Исследование трехкривошипного шарнирно-рычажного механизма

УДК 629.837.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХКРИВОШИПНОГО ШАРНИРНО - РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

А.Г. Семин, А.М. Тимофеев, С.Ю. Краснер

Механизмы прерывистого вращательного движения, широко применяемые в машинах периодического действия (швейных, гребнечесальных), служат для преобразования вращательного движения главного вала в прерывистое вращательное движение с остановками исполнительного органа. Например, приводным механизмом питающего цилиндра гребнечесальной машины служит мальтийский крест. Для отклонения иглы швейной зигзаг-машины применяют кулачковые механизмы. Такие механизмы не могут конкурировать с рычажными при создании новых высокоскоростных машин, и замена их рычажными, как наиболее простыми и надежными, является общей тенденцией развития современного машиностроения.

Для преобразования равномерного вращательного движения в неравномерное применяются кривошипно-кулисные механизмы с вращающейся кулисой и двухкривошипные шарнирные четырехзвенники.

Кривошипно-кулисные механизмы могут быть аксиальные и дезаксиальные. Аксиальные механизмы обеспечивают симметричный закон движения, дезаксиальные -асимметричный. В аксиальных кулисных механизмах кулиса становится вращающимся звеном в случае, если длина кривошипа больше длины стойки. В дезаксиальном кулисном механизме кулиса будет совершать вращательное движение при условии, когда сумма длин стойки и дизаксиала кулисы меньше длины кривошипа.

Двухкривошипные шарнирные четырехзвенники образуются из кривошипно-коромыслового механизма, если сумма длин наибольшего и наименьшего звеньев меньше суммы длин двух других звеньев, а наименьшее звено является стойкой.

Из всех рассмотренных механизмов предпочтение следует отдать двухкривошипному шарнирному четырехзвеннику, так как наличие пары скольжения в кулисном механизме приводит к ее быстрому износу.

На практике преобразование равномерного вращательного движения в неравномерное может использоваться в следующих случаях:

- для уменьшения отрицательного влияния исполнительного инструмента на обрабатываемый материал во время рабочего хода, когда требуется уменьшить скорость обработки;

- для увеличения скорости одного из менее нагруженных исполнительных органов при рабочем ходе с целью увеличения времени работы других, более нагруженных механизмов и улучшения их динамики.

При этом коэффициент рабочего хода, который является отношением времени воздействия рабочего инструмента на обрабатываемый материал ко времени всего цикла, в обоих случаях имеет разную величину. В первом случае его надо уменьшать, во втором - увеличивать.

Неравномерность вращения выходного звена механизма можно оценить коэффициентом неравномерности [1]

/ %тах_,.min

к = ш----

где сР™, сТ, г=--------------------- - максимальное, минимальное и среднее значения

угловой скорости выходного звена.

В работе [2] дана оценка влияния длин звеньев на кинематику и динамику двухкривошипного механизма нитепритягивателя швейной машины. Установлено, что наибольшее влияние на неравномерность вращения выходного кривошипа оказывает длина стойки: чем она длиннее, тем больше неравномерность вращения выходного звена и меньше угол передачи. Минимум скорости выходного кривошипа наблюдается при прохождении его через стойку входного звена. В силовых устройствах угол передачи нужно увеличивать, при этом неравномерность вращения уменьшается.

В работе [3] представлен сдвоенный шарнирный четырехзвенный механизм, у которого второй четырехзвенник присоединен к шатуну первого четырехзвенника. Этот механизм позволяет получить вращательное движение с приближенной остановкой выходного звена. Он может быть применен в тех случаях, когда рабочий орган в процессе обработки материала должен иметь остановку определенной длительности. Однако принцип получения приближенной остановки выходного звена этого механизма не обеспечивает ее стабильности.

Для устранения указанных недостатков предложен трехкривошипный шарнирнорычажный механизм, который может найти применение в машинах периодического действия, например, в швейных машинах с отклоняющейся иглой и в гребнечесальных машинах для привода питающего цилиндра. Механизм представляет собой сдвоенный четырехзвенник, у которого входное звено второго четырехзвенника является выходным звеном первого.

Схема механизма представлена на рисунке 1. Входной кривошип 1, вращающийся равномерно, через шатун 2 сообщает выходному кривошипу 3 неравномерное вращение. Кривошип 3 жестко связан с входным кривошипом 3' второго четырехзвенника, который в свою очередь через шатун 4 сообщает движение выходному кривошипу 5. Угол Ь между кривошипами 3 и 3' выбран так, что минимум скорости кривошипа 3 совпадает с минимумом скорости выходного кривошипа 5 второго четырехзвенника. Присоединение второго четырехзвенника усиливает неравномерность вращения первого, в результате чего в первом приближении можно считать рассматриваемый механизм имеющим приближенную остановку выходного звена. Особенностью механизма является одинаковая длина всех подвижных звеньев, то есть. 11 = 12 = 13 = 13’ = 14 = 15 = I = 1.

Рисунок 1 - Схема трехкривошипного шарнирно-рычажного механизма

В задачу исследования механизма входило определение минимального и максимального значения угловой скорости выходного звена и соответствующего значения коэффициента неравномерности его вращения. Значение угла р определили в зависимости от выбранного минимального значения угла передачи . На рисунке 2 представлена схема механизма в положении, когда выходные звенья четырехзвенников

пересекают стойку входных звеньев. Из треугольника 02СБ = 2агсБШ---- , тогда

21

в= 90 + агезшП—!^,

21

где I - длина звеньев, 10 - длина стойки 0102.

Предварительные исследования показали, что при длине стойки 10 = 0,75 значение минимального угла передачи составляет около 14°. Если длина стойки равна 0,5, то = 280, и при 10 = 0,25 угол = 440. Соответствующие значения угла р составили: 970,

104,50, 1120. Выбор значения зависит от величины передаваемой мощности. При большем значении мощности увеличивается.

Найдем зависимость угла поворота выходного кривошипа 5 от угла поворота входного кривошипа 1. Угол поворота кривошипа 3 [1]

у 3 = arc tg t-lfn

0 lC0S<Pl 2 l3jlO+ll-2lolicoS<Pi

Учитывая, что l1 = l2 = = l3' = l4 = l5 = l = 1, и обозначив а = l0; b = l0 +1; c = 2l0, имеем

. -Sln<Pi Jb - ccostp 1 ...

a-cos<pi 2

Рисунок 2 - Положение механизма при минимальной скорости выходного звена Аналогично находим угловое перемещение выходного кривошипа 5:

^ - sino г 3 , J b - c c os o i 3

o r = ar c t g-----------1-3- + ar c c o s-------------—,

T ° u a-cos(pi3 2

где (р'з = Рз - р.

На рисунке 3 представлен график угловых перемещений выходного звена.

В практике часто встречаются случаи, когда требуется иметь значение максимальной и минимальной скоростей исполнительного органа. Для определения этих величин воспользуемся теоремой о проекции скоростей (рисунок 2).

VAcosа = VBcosy или V Acо s(90 — Цт1п) = VBcos ^шп.

Из (6) получим

Учитывая, что Ул = ы 1 • 11 и Ув = ы3 • 13, имеем

ц = 2ы^т-^т1п-

Ч>5

360

300

240

180

120

60

<Р1

60

120

180

240

300

360

Рисунок 3 - График угловых перемещений выходного звена

При присоединении четырехзвенников к исходному значение полученной скорости возводится в степень, равную числу четырехзвенников в механизме. В данном случае п =

2. Расчеты показали, что минимальная угловая скорость выходного звена 5 для рассматриваемых трех случаев принимает следующее значение: (0,24)п; (0,5)п; (0,75)п

Рассматривая механизм в положении, когда входное звено пересекает стойку при (р1 = 0, найдем значение максимальной угловой скорости выходного звена:

соя у

При длине стойки 10 = 0,75 значение ы составляет (4,1)п Если длина стойки равна

0,5, то ы5тах = (2,0)п, и при 10 = 0,25 ы5тах = (1,29)п Соответствующие значение

коэффициента неравномерности К составили 1,8; 1,5; 0,5.

ВЫВОДЫ

Получены аналитические зависимости для определения минимального значения угла передачи и угловой скорости выходного звена трехкривошипного шарнирно-рычажного механизма при различной длине стойки.

Механизм обеспечивает значительную неравномерность вращения выходного звена и может быть использован в приводе исполнительных органов с приближенной остановкой.

Список использованных источников

1. Артоболевский, И. И. Теория механизмов и машин : учебник для вузов / И. И. Артоболевский. - Москва : Наука, 1988. - 640 с.

2. Семин, А. Г. Двухкривошипный четырехзвенный механизм нитепритягивателя швейной машины / А. Г. Семин, А. З. Козлов // Известия вузов, технология легкой промышленности . - 1991. - № 3. - С. 117.

3. Механизм преобразования вращательного движения приводного вала в прерывисто-вращательное движение выходного вала : пат. 12938 РБ : МПК(2009) F 16Н 21/00 / А. Г. Семин, А. М. Тимофеев, А. В. Локтионов, Е. Н. Гамзюк ; заявитель и патентообладатель УО «ВГТУ». - № а 20070894 ; заявл. 16.07.07 ; опубл. 16.07.07 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - 2010. - №

1. - С. 115.

Статья поступила в редакцию 14.10.2012