СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F16H21/14 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к способу создания механизмов с рабочим органом, совершающим поступательно-вращательное движение, например, параллелограмма для привода колес локомотива, механизма соломотряса и др. и устройству для его осуществления.

Известны способы создания поступательно-вращательного движения рабочего органа многократными параллелограммами, состоящими из нескольких шарнирных параллелограммов (см. Ермак В.Н. Многократные параллелограммы без избыточных связей. Вестник Кузбасского государственного технического университета. Теория механизмов и машин. Кемерово. 2005. С. 88-90).

Недостатки этих способов:

1. Эти способы не устраняют мертвые положения механизма, в которых звенья располагаются по одной прямой и должны иметь абсолютно точные размеры. Даже малые отклонения от точных размеров, приводят к большим силовым напряжениям и разрушениям механизма. Использование пространственных схем приводит к существенному увеличению числа звеньев и к усложнению механизма.

2. Сложность конструкций сдвоенного и строенного параллелограммов.

Известен способ создания поступательно-вращательного движения рабочего органа механизмом шарнирного параллелограмма, в котором мертвое положение устраняют путем смены элементов вращательной пары на элементы поступательной пары в одном из шарниров (см. Иванов К.С., Погребной М.А. Механизм шарнирного параллелограмма. Авторское свидетельство СССР № 754143. Бюллетень №29. 1980).

Недостатком этого способа является неопределенность мертвого положения в момент смены элементов кинематической пары. Это приводит к ударам и заклиниванию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ создания поступательно-вращательного движения рабочего органа обычным параллелограммом Уатта (см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т. 1. М. Наука. 1980).

Этот способ состоит в том, что на рабочий орган, присоединенный к кривошипу, накладывают вынуждающую связь, обеспечивающую поступательное движение по окружности радиуса кривошипа.

Недостатки этого способа:

1. Этот способ имеет мертвые положения механизма, в которых звенья располагаются по одной прямой и должны иметь абсолютно точные размеры. В общем случае мертвые положения создают неопределенность движения, которую необходимо преодолевать вышеописанными методами.

2. Сложность конструкции, содержащей три звена.

3. Низкая эффективность, надежность и качество работы.

Задачей изобретения является устранение избыточных связей и мертвых положений, упрощение конструкции, повышение эффективности, повышение надежности и улучшение качества работы.

Задача изобретения решается тем, что вынуждающую связь создают двумя высшими кинематическими парами, соединяющими рабочий орган с неподвижными поверхностями в виде окружностей радиуса кривошипа.

На фиг.1 изображено устройство, осуществляющее способ создания вращательно-поступательного движения.

Устройство содержит два звена - кривошип 1 с неподвижным шарниром и шатун 2 в виде жестко соединенных стержней и с тремя кинематическими парами в точках и . В точках и размещены высшие кинематические пары, перемещающие шатун по неподвижным окружностям стойки 0, а в точке размещена вращательная кинематическая пара, соединяющая шатун с кривошипом и перемещающая шатун по окружности такого же радиуса. Число степеней свободы механизма равно 1, что обеспечивает его определимость движения.

Способ осуществляется следующим образом.

Кривошип 1 перемещает шарнир шатуна 2 по окружности радиуса . Точки и шатуна с высшими кинематическими парами вынужденно перемещаются по неподвижным окружностям такого же радиуса. Шатун приобретает поступательно-вращательное движение при наличии только двух подвижных звеньев. В этом движении мертвые положения трех подвижных звеньев отсутствуют, а конструкция механизма существенно упрощается. Следует отметить, что крайние положения точек и шатуна на горизонтальной и вертикальной осевых линиях смещены по фазе движения на 90°, что улучшает условия движения, повышает надежность и эффективность работы.

Предлагаемый способ можно существенно улучшить, если использовать устройство, обеспечивающее последовательную смену взаимодействующих элементов во время движения.

На фиг. 2 показано осуществление способа таким устройством.

Это устройство содержит жестко присоединенные к основному шатуну 2 элементы и и добавленные для точек и неподвижные окружности. Неподвижные окружности, взаимодействующие с точками шатунов, уменьшены в два раза и представлены как поверхности пазов в неподвижном корпусе 0. Пазы имеют прямолинейные участки, ограничивающие движение соответствующих участков шатуна. Прямолинейные участки шатуна сопрягаются дугами окружностей с радиусами, равными радиусу кривошипа.

Во время работы кривошип и шатун перемещаются в свободном замкнутом пространстве неподвижного корпуса. (Разработана компьютерная анимационная модель).

Когда точка приходит в верхнее положение, соответствующее концу рабочей поверхности соприкосновения, точка переходит в верхнее положение посередине рабочей поверхности. При этом точка перестает контактировать со стойкой, а в этот же момент вступает во взаимодействие со стойкой точка . Прямолинейные участки шатуна взаимодействуют с прямолинейными пазами, обеспечивая надежность перехода в следующую фазу движения. При дальнейшем движении, когда точка подойдет к концу своего рабочего участка, точка окажется в начале своего рабочего участка. Совпадение прямолинейного участка шатуна или с линией кривошипа , соответствующее мертвому положению, происходит не одновременно, а со смещением по фазе движения. Таким образом, происходит движение со сменой взаимодействующих элементов при сохранении определимости движения и отсутствии одновременных мертвых положений.

Взаимодействие прямолинейных участков шатуна с неподвижным корпусом в мертвых положениях позволяет создавать в этих положениях гарантированный зазор между контактирующими поверхностями и точками для устранения избыточных связей. Способ обеспечивает исключение избыточных связей, которые могут иметь место в крайних положениях параллелограмма.

Известны устройства для создания поступательно-вращательного движения рабочего органа многократными параллелограммами, состоящими из нескольких шарнирных параллелограммов (см. Ермак В.Н. Многократные параллелограммы без избыточных связей. Вестник Кузбасского государственного технического университета. Теория механизмов и машин. Кемерово. 2005. С. 88-90).

Недостатки этих устройств:

1. Эти устройства не устраняют мертвые положения механизма, в которых звенья располагаются по одной прямой и должны иметь абсолютно точные размеры. Даже малые отклонения от точных размеров, приводят к большим силовым напряжениям и разрушениям механизма. Использование пространственных схем приводит к существенному увеличению числа звеньев и к усложнению механизма.

2. Сложность конструкций сдвоенного и строенного параллелограммов.

Известно устройство для создания поступательно-вращательного движения рабочего органа в виде механизма шарнирного параллелограмма, в котором для устранения мертвого положения вращательная пара, соединяющая шатун с выходным кривошипом, выполнена с элементами поступательной пары (см. Иванов К.С., Погребной М.А. Механизм шарнирного параллелограмма. Авторское свидетельство СССР № 754143. Бюллетень №29. 1980).

Недостатком этого устройства является неопределенность мертвого положения в момент смены элементов кинематической пары. Это приводит к ударам и заклиниванию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство в виде обычного параллелограмма Уатта (см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т. 1. М. Наука. 1980).

Это устройство содержит рабочий орган, присоединенный к кривошипу, и имеющий вынуждающую связь, обеспечивающую поступательное движение по окружности радиуса кривошипа.

Недостатки этого устройства:

1. Это устройство имеет мертвые положения механизма, в которых звенья располагаются по одной прямой и должны иметь абсолютно точные размеры. В общем случае мертвые положения создают неопределенность движения, которую необходимо преодолевать вышеописанными методами.

2. Сложность конструкции, содержащей три звена.

3. Низкая эффективность, надежность и качество работы.

Задачей изобретения является устранение избыточных связей и мертвых положений, упрощение конструкции, повышение эффективности, повышение надежности и улучшение качества работы.

Задача изобретения решается тем, что вынуждающая связь выполнена в виде двух высших кинематических пар, соединяющими рабочий орган с неподвижными поверхностями в виде окружностей радиуса кривошипа.

На фиг. 1 изображено устройство для создания вращательно-поступательно-вращательного движения.

Устройство содержит два звена - кривошип 1 с неподвижным шарниром и шатун 2 в виде жестко соединенных стержней и с тремя кинематическими парами в точках и . В точках и размещены высшие кинематические пары, перемещающие шатун по неподвижным окружностям стойки 0, а в точке размещена вращательная кинематическая пара, соединяющая шатун с кривошипом и перемещающая шатун по окружности такого же радиуса. Число степеней свободы механизма равно 1, что обеспечивает его определимость движения.

Устройство работает следующим образом.

Кривошип 1 перемещает шарнир шатуна 2 по окружности радиуса . Точки и шатуна с высшими кинематическими парами вынужденно перемещаются по неподвижным окружностям такого же радиуса. Шатун приобретает поступательно-вращательное движение при наличии только двух подвижных звеньев. В этом движении мертвые положения трех подвижных звеньев отсутствуют, а конструкция механизма существенно упрощается. Следует отметить, что крайние положения точек и шатуна на горизонтальной и вертикальной осевых линиях смещены по фазе движения на 90°, что улучшает условия движения, повышает надежность и эффективность работы.

Предлагаемое устройство можно существенно улучшить, если дополнить его конструкцию элементами, обеспечивающими последовательную смену взаимодействующих элементов во время движения.

На фиг. 2 показано устройство, дополненное указанными элементами.

Это устройство содержит жестко присоединенные к основному шатуну 2 стержни и с высшими кинематическими парами в точках и , взаимодействующие с неподвижными поверхностями, выполненными в виде полуокружностей, сопряженных с прямолинейными пазами в неподвижном корпусе 0. Пазы имеют прямолинейные участки, ограничивающие движение соответствующих участков шатуна. Прямолинейные участки шатуна сопрягаются дугами окружностей с радиусами, равными радиусу кривошипа.

Во время работы кривошип и шатун перемещаются в свободном замкнутом пространстве неподвижного корпуса. (Разработана компьютерная анимационная модель).

Когда точка приходит в верхнее положение, соответствующее концу рабочей поверхности соприкосновения, точка переходит в верхнее положение посередине рабочей поверхности. При этом точка перестает контактировать со стойкой, а в этот же момент вступает во взаимодействие со стойкой точка . Прямолинейные участки шатуна взаимодействуют с прямолинейными пазами, обеспечивая надежность перехода в следующую фазу движения. При дальнейшем движении, когда точка подойдет к концу своего рабочего участка, точка окажется в начале своего рабочего участка. Совпадение прямолинейного участка шатуна или с линией кривошипа , соответствующее мертвому положению, происходит не одновременно, а со смещением по фазе движения. Таким образом, происходит движение со сменой взаимодействующих элементов при сохранении определимости движения и отсутствии одновременных мертвых положений.

Взаимодействие прямолинейных участков шатуна с неподвижным корпусом в мертвых положениях позволяет создавать в этих положениях гарантированный зазор между контактирующими поверхностями и точками для устранения избыточных связей. Устройство обеспечивает исключение избыточных связей, которые могут иметь место в крайних положениях параллелограмма.

Группа изобретений относится к области машиностроения, в частности к способу создания механизмов с рабочим органом, совершающим поступательно-вращательное движение, и устройству для реализации способа. Способ создания поступательно-вращательного движения рабочего органа, при котором на рабочий орган, присоединенный к кривошипу, накладывают вынуждающую связь, обеспечивающую поступательное движение по окружности радиуса кривошипа. Вынуждающую связь создают двумя высшими кинематическими парами, соединяющими рабочий орган с неподвижными поверхностями в виде окружностей радиуса кривошипа. Высшие кинематические пары повторяют многократно, создавая последовательную смену взаимодействующих элементов во время движения. Устройство для создания поступательно-вращательного движения рабочего органа содержит вынуждающая связь в виде двух высших кинематических пар, расположенных на прямолинейных участках рабочего органа с возможностью взаимодействия с неподвижными поверхностями в виде полуокружностей, сопряженных с прямолинейными пазами в неподвижном корпусе, и выполненных многократно. Достигается упрощение конструкции. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания поступательно-вращательного движения рабочего органа, при котором на рабочий орган, присоединенный к кривошипу, накладывают вынуждающую связь, обеспечивающую поступательное движение по окружности радиуса кривошипа, отличающийся тем, что вынуждающую связь создают двумя высшими кинематическими парами, соединяющими рабочий орган с неподвижными поверхностями в виде окружностей радиуса кривошипа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высшие кинематические пары повторяют многократно, создавая последовательную смену взаимодействующих элементов во время движения.

3. Устройство для создания поступательно-вращательного движения рабочего органа, содержащее рабочий орган, шарнирно присоединенный к кривошипу и имеющий вынуждающую связь, обеспечивающую поступательное движение по окружности радиуса кривошипа, отличающееся тем, что вынуждающая связь выполнена в виде двух высших кинематических пар, расположенных на прямолинейных участках рабочего органа с возможностью взаимодействия с неподвижными поверхностями в виде полуокружностей, сопряженных с прямолинейными пазами в неподвижном корпусе, и выполненных многократно.