ЭКСЦЕНТРИКОВЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ИЛИ КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ
ECCENTRIC MECHANISM FOR CONVERTING ROTATIONAL MOVEMENT INTO RECIPROCAL MOVEMENT OR OSCILLATORY MOVEMENT

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам, преобразующим вращательное движение в возвратно-поступательное или колебательное.
Известны четырехзвенные механизмы: кривошипно-ползунные, кривошипно-коромысловые и синусно-косинусные механизмы, содержащие стойку, кривошип и ведомое звено (ползун либо коромысло). В этих механизмах зависимость перемещения ведомого звена от угла поворота описывается синусоидой или близкой к ней функцией. Во многих случаях приводной механизм помимо функций преобразования движения должен обеспечить также редукцию: снижение числа двойных ходов ползуна по сравнению с числом оборотов кривошипа. Указанные четырехзвенные механизмы функцию редукции не выполняют. В некоторых приводах требуется значительная модификация синусоидального закона движения ведомого звена. То сравнительно небольшое отклонение от синусоидального закона движения, которое достигается за счет изменения геометрических параметров четырехзвенных механизмов, эту задачу решить не может.
Известны кулачковые механизмы, содержащие стойку, кулачок и ведомое звено-толкатель. Такие механизмы обеспечивают любую модификацию закона движения выходного звена, в том числе движение с выстоями, существенное изменение скорости холостого хода по сравнению с рабочим ходом и т.д. Недостатком таких механизмов является то, что они не обладают редуцирующими свойствами.
Известен зубчато-рычажный планетарный механизм с остановкой выходного звена (Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике: Справочное пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей. В 7-ми Т. - Т.4. - М: Наука, 1980. - с.196, №2360), содержащий водило, вращающееся вокруг неподвижной оси, неподвижное колесо, закрепленное на стойке, подвижное колесо, закрепленное на водиле, причем его начальный радиус в три раза меньше начального радиуса неподвижного колеса, дополнительное подвижное колесо, входящее во вращательную пару с водилом и выполненное в виде двух равных жестко связанных сателлитов, один из которых входит в зацепление с неподвижным зубчатым колесом, а другой с подвижным зубчатым колесом, ползун, помещенный в неподвижную направляющую, и шатун, образующий вращательные пару с ползуном и подвижным колесом, причем центр этой пары лежит на начальной окружности подвижного колеса. Точка, находящаяся в центре шарнира, соединяющего шатун и подвижное колесо, описывает трехвершинную гипоциклоиду. При непрерывном вращении водила ползун в крайнем нижнем положении находится приближенно в покое, а в крайнем верхнем положении имеет мгновенную остановку. Закон движения ведомого звена подобен изображенному на фиг.12. При этом число двойных ходов ведомого звена совпадает с числом оборотов ведущего вала, то есть механизм не обладает редуцирующими свойствами.
Недостатком такого механизма является его громоздкость, конструктивная сложность, а также низкие жесткость и нагрузочная способность, что обусловлено консольным закреплением основных звеньев.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является механизм (полезная модель 63476 РФ), содержащий стойку, ведомое звено (ползун и шатун), а также эксцентриковый подшипник с зубчатыми телами качения разного диаметра, наружное кольцо которого жестко соединено с шатуном, а внутреннее кольцо, соосное ведущему валу, жестко соединено с ним. Наружное кольцо, внутреннее кольцо и тела качения снабжены зубчатыми венцами соответственно с внутренними или внешними зубьями. В одном из вариантов механизма тела качения и кольца помимо зубчатых венцов содержат цилиндрические беговые дорожки, имеющие диаметры равные или близкие соответственным начальным окружностям зубчатых венцов.
1h
1
h
2
1
1
2
Передаточное отношение механизма - отношение числа двойных ходов ведомого звена, которое совпадает с числом оборотов системы тел качения, к числу оборотов ведущего вала: i=ω/ω=1-z/z, где z и z - числа зубьев наружного и внутреннего колец.
Достоинством данного механизма является то, что он выполняет функции опоры качения, эксцентрика и редуктора одновременно. Это существенно упрощает конструкцию и технологию изготовления привода. Недостатком такого механизма является невозможность модификации закона движения ведомого звена.
вп
пв
вп
Для устранения этого недостатка в эксцентриковом механизме для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или колебательное, содержащем стойку, ведущий вал, шатун, ведомое звено (ползун или коромысло), эксцентриковый подшипник с телами качения разного диаметра, наружное кольцо которого жестко соединено с шатуном, а внутреннее с ведущим валом, причем наружное и внутреннее кольца, а также тела качения снабжены зубчатыми венцами, находящимися в зацеплении, внутреннее кольцо подшипника закреплено на ведущем валу эксцентрично, а передаточное отношение i от ведущего вала к системе тел качения эксцентрикового подшипника или обратное ему отношение i=1/iявляется целым числом.
Такая конструкция эксцентрикового механизма позволяет сохранить редуцирующие свойства механизма и обеспечивает возможность существенной модификации закона движения выходного звена за счет сложения гармонических колебаний, соответствующих частотам вращения системы тел качения разного диаметра и ведущего вала.
В наиболее технологичном варианте исполнения тела качения и кольца помимо зубчатых венцов содержат цилиндрические беговые дорожки, имеющие диаметры, равные соответственным начальным диаметрам зубчатых венцов.
В одном конструктивном варианте для получения положительных передаточных отношений внутреннее и наружное кольца разделены телами качения разного диаметра, расположенными в один слой.
вп
Практический интерес представляет параметрическое соотношение, при котором передаточное отношение от ведущего вала к системе тел качения имеет значение i=3. При этом число зубьев наружного кольца равно удвоенному числу зубьев внутреннего кольца.
вп
В другом конструктивном варианте для получения отрицательных передаточных отношений i внутреннее кольцо находится в непосредственном зацеплении с наружным кольцом, а тела качения располагаются в свободном пространстве между кольцами и взаимодействуют с кольцами и между собой.
вп
вп
вп
вп
вп
Практический интерес представляют параметрические соотношения, при которых передаточное отношение от ведущего вала к системе тел качения имеет следующие значения: i=-3; i=-1/3; i=-2; i=-0,5; i=-1.
вп
При i=-3 число зубьев наружного кольца в четыре раза больше числа зубьев внутреннего кольца.
вп
При i=-1/3 число зубьев наружного кольца в 4/3 раза больше числа зубьев внутреннего кольца.
вп
При i=-2 число зубьев наружного кольца равно утроенному числу зубьев внутреннего кольца.
вп
При i=-0,5 число зубьев наружного кольца в 1,5 раза больше числа зубьев внутреннего кольца.
вп
При i=-1 число зубьев наружного кольца в два раза больше числа зубьев внутреннего кольца.
вп
вп
в
п
в
п
пm
п
вm
в
Для получения движения механизма с выстоями ведомого звена в схемах с передаточными отношениями i=3 и i=-3 эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е и эксцентриситет системы тел качения подшипника е связаны соотношением е=(1/8÷1/12)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет среднее значение, соответствует одной из фаз β поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также среднее значение.
вп
Для получения движения механизма с выстоями ведомого звена в схеме с передаточным отношением i=-1/3 эксцентриситет системы тел качения подшипника
п
в
п
в
вm
в
пm
п
е и эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е связаны соотношением е=(1/8÷1/12)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет среднее значение, соответствует одной из фаз β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также среднее значение.
вп
в
п
в
ш
п
ш
п
па
п
в
-0,25
Для получения движения механизма с выстоем ведомого звена в схеме с передаточным отношением i=-2, эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е и эксцентриситет системы тел качения подшипника е связаны зависимостью е=(0,6÷0,7)·l ·е, при l=(3÷10)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет экстремальное значение, соответствует одной из фаз  поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также экстремальное значение.
вп
Для получения движения механизма с выстоем ведомого звена в схеме с передаточным отношением i=-1/2 эксцентриситет системы тел качения подшипника
п
в
п
ш
в
ш
в
в
па
п
-0,25
е и эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е связаны зависимостью е=(0,6÷0,7)·l ·е, при l=(3÷10)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза  поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет экстремальное значение, соответствует одной из фаз β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также экстремальное значение.
вп
в
п
в
ш
п
ш
п
пm
п
вm
в
-0,25
Практическое значение имеет модификация закона движения механизма, при которой ведомое звено движется с различной скоростью при прямом и обратном ходе. Такая модификация достигается в схеме с передаточным отношением i=-2, когда эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е и эксцентриситет системы тел качения подшипника e связаны соотношением е=(0,15÷0,3)·l ·е, при l=(3÷10)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет среднее значение, соответствует одной из фаз β поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также среднее значение.
вп
п
в
п
ш
в
ш
в
вm
в
пm
п
-0,25
Для модификации закона движения механизма, при которой ведомое звено движется с различной скоростью при прямом и обратном ходе, в схеме с передаточным отношением i=-1/2 эксцентриситет системы тел качения подшипника е и эксцентриситет внутреннего кольца подшипника относительно вала е связаны соотношением e=(0,15÷0,3)·l ·е, при l=(3÷10)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота ведущего вала относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом е, имеет среднее значение, соответствует одной из фаз β поворота системы тел качения подшипника относительно стойки, в которой подъем ведомого звена, обусловленный эксцентриситетом e, имеет также среднее значение.
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
вп
На фиг.1 изображен эксцентриковый механизм, у которого передаточное отношение i=3, а ведомое звено является ползуном; на фиг.2 - его разрез по А-А; на фиг.3 показан эксцентриковый механизм, у которого передаточное отношение i=-3, а ведомое звено является коромыслом; на фиг.4 изображен эксцентриковый механизм с передаточным отношением i=-1/3; на фиг.5 - его разрез по Б-Б; на фиг.6 показан эксцентриковый механизм с i=-2; на фиг.7 - эксцентриковый механизм с i=-1/2; на фиг.8 - эксцентриковый механизм с i=-1; на фиг.9 приведен график закона движения H(β) ведомого звена для i=3 и для i=-3 с двумя выстоями; на фиг.10 - вариант модификации этого закона; на фиг.11 - график закона движения Н(β) ведомого звена для i=-1/3 с двумя выстоями; фиг.12 -график Н(β) для i=-2 с одним выстоем; фиг.13 - вариант модификации закона движения H(β) для i=-2; фиг.14 - график H(β) для i=-1/2 с одним выстоем; фиг.15 - вариант модификации закона движения Н(β) для i=-1/2; на фиг.16 - вариант модификации закона движения H(β) для i=-1.
в
п
в
п
пm
п
вm
в
Эксцентриковый механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, изображенный на фиг.1, 2, состоит из стойки 1, ведущего вала 2, шатуна 3, ведомого звена (ползуна) 4, а также эксцентрикового подшипника. Эксцентриковый подшипник содержит наружное кольцо 5, жестко соединенное с шатуном 3, внутреннее кольцо 6, эксцентрично закрепленное на ведущем валу 2, и тела качения разного диаметра 7, 8, расположенные между кольцами в один слой. Наружное кольцо 5, внутреннее кольцо 6 и тела качения 7, 8 снабжены зубчатыми венцами, находящимися в зацеплении. Помимо зубчатых венцов эти звенья содержат цилиндрические беговые дорожки, имеющие диаметры, равные или близкие соответственным начальным диаметрам зубчатых венцов. Число зубьев наружного кольца 5 равно удвоенному числу зубьев внутреннего кольца 6. Эксцентриситет е внутреннего кольца 6 подшипника относительно вала 2 и эксцентриситет e системы тел качения 7, 8 подшипника связаны соотношением е=(1/8÷1/12)·е, а сборка деталей механизма выполнена таким образом, что каждая фаза β поворота системы тел качения 7, 8 подшипника относительно стойки 1, в которой подъем ведомого звена 4, обусловленный эксцентриситетом e, имеет среднее значение, соответствует одной из фаз β поворота ведущего вала 2 относительно стойки 1, в которой подъем ведомого звена 4, обусловленный эксцентриситетом е, имеет также среднее значение.
1
вп
1
h
2
1
1
2
вп
Эксцентриковый механизм работает следующим образом. При движении ведущего вала 2 вместе с эксцентрично закрепленным на нем внутренним кольцом 6, вращающихся с угловой скоростью ω, тела качения 7, 8 катятся по наружному кольцу 5. Система тел качения 7, 8 совершает совместное переносное вращение, такое же, как если бы они были связаны единым водилом. Передаточное отношение от ведущего вала к системе тел качения механизма: i=ω/ω=1+z/z, где z и z - соответственно числа зубьев внутреннего и наружного колец подшипника подвижного колес. В данном случае i=3. Одновременно это означает, что число двойных ходов ползуна 4 в три раза меньше числа оборотов ведущего вала 2.
При этом ведомое звено 4 движется с двумя выстоями и имеет закон движения, описываемый уравнением:
п
в
п
вп
ш
в
вп
в
п
ш
п
где Н - перемещение ползуна; е - эксцентриситет системы тел качения; е- эксцентриситет внутреннего кольца относительно вала; β - фаза поворота системы тел качения в переносном движении; i - передаточное отношение; l - длина шатуна; С - начальное значение угла β поворота ведущего вала 2, обеспечивающее сборку деталей механизма, оговоренную в соответствующем пункте формулы изобретения. График закона движения H(β) ведомого звена для i=3; е=1/8·e; l=10·е; С=π; показан на фиг.9.
в
п
ш
п
Для параметрических соотношений е=(1/9)·е; l=10·e; С=-3·π/4 закон движения ведомого звена показан на фиг.10. Он может быть использован в рабочих процессах двигателя внутреннего сгорания.
вп
Эксцентриковый механизм, показанный на фиг.3, отличается от предыдущего тем, что внутреннее кольцо 6 находится в непосредственном зацеплении с наружным кольцом 5, а тела качения 7, 8 располагаются в свободном пространстве между кольцами и взаимодействуют с кольцами и между собой, а число зубьев наружного кольца 5 в четыре раза больше числа зубьев внутреннего кольца 6. Таким образом, передаточное отношение i=-3. Отношение числа двойных ходов ведомого звена к числу оборотов ведущего вала также равно трем. Ведомое звено (коромысло) 4 имеет закон движения, аналогичный изображенному на фиг.9.
вп
п
в
ш
в
Эксцентриковый механизм, показанный на фиг.4, 5, отличается от предыдущего тем, что число зубьев наружного кольца 5 в 4/3 раза больше числа зубьев внутреннего кольца 6, то есть i=-1/3. При этом число двойных ходов ползуна 4 равно числу оборотов ведущего вала 2. Ползун 4 имеет закон движения с выстоями; его график для е=(1/9)·е; l=10·e; С=π показан на фиг.11.
вп
в
ш
п
ш
п
-0,25
Эксцентриковый механизм, изображенный на фиг.6, отличается от предыдущего тем, что число зубьев наружного кольца 5 равно утроенному числу зубьев внутреннего кольца 6, то есть i=-2. При параметрическом соотношении е=(0,6÷0,7)·l ·e, С=π; l=(3÷10)·е по уравнению (1) получается закон движения с выстоем, график которого представлен на фиг.12. Число двойных ходов ведомого звена равно числу оборотов системы тел качения.
в
ш
п
ш
п
-0,25
Для той же схемы при параметрических соотношениях е=(0,15÷0,3)·l ·e; С=π/2; l=(3÷10)·е получается закон движения, график которого представлен на фиг.13, при котором рабочий ход ведомого звена происходит медленнее (или быстрее) холостого хода.
вп
п
ш
в
ш
в
-0,25
Эксцентриковый механизм, показанный на фиг.7, отличается от предыдущего тем, что число зубьев наружного кольца 5 в 1,5 раза больше числа зубьев внутреннего кольца 6, то есть i=-1/2. Однако число двойных ходов ведомого звена равно числу оборотов ведущего вала. При параметрическом соотношении e=(0,6÷0,7)·1 ·е; С=π/2; l=(3÷10)·е по уравнению (1) получается закон движения с выстоем, график которого представлен на фиг.14.
п
ш
в
ш
в
-0,25
Для той же схемы при параметрических соотношениях е=(0,15÷0,3)·l ·е; С=π/4; l=(3÷10)·е получается закон движения, график которого представлен на фиг.15, при котором рабочий ход ведомого звена происходит медленнее (или быстрее) холостого хода.
вп
в
п
ш
п
В эксцентриковом механизме, показанном на фиг.8, число зубьев наружного кольца в два раза больше числа зубьев внутреннего кольца, то есть i=-1. При параметрических соотношениях е=0,77·е; l=4·е; C=-3·π/4 по уравнению (1) получается закон движения с двойным преломлением, график которого представлен на фиг.16.
Технический результат изобретения: предложен простой и компактный эксцентриковый механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное или колебательное, обеспечивающий возможность модификации закона движения за счет сложения гармоник и редукцию, то есть снижение числа двойных ходов ведомого звена по сравнению с числом оборотов ведущего вала.
Эксцентриковый механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или колебательное может быть использован в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах и других машинах.