УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в изделиях точной механики, измерительной технике, станкостроении в составе механизмов, преобразующих вращательное движение в возвратно-поступательное.
Известно устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент, выполненный в виде поршня. Ведомый элемент соединен с зубчатой рамкой, состоящей из двух параллельных реек равной длины и соединяющих их двух опорных полуокружностей равного радиуса. Зубчатая рамка имеет возможность покачивания на ведомом элементе относительно вертикальной оси.
В корпусе, в полости рамки, размещено зубчатое колесо, закрепленное на валу, оснащенном приводом вращения.
Радиус полуокружностей рамки всегда больше наружного радиуса окружности зубчатого колеса на величину, равную половине высоты зуба.
Для фиксации крайнего левого и крайнего правого положения зубчатой рейки относительно зубчатого колеса, зубчатое колесо на части диска по наружному радиусу имеет кулачок, а по длине зубчатых реек закреплены продольные упоры.
В процессе вращения зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с левой зубчатой рейкой рамки, соединенный с рамкой, ведомый элемент движется вверх. В момент перехода зубчатого колеса с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки, происходит резкое замедление скорости перемещения ведомого элемента, которая падает до нуля, когда вертикальная ось симметрии зубчатой рамки совпадает с диаметральной линией зубчатого колеса. Этот момент соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) для верхнего торца ведомого элемента. Одновременно с переходом зубчатого колеса с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки, кулачок на диаметрально противоположной стороне сходит с поверхности продольного упора и накатывается на поверхность полуокружности рамки. Зубчатая рамка оказывается расфиксированной и начинается ее поперечное смещение (покачивание) в корпусе под действием поперечной составляющей сил, действующих в зацеплении и зоне контакта кулачка зубчатого колеса с зубчатой поверхностью рамки. Поперечное перемещение зубчатой рамки в точке ВМТ равно половине хода в поперечном направлении. Поперечное перемещение заканчивается в момент перехода зубчатого колеса и кулачка с участка нижней полуокружности на участок правой зубчатой рейки рамки. В этот момент зубья зубчатого колеса полностью выходят из зацепления с левой зубчатой рейкой и вводят в зацепление с правой, а на диаметрально противоположной стороне колеса кулачок оказывается на поверхности продольного упора, фиксируя положение зубчатой рамки относительно зубчатого колеса и ведомый элемент совершает движение вверх. Далее цикл повторяется аналогично описанному выше.
(см. патент РФ №2189472, МПК F16H 19/04, 2002 г.). Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования величины хода ведомого элемента и возможное относительное проскальзывание контактирующих элементов при изменении поступательного движения ведомого элемента на возвратное (или, наоборот) при контакте кулачка зубчатого колеса с полуокружностью рейки, что приводит к тому, что зуб зубчатого колеса не попадает в пространство между зубьями зубчатой рейки, а это приводит к поломке устройства, а, следовательно, снижает его надежность.
Известно устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент, кинематически связанный с ведущим элементом, имеющим возможность вращения и выполненным в виде приводного вала с закрепленным на нем ведущим зубчатым колесом, ведомый элемент оснащен рейкой, при этом устройство снабжено ведомым валом, смонтированным в корпусе, а также ведомым зубчатым колесом и двумя зубчатыми секторами, ведомое зубчатое колесо закреплено на ведомом валу и находится в постоянном зацеплении с ведущим зубчатым колесом, один зубчатый сектор закреплен на ведущем валу, а другой - на ведомом, при этом секторы имеют возможность вращения в противоположных направлениях и поочередного зацепления своими зубьями с зубьями зубчатой рейки ведомого элемента. Устройство также оснащено фиксаторами крайних положений ведомого элемента, каждый из фмксаторов выполнен в виде установленного на ведомом элементе подпружиненного шарика, имеющего возможность захода в лунку, выполненную на корпусе.
(см. патент РФ на №2705441, МПК F16H 19/04, 2019 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа данного устройства необходимо отметить, что оно, в отличие от приведенного выше, имеет возможность настройки на заданную величину хода, которая осуществляется подбором рейки и зубчатых секторов и установкой их на ведомый элемент (рейка), а также на ведущий и ведомый валы (зубчатые секторы). Однако, из-за разных величин хода ведомого элемента, особенно при малых величинах хода, фиксатор ведомого элемента не всегда срабатывает, так как подпружиненный шарик не доходит до лунки. В данном случае, положение ведомого элемента практически при каждой смене направления хода ведомого элемента будет различным, чему также способствует выполнение направляющих корпуса в виде углублений на боковых сторонах корпуса, в которых размещены боковые стороны ведомого элемента. Такое выполнение направляющих способствует «прихватыванию» - кратковременному многократному торможению ведомого элемента на малых скоростях его перемещения, например, перед остановкой в конце хода. Все это снижает надежность работы устройства, так как не гарантирует попадания зубьев зубчатых секторов в пространство между зубьями рейки при смене направления хода, что приводит к поломке устройства.
К недостатку устройства можно отнести сложность процесса регулировки величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента установкой на нем сменной рейки, снижение точности расположения сменной рейки и снижение надежности обеспечения зацепления ее с зубчатыми секторами, так как, рейка базируется по плоским поверхностям на ведомом элементе, что может привести к поломке устройства.
Кроме того, фиксаторы крайних положений ведомого элемента не имеют возможности бесступенчатого регулирования положения относительно ведомого элемента. В тоже время, зубчатые секторы имеют модуль зубьев одинаковый с модулем шестерни, а число зубьев секторов находится в зависимости от числа зубьев шестерни, что ограничивает пределы регулирования хода ведомого элемента.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности работы устройства за счет обеспечения гарантированного захода зубьев зубчатых секторов в пространство между зубьями зубчатой рейки при смене направления хода ведомого элемента в широком диапазоне значений таких ходов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащем корпус, в направляющих которого с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент, кинематически связанный с ведущим элементом, имеющим возможность вращения и выполненным в виде приводного вала с закрепленным на нем ведущим зубчатым колесом, а ведомый элемент оснащен рейкой, причем устройство снабжено ведомым валом, смонтированным в корпусе, а также ведомым зубчатым колесом и двумя зубчатыми секторами, ведомое зубчатое колесо закреплено на ведомом валу и находится в постоянном зацеплении с ведущим зубчатым колесом, один зубчатый сектор закреплен на ведущем валу, а другой - на ведомом, при этом зубчатые секторы имеют возможность вращения в противоположных направлениях и поочередного зацепления своими зубьями с зубьями зубчатой рейки ведомого элемента, а также фиксаторы крайних положений ведомого элемента, новым является то, что направляющие выполнены в виде двух пар пазов в боковых стенках корпуса, на ведомом элементе закреплены две пары проушин, в которых смонтированы две оси с опорами, которые размещены в направляющих пазах корпуса и имеют возможность перемещения в них, а каждый фиксатор установлен на корпусе с возможностью настроечного перемещения по корпусу и фиксации в заданном положении зажимным элементом, и выполнен в виде пластины с продольным пазом для зажимного элемента и соединенной с пластиной плоской пружины с углублением, предназначенным для периодического контакта с одной из осей ведомого элемента при нахождении его в одном из крайних положений, при этом, размещенные в направляющих пазах опоры могут быть выполнены в виде подшипников качения.
При выполнении регулировки величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента используется зубчатый сектор ведомого вала с числом зубьев, не зависящим от числа зубьев и модуля шестерни.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, аксонометрическая проекция, общий вид);
- на фиг. 2 - фиксатор 12 крайнего положения ведомого элемента;
- на фиг. 3 - фиксатор 14 крайнего положения ведомого элемента;
- на фиг. 4 - устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, при его использовании для проведения трибологических испытаний, общий вид.
Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное состоит из корпуса 1, коробчатой формы в виде дна и боковых стенок. В полости корпуса, в его боковых стенках, параллельно друг другу смонтированы ведущий вал 2 и ведомый вал 3. Ведущий вал 2 кинематически связан с приводом вращения (не показан).
В направляющих «А» корпуса, с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент 4, выполненный, например, в виде пластины.
На ведущем валу 2 смонтированы ведущая шестерня 5 и зубчатый сектор 6, а на ведомом валу 3 смонтированы ведомая шестерня 7 и зубчатый сектор 8. Ведущий вал 2 с ведущей шестерней 5 являются ведущим элементом устройства.
Шестерни 5 и 7 находятся в постоянном зацеплении друг с другом, образуя зубчатую передачу, они имеют одинаковый модуль и одинаковое количество зубьев.
На ведомом элементе 4 закреплена зубчатая рейка 9, которая при работе устройства (при вращении ведущего вала 2) входит попеременно в зацепление с зубчатыми секторами 6 и 8. Секторы 6 и 8 имеют одинаковый модуль и установлены на соответствующих валах так, чтобы угловое расположение их зубьев совпадало (фиг. 1).
Для достижения указанного технического результата весьма важным является исключение ситуации, при которой, в процессе работы устройства, вследствие действия сил инерции ведомого элемента 4, зубья зубчатых секторов не попадают в пространство между зубьями рейки 9, что может привести к поломке устройства. Для гарантированного исключения этой ситуации в устройстве предусматривается возможность фиксации ведомого элемента 4 в крайних положениях. Для этого на корпусе 1 в зоне направляющих «А» установлены фиксаторы 12 и 14, которые прикреплены к корпусу посредством зажимных элементов 15 и 16, например, болтов.
Каждый фиксатор (см. фиг. 2 и фиг. 3) выполнен в виде пластины с продольным пазом. Пазы в пластинах позволяют производить бесступенчатую регулировку положения фиксаторов на корпусе 1 в плоскости движения ведомого элемента, что обеспечивает гарантированную фиксацию ведомого элемента 4 в заданном крайнем положении перед сменой направления его хода за счет размещения оси 11 и 17 в углублении соответствующего фиксатора 12 или 14.
Кроме того, для достижения указанного технического результата важно исключить ситуацию, при которой с рейкой 9 вступает в контакт зубчатый сектор 8, в то время как зубчатый сектор 6 не вышел из контакта с рейкой, что может привести к поломке устройства, рабочее взаимное положение секторов 6 и 8 по отношению к рейке 9 должно соответствовать фиг.1. При этом число зубьев К зубчатых секторов 6 и 8 выбирают исходя из следующей зависимости:
K=0,5z-2,
где z - число зубьев исходного зубчатого колеса для изготовления зубчатого сектора.
p
Число зубьев рейки Z связано с числом зубьев секторов 6 и 8:
p
Z=3⋅K,
где K - число зубьев сектора 6 или 8.
max
Наибольшая длина хода L ведомого элемента 4 обеспечивается при перемещении рейки 9 на расстояние, соответствующее количеству зубьев сектора 6 и сектора 8, входящих в зацепление с рейкой 9:
max
L=K⋅t=K⋅m⋅π,
где K - число зубьев число зубьев секторов 6 и 8, t - шаг рейки 9, m - модуль рейки 9.
Изменение величины хода ведомого элемента 4 от максимального значения производится смещением рейки 9 относительно сектора 6 на расстояние, кратное числу зубьев сектора. Смещение рейки 9 может быть выполнено по рискам шкалы L, нанесенной на верхней плоскости ведомого элемента (фиг. 1). Цена деления шкалы равна шагу рейки t:
t=m⋅π, где m - модуль рейки 9.
Для уменьшения длина хода ведомого элемента 4, рейку 9 смещают влево относительно сектора 6, для увеличения длины хода - вправо.
При изменении величины хода ведомого элемента 4 соответственно регулируют положение фиксаторов 12 и 14.
Направляющие корпуса 1 выполнены в виде двух пар пазов «А» в боковых стенках корпуса.
На ведомом элементе 4 закреплены две пары проушин 10, в которых смонтированы соответственно две оси 11 и 17 с опорами 13, которые размещены в направляющих пазах «А» корпуса 1 и имеют возможность перемещения по ним. Данные опоры могут быть выполнены различным известным образом. Наиболее целесообразно их выполнение в виде подшипников качения.
Устройство работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере реализации полезной модели в устройстве для трибологических испытаний на плоских образцах, установленных один на другом, причем в процессе испытаний один из образцов совершает возвратно-поступательные перемещения относительно другого.
Для проведения испытаний на ведомом элементе 4 монтируют оправу S, в которой устанавливают первый образец (D) с фиксированием его винтом М в заданном положении (фиг. 4). Второй образец (В) свободно устанавливают в оправе Т, смонтированной на корпусе 1, Образец В располагается испытуемой поверхностью на поверхности образца D и к нему прикладывают заданную нагрузку Р. Устанавливают заданную величину возвратно-поступательного хода ведомого элемента 4. Величина хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4 (а, следовательно, образца D) зависит, как уже было упомянуто выше, от количества и модуля зубьев секторов 6 и 8 и рейки 9.
Ослабляют затяжку зажимных элементов 15 и 16 и перемещают фиксаторы 12 и 14 в заданное положение вдоль направляющих пазов «А», задавая крайние положения для осей 11 и 17. Закрепляют фиксаторы 12 и 14 в заданном положении зажимными элементами 15 и 16. Устройство готово к работе.
Включают привод вращения ведущего вала 2. В результате приводятся во вращение шестерни 5 и 7, а. следовательно, установленные на валах зубчатые секторы 6 и 8.
Зубчатые секторы 6 и 8, вращающиеся в противоположные стороны, поочередно входят в зацепление с рейкой 9, сообщая ей, а, следовательно, и ведомому элементу 4 возвратно-поступательные перемещения. В результате образец D совершает возвратно-поступательные перемещения относительно образца В.
Данное устройство используют для определения величины износа трущихся образцов, а так же с помощью соответствующих встроенных датчиков коэффициента трения и коэффициента сцепления пары трения. Коэффициент сцепления пары трения измеряется в момент начала движения нижнего образца после остановки движения ведомого элемента при изменении направления движения.
Коэффициент сцепления - отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу (ГОСТ 27674-88).
Коэффициент сцепления обычно больше коэффициента трения и поэтому определение коэффициента сцепления может являться экспресс методом оценки износостойкости пар трения.
В процессе работы устройства пружинный фиксатор 12 или 14 -в зависимости от направления хода ведомого элемента, периодически стопорит «свою» ось (11 или 17), которая заходит в углубление М соответствующего фиксатора 12 или 14 (фиг. 2, 3), что обеспечивает ведомому элементу точно заданное крайнее положение и безаварийный переход к перемещению в противоположном направлении.
Таким образом, в процессе работы устройства за счет выполнения направляющего узла и механизма возвратно-поступательного перемещения, полностью исключается ситуация, при которой зубья зубчатых секторов не попадают в пространство между зубьями рейки, что обеспечивает высокую надежность устройства.