Плоский рычажный механизм

Полезная модель относится к наглядным демонстрационным пособиям, предназначенным для использования в учебном процессе, в частности, при изучении плоскопараллельного движения тела и его частных случаев в теоретической механике, теории машин и механизмов, а также на стадии начального проектирования в приборостроении, робототехнике.
Известен рычажный механизм, (патент РФ №55147, МПК  G01P 13/00 опубл. 27.07.2006 г., бюлл. № 21), состоящий из стойки, кривошипа, шатуна и ползуна, соединенных между собой подвижно таким образом, что пары звеньев стойка-кривошип, кривошип-шатун, шатун-ползун допускают лишь относительный поворот, а пара ползун-стойка – относительное поступательное перемещение, стойкой служит планшет, установленный на настенной доске (например, аудиторной), плоскости стола, планки, перпендикулярной направляющей ползуна и неподвижно соединённой с ним, лазерный источник света, самописцы, соединённые со всеми звеньями механизма, пишущие элементы которых обращены к планшету.
Недостатком данного технического решения является ограниченное число траекторий точек звеньев четырёхзвенного механизма – прямых, окружностей и эллипсов.
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных и демонстрационных возможностей.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение семейства траекторий точек звеньев прототипа циклоидами (нормальными, удлинёнными и укороченными), что позволяет обеспечить расширение функциональных и демонстрационных возможностей.
Технический результат достигается тем, что плоский рычажный механизм, содержит стойку в виде планшета, кривошип и шатун, выполненные телескопическими с возможностью фиксации их длин, ползун, направляющую для его перемещения, которая может фиксироваться в плоскости движения механизма, линейку, перпендикулярную направляющей ползуна и неподвижно соединённую с ползуном, лазерный источник света, самописцы, соединённые со всеми звеньями механизма, кроме стойки, при этом ползун дополнительно соединён вращательной кинематической парой со ступенчатым диском, в виде двух соосных дисков разных диаметров, выполненными с возможностью кататься по дополнительной направляющей, параллельной направляющей ползуна, опираясь на неё бортиком диска меньшего диаметра, на оси ступенчатого диска параллельно плоскости планшета закреплен стержень, а на периферии дисков размещены самописцы, пишущие элементы которых обращены к планшету.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства, а на фиг.2 схема с указанием направлений линейных и угловых характеристик движений элементов устройства.
Плоский рычажный механизм содержит стойку в виде планшета 1, кривошип 2, шатун 3, ползун 4, направляющие 5 и 6, диск 7 с закреплённым на нём неподвижно стержнем 8, лазерный источник света 9, линейку 10, самописцы 11, и фиксаторы 12.
Устройство работает следующим образом.
2
3
2
3
1
Стойка в виде планшета 1, фиксируют на стене или столе и приводят в исходное положение, когда продольные оси кривошипа 2 и шатуна 3 лежат на направляющей 5 ползуна 4 (в этом случае расстояние между кинематическими парами «кривошип-стойка» и «шатун-ползун» L = L + L, где L и L − длины кривошипа и шатуна соответственно). Лазерный источник света 9 закрепляют на кривошипе 2 так, чтобы его оптическая ось была параллельна продольной оси ОА кривошипа 2. Установка кривошипа 2 и шатуна 3 однозначно определяет исходное положение остальных его звеньев – диска 7 со стержнем 8 и линейки 10. Приняв кривошип 2 за ведущее звено и поворачивая его против часовой стрелки на угол ц, приводят механизм в «движение». Все звенья движутся в плоскости, параллельной плоской поверхности стойки в виде планшета 1, касаясь её пишущими элементами самописцев 11, которые вычерчивают кривые: окружности, эллипсы, прямые, циклоиды, гипоциклоиды, эпициклоиды, большое разнообразие которых определяется положением самописцев 11 (они могут перемещаться вдоль звеньев и фиксироваться на них) и тем, что кривошип 2 и шатун 3 телескопические звенья.
1
1
2
3
7
Механизм совершает плоское движение, хотя его звенья, связанные кинематическими парами, движутся по-разному: кривошип 2 вращается вокруг неподвижной оси О, ползун 4 движется поступательно по направляющей ОО, а шатун 3 и диск 7 со стержнем 8 совершают плоское движение. Включённый источник света 9 своим лучом, перемещающимся по линейке 10, показывает положение мгновенного центра скоростей (МЦС) Р шатуна 3. Диск 7, вращаясь вокруг своего МЦС Р, катится по направляющей 6.
2
2
2
3
8
7
1
2
3
A
B
2
2
3
3
С
B
3
3
7
7
7
7
7
7
На схеме, представленной на фиг. 2, механизм показан в «рабочем» состоянии, например, при решении задачи кинематического анализа механизма (угол ц ≠ 0). Для этого задаются: движение кривошипа 2 (его угловые скорость щ и ускорение е), длины L, L и L кривошипа 2, шатуна 3 и стержня 8 соответственно и радиус r диска 7. При положении механизма, показанном на фиг. 2 (угол ц), все точки кривошипа 2 движутся по окружностям вокруг О, радиусы которых изменяются от 0 до L. Шатун 3 поворачивается вокруг своего МЦС Р, при этом точки А, В и С имеют скорости: V = V = L⋅щ = PВ⋅щ, V= V = PВ⋅щ = r⋅щ движутся прямолинейно по направляющим 5 ≡ и 6 соответственно). Точки Р, (принадлежит диску 7), D (лежит на стержне 8) описывают циклоиды: нормальную, удлинённую (СD > r) и укороченную (СD < r). Точка Р, как принадлежащая направляющей 6, описывает прямую.
Предложенная полезная модель позволяет:
– ознакомить обучающихся с конструкцией, структурой и принципом работы механизма (число звеньев, число и класс соединяющих их кинематических пар, подвижность механизма);
– определить вид движений, совершаемых отдельными звеньями;
– ознакомиться с вычерчиваемыми самописцами траекториями точек звеньев (кривошипа 2, шатуна 3, ползуна 4, диска 7): окружностями, эллипсами, прямыми, циклоидами (в том числе удлинёнными и укороченными);
– проверить проворачиваемость звеньев при полном обороте кривошипа 2 (рабочем цикле механизма);
– следить за движением мгновенного центра скоростей (мцс) шатуна 3 (определять частные случаи его движения);
2
– использовать при решении расчётных задач анализа механизма. Механизм можно «остановить» в любом положении и по заданной угловой скорости щ кривошипа 2 и его длине Lнайти скорость пальца А кривошипа 2. Для этого положения (да и для любого другого) механизма можно построить планы скоростей и ускорений, а полученные результаты (например, значения и направления угловых скоростей шатуна) проверить с помощью соответствующего МЦС, фиксируемого на линейке 10. Изменяя длины звеньев, можно проверять условие существования кривошипа 2;
– ознакомиться с применением принципиальной схемы устройства в машинах различного назначения (двигатели внутреннего сгорания, штампы и т.д.).
Изменения конструкций устройства реализуются изменением длин телескопических звеньев.
На стадии начального проектирования должны быть выполнены:
1
2
– условие существования кривошипа 2, выражающегося неравенством L ≤ L;
1
– требование, необходимое для вычерчивания семейства циклоид; L ≥ р⋅r,
где r – радиус диска.