Устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована 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 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.).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования величины хода ведомого элемента и возможное относительное проскальзывание контактирующих элементов при изменении поступательного движения ведомого элемента на возвратное (или, наоборот) при контакте кулачка зубчатого колеса с полуокружностью рейки, что приводит к тому, что зуб зубчатого колеса не попадает в пространство между зубьями зубчатой рейки, что приводит к поломке устройства, а, следовательно, снижает его надежность.
Известно устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее 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,. Устройство оснащено рейкой, закрепленной с возможностью замены на ведомом элементе для регулирования хода его возвратно-поступательного перемещения, ведомым валом, смонтированным в корпусе, а также ведомым зубчатым колесом и двумя зубчатыми секторами, которые могут быть сменными для регулирования величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента, 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.
(см. патент РФ на изобретение №2705441, МПК F16H 19/04, 2019 г.) - наиболее близкий аналог.
Конструкция данного устройство, в отличие от приведенного выше, позволяет регулировать величину хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента за счет замены зубчатой рейки или зубчатых секторов, но такая регулировка сложна и неудобна, так как требует разборки и сборки устройства для замены его конструктивных элементов, но основной недостаток заключается в том, что при их замене, за счет погрешностей при установке зубчатой рейки на ведомом элементе и/или зубчатых секторов на валах, весьма вероятно нарушение условий зацепления зубьев рейки с зубьями секторов, что приводит в поломке устройства.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности устройства за счет исключения из его конструкции сменных элементов, используемых для регулирования величины хода возвратно-поступательного движения.
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 закрепленной на нем шестерней, находящейся в зацеплении с зубчатым колесом, закрепленным на смонтированном в корпусе ведомом валу, а также два зубчатых сектора, один из которых установлен на ведущем валу, а другой - на ведомом, и зубчатая рейка, установленная на ведомом элементе, новым является то, что устройство оснащено второй рейкой, закрепленной на ведомом элементе, один из зубчатых секторов имеет возможность зацепления своими зубьями с зубьями одной из зубчатых реек ведомого элемента при прямом ходе ведомого элемента, а другой зубчатый сектор имеет возможность зацепления своими зубьями с зубьями другой зубчатой рейки при обратном ходе ведомого элемента, при этом зубчатые рейки установлены на ведомом элементе с возможностью настроечного перемещения и фиксации в заданном положении.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, общий вид;
- на фиг. 2 - кинематическая схема устройства;
- на фиг. 3 - устройство, вид сверху;
- на фиг. 4 - разрез а-а по фиг. 1;
- на фиг. 5 - разрез б-б по фиг. 4;
- на фиг. 6 - схема взаимного положения реек и зубчатых секторов в исходном положении ведомого элемента;
- на фиг. 7 - пример использования устройства для проведения трибологических испытаний.
Устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное состоит из корпуса 1, в котором смонтирован ведущий элемент, выполненный в виде ведущего вала 2, кинематически связанного с приводом его вращения (не показан) и закрепленной на нем шестерни 3. На валу 2 закреплен зубчатый сектор 4, имеющий возможность зацепления с первой зубчатой рейкой 5. Шестерня 3 находится в постоянном зацеплении с зубчатым колесом 6, установленным на смонтированном в корпусе ведомом валу 7, на котором установлен зубчатый сектор 8, имеющий возможность зацепления с второй зубчатой рейкой 9.
В корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен ведомый элемент 10. В ведомом элементе 10 имеются направляющие пазы, в которых с возможностью настроечного перемещения и фиксации в заданном положении установлены рейки 5 и 9.
Механизм настроечного перемещения каждой рейки 5 и 9 может быть выполнен различным известным образом, например, в виде болтов (14 для рейки 5 и 15 для рейки 9), установленных с возможностью вращения в ведомом элементе 10, резьбовая часть которых ввернута в резьбовые отверстия зубчатых реек 5 и 9.
В заданном (настроенном) положении рейки 5 и 9 фиксируются фиксаторами 11 и 12, выполненными, например, в виде болтов, ввинченных в резьбовые отверстия корпуса 1 и имеющих возможность контакта с зубчатыми рейками для их фиксации.
Ведомый элемент 10 представляет собой пластину с четырьмя осями 13, размещенными в направляющих В корпуса 1.
Весьма важным для работы устройства является исключение ситуации, при которой зубья рейки 5 вступают в зацепление с зубьями зубчатого сектора 4, в то время, как зубчатый сектор 8 не вышел из зацепления с рейкой 9, что может привести к поломке устройства. Для гарантированного исключения этой ситуации число зубьев (К) зубчатых секторов выбирают исходя из следующей зависимости: К=0,5⋅z-2, где z - число зубьев шестерни 5. Число зубьев реек 5 и 9 равно числу зубьев К секторов 4 и 8.
В процессе работы устройства, вследствие действия сил инерции ведомого элемента, зубья зубчатых секторов могут не попасть в пространство между зубьями реек. Для исключения этой ситуации в устройстве предусмотрена возможность торможения ведомого элемента 10 в крайних положениях. Для этого в ведомый элемент 10 вмонтированы подпружиненные шарики 16, которые останавливают перемещение ведомого элемента 10 в крайних положениях, западая в углубления Г, выполненные в корпусе 1 (фиг. 3).
Шестерня 3 и ведомое зубчатое колесо 6 имеют одинаковый модуль и одинаковое четное количество зубьев.
Зубчатые секторы 4 и 8 имеют тот же модуль, что и шестерня 5 и смонтированы так, чтобы угловое расположение их зубьев совпадало (фиг. 6). При вращении ведущего вала 2 зубчатые секторы 4 и 8 вращаются в противоположных направлениях Е и F и поочередно входят в зацепление соответственно с рейками 5 и 9 для обеспечения возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 10, что обеспечивается заданным взаимным положением зубчатых секторов и реек (фиг. 6) при наладке устройства в исходном положении ведомого элемента 10 и установке реек без смещения (фиг. 3).
На фиг. 6 представлено взаимное положение реек 5, 9 и зубчатых секторов 4, 8 при расположении ведомого элемента 10 в исходном положении, т.е. когда зубчатые сектора 4, 8 не находятся в зацеплении с соответствующими рейками.
5-1
5-1
8-1
9-1
При наладке устройства (фиг. 6) зуб С сектора 4 по отношению к вертикальной оси сектора 4, на которой располагается первая впадина Р рейки 5, и зуб С сектора 8 по отношению к вертикальной оси сектора 8, на которой располагается первая впадина Р рейки 9, находятся под углом Ω:, Ω=360⋅:z⋅2, где z - число зубьев шестерни 5.
Для изменения величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента в устройстве предусмотрено смещение реек на заданное расстояние, кратное шагу рейки, при расположении ведомого элемента 10 в исходном положении (фиг. 3).
min
5-к
5-1
5-п
9-1
Минимальная длина хода L ведомого элемента 10 обеспечивается при смещении рейки 5 в направлении ведомого вала до положения, когда последняя впадина Р рейки 5 займет положение впадины Р. Рейка 9 должна быть смещена на тоже расстояние, но в направлении ведущего вала 2. Таким образом при вращении ведущего вала 2 зубчатый сектор 4 будет входить в зацепление только с одним (последним) зубом Р рейки 5 и соответственно зубчатый сектор 8 будет входить в зацепление только с одним (последним) зубом Р рейки 9 (фиг. 6).
min
min
В результате при работе устройства ведомый элемент 10 получит перемещение (L) на один шаг t рейки 9: L=t=m⋅π, где m - модуль рейки.
Для изменения величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 10, производят смещения реек 5 и 9 с помощью болтов 14 и 15 на расстояние, кратное шагу реек и контролируемому по шкалам А и Б на поверхности ведомого элемента 10 (фиг. 3).
min
min
max
Например, для шестерни 5 с количеством зубьев z=16 и модулем m=1 минимальная длина хода (L) ведомого элемента 10: L=m⋅π=3,14 мм, а наибольшая длина хода (L) ведомого элемента обеспечивается при положении реек 5 и 9 в исходном положении, т.е. без смещения:
max
L=m⋅π⋅К=m⋅π⋅(0,5z-2)=18,84 мм.
С увеличением числа зубьев шестерни 3 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 при смещении реек 5 и 9 на один зуб.
В тоже время, так как модуль реек 5 и 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 на один зуб из-за соответствующего уменьшения шага (t) рейки 9: t=m⋅π, где m - модуль рейки 9.
Устройство работает следующим образом.
Работу устройства рассмотрим на примере реализации полезной модели в устройстве для испытания плоских поверхностей на трение двух установленных один на другом образцов при возвратно-поступательном движении, характеризующимся кратковременной остановкой при испытании (фиг. 7).
Для проведения испытаний на плоской поверхности ведомого элемента 10 устройства для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное монтируется оправа S, в которой устанавливается образец (D) с фиксированием его винтом М (фиг. 7). Второй образец (N) свободно помещается в оправе Т, смонтированной на корпусе 1, Образец N располагается испытуемой поверхностью на поверхности первого образца и к образцу N прикладывается необходимая сила нагрузки Р.
Включают привод вращения вала 2.. Вращательный момент с него передается через зубчатое зацепление шестерни 3 и зубчатого колеса 6 на ведомый вал 7 и на закрепленный на валу 7 зубчатый сектор 8. Вращательный момент также передается на закрепленный на валу 2 зубчатый сектор 4, причем секторы 4 и 8 вращаются в противоположных направлениях и поочередно контактируют каждый со своей зубчатой рейкой, сообщая ведомому элементу 10 возвратно-поступательное перемещение, а, следовательно, и относительное перемещение исследуемых образцов.
Для изменения величины хода возвратно-поступательного перемещения ведомого элемента 10, производят смещения реек 5 и 9 с помощью болтов 14 и 15 на расстояние, кратное шагу реек и контролируемому по шкалам А и Б на поверхности ведомого элемента 10 (фиг. 3). Это позволяет удобно и точно выставить рейки в заданное положение.