РЫЧАЖНЫЙ ЭЛЛИПТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам, преобразующим вращательное движение с постоянной угловой скоростью во вращательное движение с переменной угловой скоростью в пределах одного оборота. Такие устройства востребованы производителями автоматических станков особенно в полиграфии и текстильной промышленности, в станках для фрезерования деталей, в токарных автоматах и во многих других случаях с аналогичной целью.
Для этой цели в машиностроении в основном используются некруглые (эллиптические) колеса (см. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987, с. 237).
Эллиптические колеса имеют следующие недостатки:
- сложность и дороговизна изготовления колес, так как необходимо применять приближенные, малоэффективные способы нарезания зубьев, основанные на методах копирования и обкатки, используемых при изготовлении круглых колес;
- ограниченный диапазон регулирования переменной угловой скорости ведомого колеса;
- шум и колебания при работе передачи из-за неточностей профилей зубьев, низкая плавность работы;
- малый ресурс работы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции и изготовления, увеличение диапазона регулирования переменной скорости ведомого звена, увеличение ресурса и надежности работы, снижение шума и колебаний устройства.
1
4
3
2
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для преобразования вращательного движения с постоянной угловой скоростью ведущего звена во вращательное движение с переменной угловой скоростью ведомого звена в пределах одного оборота, содержит стойку, два кривошипа и два шатуна, при этом углы α и α скрещивания осей шарниров и кратчайшие расстояния  и  между осями кривошипов равны, угол α скрещивания осей шарниров второго шатуна равен разности 180° и угла α скрещивания осей шарниров первого шатуна, их длины  и  равны половине расстояния  между параллельными осями шарниров стойки, и параметры кривошипов и первого шатуна связаны соотношением .
Предложенная совокупность признаков устройства позволяет:
- существенно упростить конструкцию, состоящую из двух кривошипов, стойки и двух шатунов;
- упростить изготовление устройства, так как звенья изготавливаются по общепринятой технологии на распространенном оборудовании (токарные и фрезерные станки), использовании стандартных подшипников качения или скольжения;
- существенно увеличить диапазон регулирования переменной угловой скорости ведомого звена;
- устранить шум при работе устройства;
- увеличить КПД устройства, так как шарниры выполнены на подшипниках качения, КПД пары которых равен 0,99;
- увеличить ресурс, долговечность и надежность работы.
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, где изображена кинематическая схема рычажного эллиптического механизма.
1
4
Рычажный эллиптический механизм содержит два пространственных кривошипа: ведущий 1 и ведомый 4, два шатуна 2, 3 и стойку 5. Кривошипы 1 и 4 имеют скрещенные (не параллельные и нигде не пересекающиеся) под углом α=α геометрические оси шарниров и кратчайшие расстояния  между этими осями.
2
3
3
2
Первый шатун 2 имеет угол α скрещивания геометрических осей шарниров и кратчайшее расстояние  между ними, второй шатун 3 имеет угол α скрещивания геометрических осей шарниров и кратчайшее расстояние  между ними. При этом угол α равен разности 180°-α.
5
Геометрические оси шарниров стойки 5 расположены параллельно (угол α равен 180°) на расстоянии .
Кратчайшие расстояния  и  равны между собой и равны половине расстояния  между параллельно расположенными геометрическими осями шарниров стойки 5, т.е. .
Рычажный эллиптический механизм, как и зубчатые некруглые колеса, характеризуется эксцентриситетом е эллипса, который определяется для рычажного механизма выражением
1
2
где α и α - углы скрещивания геометрических осей шарниров соответственно ведущего кривошипа 1 и первого шатуна 2.
2
1
Угол α скрещивания геометрических осей шарниров первого шатуна определяется по значениям угла α и эксцентриситета е выражением,
1
1
Плюс берется при α<90°, минус - при α>90°.
Кратчайшее расстояние между осями шарниров кривошипов определяется формулой
Шарниры рычажного эллиптического механизма оформлены на стандартных подшипниках скольжения или качения, которые легко изолируются от влияния абразивных частиц, имеют высокий КПД, высокий ресурс работы, надежность и долговечность.
1
4
2
3
Работает устройство следующим образом. При вращении ведущего кривошипа 1 с постоянной угловой скоростью вращение передается шатунам 2, 3 и ведомому кривошипу 4. За счет расположения геометрических осей шарниров кривошипов 1 и 4 под углом α=α и геометрических осей шатунов 2, 3 под углами α и α, параллельного расположения геометрических осей шарниров стойки 5, ведомый кривошип 4 будет иметь переменную угловую скорость в пределах одного оборота, определяемую выражением
где ω - угловая скорость ведущего кривошипа,
φ - угол поворота ведущего кривошипа.
max
Максимальное значение угловой скорости ω будет при φ=0°, т.е.
min
ω - минимальное значение угловой скорости, при φ=180°, т.е.
1
2
3
Переменную скорость можно регулировать в широком диапазоне изменением углов α, α, α, эксцентриситетом е по потребности потребителя.
Осуществление полезной модели.
1
2
Назначается часть параметров по потребности, например, примем эксцентриситет е=0,1 м = 100 мм, угол скрещивания осей шарниров кривошипов α=20°, длину . Тогда по выражению (2) определяется угол α скрещивания осей шарниров первого шатуна 2,
.
1
Так как угол α<90° берется значение arcsin(-0,0342+0,9349)=arcsin0,9007=64,25°.
3
2
Угол α скрещивания осей шарниров второго шатуна определится разностью 180°-α=180°-64,25°=115,75°.
Кратчайшие расстояния .
Кратчайшее расстояние между осями шарниров кривошипов 1 и 4 определится выражением (3),
1
4
2
3
5
Таким образом, для эксцентриситета е=100 мм значения параметров рычажного эллиптического механизма следующие: α=α=20°, α=64,25°, α=115,75°, α=180°, , , .
1
2
Примем эксцентриситет е=200 мм, α=20°. Тогда по выражению (2) определяется угол α скрещивания осей шарниров первого шатуна 2,
2
Значение угла α равно arcsin(-0,684+0,9206)=arcsin0,8522=58,45°.
3
2
Угол скрещивания осей шатуна 3 α=180°-α=180°-58,45°=121,55°.
Кратчайшее расстояние между осями шарниров кривошипов 1 и 4 определится выражением (3),
1
4
2
3
5
Таким образом, для эксцентриситета е=200 мм значения параметров рычажного эллиптического механизма следующие: α=α=20°, α=58,45°, α=121,55°, α=180°, , , .
Проверка значения эксцентриситета по формуле (1)
Проверка показала достоверность определения параметров рычажного эллиптического механизма.
-1
1
При угловой скорости ведущего кривошипа 1 равной 10,46 рад/с (n=100 мин), максимальное значение угловой скорости ведомого кривошипа 4 при угле α=20° определится по формуле (5),
Минимальное значение угловой скорости определится по формуле (6),
1
Значением угла α можно в широких диапазонах регулировать угловую скорость ведомого кривошипа 4.
Таким образом, рычажный эллиптический механизм существенно превосходит некруглые зубчатые (эллиптические) колеса по всем технико-экономическим и эксплуатационным показателям.