Кривошипно-ползунный механизм
SLIDER-CRANK MECHANISM

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в устройствах с изменяемым ходом исполнительного звена.
Известны кривошипно-ползунные механизмы, в которых в качестве исполнительного звена использован ползун, связанный с рабочим инструментом и снабженный устройством для изменения своего хода и скорости при непрерывном вращении кривошипа /см., например, АС СССР №630470, кл. F16H 21/20, 1977 [1]; АС СССР №903630, кл. F16H 21/20, 1982 [2]; Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 2, М., "Наука", 1971, с. 444, рис. 1477 [3]; АС СССР №920303, кл. F16H 21/20, 1980 [4]; АС СССР №777285, кл. F16H 21/28, 1978 [5]/.
Недостатками известных устройств являются значительные сложности конструкций и невозможность автоматического адаптивного изменения хода и скорости ползуна в зависимости от нагрузок на рабочий инструмент.
При этом известны, например, устройства для автоматического адаптивного управления металлорежущими станками, автоматически изменяющими величину подачи режущего инструмента при изменении нагрузки /усилия при резании/ на последний /см. АС СССР №1172675, кл. B23Q 15/12, 1984 [6]; АС СССР №889385, кл. B23Q 15/013, 1979 [7]/, а также машины ударного действия с кривошипно-ползунными механизмами/ см., например, АС СССР №1047676, кл. B25D 11/12, 1982 [8]; АС СССР №1590368, кл. B25D 11/04, 1988 [9]/, в которых перемещение рабочего инструмента автоматически связано с плотностью и твердостью разрушаемого материала.
Однако использование в известных адаптивных устройствах ползуна кривошипно-ползунного механизма в качестве автоматически управляемого исполнительного звена приведет к предельному усложнению конструкций за счет применения специальных систем регулирования.
Кроме того, известны кривошипно-ползунные механизмы, содержащие устройства, предохраняющие механизмы от перегрузок либо за счет создания условий для изгиба дополнительных элементов /см. АС СССР №227811, кл. F16H 35/40, 1968 [10]/, либо для их разрушения /см. АС СССР №209165, кл. F16H 35/10, 1966 [11]/.
Однако данные устройства сложны, имеют ограниченные возможности, не позволяют автоматически и адаптивно изменять свою кинематическую структуру и требуют значительных материальных и временных затрат на восстановление после разрушения.
Известны принципы действия ряда способов, согласно которым интенсивность режимов осуществления различных процессов механической обработки, регулировки и т.п. оценивают по температуре саморазогрева различных деталей и узлов /например, шпиндельных узлов токарных станков/, участвующих в данных процессах /см., например, АС СССР №1294569, кл. B23Q 11/14, 1985, [12]/.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является кривошипно-ползунный механизм, состоящий из установленных на основании кривошипа в качестве ведущего звена, ползуна в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом, и шарнирно соединенного с кривошипом с помощью шатуна /см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. т. 2, М., "Наука", 1979, с. 436, рис. 1404 [13]/, и принятый за прототип.
Недостатками устройства-прототипа является невозможность автоматической адаптивной перестройки его конструктивно-кинематических параметров непосредственно в процессе работы для защиты от поломок и заклиниваний при перегрузках на ведомом звене.
Сущность изобретения заключается в создании простой конструкции кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающей возможность адаптивной перестройки конструктивно-кинематических параметров шатуна при заданном увеличении температуры рабочего инструмента, приводящей к формированию упругого состояния ползуна с автоматической защитой механизма от поломок при перегрузках.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей механизма за счет обеспечения автоматической адаптивной перестройки его кинематической структуры в процессе работы.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кривошипно-ползунном механизме, содержащеми кривошип в качестве ведущего звена, ползун в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом и шарнирно соединенного с кривошипом с помощью шатуна, особенность заключается в том, что в теле шатуна вблизи места его шарнирного соединения с ползуном между двумя жесткими участками сформирована упругая перемычка, снабженная концентрично охватывающей ее и плотно надетой на жесткие участки шатуна винтовой цилиндрической пружиной сжатия, выполненной из сплава с эффектом термомеханической памяти формы и характеризующейся релейным срабатыванием с уменьшением своей длины при повышении температуры до заданного порогового значения, при этом пружина зафиксирована на шатуне только своим обращенным к ползуну концом с обеспечением возможности ее постоянного контакта с ползуном и освобождения пружиной при ее релейном срабатывании упругой перемычки шатуна.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично на виде сбоку изображен предлагаемый механизм в текущем рабочем положении; на фиг. 2 - тот же механизм после релейного срабатывания пружины на шатуне; на фиг. 3 - продольный разрез шатуна с ползуном /увеличено/; на фиг. 4 - вид А на фиг. 3 /увеличено/.
Кривошипно-ползунный механизм содержит установленные на корпусе 1 имеющий возможность поворота кривошип 2 в качестве ведущего звена, а также ползун 3 в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом 4, шарнирно соединенного с кривошипом 2 с помощью шатуна, и имеющий возможность возвратно-поступательного перемещения в прямолинейных направляющих 5 на корпусе 1. При этом в теле шатуна вблизи места 6 его шарнирного соединения с ползуном 3 между двумя жесткими участками 7 и 8 сформирована упругая перемычка 9, снабженная концентрично охватывающей ее и плотно надетой на жесткие участки 7 и 8 шатуна винтовой цилиндрической пружиной сжатия 10, имеющей значительную изгибную жесткость и жесткость на кручение. Жесткие участки 7 и 8 шатуна 7, 8, 9 выполнены в виде отрезков стальной трубки, а упругая перемычка 9 - в виде цилиндрической сплошной резиновой втулки, вставленной концами в участки 7, 8 трубок по прессовой посадке с клеевой фиксацией. Причем, для крепления ползуна 3 шарниром 6 на конце участка 8 шатуна 7, 8, 9 выполнены ушки 11, охватывающие ползун 3 по бокам свободно и снабженные отверстиями для запрессовки концов шарнирной оси. При этом винтовая цилиндрическая пружина сжатия 10 выполнена из сплава с эффектом термомеханической памяти формы типа нитинол /TiNi/, относящегося к классу интерметаллических соединений, и характеризуется релейным /скачкообразным/ срабатыванием с уменьшением своей длины /сжатием/ при повышении температуры пружины 10 до заданного порогового значения /температурного порога срабатывания/, причем, практически может быть подобрана пружина 10 с любой заранее заданной температурой срабатывания. В частности, в устройстве использована пружина 10 с температурным порогом срабатывания около 120°С, так как эта температура становится опасной при разогреве до нее в процессе эксплуатации рабочего инструмента 4 с точки зрения его заклинивания в обрабатываемом материале или поломки. Пружина 10 зафиксирована на шатуне 7, 8, 9 только своим обращенным к ползуну 3 концом путем приваривания пружины 10 к концевой части участка 8 трубки /см. зону утолщения 12 на фиг. 4/ с обеспечением при этом постоянного подвижного контакта этой зоны 12 с верхней поверхностью ползуна 3, что необходимо для быстрой передачи температуры нагрева от рабочего инструмента 4 и ползуна 3 к пружине 10. При этом остальное тело пружины 10 свободно от фиксации, так как последняя надета на жесткие участки 7, 8 шатуна 7, 8, 9 плотно без фиксации, что обеспечивает возможность освобождения пружиной 10 при ее релейном сжатии /срабатывании/ упругой перемычки 9 шатуна 7, 8, 9 /см. фиг. 2/, и, соответственно, возможность изгиба шатуна 7, 8, 9 при повышенной нагрузке на ползун 3 с рабочим инструментом 4, сопровождающейся опасным нагревом последнего.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
На фиг. 1 показан предлагаемый механизм в рабочем текущем положении с заданным выходом рабочего инструмента 4 вправо из корпуса 1, при этом упругая перемычка 9 шатуна 7, 8, 9 с натягом охвачена плотно надетой на жесткие участки 7, 8 шатуна 7, 8, 9 пружиной 10 значительной жесткости на изгиб и кручение, так что шатун представляет собой практически недеформируемое твердое тело. В случае возникновения сложного режима работы инструмента 4 с большой перегрузкой /участки с высокой твердостью и плотностью обрабатываемого материала, наличие посторонних внедрений и т.п./, и, соответственно, большой вероятностью его поломки или заклинивания, происходит разогрев инструмента 4 вместе с ползуном 3 и пружиной 10 до температурного порога срабатывания пружины 10, в результате чего пружина 10 релейно срабатывает /сжимается/, принимая положение, показанное на фиг. 2. Так как обращенный к ползуну 3 конец пружины 10 зафиксирован на шатуне 7, 8, 9, а остальное тело пружины 10 не зафиксировано, то сжатие пружины 10 приведет к сосредоточению всей ее сократившейся длины на жестком участке 8 шатуне /см. фиг. 2/, то есть к освобождению упругой перемычки 9. 3а счет этого шатун 7, 8, 9 сразу же приобретает изгибную степень свободы в упругой перемычке 9. Поэтому под действием нагрузки на рабочий инструмент 4 в опасном режиме работы ползун 3 уходит назад, сгибая шатун 7, 8, 9, в результате чего механизм автоматически адаптивно изменяет свою геометрическую структуру, рабочий инструмент уходит влево в корпус 1, срывая тем самым опасный режим и устраняя возможность поломки и заклинивания. После устранения причины возникновения опасного режима и остывания механизм автоматически приходит в исходное рабочее положение.
Предлагаемое устройство, имея сравнительно простую конструкцию, позволяет за счет автоматической адаптации режимов обработки к параметрам обрабатываемой среды расширить эксплуатационные возможности механизма, увеличить надежность, безопасность и стабильность работы, уменьшить вероятность поломок и заклинивания рабочего инструмента при различных характеристиках обрабатываемых сред.