Механизм (варианты)

 

Механизм предназначен для использования в машинах и устройствах, применяющих в узлах прямолинейное движение. Механизм содержит стойку, колесо, звено, водило, сателлит. Сателлит кинематически связан с водилом передаточным отношением U_нд, равным числу, взятому из промежутка - 1 ≅ U_нд < 0. Звено связано не менее чем с двумя шарнирами, одним из которых является шарнир, связанный с сателлитом. При вращении водила точки звена описывают траектории движения в виде многоугольника с закругленными углами. Механизм позволяет получать прямолинейные участки в разного вида траекториях выходного звена, тем самым расширяя арсенал технических средств механизмов, осуществляющих прямолинейное движение. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 27 ил., 7 табл.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к механизмам для осуществления прямолинейного движения, и может быть использовано в движителях /в шагающих колесах с возможностью трансформации в колесо качения, в качестве гребных колес, в приводах вращения гидроагрегатов/, в приборостроении, возможно, в станкостроении и вполне пригодно в устройстве аттракционов, например, карусель со сложным движением сидения.

Известен механизм из книги И.И.Артоболевского. Механизмы в современной технике, М. Наука, 1973, сх. 235, стр. 206, содержащий стойку, колесо, водило, сателлит и шарнирно связанное с ним звено, при этом передаточное отношение между водилом и сателлитом выбрано равным - 1.

Недостатком указанного механизма является возможность получения прямолинейного участка только в одном виде траектории, что ограничивает область его применения.

Целью изобретения является расширение области применения путем получения прямолинейных участков в разного вида траекториях движения выходного звена, а также расширение арсенала технических средств механизмов, осуществляющих прямолинейное движение.

Указанная цель достигается тем, что механизм, осуществляющий прямолинейное движение, содержащий стойку, колесо, водило, сателлит, связанный со звеном, кинематически связан с водилом определенным передаточным отношением, где кинематическая связь водила с сателлитом осуществлена с передаточным отношением U_нq, равным числу, взятому из числового промежутка - 1 ≅ U_нq < 0, которая осуществлена либо посредством симметричной установки на водиле двух пар /в случае необходимости повышения жесткости в вариантах может быть использовано и более двух пар сателлитов, которые могут быть установлены и несимметрично/ двух последовательно соединенных сателлитов, из которых один соединен внешним зубчатым зацеплением с неподвижным колесом /однако колесо может быть установлено и с возможностью поворота, например упруго, - объяснено ниже/, а второй через неподвижно /упруго/ закрепленный на нем кривошип со звеном механизма шарнирно, либо посредством установки на водиле двух последовательно соединенных сателлитов, из которых первый соединен внешним зацеплением с неподвижным колесом, а второй - с установленным на нем кривошипом, шарнирно связанным со звеном, который связан шарнирно как минимум со вторым кривошипом, поворотно установленным в стойке, либо посредством установки на водиле не менее двух сателлитов, входящих во внутреннее зацепление с неподвижным колесом и входящих в шарнирную связь со звеном, либо посредством установки на водиле сателлита, входящего во внутреннее зацепление с колесом и несущего на себе кривошип /кривошип на сателлите при необходимости может быть установлен неподвижно или через упругую связь, например, при использовании механизма в качестве шагающего колеса, в целях обеспечения равномерного движения или амортизации башмака колеса в зоне контакта его с опорной поверхностью грунта/, связанный шарнирно со звеном, находящимся в шарнирном соединении с кривошипом, поворотно установленным соосно оси неподвижного колеса.

либо посредством установки на водиле сателлита, входящего во внутреннее зацепление с неподвижным колесом и в шарнирную связь со звеном, который связан с шарниром, подвижно установленным в замкнутую направляющую стойки, либо посредством двух пар, симметрично расположенных на водиле, скрепленных между собой сателлитов, из которых первый входит во внешнее зацепление с неподвижным колесом, а второй с поворотно установленной на водиле шестерней, входящей в шарнирную связь со звеном /часть фигуры этого варианта использована из литературы, см. И.И.Артоболевский. Механизмы в современной технике, М. Наука, 1973, с. 208, сх. 239, поэтому фигура этого варианта не приведена в материалах заявки, либо посредством шарнирного соединения звена не менее чем с двумя кривошипами, один из которых образован осью вращения сателлита и шарниром, связывающим звено, при этом на свободном конце звена поворотно установлено выходное звено, которое снабжено дополнительно шарниром, установленным со смещением от оси вращения первого шарнира, связанным с тягой, которая свободным концом шарнирно связана с "блоком тяг", ось вращения которого установлена с возможностью движения путем подвижной установки его оси в прямолинейную направляющую, а также механизм снабжен устройством для фиксации колеса относительно стойки или относительно оси водила и устройством для фиксации оси "блока тяг" соосно оси вращения водила или эксцентрично ее.

Поскольку в вариантах звено фактически установлено на двух кривошипах, то у двухкривошипного механизма противоположные звенья могут быть и неравными, то есть второй кривошип может быть параллельным или непараллельным, а также при необходимости может быть установлено и на трех кривошипах, причем не всегда на симметрично расположенных.

Здесь приведена малая часть разных возможных вариантов реализации технического решения.

Указанный технический результат в решении первого варианта достигается в совокупности следующих существенных признаков: 1. Стойка - общий с прототипом признак; 2. Колесо - общий; 3. Водило - общий; 4. Сателлит - общий;
5. Сателлит связан внешним зацеплением с колесом через паразитную шестерню - отличительный от прототипа признак;
6. Сателлит связан с кривошипом - признак можно отнести к общему признаку;
7. Сателлит связан со звеном шарнирно - общий;
8. На водиле установлены две пары сателлитов - отличительный;
9. Звено установлено шарнирно на двух кривошипах - отличительный признак;
10. Водило с сателлитом кинематически связано с передаточным отношением U_нq равным числу, взятому из числового промежутка -1 ≅ U_нq < 0.

В совокупности признаков данного варианта присутствуют существенные отличительные от прототипа признаки 5, 8, 9, 10, которые позволяют получить указанный технический результат.

В решении второго варианта кроме признаков 1 - 7, 9, 10 имеются еще нижеперечисленные существенные признаки 11, 12, которые в совокупности с несущественными признаками позволяют получать указанный в цели технический результат:
11. Механизм снабжен вторым кривошипом - отличительный;
12. Ось вращения второго кривошипа установлена соосно оси колеса - отличительный.

В решении третьего варианта кроме признаков 1 4, 7, 9, 10 варианта 1 присутствуют признаки:
13. Cателлит связан с колесом внутренним зацеплением - общий;
14. Hа водиле симметрично установлены два сателлита - отличительный.

Совокупность перечисленных признаков, из которых признаки 9, 10 и 14 отличительные, позволяют достичь указанный технический результат.

В решении четвертого варианта присутствуют признаки 1 - 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, из которых признаки 9, 10, 12 существенные отличительные.

В решении пятого варианта присутствуют признаки:
15. Mеханизм снабжен пазом, выполненным в виде окружности - отличительный признак;
16. Звено связано с шарниром, перемещающимся в пазу стойки - отличительный признак.

Перечисленные признаки также позволяют получить указанный технический результат.

Для седьмого варианта прототипом выбрали тот же механизм, что и для вариантов 1 - 5. Этот вариант показывает устройство, использующее механизмы, приведенные в вариантах 1 - 5, поэтому в этом варианте возможно присутствие вышеприведенных отличительных существенных признаков 5, 8 - 12, 14 в разном их сочетании, а также признаки:
17. Выходное звено снабжено вторым шарниром - отличительный;
18. Второй шарнир установлен на звене со смещением от первого - отличительный;
19. Выходное звено связано с тягой посредством второго шарнира - отличительный;
20. Тяга связана поворотно с "блоком тяг" - отличительный;
21. Ось поворота "блока тяг" установлена подвижно в прямолинейную направляющую - отличительный;
22. Механизм снабжен устройством для фиксации колеса относительно стойки или относительно оси водила и устройством для фиксации оси "блока тяг" соосно оси вращения водила или эксцентрично ее - отличительный.

В решении седьмого варианта присутствие указанных отличительных существенных признаков позволяет использовать механизм в качестве движителя.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты кинематических схем механизма для аналитического определения траектории движения точки звена; на фиг. 3 - 12 приведены варианты кинематических схем с траекториями движения точек звена; на фиг. 13 изображена кинематическая схема механизма с U_нq = -1/5 с шестью выходными звеньями; на фиг. 14 изображен механизм с U_нq = - 1/4 с шестью выходными звеньями, пригодный для выполнения шагающего колеса с минимальными вертикальными колебаниями; на фиг. 15 изображена кинематическая схема механизма шагающего колеса с возможностью трансформации в колесо качения; на фиг. 16 и 17 изображен механизм трансформации шагающего колеса в колесо качения; на фиг. 18 - 27 приведены кинематические схемы фиг. 3 - 12 с траекториями движения выходных элементов, полученными аналитическим путем.

Механизм варианта I содержит стойку 1, к которой закреплено колесо 2, водило 3. На водиле 3 установлена пара последовательно сцепленных сателлитов 4 и 5, один из которых входит во внешнее зацепление с колесом 2. С сателлитом 5 неподвижно /упруго/ связан кривошип 6, который входит в шарнирную связь со звеном 7, установленным шарнирно на кривошипе 8, ось вращения которого установлена соосно оси колеса 2.

Работа механизма варианта I объясняется следующим образом.

При повороте водила 3/H/ на некоторый угол α с угловой скоростью ω_н, сателлит 5(q), перекатываясь внутри колеса 2, поворачивается с обратной угловой скоростью -ω_q на угол β, величина которого определяется выражением

а передаточное отношение между водилом и сателлитом определяется выражением

В результате вращения сателлита 5 приводится во вращение кривошип 6, шарнир которого, связанный со звеном 7, совершит в пространстве траекторию, схожую гипоциклоиде или укороченной гипотрохоиде, а шарнир кривошипа 8, связанный со звеном 7, совершит круговое движение. Шарниры кривошипов 6 и 8, несущие звено 7, двигаясь каждый по своей траектории, перемещают звено 7 в пространстве. При этом некоторые точки звена 7 за полный оборот водила 3 описывают траекторию движения, имеющую форму многоугольника с закругленными углами, стороны которых имеют участки, мало отличающиеся от прямой линии, а количество сторон многоугольников равно величине соотношения радиусов r_b/r_q делительных окружностей колеса и сателлита. Например, при величине соотношения радиусов r_b/r_q=4, при котором U_нq=-1/3, точки звена 7 описывают квадрат с закругленными углами.

Кинематическая схема варианта II отличается от первого варианта присутствием вместо кривошипа 8 второй пары сцепляющихся между собой сателлитов 4 и 5 /фиг. 3 - 7/.

Механизм варианта III содержит стойку 1, колесо 2, водило 3, на котором установлены сателлиты 5, входящие во внутреннее зацепление с колесом 2. С сателлитами 5 входит в шарнирную связь звено 7.

При вращении водила 3 на полный оборот приводятся во вращение с обратной угловой скоростью сателлиты 5, шарниры которых, связанные со звеном 7, описывают замкнутую в пространстве траекторию - гипоциклоиду или укороченную гипотрохоиду, приводя звено 7 в пространстве в сложное движение. В результате некоторые точки звена 7 описывают траекторию движения 9, имеющие форму многоугольников с закругленными углами, стороны которых имеют участки, мало отличающиеся от прямой линии.

Кинематическая схема варианта IV отличается от варианта III использованием вместо второго сателлита 5 кривошипа 8, ось вращения которого установлена соосно оси колеса 2.

Кинематическая схема варианта V отличается от четвертого варианта использованием вместо кривошипа 8 шарнира, перемещающегося в замкнутой круговой направляющей /на фиг. 2 изображена штриховой линией, где использован шарнир, перемещающийся в круговом пазу, выполненном в стойке/.

Во всех вариантах механизма координаты точек движения звена 7 определяются выражениями
x_i= OO₁·cosα+AC·cosα-AO₁·cosβ;
y_i= OO₁·sinα+AC·sinα+AO₁·sinβ.
Вариант VII /фиг. 15/ содержит стойку 1, на которой с возможностью останова относительно стойки 1 посредством тормозного приспособления 10 /устройство фиксации колеса/ установлено колесо 2 и водило 3 с установленными на нем сателлитами 5, входящими во внутреннее зацепление /зубчатое, цевочное/ с колесом 2. Каждый сателлит 5 шарнирно связан со своим звеном 7, один конец которого шарнирно соединен с блоком кривошипов 11. Ось вращения блока кривошипов установлена соосно оси колеса 2. На свободном конце звена 7 поворотно установлено выходное звено /опорный башмак/ 12, выполненное в виде дуги /дуг/ окружности колеса качения и снабженное дополнительным, смещенным от первого шарнира на расстояние ε, шарниром 13, выполненным в виде ролика /фиг. 16, 17/. Ролик 13 выходного звена 12 размещен в кулисе 14, размещенной на одном конце тяги 15. Второй конец тяги 15 поворотно посажен на свою цапфу 16, геометрическая ось которой установлена эксцентрично оси 17 блока тяги с эксцентриситетом, равным
Ось 17 блока тяг поворотно установлена в ползуне 18, размещенном в направляющей стойки 19. На оси 17 установлена шестерня 20. Ползун 18 соединен со штоком силового элемента 21 /устройством фиксации оси блока тяг/. Параллельно направляющей стойки 19 на стойке 1 установлена зубчатая рейка 22.

Работа механизма варианта VII объясняется следующим образом.

Посредством тормозного приспособления 10 в исходном положении колесо 2 застопорено относительно стойки 1 и освобождено от вала водила 3. От поворота водила 3 перекатываются сателлиты 5 и от суммарного движения их опоры 12 двигаются по траектории криволинейного многоугольника.

Поскольку опора 12, находящаяся в контакте с поверхностью грунта, расположена горизонтально, то она своим роликом 13, двигаясь в кулисе 14, поворачивает свою тягу 15 и "блок тяг". От воздействия каждой тяги 15 на свой ролик 13 все опоры 12 колеса в цикле удерживаются в горизонтальном положении, в том числе и в момент выхода рабочей опоры 12 с контакта с поверхностью грунта. Поэтому и последующая опора 12 входит в контакт с грунтом, находясь в горизонтальном положении. В этом варианте поворот "блока тяг" осуществляется от воздействия на него рабочей опоры.

Однако работа шагающего колеса будет более надежной, если поворот водила 3 и оси 17 "блока тяг" согласовать посредством связи их системой шестерен /не указ./.

Работа механизма трансформации шагающего колеса в колесо качения объясняется следующим образом.

При работе колеса в шагающем режиме "блок тяг" находится в верхнем положении /фиг. 16/, как на фиг. 15. При этом тяги 15 "блока тяг" застопорены между собой.

Для приведения шагающего колеса в колесо качения на фиг. 15 шарниры 23 сегментов опор 12 устанавливают и фиксируют соосно оси ролика 13. Затем освобождают тяги и посредством силового элемента 21 ось 17 "блока тяг" перемещают в нижнее положение /фиг. 17/ до совпадения ее в положение соосности с осью колеса 2 и фиксируют ось 17 в этом положении. При движении оси 17 вниз шестерня 20 входит в зацепление с неподвижной рейкой 22. При этом ось 17 поворачивается по часовой стрелке на 180^o, укорачивая тягу 15 на величину ε. Тяга 15, укорачиваясь, поворачивает дугообразные опоры до сопряжения их в контуре окружности колеса качения. В этом положении /фиг. 17/ тяги 15 "блока тяг" застопоривают между собой /механизм стопорения тяг 15 между собой на фигурах не приведен/, а посредством тормозного приспособления 10 колесо 2 освобождается от стойки 1 и фиксируется к валу водила 3 /не указ./. Таким образом шагающее колесо преобразуется в колесо качения.

Приведенные в материалах заявки варианты механизмов не исчерпывают и другие возможные варианты выполнения механизма. Например, при необходимости использования механизма в качестве ведущего шагающего колеса колесо 2 может быть установлено с упругой возможностью поворота относительно стойки 1, поскольку выходное звено 12 по траектории движения 9 перемещается неравномерно, так как на путь перемещения выходного звена 12 влияют величины углов поворота водила 3 и сателлита 5, причем направление перемещения выходного звена 12 от воздействия сателлита 5 в овальной части многоугольника направлено в одну сторону, а от воздействия водила 3 - в другую сторону. Для определения характера движения опоры рассмотрим механизм с U_нq=-1/4 /фиг. 14/. Выходное звено 12 находится в левой овальной части многоугольника. Повернем водило 3 против часовой стрелки на угол α = 5°, от которого выходное звено 12 переместится вправо, а кривошип 6 с сателлитом 5 повернется по часовой стрелке на β = 20°, от поворота которого выходное звено 12 переместится влево.

Если в этом случае колесо 2 чуть повернуть в направлении вращения водила 3, то сателлит 5 от поворота колеса 2 повернется на угол -Δβ против часовой стрелки, перемещая выходное звено 12 вправо.

В результате от поворота водила 3 сателлит 5 повернется на меньший угол β, чем при жестко закрепленном колесе 2, а выходное звено 12 в овальной части многоугольника переместится на больший отрезок. Таким образом, в механизме имеется возможность управления ускорением перемещения выходного звена 12.

Применение изобретения позволит расширить арсенал технических средств при конструктивном решении узлов машин и устройств в разных областях машиностроения.

Для подтверждения предложенного технического решения аналитически определим траектории движения выходного звена механизма.

Пользуясь литературой И.И.Артоболевский. Теория механизмов и машин. М. Наука, 1988, с. 154 - 157, рис. 7.22 для определения передаточного отношения между водилом (H) и колесом (b), выведем формулу, то есть

Согласно формуле /7.40/ стр. 155
1) U^(в_qн⁾ = 1-U^(н_qв⁾,
для фиг. 1 определим

Полученное выражение подставим в выражение 1), получим
,
отсюда
.

Для определения координат точек движения выходной точки механизма выведем формулы /фиг. 1 и 2/
3) x_i = OM = OF + FM;
4) OF = OO₁·cosα;
5) FM = BK - BO₁;
6) BO₁= AO₁·cosβ;
7) BK = AC·cosα.
На фиг. 1 и 2 ω_н= α, а ω_q= β, тогда, используя формулу 2), выведем

получим

Полученные выражения подставим в уравнение 3) и получим
9) x_i= OO₁·cosα+AC·cosα-AO₁·cosβ;
10) y_i = CM = KM + DK + CD;
11) CD = AC·sinα;
12) DK = AB = AO₁·sinβ;
13) KM = O₁F·OO₁·sinα.
Подставим выражения 11) - 13) в выражение 10) и получим
14)
Далее: а) пользуясь полученными уравнениями 9) и 14), определим координаты x и y траектории движения выходных звеньев механизмов /фиг. 3 - 12/. Полученные данные занесем в таблицы; б) пользуясь данными таблиц, построим фиг. 18 - 27.

Формула изобретения

1. Механизм, содержащий стойку, колесо, водило, сателлит, связанный со звеном, кинематически связан определенным передаточным отношением с водилом, отличающийся тем, что кинематическая связь водила с сателлитом осуществлена с передаточным отношением U_нд, равным числу, взятому из числового промежутка -1≅U_нд<0, а звено связано не менее чем с двумя шарнирами, одним из которых является шарнир, связанный с сателлитом.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что кинематическая связь между водилом и сателлитом, обеспечивающая между ними необходимое передаточное отношение, выполнена посредством установки на водиле по меньшей мере двух пар двух последовательно соединенных сателлитов, из которых один соединен внешним зацеплением с колесом, а второй соединен через установленный на нем кривошип со звеном механизма шарнирно.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что кинематическая связь между водилом и сателлитом, обеспечивающая между ними необходимое передаточное отношение, выполнена посредством установки на водиле двух последовательно соединенных сателлитов, из которых первый соединен внешним зацеплением с колесом, а второй - с установленным на нем кривошипом, шарнирно связанным со звеном, которое поворотно связано как минимум с еще одним кривошипом.

4. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что кинематическая связь между водилом и сателлитом, обеспечивающая необходимое передаточное отношение, выполнена посредством установки на водиле не менее двух сателлитов, входящих во внутреннее зацепление с неподвижным колесом и входящих в шарнирную связь со звеном.

5. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что кинематическая связь между водилом и сателлитом, обеспечивающая между ними необходимое передаточное отношение, выполнена посредством установки на водиле сателлита, входящего во внутреннее зацепление с колесом и шарнирно связанного со звеном, которое поворотно связано с кривошипом, ось вращения которого установлена соосно с осью колеса.

6. Механизм, содержащий стойку, колесо, водило, на котором установлен сателлит, связанный со звеном, кинематически связан определенным передаточным отношением с водилом, отличающийся тем, что кинематическая связь водила с сателлитом выполнена с передаточным отношением U_нд, равным числу, взятому из числового промежутка -1≅U_нд<0, а звено шарнирно соединено не менее чем с двумя кривошипами, один из которых образован осью вращения сателлита и шарниром, связывающим звено с сателлитом, при этом на свободном конце звена поворотно установлено выходное звено, которое снабжено дополнительным шарниром, установленным со смещением от оси вращения первого шарнира, и связанным тягой, которая свободным концом связана с блоком тяг.

7. Механизм по п.6, отличающийся тем, что ось блока тяг установлена в ползуне, установленном в прямолинейной направляющей, при этом механизм снабжен устройствами фиксации колеса относительно стойки и фиксации оси блока тяг в рабочих положениях механизма.

8. Механизм по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что выходное звено выполнено в виде дуги окружности колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34