МЕХАНИЗМ ШАРНИРНОГО АНТИПАРАЛЛЕЛОГРАММА

Изобретение относится к рычажным механизмам для преобразования вращения ведущего кривошипа с постоянной угловой скоростью в противоположное вращение ведомого кривошипа с переменной угловой скоростью, может найти применение для интенсификации в нестационарных процессах: перемешивании сыпучих и жидких материалов, безразмерной обработке деталей, протравливании семян перед посевом, мойке и очистке изделий и т.п.
В известном механизме шарнирного антипараллелограмма имеется существенный недостаток, заключающийся в наличии двух мертвых положений, которые приводят к неработоспособности механизма. Для устранения этого недостатка вводят в механизм различные устройства, которые усложняют конструкцию механизма.
Например, известен механизм шарнирного антипараллелограмма, содержащий вращающиеся в разные стороны ведущий и ведомый кривошипы, шарнирно соединенные с шатуном и со стойкой, и устройство для вывода механизма из мертвых положений, выполненное в виде раздельно установленных на кривошипах некруглых зубчатых секторов, дважды за цикл соударяющихся между собой в мертвых положениях механизма (Кожевников С.Н. и др. Механизмы, Машиностроение, 1965, с. 93, рис. 2.78.6).
Недостатком данного механизма является сложность конструкции, низкая надежность работы из-за возникающих при соударениях зубчатых секторов дополнительных динамических нагрузок, а также большие затраты на изготовление некруглых зубчатых секторов.
Близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является механизм шарнирного антипараллелограмма, содержащий вращающиеся в разные стороны ведущий и ведомый кривошипы, шарнирно соединенные с шатуном и со стойкой, и устройство для вывода из мертвых положений, выполненное в виде двух рычагов, раздельно смонтированных на осях кривошипов по разные стороны от линии центров их вращения, установленных с неодинаковым угловым смещением относительно каждого из кривошипов и шарнирно связанных между собой посредством упругого элемента, например, в виде пружины сжатия-растяжения, при этом рычаги установлены относительно кривошипов под острым и тупым углами, в сумме составляющими 180 градусов (Механизм шарнирного антипараллелограмма, РФ №2196263, МПК F16H 21/12, авторы Пожбелко И.И., Кузнецов А.В., Рахчеев М.В., патентообладатель - Муниципальное образовательное учреждение лицей №11, заявлено 03.09.1999, опубликовано 10.01.2003 г.
Недостатками близкого аналога являются сложность конструкции, низкая надежность работы, ограниченная возможность регулирования переменной угловой скорости ведомого кривошипа (малое значение коэффициента неравномерности вращения), малый ресурс работы из-за большого числа деталей, низкий КПД.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, увеличение КПД, повышение надежности и долговечности работы механизма, увеличение диапазона регулирования переменной угловой скорости ведомого кривошипа, снижение затрат на его изготовление.
1
2
1
2
Поставленная задача достигается за счет того, что в механизме шарнирного антипараллелограмма, содержащем вращающиеся в разные стороны ведущий и ведомый кривошипы, шарнирно соединенные с шатуном и со стойкой, кривошипы выполнены со скрещенными геометрическими осями шарниров под углом α, равным 8…40°, а шатун и стойка со скрещенными осями шарниров под углом α, равным 30…70°, при этом отношение кратчайшего расстояния  между осями шарниров шатуна и стойки к кратчайшему расстоянию  между осями шарниров кривошипов равно соответственно отношению синусов углов α и α, т.е.
Предлагаемый вариант выполнения механизма шарнирного антипараллелограмма обеспечивает работу без применения каких-либо устройств для вывода механизма из мертвых положений, поскольку они у него отсутствуют. Так как устройство для вывода механизма из мертвых положений вообще отсутствует, конструкция механизма упрощается до минимально возможного, т.е. содержит только стойку, два кривошипа и шатун. Кроме упрощения конструкции повышается КПД механизма, надежность и долговечность, снижаются затраты на изготовление механизма, значительно увеличивается (в разы) диапазон регулирования переменной угловой скорости ведомого кривошипа.
На фиг. 1 приведена кинематическая схема механизма шарнирного антипараллелограмма, на фиг. 2 показано фото натурного механизма шарнирного антипараллелограмма.
1
Механизм шарнирного антипараллелограмма (фиг. 1) состоит из стойки 1, ведущего кривошипа 2, шатуна 3, ведомого кривошипа 4. (Так как кривошипы расположены в разных плоскостях, звенья изображены с некоторым искажением). Кривошипы 2 и 4 имеют одинаковые параметры: кратчайшее расстояние  между геометрическими осями шарниров и угол скрещивания α между этими осями шарниров.
2
1
2
Геометрические оси шарниров шатуна 3, соответственно стойки 1, скрещены под углом α и отстоят на кратчайшем расстоянии . При этом углы скрещивания α, α и кратчайшие расстояния ,  связаны соотношением
Все шарниры кривошипов, шатуна и стойки выполнены на подшипниках качения, которые имеют высокий КПД (порядка 0,99), легко изолируются от абразивного износа, имеют высокую надежность и долговечность, небольшую стоимость.
1
2
Угол скрещивания α геометрических осей шарниров кривошипов (скрещенные оси - это оси, которые не параллельны и нигде не пересекаются) может принимать значения от 8 до 40°, а угол скрещивания α геометрических осей шарниров шатуна и стойки - от 30 до 70°.
2
4
Механизм шарнирного антипараллелограмма работает следующим образом. Вращение ведущего кривошипа 2 с постоянной угловой скоростью ω передается через шатун 3 на ведомый кривошип 4 и вызывает его вращение в противоположную сторону с переменной угловой скоростью ω.
Максимальное значение угловой скорости будет при угле поворота φ=0 ведущего кривошипа 2 и равно
Минимальное значение угловой скорости будет при угле поворота φ=180° ведущего кривошипа 2, равно
Степень неравномерности вращения ведомого кривошипа равна
Можно определить степень неравномерности по значениям углов по формуле
2
1
В соответствии со схемой фиг. 1 изготовлен натурный образец механизма антипараллелограмма, фото которого показано на фиг. 2. Механизм имеет следующие параметры: , , α=60°, α=20°.
1
Регулировать переменную угловую скорость ведомого кривошипа можно сменными мотылями кривошипов 2 и 4, имеющими разные углы скрещивания α, равные от 8 до 40° и соответствующие кратчайшие расстояния .
1
2
Например, при угле α=10° и α=60° степень неравномерности по формуле (4) будет равна
1
2
При угле α=35° и α=60° степень неравномерности равна
1
Как видно из примера, степень неравномерности может изменяться сменой мотылей в пределах от 0,62 до 3,112, при углах α равном 10° и 35°.
Таких пределов регулирования степени неравномерности невозможно получить в известном шарнирном антипараллелограмме.
2
1
2
-1
Осуществление полезной модели возможно двумя вариантами. По первому варианту назначаются часть параметров по потребности, например, примем , α=45°, α=15°, частоту вращения кривошипов n=120 мин (частоту переводим в значение угловой скорости по формуле ω=πn/30=3,14·120/30=12,56 рад/с).
По формуле (1) определяется максимальное значение угловой скорости
и минимальное по формуле(2)
Затем определяется степень неравномерности вращения ведомого кривошипа по формуле (3),
или по формуле (4)
Как видно из примера, значение степени неравномерности вращения ведомого кривошипа, определяемое по формулам (3 или 4) одинаковы.
Затем определяется кратчайшее расстояние  по формуле взаимосвязи параметров,
1
2
2
Таким образом, предложенный механизм шарнирного антипараллелограмма под степень неравномерности ведомого кривошипа, равное 1,41 имеет следующие параметры: , , α=15°, α=45°, ω=12,56 рад/с.
Таким же образом можно определять параметры механизма для других значений степени неравномерности и частоты вращения кривошипов.
2
Проектирование механизм и по второму варианту. В этом случае также назначается часть параметров по потребности, например, принимаются , α=45°, и степень неравномерности вращения ведомого кривошипа δ, например, δ=0,9.
Далее определяется угол он скрещивания осей шарниров кривошипов по формуле
Первое значение угла,
Второе значение угла,
1
1
Второе значение угла неприемлемо, потому что угол α=89,42° находится за пределами значения угла α от 8 до 40°.
Далее определяется кратчайшее расстояние  кривошипов по формуле
1
Для проверки вариантов примем степень неравномерности δ вращения ведомого кривошипа, как и в первом примере, т.е. δ=1,41 (будет ли угол α равным 15°, как был принят в первом примере).
Первое значение угла
Второе значение угла
1
Второе значение угла не подходит, так как не удовлетворяет условию принятых значений углов α от 8 до 40°.
1
1
Значение угла α получилось такое же как и в первом примере, т.е α=15°, что подтверждает правильность и достоверность проектирования антипараллелограмма как посредством первого, так и второго вариантов.