Шарнирно-рычажный механизм переменной структуры
ARTICULATION LINKAGE OF VARIABLE STRUCTURE

Изобретение относится к машиностроению, в частности - к шарнирно-рычажным механизмам с регулируемыми звеньями, и может быть использовано, например, в машинах-автоматах.
Известны четырехзвенные шарнирно-рычажные механизмы, содержащие стойку, ведущий кривошип и ведомое коромысло с заданными углами поворота, шарнирно соединенные с шатуном, любая точка которого описывает заранее заданную шатунную кривую, а все точки кривошипа и коромысла - заданные траектории /см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 1, М., 1970, с. 325, рис. 539 и рис. 540 [1, 2].
Недостатками известных устройств является отсутствие возможности перестройки структуры звеньев, а следовательно, и траекторий точек звеньев и законов их движения.
Известны также шарнирно-рычажные регулируемые четырехзвенники, содержащие основание, установленные на нем с возможностью поворота ведущий кривошип, ведомое звено, шарнирно соединенный с ними шатун с изменяемыми длинами звеньев /см., например, Кожевников С.Н. и др. Механизмы, "Машиностроение", 1965, с. 333, рис. 459 [3]; Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 1, М., 1970, с. 329, рис. 547 и 548 [4, 5]/.
Недостатками известных устройств является отсутствие возможности изменения длин звеньев и, соответственно, характера их движения непосредственно во время работы механизма.
Известен также ряд четырехзвенных шарнирно-рычажных механизмов, имеющих возможность перестройки своей структуры на ходу без остановки движения, предусматривающих либо изменение длины коромысла с помощью специальных резьбовых и зубчатых соединений /см., например, а.с. СССР №1597483, кл. F16Н 21/20, 1988 [6]/, либо изменение длины шатуна с помощью специальных рычагов, конических зубчатых колес, кулис с ползунами, установленных на шатуне и т.п. /см., например, а.с. СССР №700726, кл. F16Н 21/20, 1978 [7]; а.с. СССР №1362883, кл. F16H 21/20, 1980 [8]; а.с. СССР №579484, кл. F16Н 21/20, 1975 [9]; а.с. СССР №1113610, кл. F16H 21/20, 1981 [10]; а.с. СССР №842314, кл. F16Н 21/10, 1978 [11]/, либо возможность дополнительного движения одного из звеньев в критическом положении с помощью упругого элемента /см. патент РФ на изобретение №2301928, кл. F16Н 21/16, 2006 [12]/.
Недостатками всех известных устройств является предельная сложность конструкций для перестройки структуры механизмов и процесса регулировки, ограниченные возможности регулировки с узким диапазоном получаемых траекторий движения и шатунных кривых.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является шарнирно-рычажный механизм переменной структуры, содержащий стойку, ведущий кривошип, шатун и ведомое коромысло, состоящее из двух частей, соединенных между собой шарниром и имеющих взаимодействующие один с другим ограничители их относительного движения, подпружиненные в направлении друг к другу, при этом одна часть коромысла шарнирно соединена со стойкой и введена во взаимодействие с установленным на последней упором /см. а.с. СССР №898186, кл. F16Н 21/10, 1980 [13]/, и принятый за прототип.
Недостатками устройства-прототипа являются ограниченные возможности регулировки, а конкретно - узкий диапазон и точность получаемых траекторий движения, что объясняется только одним вариантом формирования измененной траектории только для точек одного звена механизма, причем не для всего диапазона движения коромысла, а только для его заключительной части после контакта коромысла с упором. Кроме того, устройство перестройки структуры механизма имеет низкую надежность вследствие нестабильности как обеспечения упругой связи частей коромысла с помощью ограничителей до контакта одной части с упором до ориентации этих частей вдоль одной прямой, так и заданного угла отклонения частей от данной прямой после контакта вышеуказанной части с упором.
Сущность изобретения заключается в создании простого по конструкции и осуществлении процесса перестройки структуры шарнирно-рычажного механизма, обеспечивающего возможность формирования в любой момент времени без остановки работы механизма при использовании элементов с особыми физическими свойствами практически любой заданной траектории движения всех звеньев во всем их рабочем диапазоне с любой точностью, то есть обеспечение полностью универсального процесса регулировки.
Технический результат - расширение возможностей регулировки по диапазону, точности, глубине и повышение надежности работы механизма.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном шарнирно-рычажном механизме переменной структуры, содержащем шарнирно соединенные с неподвижной стойкой и шатуном ведущий кривошип и ведомое коромысло, состоящее из нескольких шарнирно соединенных и исходно соосно ориентированных с помощью системы ограничителей частей, особенность заключается в том, что кривошип и шатун также выполнены в виде совокупности шарнирно соединенных и исходно соосно ориентированных с помощью системы ограничителей частей, на звенья между каждой парой шарниров, за исключением участков взаимного соединения звеньев и стойки, жестко надеты стальные катушки с обмотками, подключенными последовательно к отдельному для каждого звена выходу источника электрических сигналов с регулируемыми амплитудами, ограничители выполнены в виде прикрепленных к обоим торцам катушек и концентрично охватывающих участки звеньев винтовых цилиндрических пружин растяжения и сжатия с исходными длинами, обеспечивающими перекрытие задних относительно катушек шарниров и свободу передних шарниров при обходе контура механизма в направлении от кривошипа к коромыслу, при этом пружины выполнены из сплава с эффектом термомеханической памяти формы, характеризующимся релейным срабатыванием при повышении температуры до заданного порогового значения с удлинением передних на катушках пружин растяжения до перекрытия ими передних шарниров с одновременным укорочением задних на катушках пружин сжатия до освобождения ими задних шарниров, причем пары пружин для катушек на каждом звене в направлении, противоположном вышеуказанному направлению обхода, выполнены с последовательно нарастающими температурными порогами срабатывания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично на виде сбоку изображен предлагаемый механизм с промежуточным положением звеньев, настроенный на одно из своих структурных состояний; на фиг. 2 - вид А на механизм в зоне регулируемого коромысла с продольным разрезом последнего /увеличено и повернуто на угол 90°/.
В принципе, предлагаемым приспособлением для перестройки структуры механизма может быть оснащено только одно звено, например коромысло, как в устройстве-прототипе. Однако заявитель далее в качестве примера реализации конструкции приводит максимально универсальный по возможностям и точности регулировки структуры механизма вариант, в котором вышеуказанными приспособлениями оснащены дополнительно шатун и кривошип.
Шарнирно-рычажный механизм переменной структуры содержит ведущий кривошип 1 и ведомое коромысло 2, соединенные одними концами с помощью цилиндрических шарниров 3 и 4 с неподвижной стойкой 5, а другими концами шарнирами 6 и 7 - с шатуном 8. При этом ведомое коромысло 2 состоит из нескольких, шарнирно соединенных и исходно соосно ориентированных с помощью системы ограничителей частей /в данном частном варианте конструкции показано коромысло 2, состоящее из 3-х частей, соединенных двумя шарнирами 9, 10. Шатун 8 и ведущий кривошип 1 также выполнены в виде совокупности изготовленных из плоских стальных стержней, шарнирно соединенных и исходно соосно ориентированных с помощью системы ограничителей частей /в данном частном варианте конструкции показаны шатун 8 и ведущий кривошип 1, также состоящие из 3-х частей каждый, соединенных, соответственно, шарнирами 11, 12 и 13, 14/. На все звенья 1, 2, 8 между каждой парой шарниров, за исключением участков взаимного соединения звеньев 1, 2, 8 и стойки 5, жестко надеты стальные катушки 15, 16, 17, 18, 19, 20 с обмотками 21, 22, 23, 24, 25, 26, подключенными последовательно для каждого звена 1, 2 и 8 к выходам 27, 28, 29, независимым друг от друга, источника электрических сигналов 30 с регулируемыми амплитудами сигналов. То есть обмотки 21 и 22 подключены последовательно к выходу 27 источника 30, обмотки 23 и 24 - к выходу 28, обмотки 25 и 26 - к выходу 29. При этом подключение обмоток 21, 22 на коромысле 2 к источнику 30 осуществлено с помощью гибкого токоподвода 31, закрепляемого сбоку вдоль поверхности коромысла 2, подключение обмоток 23, 24 шатуна 8 - токоподводом 32, укрепленным на коромысле 2 и шатуне 8 с проходом через зону шарнирного соединения этих звеньев. В механизмах типа [1], удовлетворяющих определенным условиям длин звеньев, как угол качания коромысла 2 в одну сторону, так и угол отклонения от него шатуна 8 лежат в пределах 30° при полном обороте ведущего кривошипа 1. Поэтому выполнение вышеуказанных токоподводов не представляет серьезной сложности. Для подключения же обмоток 25, 26 на вращающемся кривошипе 1 необходимо использовать соединяющий выход 29 источника 30, через неподвижный токоподвод на стойке 5 с подвижным токоподводом на кривошипе 1 известный щеточный контактный механизм /на рисунках последние не показаны/. Система ограничителей для исходной соосной ориентации составляющих коромысло 2, шатун 8 и кривошип 1 частей выполнены в виде прикрепленных к обоим торцам катушек 15, 16, 17, 18, 19, 20 и концентрично охватывающих участки звеньев 1, 2, 8 винтовых цилиндрических пружин растяжения 33, 34, 35, 36, 37, 38 и сжатия 39, 40, 41, 42, 43, 44 с исходными длинами, обеспечивающими, соответственно, свободу передних относительно катушек 15, 16, 17, 18, 19, 20 шарниров 4, 9, 7, 11, 6, 13 и перекрытие задних шарниров 9, 10, 11, 12, 13, 14 при обходе контура механизма в направлении от кривошипа 1 к коромыслу 2. При этом все пружины выполнены из сплава с эффектом термомеханической памяти формы типа нитинол/TiNi/, относящегося к классу интерметаллических соединений и характеризующегося релейным /скачкообразным/ срабатыванием при повышении температуры до заданного порогового значения с удлинением передних на катушках пружин растяжения 33, 34, 35, 36, 37, 38 до перекрытия /стопорения/ ими передних шарниров 4, 9, 7, 11, 6, 13 с одновременным укорочением задних на катушках пружин сжатия 39, 40, 41, 42, 43, 44 до освобождения ими задних шарниров 9, 10, 11, 12, 13, 14. Причем каждая пара пружин для катушек на каждом звене в направлении, противоположном вышеуказанному направлению обхода, выполнены с последовательно нарастающими температурными порогами срабатывания. Например, на коромысле 2 для пружин 33, 39 катушки 15 температурный порог срабатывания выбран +120°C; для пружин 34, 40 катушки 16 - +150°C, на шатуне 8 для пружин 35, 41 катушки 17 - опять +120°C, для пружин 36, 42 катушки 18 - +150°C, и, наконец, на кривошипе 1 для пружин 37, 43 катушки 19 - +120°C, для пружин 38, 44 катушки 20 - +150°C. Кроме того, шарнир 4 соединения коромысла 2 и стойки 5 прикреплен к последней с помощью специального стержня 45 круглого сечения для обеспечения удобного перекрытия шарнира 4 пружиной 33. С этой же целью шарнир 7 соединения коромысла 2 с шатуном 8 и шарнир 6 соединения шатуна 8 с кривошипом 1 выполнены на некотором расстоянии от вершин углов соединения данных звеньев /шарнир 7 в теле шатуна 8, а шарнир 6 в теле кривошипа 1/.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии механизма /см. фиг. 1/ до регулировки, кроме шарнира 3, соединенного с приводом вращения кривошипа 1, работают только шарниры 4, 7 и 6, остальные шарниры перекрыты /зажаты/ установленными на всех катушках задними пружинами сжатия. Эти шарниры 4, 7, 6 и определяют исходную длину звеньев 2, 8 и 1. Опишем сначала процесс перестройки механизма изменением рабочей длины коромысла 2. Подаем на выход 27 источника 30 электрический сигнал в обмотки 21, 22 катушек 15, 16, обеспечивающий нагрев пружин 33, 39, 34, 40 до температуры +120°C. При этом пружины 33 и 39 на катушке 15 релейно срабатывают, пружина 33 растянется и перекроет шарнир 4, а пружина 39 сожмется и освободит шарнир 9.В результате рабочая длина коромысла 2 уменьшится, оно начнет качаться вокруг шарнира 9. При необходимости регулировка коромысла 2 продолжается, температура нагрева пружин 33, 39, 34, 40 будет увеличена до +150°C. B этом случае пружины 33, и 39 останутся в своем предыдущем сработавшем состоянии, а дополнительно сработают уже пружины 34, 40 катушки 16, при этом шарнир 9 также перекроется, а освободится шарнир 10, то есть рабочая длина коромысла 2 опять уменьшится. При определенном заданном числе составных частей и, соответственно, катушек на коромысле 2 можно постепенно уменьшать его длину до обеспечения заданной глубины и точности регулировки характеристик механизма. Далее, при необходимости, независимо от коромысла 2, производится аналогичным образом регулировка шатуна 8. Оставляя заданное питание выхода 27 источника 30, подают электрический сигнал на выход 28 и, соответственно, обмотки 23, 24. Опять при нагреве пружин 35, 41, 36, 42 до температуры +120°C срабатывают пружины 35, 41, зажимая шарнир 7 и освобождая шарнир 11, что равносильно укорочению шатуна 8. Далее фиксируют пружинами 36, 42 шарнир 11 и освобождают шарнир 12. Закончив регулировку шатуна 8, можно аналогичным образом осуществить регулировку длины кривошипа 1 подачей электрического сигнала на выход 29 источника 30 при сохранении сигналов на выходах 27 и 28. Очевидно, что при осуществлении универсальной регулировки вышеуказанным образом резко повышаются ее вариативные возможности, глубина, точность, функциональные диапазоны. Кроме того, кардинальным образом увеличивается надежность функционирования механизма за счет обеспечения с помощью предлагаемой системы ограничителей жесткой соосной ориентации всех звеньев на любой стадии перестройки структуры механизма.