СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CREATING TRANSLATIONAL-ROTATIONAL MOVEMENT OF A WORKING MEMBER AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.