Устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное
DEVICE FOR CONVERSION OF ROTATIONAL MOVEMENT INTO RECIPROCATING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в изделиях точной механики, измерительной технике, станкостроении в составе механизмов, преобразующих вращательное движение в возвратно-поступательное.
Известно устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее входной приводной вал с закрепленной на нем шестерней, связанной с зубчатыми рейками, шестерни отбора мощности и два блока шестерен, каждый из которых содержит два комплекта промежуточных шестерен, попарно установленных на одном валу с шестернями отбора мощности и имеющих кинематическую связь между собой и шестерней входного вала. Устройство оснащено приводной шестерней, выполненной в виде кольца с зубьями на наружной и внутренней поверхностях и размещенной между зубчатыми рейками с образованием с ними зубчатого зацепления. Комплекты промежуточных шестерен размещены внутри приводной шестерни и выполнены каждый из двух частей, одна из которых представляет собой зубчатое колесо с зубчатым венцом по всей длине делительной окружности, а другая - зубчатый сектор, причем зубчатые колеса находятся в постоянном зацеплении друг с другом, а зубчатые сектора установлены с возможностью поочередного взаимодействия с зубьями внутренней поверхности приводной шестерни. В каждом блоке шестерен один комплект промежуточных шестерен закреплен на валу неподвижно, а второй установлен с возможностью углового перемещения относительно вала
(см. патент РФ на полезную модель №107311, МПК F16H 19/04, 2011 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что оно чрезвычайно сложно конструктивно, имеет значительные габариты. Отсутствие возможности регулирования величины хода возвратно-поступательного движения значительно сужает область применения устройства.
Известно устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент, выполненный в виде поршня. Ведомый элемент соединен с зубчатой рамкой, состоящей из двух параллельных реек равной длины и соединяющих их двух опорных полуокружностей равного радиуса. Зубчатая рамка имеет возможность покачивания на ведомом элементе относительно вертикальной оси.
В корпусе, в полости рамки размещено зубчатое колесо, закрепленное на валу, оснащенном приводом вращения.
Радиус полуокружностей рамки всегда больше наружного радиуса окружности зубчатого колеса на величину, равную половине высоты зуба.
Для фиксации крайнего левого и крайнего правого положения зубчатой рейки относительно зубчатого колеса, зубчатое колесо на части диска по наружному радиусу имеет кулачок, а по длине зубчатых реек закреплены продольные упоры.
В процессе вращения зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с левой зубчатой рейкой рамки, соединенный с рамкой ведомый элемент движется вверх. В момент перехода зубчатого колеса с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки, происходит резкое замедление скорости перемещения ведомого элемента, которая падает до нуля, когда вертикальная ось симметрии зубчатой рамки совпадает с диаметральной линией зубчатого колеса. Этот момент соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) для верхнего торца ведомого элемента. Одновременно с переходом зубчатого колеса с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки, кулачок на диаметрально противоположной стороне сходит с поверхности продольного упора и накатывается на поверхность полуокружности рамки. Зубчатая рамка оказывается расфиксированной и начинается ее поперечное смещение (покачивание) в корпусе под действием поперечной составляющей сил, действующих в зацеплении и зоне контакта кулачка зубчатого колеса с зубчатой поверхностью рамки. Поперечное перемещение зубчатой рамки в точке ВМТ равно половине хода в поперечном направлении. Поперечное перемещение заканчивается в момент перехода зубчатого колеса и кулачка с участка нижней полуокружности на участок правой зубчатой рейки рамки. В этот момент зубья зубчатого колеса полностью выходят из зацепления с левой зубчатой рейкой и вводят в зацепление с правой, а на диаметрально противоположной стороне колеса кулачок оказывается на поверхности продольного упора, фиксируя положение зубчатой рамки относительно зубчатого колеса и ведомый элемент совершает движение вверх. Далее цикл повторяется аналогично описанному выше.
(см. патент РФ на изобретение №2189472, МПК F16H 19/04, 2002 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного устройства необходимо отметить, что при изменении поступательного движения ведомого элемента на возвратное (или, наоборот), при контакте кулачка зубчатого колеса с полуокружностью рейки, возможно относительное проскальзывание контактирующих элементов, что приводит к тому, что зуб зубчатого колеса не попадает в пространство между зубьями зубчатой рейки, а утыкается в ее зуб, что приводит к поломке устройства, а, следовательно, снижает его надежность. Кроме того, конструкция данного устройства практически не предусматривает возможностей регулирования величины хода ведомого элемента, что в значительной степени ограничивает его область использования
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы устройства за счет гарантированного устранения возможности нарушения условий зацепления зубчатого механизма (зубчатого колеса и зубчатой рейки), а также расширение области использования устройства за счет обеспечения регулирования в широких пределах хода ведомого элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащем корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент, кинематически связанный с ведущим элементом, имеющим возможность вращения и выполненным в виде приводного вала с закрепленным на нем ведущим зубчатым колесом, новым является то, что ведомый элемент оснащен рейкой, причем устройство снабжено ведомым валом, смонтированным в корпусе, а также ведомым зубчатым колесом и двумя зубчатыми секторами, ведомое зубчатое колесо закреплено на ведомом валу и находится в постоянном зацеплении с ведущим зубчатым колесом, один зубчатый сектор (сектор) закреплен на ведущем валу, а другой - на ведомом, при этом секторы имеют возможность вращения в противоположных направлениях и поочередного зацепления своими зубьями с зубьями зубчатой рейки ведомого элемента, число зубьев (К) секторов выбирают из следующей зависимости: К=0,5z - 2, где z - число зубьев ведущего зубчатого колеса. Устройство может быть оснащено фиксаторами крайних положений ведомого элемента, каждый из которых выполнен в виде подпружиненного шарика, установленного на ведомом элементе и имеющего возможность взаимодействия с лункой, выполненной в корпусе, при этом, зубчатая рейка и зубчатые сектора могут быть выполнены сменными.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с верхним расположением рейки, аксонометрическая проекция, общий вид;
- на фиг. 2 - устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с нижним расположением рейки, аксонометрическая проекция, общий вид;
min
- на фиг. 3 - относительное положение зубчатых секторов и рейки при настройке устройства с минимальным ходом ведомого элемента L в начале поступательного движения рейки слева направо (здесь и далее направление движения указывается в плоскости чертежа);
min
- на фиг. 4 - относительное положение зубчатых секторов и рейки при настройке устройства с ходом ведомого элемента 2 L в начале поступательного движения рейки слева направо;
max
- на фиг. 5 - относительное положение зубчатых секторов и рейки при настройке устройства с наибольшим ходом ведомого элемента L в начале поступательного движения рейки слева направо.
Устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное состоит из корпуса, выполненного, например, в виде двух установленных параллельно друг другу пластин 1, скрепленных стяжками (позициями не обозначены).
В корпусе с возможностью вращения на опорах качения или скольжения, параллельно друг другу смонтированы ведущий вал 2 и ведомый вал 3. Ведущий вал 2 кинематически связан с приводом его вращения (не показан). В качестве такого привода наиболее целесообразно использовать привод с широким диапазоном регулирования частоты вращения его выходного вала. Привод является стандартным.
В корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент 4. Конкретное исполнение ведомого элемента 4 зависит от назначения устройства. Он, например, может быть выполнен в виде каретки для установки обрабатывающего инструмента и перемещения его к обрабатываемой детали и обратно, в виде стола с приспособлением для установки детали для перемещения ее в зону обработки и обратно, или иным известным образом. В любом случае выполнение ведомого элемента является известным и не составляет предмета патентной охраны.
На ведущем валу 2 закреплены ведущее зубчатое колесо 5 (шестерня) и первый зубчатый сектор 6.
На ведомом валу 3 закреплены ведомое зубчатое колесо 7, постоянно находящееся в зацеплении с шестерней 5, и второй зубчатый сектор 8. Шестерня 5 и ведомое зубчатое колесо 7 имеют одинаковый модуль и одинаковое четное количество зубьев.
Секторы 6 и 8 должны быть смонтированы так, чтобы угловое расположение их зубьев совпадало.
На ведомом элементе 4 с возможностью съема и заметы закреплена зубчатая рейка 9, имеющая возможность попеременного взаимодействия своими зубьями с зубьями секторов 6 и 8. Зубчатая рейка может быть закреплена на нижней поверхности ведомого элемента 4, тогда и валы с зубчатыми колесами и секторами находятся под ведомым элементом 4 (фиг. 2) или, наоборот, зубчатая рейка может быть закреплена на верхней поверхности ведомого элемента 4, тогда и валы с зубчатыми колесами и секторами находятся над ведомым элементом 4 (фиг. 1).
Зубчатые сектора 6 и 8 одинаковы и имеют тот же модуль, что и шестерня 5. Они имеют возможность вращения в противоположных направлениях и попеременного зацепления с зубчатой рейкой 9 для обеспечения ее возвратно-поступательного перемещения вместе с ведомым элементом 4. Сектор 6 и сектор 8 устанавливаются на валах, предпочтительно, с возможностью их замены.
Весьма важным для достижения указанного технического результата является исключение ситуации, при которой с рейкой 9 вступает в контакт зубчатый сектор 8, в то время как зубчатый сектор 6 не вышел из контакта с рейкой, что может привести к поломке устройства. Для гарантированного исключения этой ситуации число зубьев К зубчатых секторов 6 и 8 выбирают исходя из следующей зависимости: К=0,5z - 2, где z - четное число зубьев шестерни 5.
Кроме того, весьма важным для достижения указанного технического результата является исключение ситуации, при которой, в процессе работы устройства, вследствие действия сил инерции ведомого элемента 4, зубья зубчатых секторов не попадают в пространство между зубьями рейки 9, что, как и в первом случае, может привести к поломке устройства. Для гарантированного исключения этой ситуации в устройстве предусматривается возможность фиксации ведомого элемента 4 в крайних положениях. Для этого на ведомом элементе 4 установлены фиксаторы - подпружиненные шарики 10 (фиг. 1), имеющие возможность поочередного контакта с лунками 11 (фиг. 2), выполненными в корпусе.
Секторы 6 и 8 и рейка 9 могут быть смонтированы вне корпуса, то есть, снаружи относительно пластин 1. В этом случае упрощается настройка устройства, но увеличиваются его габаритные размеры.
В устройстве предусмотрено регулирование величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4 установкой на нем рейки 9 с разным количеством зубьев.
min
1-6
1-8
min
min
Минимальная длина хода L ведомого элемента 4 обеспечивается при использовании рейки 9 с одним зубом Р, входящим в зацепление с сектором 6 для перемещения рейки вправо, и одним зубом P, входящим в зацепление с сектором 8 для перемещения рейки влево (фиг. 3). Таким образом, минимальная длина хода L ведомого элемента 4 будет равна перемещению рейки 9 на один зуб, т.е. на один шаг t рейки 9: L=t=m⋅π, где m - модуль рейки, равный модулю шестерни 5.
1-6
1-8
p
p
Увеличение длины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4, например в два раза, достигается установкой рейки с двумя дополнительными зубьями: одним - слева от зуба Р для увеличения длины хода рейки 9 вправо и одним -слева от зуба Р для увеличения длины хода рейки 9 влево (фиг. 4). В данном случае длина хода ведомого элемента 4 вправо определится количеством зубьев рейки 9, входящих в зацепление с зубьями сектора 6, а длина хода ведомого элемента 4 влево определится количеством зубьев рейки 9, входящих в зацепление с зубьями сектора 8. Таким образом длина хода L возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4: L=Z⋅t=2 m⋅π, где t - шаг рейки 9, m - модуль рейки 9, Z - количество зубьев рейки 9, входящих в зацепление с зубьями сектора 6 или 8.
min
min
p
max
p
max
p
Например, для шестерни 5 с количеством зубьев z=16 и модулем m=1 минимальная длина хода L ведомого элемента 4: L=Z⋅t=t=m⋅π=3,14 мм. Наибольшая длина хода L ведомого элемента 4 обеспечивается при использовании рейки с числом зубьев Z, входящих в зацепление с зубьями сектора 6, равным количеству зубьев К сектора 6 (фиг. 5): L=Z⋅t=K⋅t=(0,5⋅Z-2)⋅t=6⋅m⋅π=18,84 мм, где Z - число зубьев шестерни 5, t - шаг рейки 9, m - модуль рейки 9.
С увеличением числа зубьев шестерни 5 соответственно увеличивается число зубьев зубчатых секторов 6 и 8, что соответствует уменьшению углового перемещения секторов при их вращении на один зуб и соответственно уменьшению длины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4 при смещении рейки 9 на один зуб.
В тоже время, так как модуль рейки 9 равен модулю шестерни 5, то при использовании шестерни 5 с меньшим модулем происходит уменьшение длины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4 при смещении рейки 9 на один зуб из-за соответствующего уменьшения шага t рейки 9: t=m⋅π, где m - модуль рейки 9.
1-6
Если зубчатые передачи монтируются вне корпуса 1, то регулирование величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 4 целесообразно производить установкой зубатого сектора 6 с необходимым числом зубьев от 1 до К=0,5⋅Z-2; при этом количество зубьев рейки 9, входящих в зацепление с сектором 6 Р=0,5⋅Z-2, где Z - число зубьев шестерни 5.
Устройство работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере реализации изобретения в устройстве для создания вибровыглаживанием регулярного микрорельефа на трущихся поверхностях деталей с целью повышения их износостойкости.
6
1-6
6
Для выполнения обработки вибровыглаживанием устанавливают на резцедержателе поперечного суппорта токарного станка устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с нижним расположением рейки с определенным комплектом зубчатых деталей, состоящим из рейки 9, шестерни 5, зубчатого колеса 7, секторов 6 и 8, обеспечивающим определенную величину хода возвратно-поступательного движения, кратную шагу зубьев рейки 9. Перед установкой устройства производят настройку взаимного положения его зубчатых секторов 6, 8 и рейки 9. Для этого смещают ведомый элемент - каретку 4 так, чтобы первый зуб 1 сектора 6 (фиг. 3) располагался вертикально, а первый зуб Р рейки 9 находился в зацеплении с зубом 1 справа от него.
На токарном станке устанавливают обрабатываемую деталь, например в центрах станка для обработки наружной поверхности. Далее на ведомом элементе 4 устройства для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное монтируют устройство для вибровыглаживания таким образом, чтобы вершина выглаживающего инструмента располагалась по оси вращения обрабатываемой детали.
Включают вращение обрабатываемой детали и вращение ведущего вала 2 устройства для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, подводят выглаживатель к обрабатываемой поверхности детали и поджимают его к поверхности детали с заданной силой. Включают продольную подачу суппорта станка и производят вибровыглаживание поверхности детали.
По завершению обработки отводят от поверхности детали суппорт с установленным на нем устройством для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, выключают вращение шпинделя станка и вращение ведущего вала 2 устройства для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.
Для изменения величины хода выглаживающего инструмента в устройстве для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное монтируют рейку 9 с необходимым количеством зубьев, входящих в зацепление с секторами 6 и 8.
Кроме того, величина хода возвратно-поступательного перемещения зависит от количества и модуля зубьев шестерни 5, и соответственно зубчатого колеса 7, секторов 6 и 8, рейки 9, используемых в устройстве для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.