ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ШАРНИРНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ МЕХАНИЗМ
SPATIAL HINGED GUIDE MECHANISM

Изобретение относится к машиностроению, а именно к направляющим механизмам для воспроизведения нескольких кривых определенного вида, и может использоваться в качестве привода нескольких инструментов при обработке поверхностей и в качестве скелетной основы для объектов типа, например, машущего крыла, изменяющих свою форму при движении.
Известен пространственный шарнирный прямолинейно направляющий механизм, который используется для воспроизведения чертящей точкой прямой линии [Патент РФ 2075672, МПК6 F16H 21/04. Шарнирный прямолинейно направляющий механизм. / В.И.Доронин (РФ); ДВГАПС (РФ) - №93032912/28, заявл, 23.06.93, опубл. 20.03.97. Бюл. №8]. Этот механизм содержит стойку с шарнирно установленными на ней кривошипом и ведомым звеном (коромыслом), двуплечий шатун с чертящей точкой на свободном конце, другой конец которого шарнирно связан с кривошипом, а средняя точка - с ведомым звеном.
Шарниры, соединяющие кривошип со стойкой и ведомое звено с шатуном, выполнены одноподвижными, причем ось шарнира соединения кривошипа со стойкой параллельна плоскости расположения шатуна и ведомого звена, а ось шарнира соединения ведомого звена с шатуном перпендикулярна плоскости шатуна и ведомого звена. Шарнир соединения кривошипа с шатуном выполнен сферическим. Шарнир соединения ведомого звена со стойкой выполнен двухподвижным и установлен в точке пересечения плоскости вращения кривошипа с прямой, проходящей через чертящую точку шатуна параллельно оси шарнира соединения кривошипа со стойкой. Первая из двух взаимно перпендикулярных осей шарнира соединения ведомого звена со стойкой перпендикулярна плоскости вращения кривошипа, а вторая - плоскости расположения ведомого звена и шатуна.
Длины плеч шатуна равны длине ведомого звена.
Известный механизм образован присоединением к кривошипу и к стойке структурной группы (шатун с ведомым звеном), которая имеет равное нулю число степеней свободы относительно элементов ее внешних шарниров. При этом число степеней свободы всего механизма равно единице.
Благодаря определенному взаимному расположению шарниров структурной группы и определенной ориентации их осей звенья группы всегда расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения кривошипа. Линия пересечения этих плоскостей проходит через центры внешних шарниров группы. У звеньев группы исключена возможность вращения вокруг названной линии пересечения плоскостей. Такое ограничение на возможные перемещения звеньев группы при определении числа ее степеней свободы не учитывается, так как названная линия пересечения плоскостей не имеет фиксированного расположения относительно элементов сферического шарнира соединения кривошипа с шатуном. Группа относится к нулевому семейству. Согласно известным структурным формулам число степеней свободы этой группы относительно элементов своих внешних шарниров равно нулю. [Артоболевский И.И. Теория механизмов. - М.: Наука. 1965. - 776 с.].
Известный пространственный прямолинейно направляющий механизм работает следующим образом. При непрерывном вращении ведущего звена - кривошипа, обеспечивается полная определенность движения шатуна и ведомого звена. При этом благодаря принятому соотношению между длинами звеньев, определенному взаимному расположению всех шарниров и определенной ориентации их осей чертящая точка на свободном конце шатуна перемещается по прямой, совпадающей с первой осью шарнира соединения ведомого звена со стойкой. Продольная ось шатуна совершает несложное движение относительно стойки, промежуточные точки оси описывают замкнутые пространственные кривые.
Обеспечение при непрерывном вращении кривошипа точного воспроизведения чертящей точкой шатуна прямой линии является достоинством известного пространственного шарнирного прямолинейно направляющего механизма.
Недостатком данного механизма является ограниченная возможность воспроизведения чертящими точками шатуна сложных пространственных кривых, что обусловлено сравнительно простым движением продольной оси его шатуна.
Другим недостатком механизма является высокая интенсивность износа контактирующих поверхностей сферического шарнира, обусловленная необходимостью обеспечения трех степеней относительной подвижности соединяемых им звеньев.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пространственный шарнирный направляющий механизм (многократный шарнирный параллелограмм), используемый для воспроизведения сложных замкнутых пространственных кривых с собственными параметрами у каждой кривой [Патент РФ 2331805, МПК F16H 21/46. Многократный шарнирный параллелограмм. / В.И.Доронин (РФ), И.С.Доронин (РФ); ДВГУПС.(РФ). - №2006140010/11, заявл. 13.11.2006, опубл. 20.08.2008. Бюл. №23].
Данный механизм состоит из стойки, кривошипа и, по крайней мере, двух шатунов и двух ведомых звеньев одинаковой длины. При этом кривошип шарнирно соединен со стойкой и первым шатуном, первое ведомое звено - со стойкой и вторым шатуном, второе ведомое звено - с первым шатуном. Звенья в каждой из пар - первый шатун и первое ведомое звено, второй шатун и второе ведомое звено - шарнирно соединены между собой в средних точках.
Шарниры соединений кривошипа со стойкой и шатунов с ведомыми звеньями выполнены одноподвижными. Ось шарнира соединения кривошипа со стойкой параллельна плоскости шатунов и ведомых звеньев. Оси всех шарниров соединения шатунов с ведомыми звеньями перпендикулярны плоскости расположения шатунов и ведомых звеньев. Шарнир соединения кривошипа с первым шатуном выполнен сферическим. Шарнир соединения первого ведомого звена со стойкой установлен в плоскости вращения кривошипа и выполнен двухподвижным, причем первая из его двух взаимно перпендикулярных осей перпендикулярна плоскости вращения кривошипа, вторая - плоскости шатунов и ведомых звеньев.
Длина кривошипа меньше длины стойки, сумма длин этих звеньев меньше длины первого шатуна.
Известный механизм образован последовательным наслоением структурных групп, каждая из которых имеет равное нулю число степеней свободы относительно элементов своих внешних шарниров. Причем первая структурная группа (первый шатун с первым ведомым звеном) относится к группам нулевого семейства, а вторая (второй шатун со вторым ведомым звеном) и последующие структурные группы - к группам третьего семейства. Число степеней свободы всего механизма равно единице.
Известный пространственный шарнирный направляющий механизм работает следующим образом. Вращение кривошипа первым шатуном передается первому ведомому звену, далее через концевые шарниры первого ведомого звена и первого шатуна движение передается второму шатуну и второму ведомому звену.
Выбор в данном механизме шарниров с разной подвижностью и определенной ориентацией их осей в пространстве, а также принятое соотношение длин звеньев обеспечивают при вращении кривошипа расположение одних концевых шарниров всех ведомых звеньев на первой оси двухподвижного шарнира, а расположение противоположных им концевых шарниров ведомых звеньев - на прямой, проходящей через центр сферического шарнира параллельно первой оси двухподвижного шарнира. Это приводит к тому, что при вращении кривошипа плоскость шатунов и ведомых звеньев совершает поворотные колебания одновременно с плоскопараллельным движением шатунов и ведомых звеньев в этой плоскости. В результате сложения двух указанных движений каждая точка шатунов и ведомых звеньев, не лежащая на первой оси двухподвижного шарнира, за один цикл описывает замкнутую пространственную кривую с собственными параметрами у каждой кривой. Геометрическая форма этих кривых усложняется с увеличением порядкового номера шатуна и ведомого звена.
Достоинством известного пространственного шарнирного направляющего механизма является расширение его функциональных возможностей, заключающееся в воспроизведении механизмов нескольких видов сложных пространственных кривых с собственными параметрами у каждой кривой.
Недостатком известного пространственного шарнирного направляющего механизма остается высокая интенсивность износа контактирующих поверхностей сферического шарнира «кривошип - первый шатун», обусловленная необходимостью обеспечения трех степеней относительной подвижности соединяемых им звеньев.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании пространственного шарнирного направляющего механизма с высоким техническим ресурсом за счет низкой интенсивности износа контактирующих поверхностей шарнира «кривошип - первый шатун» благодаря уменьшению числа степеней свободы относительной подвижности соединяемых им звеньев при сохранении у всего механизма одной степени свободы и многообразия воспроизводимых кривых.
Для решения поставленной задачи в пространственном шарнирном направляющем механизме, содержащем стойку, кривошип, по крайней мере, два шатуна и два ведомых звена одинаковой длины, при этом кривошип шарнирно соединен со стойкой и первым шатуном, первое ведомое звено - со стойкой и вторым шатуном, второе ведомое звено - с первым шатуном, звенья в каждой из пар - первый шатун и первое ведомое звено, второй шатун и второе ведомое звено - шарнирно соединены между собой в средних точках, шарниры соединений кривошипа со стойкой и шатунов с ведомыми звеньями выполнены одноподвижными, шарнир соединения первого ведомого звена со стойкой выполнен двухподвижным и установлен в плоскости вращения кривошипа, причем ось шарнира соединения кривошипа со стойкой параллельна плоскости расположения шатунов и ведомых звеньев, оси всех шарниров соединения шатунов с ведомыми звеньями перпендикулярны плоскости шатунов и ведомых звеньев, первая из двух взаимно перпендикулярных осей двухподвижного шарнира перпендикулярна плоскости вращения кривошипа, вторая - плоскости шатунов и ведомых звеньев, а длина ведущего звена меньше длины стойки и сумма длин этих звеньев меньше длины первого шатуна, шарнир соединения кривошипа с первым шатуном в механизме выполнен двухподвижным, причем первая из его двух взаимно перпендикулярных осей перпендикулярна плоскости вращения кривошипа, вторая - плоскости шатунов и ведомых звеньев.
Выполнение в пространственном шарнирном направляющем механизме шарнира соединения кривошипа с первым шатуном двухподвижным с определенной ориентацией его осей отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков соответствует критерию патентоспособности "новизна".
Выполнение шарнира соединения кривошипа с первым шатуном двухподвижным снижает интенсивность износа его контактирующих поверхностей по сравнению с интенсивностью износа соответствующего шарнира прототипа. Это обусловлено уменьшением числа степеней свободы относительной подвижности соединяемых им звеньев. Двухподвижный шарнир обеспечивает возможность вращения первого шатуна относительно кривошипа вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.
Кроме того, у всего механизма сохраняется равное единице число его степеней свободы (W=1). Это является следствием структурных особенностей механизма, первая структурная группа которого относится к группам первого семейства, вторая и последующие структурные группы - к группами третьего семейства.
Принадлежность первой структурной группы заявляемого механизма к 1-му семейству с W=0 обусловлена наложением на звенья группы одной общей связи благодаря фиксированному положению в данной группе линии пересечения плоскости вращения кривошипа с плоскостью шатунов и ведомых звеньев, вокруг которой исключена возможность вращения звеньев группы. При этом фиксированное положение линии пересечения плоскостей обеспечено ее перпендикулярностью осям вращения обоих двухподвижных шарниров группы.
В заявляемом механизме также сохраняется многообразие воспроизводимых кривых, что обусловлено определенным расположением осей вращения двухподвижного шарнира "кривошип - первый шатун", не вызывающим изменений в возможных перемещениях шатунов и ведомых звеньев, с которыми связаны чертящие точки механизма.
Таким образом, за счет уменьшения числа степеней свободы относительной подвижности звеньев, соединяемых шарниром "кривошип - первый шатун", обеспечивается низкая интенсивность износа контактирующих поверхностей этого шарнира при сохранении у всего механизма одной степени свободы (W=1) и многообразии воспроизводимых кривых.
Причинно-следственная связь «выполнение шарнира соединения кривошипа с первым шатуном двухподвижным - снижение интенсивности износа его контактирующих поверхностей» явным образом следует из уровня техники.
Однако причинно-следственная связь «выполнение шарнира соединения кривошипа с первым шатуном двухподвижным - сохранение равного единице числа степеней свободы всего механизма» явным образом не следует из уровня техники.
Наличие неочевидного результата в механизме свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже изображена кинематическая схема заявляемого пространственного шарнирного направляющего механизма в системе координат xyz.
Пространственный шарнирный направляющий механизм содержит стойку 1, ведущее звено - кривошип 2, три шатуна 3, 4, 5 и три ведомых звена 6, 7, 8. Причем шатун 3 с ведомым звеном 6 образуют структурную группу первого семейства, шатун 4 с ведомым звеном 7 и шатун 5 с ведомым звеном 8 - две структурные группы третьего семейства.
Звенья пространственного шарнирного направляющего механизма шарнирно соединены между собой. Кривошип 2 соединен со стойкой 1 одноподвижным шарниром 9 и с первым шатуном 3 двухподвижным шарниром 10. Первое ведомое звено 6 соединено со стойкой 1 двухподвижным шарниром 11 и со вторым шатуном 4 - одноподвижным шарниром 12. Второе ведомое звено 7 соединено с первым шатуном 3 и с третьим шатуном 5 одноподвижными шарнирами 13 и 14 соответственно. Третье ведомое звено 8 соединено со вторым шатуном 4 одноподвижным шарниром 15. Звенья в каждой из пар - первый шатун 3 и первое ведомое звено 6, второй шатун 4 и второе ведомое звено 7, третий шатун 5 и третье ведомое звено 8 - соединены между собой в средних точках одноподвижными шарнирами 16, 17 и 18 соответственно.
Оси одноподвижных шарниров 12-18 перпендикулярны плоскости расположения шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8, а ось одноподвижного шарнира 9 параллельна этой плоскости. Первые оси 19 и 21 двухподвижных шарниров 10 и 11 перпендикулярны плоскости вращения кривошипа 2, вторые оси 20 и 22 этих шарниров перпендикулярны плоскости шатунов и ведомых звеньев. Оси каждого двухподвижного шарнира взаимно перпендикулярны. Точки пересечения осей 19 и 20, 21 и 22 в любом положении механизма лежат на линии пересечения плоскости вращения кривошипа 2 и плоскости шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8.
Длины всех шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 равны между собой. Длина ведущего звена 2 меньше длины стойки 1, а сумма длин этих звеньев меньше длины каждого шатуна.
Первые оси 19 и 21 двухподвижных шарниров 10, 11 при выбранной их ориентации и принятом соотношении длин звеньев всегда лежат в плоскости шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 и сохраняют перпендикулярность прямым, соединяющим попарно центры шарниров 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15.
Такая ориентация осей шарниров 10, 11 и принятые соотношения между длинами звеньев механизма приводит к тому, что линия пересечения плоскости вращения кривошипа 2 с плоскостью шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 проходит через центры шарниров 10 и 11, оставаясь в любом положении механизма перпендикулярной их осям вращения 19, 20 и 21, 22.
Названная линия пересечения плоскостей занимает фиксированное положение относительно элементов внешних шарниров 10 и 11 первой структурной группы заявляемого механизма. При этом исключается возможность вращения звеньев данной группы вокруг названной линии пересечения плоскостей. В теории механизмов такое ограничение на возможные перемещения звеньев группы трактуется как наложение на звенья группы одной общей связи. Как следствие этого, первая структурная группа в заявляемом механизме относится к первому семейству, число ее степеней свободы (W) относительно элементов шарниров 10 и 11 определяется по соответствующей формуле:
5
4
W=5n-4р-3р=5·2-4·1-3·2=0,
5
4
где n - число звеньев группы, p - число одноподвижных шарниров, р - число двухподвижных шарниров группы [Артоболевский И.И. Теория механизмов. - М.: Наука. 1965. - 776 с.].
Благодаря указанным свойствам и известному свойству механизма эллипсографа центры шарниров 13 и 15 при любом положении кривошипа 2 всегда лежат на оси 21 двухподвижного шарнира 11, а центры шарниров 12 и 14 - на оси 19 двухподвижного шарнира 10.
Пространственный шарнирный направляющий механизм работает следующим образом.
Механизм в системе координат xyz располагается так, что начало этой системы координат совпадает с центром двухподвижного шарнира 11, ось х направлена по оси 21 этого шарнира, ось y совпадает со стойкой 1.
В начале цикла кривошип 2 совмещается с осью у, а центр его двухподвижного шарнира 10 находится в точке А. В этом положении кривошипа 2 плоскость шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 совпадает с плоскостью хy, центры шарниров 13 и 15 лежат на оси х, а шарниров 12 и 14 - на прямой АВ, параллельной оси х. При этом шарниры 13 и 15 находятся на минимальных расстояниях от центра двухподвижного шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - на минимальных расстояниях от центра двухподвижного шарнира 10.
При повороте кривошипа 2 вокруг оси шарнира 9 против хода часовой стрелки центр двухподвижного шарнира 10 перемещается по окружности, лежащей в плоскости yz. В первой половине цикла расстояние между центрами двухподвижных шарниров 10 и 11 уменьшается. С поворотом кривошипа 2 плоскость шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 поворачивается вокруг оси 21 двухподвижного шарнира 11 (вокруг оси х) против хода часовой стрелки. Одновременно шатуны 3, 4, 5 и ведомые звенья 6, 7, 8 совершают плоскопараллельное движение в своей плоскости. При этом шарниры 13 и 15 перемешаются по оси х, удаляясь от центра шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - по оси 19 двухподвижного шарнира 10, удаляясь от центра этого шарнира. В момент, когда кривошип 2 займет положение, перпендикулярное прямой, соединяющей центры шарниров 10 и 11, плоскость шатунов и ведомых звеньев повернется вокруг оси х на максимальный угол. Дальнейший поворот вокруг оси х этой плоскости происходит по ходу часовой стрелки. В конце первой половины цикла плоскость шатунов и ведомых звеньев совместится с плоскостью хy, шарниры 13 и 15 удалятся на максимальные расстояния от центра двухподвижного шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - на максимальные расстояния от центра двухподвижного шарнира 10.
Во второй половине цикла расстояние между центрами двухподвижных шарниров 10 и 11 увеличивается, плоскость шатунов и ведомых звеньев продолжает поворот вокруг оси х по ходу часовой стрелки, а шатуны 3, 4, 5 и ведомые звенья 6, 7, 8 совершают движения, противоположные по направлению соответствующим движениям первой половины цикла. В момент, когда кривошип 2 займет положение, перпендикулярное прямой, соединяющей во второй половине цикла центры шарниров 10 и 11, плоскость шатунов и ведомых звеньев повернется вокруг оси х на максимальный угол. Далее эта плоскость поворачивается против хода часовой стрелки. В конце цикла восстанавливается начальное положение всех звеньев механизма.
За один цикл работы пространственного шарнирного направляющего механизма центр каждого из шарниров 12 и 14 описывает замкнутую пространственную кривую на поверхности виртуального кругового цилиндра. Ось этого цилиндра совпадает с осью шарнира 9, а радиус основания равен длине кривошипа 2. Проекции обеих описываемых кривых на плоскость yz совпадают с траекторией центра шарнира 10, а проекции этих кривых на ось виртуального цилиндра соответственно равны смещениям шарниров 13 и 15 вдоль оси х. Каждая промежуточная точка шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 описывает подобную замкнутую пространственную кривую на поверхности соответствующего виртуального цилиндра, ось которого расположена в плоскости хy параллельно оси х.
Использование изобретения уменьшает в 1,5 раза по сравнению с прототипом износ контактирующих поверхностей шарнира соединения кривошипа с первым шатуном, увеличивая технический ресурс пространственного шарнирного направляющего механизма, расширяет функциональные возможности воспроизведения нескольких видов сложных пространственных кривых.