СИММЕТРИЧНЫЙ КРИВОШИПНО-ПОЛЗУННЫЙ МЕХАНИЗМ БОГДАНОВА
BOGDANOV'S SYMMETRICAL SLIDER-CRANK MECHANISM

Изобретение относится к машиностроению, а именно к кривошипно-ползунным прямолинейно-направляющим механизмам с постоянной длиной контура, описанного по концевым точкам составляющих его звеньев, и найдет применение в различных областях техники и, в частности, в рабочих органах строительных, сельскохозяйственных, мелиоративных и других машинах с цепным приводом и переменной шириной захвата.
Известен симметричный кривошипно-ползунный механизм с постоянной длиной контура, содержащий основание с прямолинейной направляющей, два равных по длине кривошипа, связанных с основанием общим шарниром, размещенным на оси направляющей, размещенный в направляющей ползун и связанную с ним общим шарниром первую пару шатунов, равных по длине каждый двум длинам кривошипа, а серединами шарнирно связанных каждый с соответствующим кривошипом, вторую пару равных между собой по длине шатунов, одними концами связанных общим шарниром первой пары шатунов, два равных по длине рычага, шарнирно связанных каждый одним концом с другим концом соответствующего шатуна второй пары, а другим - с кривошипом, расположенным по другую сторону от оси направляющей [SU №1270461 A, МПК F16H 21/00, 21/04, - аналог].
Недостатком этого механизма является то, что его функциональные возможности определяются только одним кинематическим свойством постоянства длины контура по концевым точкам составляющих его звеньев. Это ограничивает технические возможности его применения.
Кроме этого недостатком этого механизма является то, что рабочий диапазон механизма по углу поворота ведущего звена - кривошипа, в котором проявляется свойство постоянства длины контура по концевым точкам составляющих его звеньев, не превышает 35°…40°.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является симметричный кривошипно-ползунный механизм, содержащий основание с прямолинейной направляющей, два равных по длине кривошипа, связанных с основанием общим шарниром, размещенным на оси направляющей, размещенный в направляющей ползун и связанную с ним общим шарниром первую пару шатунов, равных по длине каждый двум длинам кривошипа, а серединами шарнирно связанных каждый с соответствующим кривошипом, вторую пару равных между собой по длине шатунов, одними концами связанных общим шарниром первой пары шатунов, два равных между собой по длине рычага, шарнирно связанных каждый одним концом с другим концом соответствующего шатуна второй пары, а другим - с кривошипом, расположенным по другую сторону от оси направляющей, два прямолинейных стержня одинаковой длины, жестко связанных с другими концами соответствующих шатунов второй пары и являющимися их продолжениями. [SU №1460478 A2, МПК F16H 21/00, - прототип].
Механизм имеет более широкий по углу поворота кривошипа рабочий диапазон постоянства длины контура по концевым точкам составляющих его звеньев.
Недостатком этого механизма является то, что его функциональные возможности определяются одним кинематическим свойством - постоянство длины контура по концевым точкам составляющих его звеньев. Это ограничивает технические возможности его применения. Технологические параметры и функциональные возможности различных машин и устройств существенно расширяются при использовании в их конструкции механизмов с двумя и более кинематическими свойствами.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей механизма. Кроме этого синтез компактного механизма, обеспечивающего компактные кинематические связи с другими механизмами и системами машин.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи - расширение функциональных возможностей механизма путем сочетания в одном механизме двух кинематических свойств, что существенно расширяет технические возможности его применения.
Техническая задача решается тем, что в симметричном кривошипно-ползунном механизме, содержащим основание с прямолинейной направляющей, два равных по длине кривошипа, связанных с основанием общим шарниром, размещенным на оси направляющей, размещенный в направляющей ползун и связанную с ним общим шарниром первую пару шатунов, равных по длине каждый двум длинам кривошипа, а серединами шарнирно связанных каждый с соответствующим кривошипом, вторую пару равных между собой по длине шатунов, одними концами связанных общим шарниром первой пары шатунов и ползуна, два равных между собой по длине рычага, шарнирно связанных каждый одним концом с соответствующим шатуном второй пары, а другим - с кривошипом, расположенным по другую сторону от оси направляющей; механизм дополнен двумя симметричными равными между собой по длине шатунами третьей пары, связанными шарнирно каждый одним концом с другим концом соответствующего шатуна из первой пары, двумя симметричными равными каждый длине кривошипа шатунами четвертой пары, связанными шарнирно каждый одним концом с другим концом соответствующего шатуна из третьей пары, двумя симметричными равными между собой по длине шатунами пятой пары, связанными шарнирно каждый одним концом с другим концом соответствующего шатуна из четвертой пары, другим концом жестко связаны каждый со своим шарниром, размещенным в общем шарнире связи соответствующего кривошипа с серединой шатуна из первой пары так, что соответствующие шатуны из третьей, четвертой, пятой пары с половинами шатунов из первой пары образуют антипараллелограммы, при этом шатуны третьей пары образуют звенья механизма с прямолинейно-поступательным движением по горизонтальной оси и не выступают за пределы контура механизма, образованного концевыми точками составляющих его звеньев, который также дополнен двумя симметричными вертикальными равными между собой по длине консольными стержнями, жестко связанными каждый с соответствующим шарниром другого конца шатуна из пятой пары, двумя парами симметричных равных между собой по длине звеньев, связанных одними концами каждая пара между собой шарнирами, через которые проходят консольные стержни и скользят в них, а другими концами связаны шарнирами с соответствующими кривошипами и первыми шатунами так, что образуют с ними два симметричных ромба.
Сущность изобретения заключается в том, что механизм с постоянной длиной контура дополнен симметричными шатунами из третьей, четвертой и пятой пары, которые с половинами шатунов из первой пары соединены шарнирно в антипараллелограммы. По свойству антипараллелограмма шатуны из третьей и пятой пары всегда параллельны между собой. При этом одни концы шатунов из третьей пары, связанные шарнирно каждый с другим концом соответствующего шатуна из первой пары, перемещающегося точно по оси X, будут также перемещаться по оси X.
Однако, если не удерживать шатуны из третьей и пятой пары, то они будут принимать неопределенное положение. Чтобы третьи шатуны принимали горизонтальное положение или под заданным углом и проявляли свойство поступательного звена, движущегося прямолинейно-поступательно по оси X, введены дополнительно вспомогательные звенья, образующие ромб, посредством которого удерживаются шатуны из третьей пары в горизонтальном или под заданным углом положении и образуют звенья механизма с прямолинейно-поступательным движением.
Для этого механизм дополнен двумя симметричными вертикальными консольными стержнями, каждый из которых жестко связан с соответствующим шарниром другого конца из пятой пары шатунов, двумя симметричными одинаковой длины звеньями, связанными одними концами между собой шарнирами, через которые проходят консольные стержни и скользят в них, а другими концами связаны шарнирами с соответствующими кривошипами и первыми шатунами так, что образуют с ними два симметричных ромба. Ромб, как геометрическая фигура, по диагонали которого размещен стержень, скользящий в шарнире соединения звеньев, позволяет удерживать стержни точно вертикально и одновременно шатуны из пятой пары - горизонтально или под заданным углом, так как они жестко связаны с одним и тем же шарниром. Шатуны из третьей пары, по свойствам ромба и антипараллелограмма будут удерживаться параллельно шатунам из пятой пары и вместе с концевой точкой первого шатуна будут перемещаться точно прямолинейно-поступательно по оси X.
Третьи шатуны, как поступательные звенья, не выступают за пределы контура механизма, образованного концевыми точками составляющих его звеньев, и поэтому не нарушают свойство постоянства длины его контура. Кроме этого полученный механизм с двумя кинематическими свойствами обладает высокой компактностью и обеспечит компактную связь с другими механизмами и системами машин.
В новой совокупности признаков возникает новое техническое свойство механизма с постоянной длиной контура - кинематическое свойство механизма со звеном, движущимся прямолинейно-поступательно, которое не выступает за контур механизма, образованного концевыми точками составляющих его звеньев.
Рассмотренные признаки являются достаточными для достижения заявляемого технического результата.
Заявляемое изобретение поясняется графическим материалом:
- на фиг. представлена кинематическая схема механизма с постоянной длиной контура и с поступательным звеном.
Механизм содержит основание 1 с прямолинейной направляющей 2, установленные на основании 1 два кривошипа 3 равной длины, общий шарнир A которых размещен на продольной вертикальной оси направляющей 2, в которой установлен ползун 4. Общим шарниром D с ползуном 4 связана одними концами первая пара шатунов 5, длина каждого из которых равна двум длинам кривошипа 3, и вторая пара шатунов 6, по длине равных друг другу. Шатуны 5 из первой пары своими серединами шарнирами B и B′ связаны каждый с соответствующим кривошипом 3, а шатуны 6 из второй пары другими концами шарнирами N и N′ связаны каждый с соответствующим рычагом 7, которые, в свою очередь, шарнирами M и M′ другими концами связаны каждый с соответствующим кривошипом 3. С другим концом шатуна 5 одним концом шарниром C связан третий шатун 8, с другим концом которого шарниром E связан одним концом четвертый шатун 9, который равен длине кривошипа 3 и связан другим концом шарниром S с одним концом расположенного горизонтально или под углом пятого шатуна 10, который равен длине третьего шатуна 8 и другим концом жестко связан со своим шарниром K, размещенным в шарнире B связи соответствующего кривошипа 3 с серединой шатуна 5 из первой пары. Соответствующие шатуны из третьей 8, четвертой 9, пятой 10 пары и половины шатунов 5 из первой пары образуют антипараллелограмм KSEC.
С шарнирами K пятых шатунов 5 жестко связаны вертикальные консольные стержни 11, по которым скользят шарниры F и F′, связывающие одинаковой длины звенья 12, 13, другие концы которых связаны шарнирами M и P, соответственно, с кривошипом 3 и первым шатуном 5 так, что образуют с ними ромб FMBP.
Механизм работает следующим образом.
При повороте кривошипов 3 на угол φ от оси симметрии шатуны 5 и 6 совершают сложное движение. При этом концы шатунов 5 и 6, связанные шарниром D, вместе с ползуном 4 совершают прямолинейное однонаправленное движение по оси симметрии DA, а концы C и C′ шатунов 5 совершают прямолинейное разнонаправленное движение по оси X, перпендикулярной оси DA.
Из чертежа следует, что длина контура механизма по точкам ACLDL′C′A постоянна, если в процессе поворота кривошипа 3 на угол φ сумма перемещения Xc точки C шатуна 5 по оси X и расстояния CL между концевыми точками шатунов 5 и 6 постоянна. Это условие выражается функцией цели:
где Xc - абсцисса концевой точки C шатуна 5;
L
X - абсцисса концевой точки L шатуна 6;
L
Y - ордината концевой точки L шатуна 6.
После математических преобразований это выражение можно представить в виде
где φ - угол поворота кривошипов 3;
α - угол между вторым шатуном 6 и осью Y;
b - длина шатунов 6.
Угол α геометрически связан с переменными звеньями и углом φ следующим выражением:
1
где m - расстояние от шарнира A до шарнира M на кривошипе 3;
2
m - расстояние от шарнира D до шарнира N на шатуне 6;
c - длина рычага 7.
В диапазоне практически значимого угла поворота φ=60° ведущего звена - кривошипа 3 от 15° до 75° изменение длины контура механизма ACLDL′C′A не превышает 0.3%.
При повороте кривошипа 3 на угол φ от продольной вертикальной оси направляющей 2 (оси Y) ползун 4 перемещается по направляющей 2, а шарнир C первого шатуна 5 (и третьего шатуна 8) в силу равенства длины шатуна 5 удвоенной длине кривошипа 3 движется точно по оси X. Звенья 12 и 13 ромба FMBP перемещают шарнир F по консольному стержню 11, жестко связанному с шарниром пятого шатуна 10 и удерживают стержень 11 в вертикальном положении, а шатун 10 точно в горизонтальном положении или под заданным углом. Вместе с шатуном 5 будет иметь такое же положение и третий шатун 8, входящий в антипараллелограмм KSEC.
Таким образом, симметричные третьи шатуны 8, как поступательные звенья в механизме с постоянной длиной контура, будут двигаться разнонаправленно точно прямолинейно-поступательно по оси X и не выступать за пределы контура, что не нарушает кинематическое свойство - постоянство длины контура и обеспечивается высокая компактность механизма с двумя кинематическими свойствами.
Технологические параметры и функциональные возможности различных машин и устройств расширяются при выполнении, например, их остова (рамы) в виде регулируемых переменной конфигурации конструкций, представляющих механизм с двумя кинематическими свойствами - с постоянной длиной контура и с поступательными звеньями. Такой механизм найдет применение, например, в рабочих органах машин с цепным приводом и переменной шириной захвата, а дополнительно поступательные звенья этого же механизма с встречно-направленным движением позволят, например, закреплять к ним различные другие рабочие органы, подвижные концевые опоры для придания устойчивости устройствам, копиры для контроля ширины захвата и направляющие элементы таких устройств.