КРИВОШИПНЫЙ МЕХАНИЗМ ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРУКТУРЫ
CRANK MECHANISM OF VARIABLE STRUCTURE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к шарнирным многозвенным механизмам и может быть использовано во вращательных приводах машин, обрабатывающих центрах, манипуляторах и работах для преобразования движений и воспроизведения различных несимметричных замкнутых кривых.
Известен кривошипный механизм в виде шарнирного параллелограмма, преобразующего вращение ведущего кривошипа во вращение расположенного на стойке ведомого кривошипа (и подобного преобразования кривых присоединенным к смежным сторонам параллелограмма подобными треугольниками (книга Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987, с. 268, схема пантографа Сильвестра) - аналог.
Недостатками известного механизма шарнирного параллелограмма его ограниченные функциональные способности из-за наличия в механизме зон особых (мертвых) положений, возникающих дважды за цикл при расположении шарниров всех звеньев на одной прямой линии, что приводит к полной неуправляемости его ведомого звена, перемещение которого становиться неопределенным, (книга Коловский М.З. и др. Теория механизмов и машин. - М.: «Академия», 2006, с. 62).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является кривошипный механизм изменяемой структуры, содержащий замкнутую четырехзвенную кинематическую цепь шарнирного соединенных между стойки, кривошипов и шатуна с устройством перехода механизма через мертвые положения, выполненным в виде комплекта из пяти круглых колес и неполных зубчатых секторов, замыкаемых и размыкаемых между собой посредством зубчатых зацеплений два раза за каждый цикл поворота ведущего кривошипа на 360 градусов (Ярошенко В.П. Устройство для вывода шарнирного четырехзвенника из мертвого положения. Авт. Свид. СССР No. 877176, Бюл. No. 40,1981) - прототип.
Недостатками указанного кривошипного механизма изменяемой структуры являются:
1. Сложная конструкция и высокая трудоемкость изготовления и стоимость кривошипного механизма из-за необходимости применения большого комплекта зубчатых колес и некруглых зубчатых секторов.
2. Большие габариты и вес зубчатого устройства перехода через мертвые положения механизма.
3. Большие динамические нагрузки на узлы механизма и ограниченный срок его службы из-за сильных соударений зубчатых секторов при прохождении мертвых положений.
4. Ограниченная функциональность кривошипного механизма при воспроизведении несимметричных замкнутых кривых.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции механизма, снижении его габаритов и веса, а также расширении его функциональных возможностей за счет автоматического перехода кривошипного шарнирного механизма через все мертвые положения в течении полного цикла его работы.
Получение технического результата достигается за счет того, что предлагаемый кривошипный механизм-хамелеон изменяемой структуры (Х-механизм), включающий замкнутую четырехзвенную кинематическую цепь, состоящую из шарнирно соединенных между собой ведущего и ведомого кривошипов, шатуна и стойки; содержит устройство перехода механизма через мертвые положения выполненное в виде упругого элемента, установленного в замкнутом контуре кинематической цепи между звеньями шарнирного четырехзвенника, в котором сумма длин одной пары смежных звеньев равна сумме длин другой пары смежных звеньев, а шатун снабжен регулируемым устройством для воспроизведения несимметричных замкнутых кривых, установленным на шатуне с возможностью относительного перемещения и последующей фиксации. Положительный эффект заключается в том, что установленный между звеньями кинематической цепи четырехзвенника упругий элемент создает на эти звенья динамическое воздействие, обеспечивающее устойчивый переход механизма через все мертвые положения без размыкания кинематической цепи кривошипного шарнирного механизма.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9.
1
2
На фиг. 1 изображен общий вид кривошипного механизма-хамелеона изменяемой структуры (Х-механизм), содержащего замкнутую четырехзвенную кинематическую цепь, включающую шарнирно соединенные между собой стойку 1, ведущий кривошип 2 (вращение со скоростью ω), шатун 3, ведомый кривошип 4 (вращение со скоростью ω) и устройство перехода механизма через мертвые (особые) положения, выполненное в виде упругого элемента. Шатун 3 снабжен регулируемым устройством для воспроизведения несимметричных замкнутых кривых, установленным на шатуне с возможностью относительного перемещения с последующей фиксацией и выполненным в виде двух шарнирно совмещенных между собой ползунов 5 и 6 с фиксаторами 7 и 8 своего положения, из которых ползун 5 подвижно установлен на шатуне 3, а другой ползун 6 содержит рабочий орган 9, установленный с возможностью углового поворота и последующей фиксации относительного шатуна 3.
1
2
1
2
1
2
В представленном на фиг. 1 варианте Х-механизма (тип X1) длина ведущего кривошипа 2 (равная OA) и равная ей длина ведомого кривошипа 4 (равная ОВ) выполнены меньше длины стойки 1 (равной расстоянию OO между осями вращения кривошипов 2 и 4), длина шатуна 3 (равная АВ) равна длине стойки, а в замкнутой кинематической цепи ОАВО выполняется следующие соотношения между длинами звеньев:
1
2
1
2
1
1
2
2
(ОА=OB)<(АВ=ОО), (ОА+АВ=ОО+ОВ), (АС=СВ)
1
2
2
1
1
2
Установленный в кинематическую цепь ОАВО упругий элемент выполнен в виде упругого звена 10, взаимодействующего с шатуном 3 и со стойкой 1 для образования шарнирного механизма с двумя за цикл реверсивными переходами в точке M1 (от параллелограммного механизма с постоянной угловой скоростью ω=ω ведомого кривошипа 4 к антипараллелограммному механизму с переменной угловой скоростью ведомого кривошипа 4) и в точке М2 (наоборот, от антипараллелограммного механизма к параллелограммному). В полученном на фиг. 1 варианте выполнения Х-механизма установленный на шатун 3 рабочий орган 9 в своей точке Е воспроизводит несимметричную замкнутую кривую, состоящую из сочетания полуокружности (радиусом R=ОА=OB) и половины лемнискаты Бернулли (при ее сечении прямой М1-М2).
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 2 представлен вариант выполнения Х-механизма (тип Х-2), в котором длина ведущего кривошипа 11 (равная ОА) и равная ей длина ведомого кривошипа 12 (равная ОВ) выполнена больше длины стойки 13 (равной расстоянию OO между осями вращения кривошипов 11 и 12), длина шатуна 14 (равная АВ) равна длине OO стойки, а упругий элемент составлен из двух пружин растяжения 15 и 16, которые одним концом совместно в точке N присоединены к ведущему кривошипу 11, а другим концом раздельно в точках O и В присоединены к ведомому кривошипу 12 для образования шарнирного четырехзвенника с двумя за цикл переходами в точках M1 и М2 от параллелограммного механизма (в точке M1) к антипараллелограммному механизму и обратному переходу (в точке М2) от антипараллелограммного механизма к параллелограммному механизму OABO, в котором установленный на шатун 14 в точке С рабочий орган воспроизводит несимметричную замкнутую кривую, состоящую из полуокружности (радиусом r=OA=ОВ) в одной половине цикла и полуовала (в другой половине цикла) при выполнении соотношения длин звеньев шарнирного четырехзвенника OABO:
1
2
1
2
1
2
1
2
OA=OB, АВ=ОО, (OO+ОА)=(АВ+OB)
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 3 представлен вариант выполнения Х-механизма (тип Х-3), в котором длина ведущего кривошипа 17 (равная ОА) равна половине длины стойки 18 (равной ОО), длина шатуна 19 (равная АВ) равна сумме длин стойки 18 и ведущего кривошипа 17 (АВ=ОО+OA), длина ведомого кривошипа 20 (равная OB) равная длине стойки 18, равной расстоянию OO между осями вращения кривошипов 17 и 20. Установленный в шарнирный четырехзвенник ОАВО упругий элемент выполнен в виде упругого звена 21, взаимодействующего с шатуном 19 и со стойкой 18 для образования шарнирного механизма с реверсивным переходом в точке М. Установленный на шатун 19 в точке С (где АС=СВ) рабочий орган воспроизводит несимметричную замкнутую кривую ракушечнообразной формы (на фиг. 1, а) дана кривая с периодом цикла Т=2π; на фиг. 1, б) дана двойная кривая с расширенным периодом цикла Т=4π). Между длинами звеньев X-механизма (тип Х-3) выполняются следующие соотношения:
1
2
2
1
2
2
1
1
1
1
2
1
2
На фиг. 4 представлен вариант выполнения Х-механизма (тип Х-4), в котором стойка 21 (длиной ОО, равной расстоянию, между осями вращения ведущего кривошипа 22 и ведомого кривошипа 23) и ведомый кривошип 23 (длиной OB) выполнены одинаковой длины (ОО=OB), ведущий кривошип 22 (длиной ОА) и шатун 24 (длиной АВ) выполнены одинаковой длины (ОА=АВ), превышающей длину стойки (ОА=АВ) > OO. Установленный в шарнирный четырехзвенник ОАВО упругий элемент 25 выполнен в виде упругого звена, взаимодействующего с шатуном 24 и со стойкой 21 для образования шарнирного механизма с точной внутрицикловой остановкой ведомого кривошипа 23, где (при совмещении ведущего кривошипа 22 с шатуном 24, а ведомого кривошипа 23 - со стойкой 21) исходный механизм превращается в двухзвенный. Между длинами звеньев X-механизма (тип Х-4) выполняются следующие соотношения:
За полный цикл поворота ведущего кривошипа 22 на 360 градусов установленный на шатун 24 рабочий орган воспроизводит несимметричную замкнутую кривую, состоящую из сочетания полуокружности радиусом R=ВС (в одном полупериоде при остановке ведомого кривошипа 23) и улиткообразной кривой (в другом полупериоде при вращении ведомого кривошипа 23), представляющей полуконхоиду окружности.
На фиг. 5 представлен вариант выполнения Х-механизма (тип Х-5), в котором все звенья - ведущий кривошип 26, шатун 27, ведомый кривошип 28 и стойка 29 выполнены одинаковой длины, равной расстоянию между осями вращения ведущего кривошипа 26 и ведомого кривошипа 28, а упругий элемент выполнен в виде упругого звена 30, установленного между стойкой 29 и ведомым кривошипом 28 в его перпендикулярном относительно стойки 29 положении для образования шарнирного механизма с точкой внутрицикловой остановкой ведомого кривошипа 28, где (при совмещении ведущего кривошипа 26 с шатуном 27, а ведомого кривошипа 28 - со стойкой 29) данный четырехзвенный механизм превращается в двухзвенный. Между длинами звеньев X-механизма (тип Х-5) выполняются следующие соотношения:
Шатун 27 может быть выполнен криволинейно изогнутым по окружности постоянного радиуса, используемой в качестве круговой направляющей 31 для установки на нее подвижных ползунов с рабочим органом.
За полный цикл поворота ведущего кривошипа на 360 градусов установленный на шатун 27 рабочий орган воспроизводит несимметричную замкнутую кривую, состоящую из сочетания полуокружности большего радиуса R=ВА (в одном полупериоде при вращении ведомого кривошипа 28 в четырехзвенном механизме) и полуокружность меньшего радиуса r=ВС (в другом полупериоде при остановке ведомого кривошипа 28 и превращении механизма в двухзвенный).
На фиг. 6 представлен вариант выполнения Х-механизма, в котором упругий элемент выполнен в виде пружины сжатия 31, установленной между поршнем 32 и поворотным цилиндром 33 и взаимодействующей через указанные поршень 32 и поворотный цилиндр 33 со стойкой 34 и с шатуном 35.
1
2
1
2
На фиг. 7 представлен вариант выполнения Х-механизма, в котором упругий элемент выполнен в виде упругого кольца 36, предварительно сжимаемого по диаметру с двух сторон при установке упомянутого упругого кольца 36 в замкнутый контур шарнирного параллелограмма OABO между стойкой 37 и шатуном 38. При выполнении упругого кольца 36 круглой формы с диаметром, превышающим длину одного из кривошипов (ОА=OB) в процессе его установки в замкнутый контур механизма происходит его сжатие и превращение его круглой формы в овальную, что приводит к созданию распорного усилия между стойкой 37 и шатуном 38, определяющего изменение структуры шарнирного механизма при его переходе через мертвые положения.
На фиг. 8 представлен вариант выполнения Х-механизма, в котором упругий элемент выполнен в виде упругого звена 39, установленного между стойкой 40 и ведомым кривошипом 41 в его перпендикулярном, относительно стойки, положении и снабжен самотормозящейся винтовой кинематической парой для установочного регулирования усилия, создаваемого указанным упругим элементом.
На фиг. 9 представлен вариант выполнения Х-механизма, в котором шатун выполнен составным из двух подвижных между собой половин 43 и 44, из которых одна половина шатуна 43 сблокирована с цилиндром 45, другая половина шатуна 44 сблокирована с поршнем 46, а упругий элемент составлен из двух пружин сжатия 47 и 48, установленных с двух сторон поршня 46 и взаимодействующих с ведущим кривошипом 49 с одной стороны и с ведомым кривошипом 50 с другой стороны.
Работа представленного кривошипного механизма изменяемой структуры (Х-механизм) заключается в следующем.
Установленный в замкнутом контуре кинематической цепи упругий элемент, взаимодействующий со звеньями шарнирного четырехзвенника изменяемой структуры, при своей деформации создает дополнительное динамическое воздействие на соединяемые им звенья и расширяет функциональность механизма изменяемой структуры:
1. Обеспечивает устойчивый управляемый переход механизма через мертвые положения (возникающие в его крайних положениях при расположении шарниров всех звеньев на одной прямой линии).
2. Исключает возникновение в цикле неуправляемых положений и зон.
3. Обеспечивает полную работоспособность механизма во всем цикле при полном повороте ведущего кривошипа на 360° градусов и за счет этого воспроизводит несимметричные замкнутые кривые разной конфигурации (все кривые на фиг. 1, 2, 3 и 4 построены на действующих моделях Х-механизма).
Достигаемый в предлагаемом Х-механизме положительный эффект заключается в следующем:
1. Упрощение конструкции механизма изменяемой структуры за счет исключения из его цикла неуправляемых положений ведомого кривошипа.
2. Снижение габаритов, веса и стоимости механизма изменяемой структуры.
3. Расширение до полной рабочей зоны функционирования манипулятора.
4. Расширение кинематических возможностей шарнирного механизма за счет реализации различных законов движения ведомого вала, включая его вращение с точными внутрицикловыми остановками, а также его вращение с постоянной скоростью (водной части цикла) и с переменной (в другой части).
5. Расширение функциональных возможностей шарнирного механизма за счет воспроизведения широкого семейства несимметричных замкнутых кривых в X-механизме изменяемой структуры (типа Х-1, Х-2, Х-3, Х-4 и Х-5).