилем для взаимодействия с кривошипом, смонтированной с возможностью возвратно-поступательного движения с выстоями в крайних положениях, фигурный профиль кулисы имеет S-образную форму, выполнен в виде двух жестко связанных между собой дуг, длина каждой из которых не меньше длины четверти окружности радиуса, равного длине кривошипа, при этом кулиса содержит подвижный стержень с жестко закрепленным на его конце упомянутым фигурным профилем, стержень смонтирован, по меньшей мере, в двух неподвижных направляющих, а центр вращения кривошипа совмещен с линией хода подвижного стержня кулисы, причем центры кривизны дуг, составляющих фигурный профиль, совпадают с линией хода подвижного стержня кулисы, а расстояние между центрами равно двум длинам кривошипа.

На свободном конце кривошипа смонтирован ролик для сопряжения с фигурным профилем кулисы.

Перемещение кулисы определяется из условия:

где L - величина перемещения кулисы (функция положения механизма);

R - длина кривошипа;

ϕ - текущий угол поворота кривошипа.

В крайних положениях кулисы линия жесткой связи дуг фигурного профиля между собой совпадает с линией положения кривошипа, при этом при повороте кривошипа на угол 90° от крайнего положения кулиса совершает полный ход, равный двум длинам кривошипа, а при повороте кривошипа на следующие 90° кулиса выстаивает.

Заявляемый механизм отличается от прототипа взаимным расположением элементов и формой их выполнения, обеспечивающими уменьшение ударных нагрузок и увеличение времени выстоев кулисы на границах интервалов прямого и обратного ходов.

Выполнение фигурного профиля кулисы S-образным, состоящим из двух жестко связанным между собой дуг, длина каждой из которых не меньше длины четверти окружности радиуса, равного длине кривошипа, обеспечивает следующие преимущества: вдвое уменьшено число точек, в которых возникают ударные нагрузки (у прототипа четыре таких точки, у предлагаемого механизма - две); обеспечивается большая длительность выстоев кулисы в интервале как прямого, так и обратного ходов (в любом из указанных ходов время выстоя кулисы на границе интервалов равно времени ее движения, поскольку и движение, и выстой соответствуют одинаковым углам поворота кривошипа, он равен 90°); уменьшаются энергозатраты на реализацию процесса, так как движущий момент на валу кривошипа при рабочем ходе необходим лишь при повороте кривошипа на угол от 0 до 90°, а вторая половина движения кривошипа выполняется без технологической нагрузки; прямой и обратный интервалы движения механизма могут быть использованы в качестве рабочих интервалов, поскольку реализуются одинаковые законы движения кулисы. Подвижный стержень является конструктивным элементом, посредством которого смонтированная в неподвижных направляющих кулиса имеет возможность совершать возвратно-поступательное движение. В качестве базового механизма принят синусный механизм, включающий два подвижных звена (кривошип и кулису), в котором профиль сопряжения кривошипа с кулисой выполнен криволинейным. Совмещение центра вращения кривошипа с линией хода подвижного стержня кулисы обеспечивает получение центрального механизма, т.е. механизма с одинаковыми интервалами времени при рабочем и холостом ходах. Такие механизмы являются предпочтительными при использовании обоих ходов в качестве рабочих.

Введение ролика в сопряжение кривошипа с фигурным профилем кулисы снижает износ трущихся поверхностей профиля и способствует увеличению длительности реализации заданного закона движения кулисы.

Зависимость (1) определяет характер изменения функции положения кулисы в предлагаемом центральном трехзвеннике. Из формулы (1) следует, что при повороте кривошипа на 90° от начального положения (положения кривошипа на линии хода подвижного стержня) кулиса совершает полный ход, равный двум длинам кривошипа. Так, при ϕ=90°

L=2(R-R·cosϕ)=2·(R-R·0)=2·R

Предложенный механизм удовлетворяет структурной формуле кинематической цепи:

где W - степень подвижности механизма; W = 1;

n - число подвижных звеньев: кривошип, кулиса; n = 2;

р₅ - число низших кинематических пар: кривошип - стойка, подвижный стержень - направляющая, р₅=2;

р₄ - число высших кинематических пар: сопряжение кривошипа с фигурным профилем кулисы посредством ролика, р₄=1.

В сопряжении подвижного стержня кулисы с неподвижными направляющими учитывается лишь одна низшая кинематическая пара. Вторая пара является пассивной (ее могло не быть) и в формуле (2) не учитывается. Формулы (1) и (2) определяют работоспособность предлагаемого механизма при функционировании его с остановками выходного звена на границах интервалов прямого и обратного ходов и максимальном ходе кулисы, равном удвоенной длине кривошипа.

Размещение линии жесткой связи дуг фигурного профиля кулисы на прямой хода ее подвижного стержня исключает возможность возникновения удара в момент, когда ролик кривошипа проходит линию жесткой связи дуг, а кулиса начинает движение после выстоя.

Выполнение фигурного профиля в виде двух жестко связанных дуг, радиус каждой из которых равен длине кривошипа, обеспечивает условия, при которых кулиса совершает полный ход, равный двум длинам кривошипа, при повороте последнего на 90°. Во второй половине интервала прямого хода (при ϕ от 90 до 180°) и обратного хода (при ϕ от 270 до 360°) кулиса выстаивает, поскольку при этом ролик кривошипа взаимодействует с фигурным профилем при постоянном радиус-векторе последнего. Такое движение кулисы является предпочтительным, так как обеспечивается большая длительность выстоев на границах интервалов движения, определяемая технологическими требованиями, и уменьшаются энергозатраты на реализацию процесса.

Предлагаемый механизм с выстоями выходного звена поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен механизм, кинематическая схема; на фиг.2 - положения механизма а), б), в), г) соответственно положениям кривошипа при значениях угла ϕ: 0, 90, 180, 270°; на фиг.3 - циклограмма; на фиг.4 - законы движения кулисы: функция L=f(R, ϕ) положения и первая передаточная функция L’ϕ при значениях R=250 мм.

Механизм выполнен в виде рычажного трехзвенника, содержащего подвижно сопряженные ведущее звено - кривошип 1, выходное звено - кулису 2, выполненную с возможностью поступательного движения, и стойку 3. Кривошип жестко закреплен на валу привода, на свободном конце кривошипа смонтирован ролик 4 для сопряжения с кулисой.

Кулиса 2 включает фигурный профиль 5 S-образной формы, выполненный в виде двух жестко связанных между собой дуг 6 и 7, и подвижный стержень 8, смонтированный в неподвижных направляющих 9, при этом на конце стержня жестко закреплен упомянутый фигурный профиль. Длина каждой из дуг 6 и 7 не меньше длины четверти окружности радиуса, равного длине кривошипа, центр 10 вращения кривошипа совмещен с линией хода подвижного стержня 8 кулисы 2. Центры кривизны дуг 5 и 6, составляющих фигурный профиль 5, совпадают с линией хода подвижного стержня 8 кулисы, а расстояние между центрами равно двум длинам кривошипа.

Ролик 4 смонтирован на пальце 11, жестко закрепленном на свободном конце кривошипа 1. Ось вращения кривошипа 1 расположена перпендикулярно линии хода подвижного стержня.

Механизм с выстоями выходного звена работает следующим образом.

В начальном положении механизма положение кривошипа 1 совпадает с линией хода подвижного стержня 8, при этом угол ϕ=0 (фиг.2а)). При повороте кривошипа в интервале от 0 до 90° кулиса движется сначала ускоренно, а затем со скоростью, близкой к постоянной (фиг.4). В этом интервале поворота кривошипа кулиса проходит путь, равный двум длинам кривошипа, и приходит в другое крайнее положение. Это максимальный ход кулисы, выраженный формулой (1) и циклограммой (фиг.3).

При повороте кривошипа от 90 до 180° кулиса выстаивает, поскольку ролик 4 кривошипа движется по дуге постоянного радиуса (фиг.2б) и в)). При угле ϕ=180° кулиса занимает другое крайнее положение (фиг.2в)).

При обратном ходе характер движения кулисы будет аналогичен рассмотренному: при повороте кривошипа от 180 до 270° ролик 4, взаимодействуя с фигурным профилем 5 кулисы, обеспечивает перемещение последней в обратном направлении, а при повороте кривошипа на угол от 270 до 360° кулиса выстаивает, поскольку ролик кривошипа будет двигаться в пазу постоянного радиуса.

За время кинематического цикла механизма выходное звено последнего совершает два выстоя большой продолжительности, при этом выстои имеют место на границах интервалов прямого (рабочего) и обратного (холостого) ходов, а время каждого выстоя составляет четверть (¹/₄) периода кинематического цикла механизма. Увеличение времени выстоев выходного звена, несущего рабочий или исполнительный орган, без увеличения периода кинематического цикла механизма расширяет технологические возможности последнего.

Изобретение относится к средствам механизации технологических процессов и может быть использовано в составе машин с остановками рабочих или исполнительных органов. Механизм с выстоями выходного звена выполнен в виде рычажного трехзвенника, содержащего подвижно сопряженные кривошип, выходное звено - кулису и стойку. Кулиса включает жестко связанные между собой S-образный фигурный профиль для связи с кривошипом и подвижный стержень, смонтированный в двух неподвижных направляющих. Фигурный профиль выполнен в виде двух жестко связанных между собой дуг, длина каждой из которых не меньше длины четверти окружности радиуса, равного длине кривошипа. Центр вращения кривошипа совмещен с линией хода подвижного стержня кулисы, центры кривизны дуг, составляющих фигурный профиль, совмещены с линией хода подвижного стержня кулисы, а расстояние между центрами равно двум длинам кривошипа. За время одного оборота кривошипа кулиса проходит путь, равный четырем длинам кривошипа, при этом она совершает два выстоя на границах интервалов движения. Технический результат - уменьшение динамических нагрузок и расширение технологических возможностей механизма. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Механизм с выстоями выходного звена, выполненный в виде рычажного трехзвенника, содержащий подвижно сопряженные кривошип, выходное звено и стойку, выходное звено выполнено в виде кулисы с фигурным профилем для взаимодействия с кривошипом, смонтированной с возможностью возвратно-поступательного движения с выстоями в крайних положениях, отличающийся тем, что фигурный профиль кулисы имеет S-образную форму, выполнен в виде двух жестко связанных между собой дуг, длина каждой из которых не меньше длины четверти окружности радиуса, равного длине кривошипа, при этом кулиса содержит подвижный стержень с жестко закрепленным на его конце упомянутым фигурным профилем, стержень смонтирован, по меньшей мере, в двух неподвижных направляющих, а центр вращения кривошипа совмещен с линией хода подвижного стержня кулисы, причем центры кривизны дуг, составляющих фигурный профиль, совпадают с линией хода подвижного стержня кулисы, а расстояние между центрами равно двум длинам кривошипа.2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что на свободном конце кривошипа смонтирован ролик для сопряжения с фигурным профилем кулисы.3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что перемещение кулисы определяется из условия:

L=2(R-R·cos ϕ),

где L - величина перемещения кулисы: функция положения механизма;

R - длина кривошипа;

ϕ - текущий угол поворота кривошипа.