МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
MECHANISM FOR MOVEMENT TRANSFORMATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для преобразования равномерного вращательного движения в неравномерное вращательное и наоборот.
Известен механизм для преобразования движения, содержащий три вала с кривошипами, соединенными между собой двумя тягами [1]. Кроме того, известен механизм для преобразования движения, содержащий корпус, основной ведущий вал, кулачок, установленный на корпусе соосно ведущему валу, диск с направляющими и ромбический шарнирный четырехзвенник с пальцами, взаимодействующими с кулачком и направляющими [2].
Наиболее близким аналогом к заявленному является механизм для преобразования движения, содержащий корпус, основной ведущий вал, кулачок, установленный на корпусе соосно ведущему валу, диск с направляющими, ромбический шарнирный четырехзвенник с пальцами, взаимодействующими с кулачком и направляющими, установленный соосно в основном ведущем валу дополнительный ведущий вал, рычаги и ведомый вал, ведущие валы шарнирно соединены рычагами с серединами противоположных сторон шарнирного четырехзвенника, диск установлен с возможностью вращения и механически связан с ведомым валом [3].
Недостатком данного устройства является отсутствие плавности преобразования движения.
Целью изобретения является достижение плавности преобразования движения.
Поставленная цель достигается тем, что в механизме для преобразования движения, который содержит корпус, основной ведущий вал, кулачок, установленный на корпусе соосно ведущему валу, диск с направляющими, ромбический шарнирный четырехзвенник с пальцами, взаимодействующими с кулачком и направляющими, установленный соосно в основном ведущем валу дополнительный ведущий вал, рычаги и ведомый вал, причем ведущие валы шарнирно соединены рычагами с серединами противоположных сторон шарнирного четырехзвенника, а диск установлен с возможностью вращения и механически связан с ведомым валом, согласно изобретению пальцы расположены в вершинах шарнирного четырехзвенника, направляющие расположены симметрично вдоль взаимно перпендикулярных осей симметрии на плоскости диска, а профиль кулачка представляет эквидистанту, отстоящую на величину радиуса пальца внутрь от базовой замкнутой кривой, описываемой следующей формулой:
где ρ(α) - полярный радиус;
α=0…2π - полярный угол;
L - длина стороны ромбического четырехзвенника;
min
Ψ - минимальный угол между сторонами ромбического четырехзвенника;
π - число Пи.
Сущность изобретения и достигаемый результат более подробно поясняются далее на конкретном примере реализации механизма со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
- на фиг.1 - общий вид механизма;
- на фиг.2 - общий вид механизма с узлами, разделенными в аксиальном направлении;
- на фиг.3 - расчетная базовая замкнутая кривая кулачка при исходных данных
min
Ψ=51,4°; L=0,1 м;
- на фиг.4 - три характерные фазы движения ромбического четырехзвенника;
- на фиг.5 - некоторое промежуточное положение ромбического четырехзвенника в процессе движения;
- на фиг.6 - график функции Ψ(α).
Механизм для преобразования равномерного вращательного движения в неравномерное вращательное и наоборот (фиг.1, 2) содержит корпус 1, основной ведущий вал 2, кулачок 3, установленный на корпусе соосно ведущему валу, диск 4 с направляющими 5…8 (направляющая 8 видна на фиг.2). Направляющие расположены симметрично вдоль взаимно перпендикулярных осей симметрии на плоскости диска 4 и выполнены, например, в форме одинаковых прямых сквозных прорезей в диске. Ромбический шарнирный четырехзвенник 9 имеет пальцы 10…13, расположенные в его вершинах (палец 13 виден на фиг.2), которые взаимодействуют с кулачком 3 и направляющими 5…8. В конкретной конструкции пальцы расположены аксиально, проходят через направляющие (прорези) 5…8 и опираются на профиль (внешнюю кромку) кулачка 3. Соосно с основным ведущим валом 2 установлен дополнительный ведущий вал 14, имеющий, например, форму полого вала. Ведущий вал 2 жестко соединен с серединой рычага 16, а ведущий вал 14 - с серединой рычага 15. Концы рычагов 15, 16 шарнирно связаны с серединами противоположных сторон шарнирного четырехзвенника 9. Диск 4 установлен с возможностью вращения и жестко (либо при помощи жесткой механической передачи) связан с ведомым валом 17. Новым является то, что профиль кулачка 3 представляет эквидистанту, отстоящую на величину радиуса пальца 10…13 внутрь от базовой (опорной) замкнутой кривой, описываемой следующей формулой (график базовой кривой приведен на фиг.3):
где ρ(α) - полярный радиус;
α=0…2π - полярный угол;
L - длина стороны ромбического четырехзвенника;
min
Ψ - минимальный угол между сторонами ромбического четырехзвенника;
π - число Пи.
Механизм для преобразования движения работает следующим образом.
При приложении к ведущим валам 2 и 14 переменных взаимно противоположных одинаковых вращающих моментов, пальцы 10…13 ромбического шарнирного четырехзвенника 9 обкатываются (или скользят) по профилю кулачка 3 и, двигаясь по направляющим 5…8, передают вращение диску 4. Он суммирует моменты валов 2, 14 и, передавая суммарный момент ведомому валу 17, приводит его во вращение.
Механизм способен передавать движение и в обратной последовательности. Пояснение принципа действия устройства в данном направлении преобразования представляется более удобным для восприятия.
При вращении внешним движителем ведомого вала 17 с постоянной скоростью, он передает вращение диску 4. Направляющие 10…13 диска воздействуют на пальцы, которые, обкатываясь по профилю кулачка, совершают одновременно два движения: равномерное вращательное - вокруг оси валов и возвратно-поступательное - вдоль направляющих. Эти два движения передаются через пальцы ромбическому шарнирному четырехзвеннику (его вершинам). В результате возвратно-поступательного движения вершин он периодически плавно меняет конфигурацию относительно своих диагоналей (одна диагональ удлиняется, другая сокращается, затем - наоборот). При этом диагонали ромбического шарнирного четырехзвенника совершают равномерное вращательное движение вокруг оси валов. Через рычаги 15, 16 движение ромбического шарнирного четырехзвенника передается в преобразованном виде двум связанным с ними валам 2, 14. При этом каждый из этих валов совершает одинаковое по форме неравномерно-вращательное движение (в конкретной конструкции - синусоидально-вращательное) со сдвигом по фазе друг относительно друга на
min
max
Расчетный профиль кулачка обеспечивает плавное преобразование равномерного вращения в неравномерное (и наоборот) за счет обеспечения синусоидального изменения угла Ψ между рычагами 15, 16 от Ψ до Ψ при одновременном равномерном вращении диагонали (диагоналей) ромбического шарнирного четырехзвенника 9 по углу α (см. фиг.2, 3).
Для вывода формулы (1), описывающей профиль кулачка, построим расчетные схемы для ромбического шарнирного четырехзвенника 9 (далее - ромба): на фиг.4 (а, b, с) показаны три характерные фазы движения ромба, а на фиг.5 - некоторое промежуточное положение ромба в процессе движения. На фиг.6 - график функции ψ(α).
min
max
Исходными требованиями при выводе формулы является обеспечение синусоидального характера изменения угла Ψ между рычагами 15, 16 от Ψ до Ψ при одновременном равномерном вращении диагонали (диагоналей) ромба по углу α.
Вначале для упрощения примем радиус пальцев 10…13 равным нулю.
1
При заданной длине стороны ромба L=21 (фиг.4, 5) этот четырехзвенник имеет две степени свободы. Его конфигурация полностью определяется значениями углов φ и
2
φ рычагов 15 и 16 с осью х. Данные углы можно считать входными переменными исследуемой системы.
А
А
За выходные переменные примем координаты х и у вершины ромба А, либо длину полудиагонали ρ=OA (полярный радиус) и угол α между OA и осью х (полярный угол), при этом имеем
Важным кинематическим параметром является угол ψ между рычагами 15 и 16:
Угол ψ может меняться в пределах
min
max
где значения ψ и ψ задаются из конструктивных соображений.
Из фиг.4, 5 следует
или
Чтобы найти соотношение связи между углами ψ и α, обратимся к схемам на фиг.4. Из них следует, что
Функция ψ(α) четна с периодом, равным π, поэтому ее можно представить в виде суммы среднего за период значения и гармонической составляющей (фиг.6), т.е
max
min
или с учетом того, что ψ=π-ψ получим
Подставив (7) в (6), получаем искомую формулу для профиля кулачка при условии равенства нулю радиусов пальцев 10…13 (вместо пальце фигурируют их оси):
Таким образом, полученная формула описывает траекторию движения осей пальцев - базовую (опорную) кривую (1) (фиг.3).
Учитывая радиус реального пальца, сформулируем следующее утверждение: профиль кулачка в радиальной плоскости представляет эквидистанту, отстоящую на величину радиуса пальца внутрь от базовой замкнутой кривой, описываемой формулой (1).
min
max
За счет расчетного профиля кулачка достигается плавное преобразование равномерного вращения в неравномерное (и наоборот) за счет обеспечения синусоидального характера изменения угла Ψ между рычагами 15, 16 от Ψ до Ψ при одновременном равномерном вращении диагонали (диагоналей) ромбического шарнирного четырехзвенника 9 по углу α (см. фиг.2, 3). При любом другом профиле кулачка, не относящемся к семейству эквидистант с расчетной базовой кривой (1), а также другом размещении пальцев на ромбе и расположении направляющих на диске преобразование движения будет сопровождаться рывками и ударами (нарушение плавности преобразования). Поэтому приведенной совокупностью признаков достигается сверхсуммарный полезный эффект, заключающийся в достижении плавности преобразования.
Источники информации
1. Гуськов Г.Г. Необычные двигатели. М.: «Знание», 1971, с.28.
2. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т.4. М.: «Наука», 1975, с.210, фиг.977.
3. Авторское свидетельство №724850. Заявлено 30.05.78/Лукьянов Ю.Н., Котляров В.Н. // Опуб. 30.03.80. Бюл. №12.