Стенд для измерения колебаний выходного звена кулачково- зубчато-рычажного механизма

 

Использование: машиностроение, при экспериментальном исследовании динамики кулачково-зубчато-рычажных и зубчато-рычажных механизмов одностороннего прерывистого движения выходного звена. Сущность изобретения: стенд для экспериментального исследования динамики кулачково-зубчато-рычажного механизма состоит из двух механизмов, параллельно расположенных один над другим, имеющих одинаковые длины звеньев, числа зубьев колес и общий ведущий кривошип. Каждый из механизмов содержит шарнирный четырехзвенник, четыре зубчатых колеса, установленных на осях шарниров четырехзвенника, одно из которых связано с кривошипом жестко, а два зубчатых колеса установлены на подвижном шарнире коромысла, пpичем одно из них взаимодействует с колесом, жестко связанным с кривошипом, а другое - с выходным колесом, установленным на неподвижном шарнире коромысла. Один из механизмов дополнительно содержит упругий элемент, установленный с предварительным натягом двухстороннего действия, связывающий между собой два зубчатых колеса, свободно установленных на подвижном шарнире коромысла и имеющих возможность поворота друг относительно друга, и фиксатор, взаимодействующий как с кулачком, установленным на оси вращения кривошипа и жестко с ним связанным, так и с выходным колесом механизма. Зубчатые колеса, установленные на подвижном шарнире коромысла в другом механизме, связаны между собой жестко. 8 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при экспериментальном исследовании кулачково-зубчато-рычажных и зубчато-рычажных механизмов одностороннего прерывистого движения выходного звена.

Известен стенд для экспериментального исследования динамики кулачково-зубчато-рычажного механизма с неподвижным кулачком (рис.1), содержащий базисный шарнирный четырехзвенник, четыре зубчатых колеса и неподвижный кулачок, при этом одно из колес жестко связано с кривошипом [1] Этот стенд принят за прототип. При равномерном вращении кривошипа ведомое колесо совершает одностороннее вращательное движение с теоретически точным выстоем, который обеспечивается соответствующим выбором геометрических параметров и теоретически точным профилем кулачка.

В процессе эксперимента измеряются: момент на ведущем валу, момент на ведомом валу, угловое ускорение, скорость и перемещение ведомого вала, число оборотов ведущего кривошипа. Для сравнения полученных результатов на этом же стенде исследуется зубчато-рычажный механизм с обратным ходом, для чего демонтируется кулачковая пара и заменяется ведущий вал кривошипа.

Однако этот стенд имеет следующие недостатки: так как графическое профилирование и применяемые в производстве методы изготовления кулачков не могут обеспечить достаточной точности, то механизм имеет приближенный выстой, что существенно ограничивает возможности его применения; во-вторых, в процессе эксперимента не рассматривается характер движения выходного колеса основного элемента механизма; в-третьих, механизм с кулачковой парой и зубчато-рычажный механизм рассматриваются независимо друг от друга, а не совместно.

Для устранения указанных недостатков, а именно, для получения точного выстоя выходного звена ранее был предложен кулачково-зубчато-рычажный механизм с точным фиксированным выстоем [2] Задачей данного изобретения является создание стенда, позволяющего проводить измерения колебаний выходного звена механизма в период начала движения после окончания выстоя. Предлагаемый стенд позволяет проводить любые другие необходимые измерения и по сути является стендом для динамического исследования механизма. Указанный стенд состоит из двух механизмов, параллельно расположенных друг над другом, имеющих одинаковые длины звеньев, числа зубьев колес и общий ведущий кривошип. Причем один механизм имеет точный выстой, а другой приближенный и исследуются совместно.

Сущность изобретения заключается в том, что стенд содержит шарнирный четырехзвенник, четыре зубчатых колеса, установленных на осях шарниров четырехзвенника, одно из которых связано с кривошипом жестко, а два зубчатых колеса, жестко связанные между собой, установлены на подвижном шарнире коромысла, причем одно из них взаимодействует с колесом жестко, связанным с кривошипом, а другое с выходным, установленным на неподвижном шарнире коромысла; также стенд дополнительно снабжен вторым механизмом, состоящим из шатуна и коромысла, на осях шарниров которых установлены четырех зубчатых колеса, причем одно из колес жестко связано с кривошипом, который как и стойка является общим для обоих механизмов, а два зубчатых колеса, свободно установленных на подвижном шарнире коромысла и имеющих возможность поворота друг относительно друга, связаны между собой упругим элементом с предварительным натягом двухстороннего действия механизм также содержит фиксатор, установленный с возможностью взаимодействия как с кулачком, установленным на оси вращения кривошипа и жестко с ним связанный, так и с выходным звеном механизма; при этом оба механизма имеют одинаковые длины звеньев, числа зубьев колес и расположены параллельно друг другу.

Технический результат заключается в возможности осуществления оценки колебаний упругого элемента и выходных колес каждого из механизмов. Так при определении колебаний выходного колеса механизма с упругим элементом базой отсчета служит функция положения механизма с приближенным выстоем. При определении угла обратного поворота выходного колеса механизма с приближенным выстоем базой отсчета служит зафиксированное в этот период выходное колесо механизма с упругим элементом. Угол обратного поворота механизма с приближенным выстоем пропорционален ходу упругого элемента механизма с точным выстоем. Поэтому увеличение этого угла, а следовательно и хода, влечет за собой увеличение не только габаритов упругого элемента, но и, как правило, всего механизма в целом.

На чертеже 2 представлена кинематическая схема предлагаемого стенда.

Стенд содержит шарнирный четырехзвенник 0-1-2-3, четыре зубчатых колеса 4, 5, 6 и 7, установленные на осях шарниров четырехзвенника; колесо 4 жестко связано с кривошипом 1, а колеса 5 и 6, свободно установленные на подвижном шарнире коромысла 3, связаны между собой упругим элементом 8 с предварительным натягом двухстороннего действия; фиксатор 9, взаимодействующий с кулачком 10 и с ведомым зубчатым колесом 7. Второй механизм содержит шатун 11, коромысло 12, четыре зубчатых колеса 13, 14, 15 и 16, при- чем колесо 13 жестко связано с кривошипом 1 первого механизма, а колеса 14 и 15, жестко связаны между собой. Колесо 15 взаимодействует с колесом 13, а колесо 14 с выходным звеном колесом 16.

Упругий элемент 8 с предварительным натягом двухстороннего действия представляет собой две пружины не взаимосвязанные между собой. Причем укорочение упругого элемента вызывает сжатие одной пружины, его удлинение - сжатие другой.

Число оборотов ведущего кривошипа варьируется набором сменных шкивов электродвигателя.

Стенд работает следующим образом.

При вращении кривошипа 1 на угле ϕ_1ва (рис. 3), кулачок 10, закрепленный на валу А кривошипа, воздействуя на фиксатор 9, удерживает его в отведенном от колеса 7 состоянии и оно свободно поворачивается на оси Д. При этом окружное усилие, передаваемое зубчатым колесом 6 меньше силы выбранного предварительного натяга упругого элемента 8. Вследствие этого зубчатые колеса 5 и 6, свободно установленные на оси С подвижного шарнира коромысла, движутся как одно звено. Зубчатые колеса 14 и 15, жестко связанные между собой свободно поворачиваются на оси F.

В начале угла выстоя ϕ_1ав, кулачок 10 освобождает фиксатор 9 и последний фиксирует колесо 7 от поворота. При этом момент, передаваемый зубчатыми колесами 5 и 6, обусловливает окружную силу, больше силы предварительного натяга упругого элемента 8, в результате чего начинается относительное движение зубчатых колес 5 и 6, вызывающее изменение длины упругого элемента, что позволяет механизму продолжать движение при остановленном выходном колесе 7. При этом колеса 14 и 15, жестко связанные между собой, свободно поворачиваются на оси F, а выходное колесо 16 совершает некоторый обратный поворот "б" (см. рис. 3), а затем продолжает движение в заданном направлении согласно своей функции положения (см. рис.3). Причем величина "б" пропорциональна ходу упругого элемента 8 первого механизма в период выстоя выходного звена.

В конце угла выстоя (точка "в", см. рис. 3), когда кулачок 10 отводит фиксатор 9, освобождая выходное колесо 7 для продолжения цикла движения, начинаются знакопеременные приращения упругого элемента 8, сопровождаемые колебаниями выходного колеса 7 относительно функции положения колеса 16 механизма без упругого элемента, поскольку колесо 7 начинает движение из состояния покоя и мгновенно его угловая скорость не может оказаться такой же как угловая скорость выходного колеса 16 механизма с приближенным выстоем, которая в этот момент имеет конечную величину (см. рис. 3, функция положения механизма с упругим и без упругого элемента).

Оценка этих колебаний имеет большой практический интерес, поскольку они влияют на быстроходность механизма. Процесс затухания колебаний должен закончиться к моменту начала нового периода выстоя (точка "а", см. рис. 3), т. е. функция положения механизма с упругим элементом должна стать такой же, как у механизма с приближенным выстоем, иначе произойдет рассогласование в движении выходного колеса и фиксатора, т.е. выходное колесо не будет зафиксировано в момент начала выстоя, что приведет к сбою в работе механизма. Поскольку продолжительность затухания колебаний зависит от числа оборотов ведущего кривошипа, то не затухание колебаний к моменту начала нового периода выстоя явится критерием быстроходности.

Для экспериментального исследования указанных колебаний используется осветитель 17 (рис. 5) лампочка и фотодиодный датчик 18. Осветитель 17 устанавливается в отверстии выходного колеса 16 механизма с приближенным выстоем, а фотодиодный датчик 18 в расположенном под ним отверстии колеса 7 механизма с упругим элементом. Осветитель и фотодиодный датчик соединяются с регистрирующей аппаратурой через токосъемники 19. Сигнал от фотодиодного датчика 18 после усиления подается на вход одноканального самописца. Первоначально оба колеса устанавливаются таким образом, чтобы луч от осветителя 17, установленного в колесе 16 попадал на фотодиодный датчик 18 колеса 7. Это делается с помощью специальной регулировки входных колес 4 и 13 (рис. 4) с помощью регулировочного винта 20. Регулировкой фокусировки осветителя 17 размеры луча осветителя достигаются меньше фотомишени датчика 18.

На стадии движения, когда оба выходных колеса 7 и 16 вращаются синхронно (угол ϕ_1ва), освещенность датчика постоянна и на ленте самописца фиксируется прямая линия. В период выстоя (угол ϕ_1ав), когда выходное колесо 16 совершает обратный поворот "б", имеет место рассогласование в движении колес, следовательно изменяется освещенность фотодиодного датчика 18, при этом на ленте самописца фиксируется некоторая величина, пропорциональная углу поворота оного колеса относительно другого (рис. 6, "а").

В период начала движения после окончания выстоя, когда колесо 7 механизма с упругим элементом совершает колебания относительно колеса 16 механизма с приближенным выстоем, также имеет место рассогласование в движении колес в виде колебательного движения, что также фиксируется на ленте самописца (рис. 6, "б").

Измерение приращения длины упругого элемента проводится тензометрическим способом. Измерительный комплект состоит из электронного усилителя, шлейфового осциллографа и блока питания. В качестве первичного преобразователя используются тензодатчики 21, наклеенные на П-образную пластину 22 (рис. 7) и соединенные по мостовой схеме.

П-образная пластина, с наклеенными с двух сторон тензодатчиками, соединенными по мостовой схеме, охватывает с двух сторон подвижные части упругого элемента, в которых для этих целей предусмотрены соответствующие пазы. П-образная пластина крепится к корпусу упругого элемента с помощью хомутов. В период изменения длины упругого элемента возникает напряжение изгиба пластин, а следовательно, разбаланс "моста". Появляется электрический сигнал от датчиков, представляющий собой разность потенциалов, который после усиления подается на осциллограф. На бумаге это отражается в виде кривой, амплитуда которой пропорциональна изменению длины упругого элемента (рис. 8, "а", "б"). Система установки датчиков на упругом элементе в данном случае такова, что один датчик фиксирует только удлинение упругого элемента, а другой укорочение. Соответственно, на осциллограмме прочерчиваются две независимые кривые, в каждой из которых фиксируется чередование паузы и укорочения упругого элемента у одной и паузы и удлинения упругого элемента у другой. Совместив по вертикали уровни пауз этих кривых, можно получить полную картину колебаний упругого элемента.

Система датчиков может быть иной, тогда на ленте фиксируется суммарное движение обоих частей упругого элемента, а не каждой части в отдельности, что сделано в данном конкретном случае.

Таким образом, использование данного изобретения позволяет определить быстроходность кулачково-зубчато-рычажного механизма с точным выстоем путем оценки колебаний выходного колеса механизма и его упругого элемента в момент начала движения после окончания выстоя.

Помимо указанных колебаний на предлагаемом стенде можно провести любые другие измерения, требуемые для каждого конкретного случая и поэтому по существу заявленный стенд является стендом для динамического исследования кулачково-зубчато-рычажного механизма.

Источники информации.

1. Р.В.Векилов, Л.Б.Майсюк "Экспериментальное исследование динамики кулачково-зубчато-рычажного механизма с выстоем", Механика машин, вып. 42, 1973, с.89-95 (прототип).

2. А.с. N 1114833, БИ N 35, 1984 г. Р.В.Вирабов, Т.А.Кострова (Балабина), И.Л. Марков.

Формула изобретения

Стенд для измерения колебаний выходного звена кулачково-зубчато-рычажного механизма, содержащий шарнирный четырехзвенник, четыре зубчатых колеса, первое из которых жестко связано с кривошипом, второе установлено на неподвижном шарнире коромысла, третье и четвертое жестко связаны между собой и установлены на подвижном шарнире коромысла с возможностью взаимодействия одного с первым зубчатым колесом, а другого с вторым зубчатым колесом, отличающийся тем, что он снабжен шарнирно связанным с кривошипом дополнительными шатуном и коромыслом, аналогичным основным, четырьмя дополнительными зубчатыми колесами, аналогичными основным, первое из которых жестко связано с кривошипом, второе установлено на неподвижном шарнире дополнительного коромысла, третье и четвертое установлены на подвижном шарнире коромысла с возможностью поворота относительно друг друга и взаимодействия одного с первым дополнительным зубчатым колесом, а другого с вторым дополнительным зубчатым колесом, упругим элементом двухстороннего действия, связывающим третье и четвертое дополнительные зубчатые колеса и установленным с предварительным натягом, кулачком, жестко связанным с кривошипом, и фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с кулачком и с вторым основным зубчатым колесом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8