ШЕСТИЗВЕННЫЙ ШАРНИРНО-РЫЧАЖНЫЙ МЕХАНИЗМ
SIX-LINK HINGE-AND-ARM MECHANISM

Изобретение относится к области машиностроения, может быть использовано при создании систем управления, в робототехнике, в машинах - автоматах многих отраслей промышленности и других устройствах, где могут применяться механизмы со скрещивающимися осями и с переменной угловой скоростью вращения звеньев.
Известен шарнирно-рычажный механизм по Авт. свид. СССР №947535, М. кл. F16H 21/12. Опубл. 30.07.1982, Бюлл. №28.
Механизм содержит шесть звеньев: стойку, ведущий и ведомый кривошипы, шарнирно связанные со стойкой, два шатуна, шарнирно связанные с ведущим и ведомым кривошипами, промежуточное звено, шарнирно связанное с шатунами.
Длина промежуточного звена механизма равна сумме или разности длин ведомого и ведущего кривошипов, а угол скрещивания осей его шарниров равен сумме или разности углов скрещивания осей шарниров ведущего кривошипа с шатуном ведущего кривошипа и ведомого кривошипа со стойкой, длина шатуна ведомого кривошипа равна сумме или разности длины шатуна ведущего кривошипа и длины стойки.
Угол скрещивания осей шарниров ведомого кривошипа и шатуна ведомого кривошипа равен сумме или разности 90° угла скрещивания осей шарниров промежуточного звена и шатуна ведущего кривошипа, отношение длины ведущего кривошипа к синусу угла скрещивания осей шарниров ведущего кривошипа и шатуна ведущего кривошипа равно отношению длины шатуна ведущего кривошипа к синусу угла скрещивания осей шарниров шатуна ведущего кривошипа и промежуточного звена, равно отношению длины ведомого кривошипа к синусу угла скрещивания осей шарниров ведомого кривошипа со стойкой, равно длине стойки, т.е.  Угол скрещивания осей шарниров со стойкой равен 90°.
Недостаток этого механизма заключается в следующем. Во-первых, механизм является мультипликатором, т.е. устройством для увеличения частоты вращения ведомого кривошипа механизма. Так, в этом механизме при одном обороте ведущего кривошипа ведомый кривошип делает три оборота.
Во-вторых, подвижные звенья - два шатуна и промежуточное звено, соединенными с ведущим и ведомым кривошипами имеют недостаточную жесткость конструкции для силовой передачи движения, кроме этого, связь между параметрами звеньев механизма достаточно сложная, что затрудняет проектирование механизма и его изготовление.
Близким решением к предлагаемому механизму является так же шестизвенный шарнирно-рычажный механизм (патент РФ №2605955 Шарнирно-рычажный механизм, МПК F16H 21/48, заявлен 30.06.2015, опубл. 10.01.2017 Бюл. №1).
Шарнирно-рычажный механизм содержит стойку, ведущий и ведомый кривошипы, два шатуна и промежуточное звено, которые соединены вращательными шарнирами.
3
5
4
2
6
2
4
Звенья механизма имеют угловые и линейные параметры, удовлетворяющие равенству  и неравенству α<α<α<α, а также α=α+α,
2
3
4
5
6
Здесь обозначены длины: стойки, ведущего кривошипа, ведомого кривошипа, шатуна ведущего кривошипа, шатуна ведомого кривошипа, промежуточного звена; углы скрещивания: α-ведущего кривошипа, α-ведомого кривошипа, α-шатуна ведущего кривошипа, α-шатуна ведомого кривошипа, α-промежуточного звена.
Механизм в отличие от первого механизма по Авт. свид. СССР №947535 обеспечивает редуцирование вращения с передаточным отношением, равным трем.
Недостаток и этого механизма аналогичен недостаткам первого механизма и заключается в том, что механизм является редуктором, т.е. устройством для уменьшения частоты вращения ведомого кривошипа механизма. Так, в этом механизме при трех оборотах ведущего кривошипа ведомый кривошип делает один оборот.
Во-вторых, связь между параметрами звеньев механизма достаточно сложная, что затрудняет проектирование механизма и его изготовление.
В-третьих, кинематическая связь пяти подвижных звеньев не обладает достаточной жесткостью для силовой передачи движения, механизм имеет ограниченное применение - только для редуцирования движения ведомого звена.
Уровень техники
Цель изобретения - упрощение конструкции и связи между параметрами звеньев механизма, увеличение жесткости подвижных звеньев для силовой передачи движения, увеличение функций механизма.
Описание чертежей
На фиг. 1 схематически изображена схема механизма, на фиг. 2 - фото механизма.
1
1
Указанная цель достигается тем, что в шестизвенном шарнирно-рычажном механизме, содержащем стойку, ведущее и ведомое звенья, промежуточное звено и два подвижных звена (шатуны), шарнирно связанные между собой, отличающийся тем, что стойка выполнена в виде звена со скрещенными под углом α геометрическими осями пальцев на расстоянии  ведущее звено (кривошип) шарнирно соединено с одним из пальцев стойки и имеет на концах шарниры, геометрические оси отверстий которых расположены под прямым углом на расстоянии  равное  при этом два промежуточных звена имеют пальцы, геометрические оси которых расположены, так же как и пальцы стойки, т.е. скрещены под углом α на расстоянии  и шарнирно связаны с ведущим звеном (кривошипом) и с двумя подвижными звеньями (шатунами), геометрические оси шарниров которых расположены под прямым углом на расстоянии  а два промежуточных звена являются ведомыми звеньями (кривошипами), на пальцах которых закреплены шайбы для соединения с исполнительным рабочим элементом.
Отличительными признаками предложенного механизма в сравнении с прототипом являются:
- в прототипе механизм является редуктором, т.е. при трех оборотах ведущего звена, ведомое звено делает один оборот; в предложенном механизме осуществляются две одинаковые передачи без редуцирования, т.е. при одном обороте ведущего звена два ведомых промежуточных звеньев делают также по одному обороту с планетарными движениями и с неравномерной угловой скоростью в пределах одного оборота;
- в прототипе промежуточное звено имеет угол скрещивания осей шарниров, равный сумме угла скрещивания осей шарниров ведущего кривошипа и угла скрещивания осей шарниров шатуна ведущего кривошипа, а длина его равна сумме длины ведущего кривошипа и длины шатуна ведущего кривошипа; в предложенном механизме два промежуточных звена имеют угол скрещивания осей шарниров (пальцев) и длину между ними, равные таковым параметрам стойки (неподвижного звена);
- в прототипе длина шатуна ведомого кривошипа равна произведению длины стойки на синус угла скрещивания осей шарниров ведомого кривошипа, в предложенном механизме длина шатуна ведущего и ведомого промежуточных звеньев (кривошипов) равна отношению длины стойки на синус угла скрещивания геометрических осей его пальцев, т.е.
- в прототипе взаимосвязь между параметрами звеньев определяется выражением  в предложенном механизме связь между параметрами равна
3
5
4
2
6
2
4
- в прототипе углы скрещивания осей шарниров ведущего кривошипа, шатуна ведущего кривошипа, шатуна ведомого кривошипа и ведомого кривошипа связаны неравенством α<α<α<α, а также α=α+α,  в предложенном механизме этого условия нет;
- в прототипе кинематическая подвижная связь состоит из пяти подвижных звеньев, что для силовой передачи движения жесткости недостаточно, в предложенном механизме по три подвижных звена на каждой из двух симметричных кинематических схем, что существенно повышает жесткость механизма в целом.
Раскрытие изобретения
Шарнирно-рычажный механизм (фиг. 1) содержит неподвижное звено - стойку 1, шарнирно связанное с подвижным звеном 2 через палец 3, который жестко соединен с рамой 4.
Подвижное звено - кривошип 2 на концах имеет шарниры, соединенные с пальцами 5 и 6, геометрические оси которых расположены под прямым углом к геометрической оси пальца 3 неподвижного звена - стойки 1, на длине
1
Пальцы 5 и 6 принадлежат двум ведомым промежуточным звеньям 7 и 8, которые имеют угловые и линейные параметры расположения пальцев 5 и 10 звена 7, и соответственно, пальцев 6 и 11 звена 8, такие же, как расположение геометрических осей пальцев 3 и 9 неподвижного звена-стойки 1, т.е. на кратчайшем расстоянии  и под углом скрещивания α, который может принимать значение в пределах 10-40°.
Пальцы 10 и 11 шарнирно связаны с подвижными звеньями - шатунами 12 и 13, другие концы подвижных звеньев также шарнирно связаны с пальцем 9 неподвижного звена - стойки 1. На пальцах 10 и 11 закреплены диски-шайбы 10' и 11', к которым соединяются (крепятся) исполнительные органы различных устройств.
Звенья 12 и 13 имеют расположение геометрических осей шарниров такое же, как у ведущего звена 2, т.е. расположены под прямым углом на расстоянии  Звено 2 будет цельным, а звенья 12 и 13 - составными.
Ведущее звено 2 приводится во вращение от источника привода 14 (электродвигатель с редуктором или мотор-редуктор) через зубчатую или клиноременную передачу 15, одно зубчатое колесо или шкив закреплено жестко на звене 2, а другое - шестерня или шкив - на валу источника привода 14.
Все кинематические соединения звеньев выполнены на вращательных шарнирах, оформляемых на моделях подшипниками скольжения (как на фиг. 1), или на подшипниках качения в производственных машинах - автоматах и устройствах (как на фиг. 2).
Длины звеньев в механизме определяются кратчайшими расстояниями между геометрическими осями их шарниров. Углы скрещивания отсчитываются против часовой стрелки от оси шарнира, обращенного к наблюдателю. (Скрещивающиеся геометрические оси шарниров - это оси, которые не параллельны и нигде не пересекаются.)
1
Связь между параметрами  и α звеньев механизма определяется выражением
Механизм работает следующим образом.
От источника привода 14 мотор-редуктора (фиг. 1 и 2) через клиноременную передачу 15 вращение передается ведущему звену - кривошипу 2 и ведомым промежуточным звеньям 7 и 8, затем подвижным звеньям-шатунам 12 и 13.
За счет скрещенными под разными углами геометрическими осями шарниров звеньев и кратчайшими расстояниями между ними при вращении ведущего звена 2 пальцы 10 и 11 с дисками - шайбами 10' и 11' совершают сложное пространственное движение - вращение относительно осей пальцев 10 и 11 и одновременное вращение относительно геометрической оси пальца 9 неподвижного звена-стойки 1, т.е. совершается планетарное движение с неравномерной угловой скоростью в пределах одного оборота.
Максимальное значение угловой скорости определится выражением,
1
где ω - угловая скорость ведущего звена (кривошипа) 2, рад/с;
1
α - угол скрещивания геометрических осей пальцев неподвижного звена и пальцев двух промежуточных звеньев, град.
Минимальное значение угловой скорости составит,
Следует отметить, что в этом механизме от одного источника привода и одного ведущего звена 2 действуют сразу два ведомых промежуточных звеньев 10 и 11 с однотипными характерами движений, т.е. можно использовать механизм для двух исполнительных устройств.
1
Степень неравномерности вращения пальцев 10 и 11 с закрепленными на них диск-шайбами 10' и 11' определяется формулой δ=tgα.
Осуществление изобретения. Пример конструктивного воплощения механизма.
Конструирование механизма начинается с назначения одного из параметров взаимосвязи из формулы  Например, примем расстояние или длину  между геометрическими осями шарниров подвижных звеньев 12 и 13, то же самое расстояние между осями шарниров ведущего звена 2, равное 150 мм. Геометрические оси указанных шарниров расположены под прямым углом. Длина принимается из расчета габаритов механизма.
1
1
1
Далее принимается один из оставшихся параметров: α или  Поскольку угол α может принимать значения в пределах 10-40°, примем α=15°, тогда из формулы взаимосвязи  определяется кратчайшее расстояние  равное,
1
1
Таким образом, параметры звеньев механизма будут иметь следующие значения: кратчайшие расстояния  угол скрещивания геометрических осей пальцев звеньев 1, 7 и 8 α=15°, угол расположения геометрических осей шарниров звеньев 2, 12 и 13 равен 90°, степень неравномерности вращения пальцев 10 и 11 составит δ=tgα=tg 15°=0,268.
-1
Максимальное значение угловой скорости можно определить, если принять частоту n вращения ведущего звена, равное n=120 мин (ω=πn/30=3,14⋅120/30=12,56 рад/с) по формуле,
Минимальное значение угловой скорости определится по формуле,
-1
Итак, при частоте вращения ведущего звена, равное 120 мин, максимальное значение угловой скорости равно 20,41 рад/с, а минимальное - равно 15,07 рад/с.
Шарнирно-рычажный механизм с вышеуказанными параметрами, изготовленный в металле, показан на фиг. 2, привод ведущего звена осуществляется от мотор-редуктора через клиноременную передачу, механизм показал работоспособность и достоверность технического решения.