Шарнирно-рычажный механизм с регулируемой длиной звеньев
ARTICULATION LINKAGE WITH ADJUSTABLE LENGTH OF LINKS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирно-рычажным механизмам с регулируемыми звеньями, и может быть использовано, например, в машинах-автоматах.
Известны четырехзвенные шарнирно-рычажные механизмы, содержащие стойку, ведущий кривошип и ведомое коромысло с заданными углами поворота, шарнирно соединенные шатуном, любая точка которого описывает заранее заданную шатунную кривую, а точки кривошипа и коромысла - заданные траектории движения /см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 1, M., 1970, с. 325, рис. 539 и рис. 540 [1, 2]/.
Недостатками известных устройств является отсутствие возможности регулировки длин звеньев и, соответственно, траекторий движения точек кривошипа и коромысла, шатунных кривых и законов движения звеньев.
Известны также шарнирно-рычажные механизмы с регулировкой длины звеньев, осуществляемой либо кинематически связанных с шатуном эксцентриков с роликами /см. Кожевников С.П. и др. Механизмы. "Машиностроение", 1965, с. 333, рис. 459 [3]/, либо с помощью винтовой передачи, перемещающей ползун вдоль кулисы с изменением угла размаха коромысла /см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 1970, с. 329, рис. 547 [4], либо путем выполнения на концах звеньев прямолинейных прорезей с подвижными шарнирами, фиксируемыми в различных положениях зажимными винтами /см. Артоболевский И.И., Механизмы в современной технике, т. 1, М., 1970, стр. 329, рис. 548 [5]/.
Известен также ряд шарнирно-рычажных механизмов, обеспечивающих возможность регулировки непосредственно в процессе работы длины либо ведущих вращающихся кривошипов /см., например, а.с. СССР №443216, кл. F16Н, 21/28, 1974 [6]; а.с. СССР №445784, кл. F16Н 21/28, 1975 [7]; а.с. СССР №920303, кл. F16Н 21/20, 1980 [8]; Ф.Д. Джонс и Х.Л. Лортон. Механизмы автоматического действия, М., 1961 [9]/, либо ведомого поворотного коромысла /см. а.с. СССР №597483, кл. F16Н 21/20 [10]/, либо связывающего ведущее и ведомое звенья шатуна /см. а.с. СССР №1113610, кл. F16H 21/20, 1981 [11]; а.с. СССР №700726, кл. F16Н 21/20, 1978 [12]; а.с. СССР №1362883, кл. F16Н 21/20, 1986 [13]/.
Недостатками всех известных механизмов является предельная сложность приспособлений для регулировки длин звеньев и трудоемкость процесса регулировки при полном отсутствии автоматизации процесса. Это объясняется использованием в них, например, управляющего планетарного механизма /см. [6]/, системы эксцентриков с камерами, подключаемыми к гидросистеме /cм. [7]/, специального двигателя с поступательным перемещением винта, взаимодействующего с гайками посредством не самотормозящей шайбы /[8]/, эксцентриковой втулки, установленной на кривошипном пальце с возможностью поворота при помощи тяги и гайки /[9]/, реечной передачи, установленной в направляющей и связанной с зубчатыми колесами /[10]/, зубчатых передач с коническими колесами, цилиндрами и штоками, образующими винтовые пары, /[10], [11]/, специальной системы в виде кулисы с ползуном, размещенных на шатуне, и блока с охватывающим его гибким элементом /см. [13]/. Кроме того, известные механизмы обеспечивают ограниченный характер регулировки одного из звеньев, не позволяя осуществлять универсальную регулировку всех звеньев для получения любых заданных кинематических характеристик.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является четырехзвенный шарнирно-рычажный механизм с регулируемой длиной звеньев, содержащий размещенные на основании с возможностью поворота кривошип и коромысло, шарнирно связанные между собой посредством шатуна, и снабженный узлом регулировки длины коромысла, изменяющим угол его размаха и включающим установленный с помощью винта в размещенной на коромысле кулисе ползун, имеющий возможность перемещения относительно кулисы /см. [4]/, и принятый за прототип.
Недостатками устройства-прототипа является возможность регулировки длины звеньев только после прекращения работы механизма, трудоемкость процесса регулировки при полном отсутствии его автоматизации, невозможность обеспечения универсальной регулировки всех звеньев механизма, обеспечивающей получение с высокой точностью заданных траекторий движения точек кривошипа, коромысла и шатунных кривых.
Сущность изобретения заключается в создании сравнительно простой конструкции, обеспечивающей возможность осуществления автоматизированного процесса регулировки длин всех звеньев механизма непосредственно в процессе его работы с одновременным достижением высокой точности регулировки и ее широких вариативных возможностей за счет использования элементов со специфическими физическими свойствами.
Технический результат - обеспечение возможности универсальной автоматизированной регулировки длин звеньев шарнирно-рычажного механизма без прекращения его работы.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном шарнирно-рычажном механизме с регулируемой длиной звеньев, содержащем размещенные на основании с возможностью поворота кривошип и коромысло, шарнирно связанные между собой посредством шатуна и снабженные узлами регулировки их длины, включающими размещенный на соответствующем звене и установленный в прорези прямолинейной кулисы ползун, особенность заключается в том, что в узлах регулировки, размещенных на кривошипе и коромысле, прорезь кулисы каждого из этих звеньев выполнена с максимально возможным приближением ее конца к зоне шарнирного крепления звена; а ползун установлен на свободном торце размешенной в прорези термобиметаллической винтовой пружины растяжения, прикрепленной другим торцом к вышеуказанному концу прорези, при этом на основании в зонах шарнирного крепления звеньев установлены нагревательные элементы, подключенные к источникам регулируемого электрического сигнала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично на виде сбоку показан предлагаемый механизм в промежуточном положении кривошипа при одном из вариантов регулировки /положений ползунов относительно кулис/; на фиг. 2 - механизм в том же промежуточном положении кривошипа, при другом варианте регулировки; на фиг. 3 - вид А на механизм на фиг. 1 с местным продольным разрезом /увеличено и повернуто по часовой стрелке на угол 90°/.
Предлагаемый шарнирно-рычажный механизм с регулируемой длиной звеньев содержит размещенные на неподвижном основании 1 кривошип 2 и коромысло 3, имеющие возможность поворота, соответственно, вокруг шарниров 4 и 5, шарнирно связанные между собой посредством шатуна 6 и снабженные узлами регулировки их длины. Последние включают размещенные, соответственно, на стальных кривошипе 2 и коромысле 3 ползуны 7, 8, установленные в прорезях 9, 10 прямолинейных кулис 11, 12 и снабженные шарнирами 13, 14 для подвижного крепления к ползунам 7, 8 шатуна 6. При этом прорези 9, 10 кулис 11, 12 кривошипа 2 и коромысла 3 выполнены с максимально возможным приближением их обращенных к основанию 1 концов к зоне шарнирного крепления 4, 5 звеньев 2 и 3 к данному основанию 1. Ползуны 7, 8 установлены с жесткой фиксацией на свободных торцах размещенных в прорезях 9, 10 термобиметаллических винтовых пружин растяжения 15, 16, прикрепленных другими торцами к вышеуказанным концам прорезей 9, 10, обращенных к основанию 1. При этом на основании 1 рядом с участками запрессовки в него внутренних утолщенных участков 17 ступенчатых цилиндрических шарниров 4, 5 в специальных углублениях 18 установлены нагревательные элементы 19, подключенные к выходам источника 20 регулируемого электрического сигнала /на рисунках позициями 17, 18 и 19 показан узел установки шарнира 5 и нагревательного элемента 19 только для коромысла 3, для кривошипа 2 данные конструкции абсолютно идентичны/. Конструкции миниатюрных нагревательных элементов, включающих размещенные в специальных корпусах с отверстиями проволочные спирали, общеизвестны /см., например, Г. Витглеб "Датчики", М., "Мир", 1989, стр. 92, 102-104 [13]/. Вместо двух отдельных источников электрического сигнала 20 для обоих нагревательных элементов 19 кривошипа 2 и коромысла 3 в устройстве использован один универсальный источник 20 с двумя независимыми и отдельно регулируемыми по амплитудам выходных напряжений выходами. Необходимо отдельно кратко остановиться на нагревательном элементе 19. Заявителем рассматривались /прорабатывались/ варианты с одним кольцевым элементом 19, охватывающим участок 17 шарнира 5 с кольцевой щелью в корпусе элемента, а также нескольких распределенных по кольцу точечных элементов 19. Однако это серьезно усложняет конструкцию без значительного повышения эффективности. Более целесообразно использовать один точечный нагревательный элемент 19, размещенный как можно ближе к оси шарниров 4, 5, как это и сделано в предложенной конструкции. При этом независимо от углов поворота звеньев 2 и 3 постоянно прогревается участок стальных звеньев 2, 3 в местах крепления пружин 15, 16 к концам прорезей 9, 10, обращенных к основанию 1, а соответственно, и сами пружины 15, 16. Особенно это эффективно при качании коромысла 3 с углом размаха в пределах 30-40°, когда зона крепления пружин 15, 16 к кулисам 11, 12 все время не выходит из зоны расположения нагревательного элемента 19. Конечно, можно осуществлять нагрев пружин 15, 16 непосредственно подачей в них тока от источника 20, однако этот вариант связан с использованием контактирующих с поворотными звеньями 2, 3 гибких токоподводящих элементов, что при значительных углах поворота снижает надежность механизма. Как показала практика, прямой точечный нагрев пружин 15, 16 непосредственно от нагревательного элемента 19, реализованный в предлагаемом устройстве, является оптимальным вариантом.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
На фиг. 1 показан механизм в промежуточном положении кривошипа 2 с определенным углом поворота и в соответствующих ему положениях коромысла 3 и шатуна 6 при одном из вариантов регулировки рабочих длин звеньев 2 и 3. Эти положения звеньев, а соответственно, траектории движения точек коромысла 3 и шатунные кривые определяются длиной пружин 15, 16, достигнутых при регулировке в данном варианте. На нагревательный элемент 19 пружины 15 с одного из выхода источника 20 подается меньший сигнал, чем на нагревательный элемент 19 пружины 16 с другого выхода источника 20. Соответственно, нагрев пружины 15 кривошипа 2 и ее рабочая длина меньше, чем у пружины 16 коромысла 3. С учетом конкретных параметров нагревательных элементов 19 /зависимости температуры на выходе от амплитуды напряжения на входе/, а также параметров термобиметаллических пружин 15, 16 /зависимость рабочей длины от температуры нагрева/ каждый из двух выходов универсального источника сигнала 20 с регулируемой амплитудой выходного напряжения проградуирован непосредственно в длинах пружин 15, 16. В свою очередь, каждое заданное сочетание длин пружин 15, 16 характеризует собой новый вариант регулировки механизма. На фиг. 2 показан другой вариант регулировки механизма с другими длинами пружин 15, 16. Причем, специально, новый вариант показан для того же промежуточного положения кривошипа 2, что и на фиг. 1, чтобы более объективно оценить эффект регулировки. Как видно из рисунков, подаваемый на нагревательный элемент 190  кривошипа 2 сигнал уменьшился, а на нагревательный элемент коромысла 3 - увеличился, соответственно термобиметаллическая пружина 16 удлинилась сильно, а удлинение пружины 15 уменьшилось. В итоге коромысло 3 приняло несколько новое угловое положение, а шатун 6 - качественно новое плоское состояние. Очевидно, что после такой регулировки принципиально изменились траектории и законы движения всех точек коромысла 3, а также шатунные кривые шатуна 6.
По мнению заявителя, предлагаемое устройство характеризуется простотой конструкции и процесса осуществления регулировки с автоматизацией данного процесса, причем регулировка может быть осуществлена непосредственно в процессе работы механизма и носит практически универсальный характер. Это достигается тем, что совместные вариации длин кривошипа и коромысла позволяют реализовать множество различных требуемых вариантов кинематических характеристик механизмов.