способ уравновешивания рычажного механизма

Формула изобретения

Способ уравновешивания рычажного механизма, заключающийся в том, что уравновешивают массу каждого из звеньев рычажного механизма, распределяя ее при конструктивном оформлении так, чтобы при замене массы такого звена на три приведенные массы, сосредоточенные в центрах его шарниров и центре масс звена, величина этих приведенных масс определялась из выражений



где m - масса звена;

I_S - момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр масс этого звена;

m_A, m_B и m_S - величины приведенных масс звена, сосредоточенных соответственно в центрах шарниров и центре масс звена;

b - кинематический размер звена;

b" - расстояние от центра масс звена до центра одного из шарниров;

отличающийся тем, что величину приведенной массы m рассчитывают и проектируют посредством варьирования геометрическими параметрами звена, которые обеспечивают инерционную нагрузку, необходимую для создания минимально возможной реакции в той или иной, исходя из постановки задачи, кинематической паре механизма.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено в машинах, имеющих рычажные преобразующие механизмы, например, в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, импульсных вариаторах и других устройствах.

Известен способ статического уравновешивания рычажного механизма (см., например, Щепетильников В.А. Уравновешивание механизмов. - М.: Машиностроение, 1982. - С. 46, рис. 40, 41), заключающийся в том, что массу звеньев рычажного механизма заменяют тремя приведенными массами, сосредоточенными в центрах их шарниров и в центре масс звеньев, которые затем уравновешивают с помощью противовесов, расположенных на продолжении звеньев за их шарнирами, причем противовесы располагают таким образом, чтобы общий центр масс всего механизма переместился в точку, лежащую на стойке.

Недостаток этого способа уравновешивания заключается в том, что при установке противовесов на продолжении звеньев приходится или применять противовесы со значительными массами или располагать их на большом расстоянии от центров шарниров. Это приводит к неконструктивным размерам и конфигурации звеньев, чрезмерному увеличению габаритов и металлоемкости механизма. Поэтому на практике ограничиваются лишь частичным (неполным) уравновешиванием, что в конечном итоге ухудшает динамику машины со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Известен также способ уравновешивания рычажного механизма (см., например, авт. свид. N 1414973 СССР, БИ N 29, 1988), принятый за прототип, заключающийся в том, что уравновешивают массу каждого из звеньев рычажного механизма, распределяя ее при конструктивном оформлении так, чтобы при замене массы такого звена на три приведенные массы, сосредоточенные в центрах его шарниров и центре масс звена, величина этих приведенных масс определялась из выражений:



где m - масса звена; I_s - момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр масс звена; m_A, m_B, m_S - величины приведенных масс звена, сосредоточенных соответственно в центрах шарниров и в центре масс звена; B - кинематический размер звена; B" - расстояние от центра масс звена до центра одного из шарниров, причем величину приведенной к центру масс звена массы m_S рассчитывают и проектируют из условиях равенства ее нулю.

С помощью применения таких звеньев повышается точность уравновешивания, снижается металлоемкость и габариты противовесов. Однако известный способ уравновешивания рычажного механизма не позволяет целенаправленно снижать реакцию в той или иной кинематической паре механизма, так как при использовании этого известного способа при замене массы звена тремя приведенными массами приведенная к его центру масс масса может принимать только одно значение, равное нулю. Следовательно силы инерции и моменты сил инерции, возникающие при движении такого звена, могут также принимать только одно какое-то определенное значение (при данном положении механизма), а значит, и реакции в кинематических парах, обусловленные этими инерционными нагрузками, также будут принимать только одно соответствующее значение.

На практике же часто требуется уменьшить максимальную величину реакции в какой-то конкретной кинематической паре (например, в коренном подшипнике, поршневом пальце, паре цилиндр-поршень и т.п.) в зависимости от значимости данной пары и условия ее работы. С помощью известного способа уравновешивания решить эту проблему не удается.

Цель предлагаемого изобретения - повышение ресурса и надежности рычажных механизмов за счет снижения максимальных реакций в кинематических парах, а следовательно, и сил трения.

Поставленная цель достигается с помощью предложенного способа уравновешивания рычажного механизма, заключающегося в том, что уравновешивают массу каждого из звеньев рычажного механизма, распределяя ее при конструктивном оформлении так, чтобы при замене массы такого звена на три приведенные массы, сосредоточенные в центрах его шарниров и центре масс звена, величина этих приведенных масс определялась из выражений:



где m - масса звена; I_S - момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр масс этого звена; m_A, m_B, m_S - величины приведенных масс звена, сосредоточенных соответственно в центрах шарниров и центре масс звена; B - кинематический размер звена; B" - расстояние от центра масс звена до центра одного из шарниров, причем величину приведенной массы m_S рассчитывают и проектируют посредством варьирования геометрическими параметрами звена, которые обеспечивают инерционную нагрузку, необходимую для создания минимально возможной реакции в той или иной кинематической паре механизма.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявляемый способ уравновешивания рычажного механизма отличается тем, что величину приведенной массы m_S рассчитывают и проектируют посредством ваpьирования геометрическими параметрами звена, которые обеспечивают инерционную нагрузку, необходимую для создания минимально возможной реакции в той или иной кинематической паре механизма.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 которого схематично изображено одно из звеньев любого рычажного механизма, например шатуна; на фиг. 2 - его динамическая модель.

Способ реализуется следующим образом.

Шатун заменяется независимым стержнем с тремя приведенными точечными массами m_A, m_B и m_S. Система из трех указанных масс шатуна, сосредоточенных в центрах его шарниров и в центре масс, в динамическом отношении является полностью эквивалентной системе реального шатуна.

Условия приведения масс:

m = m_A + m_B + m_S;

m_A(B - B") = m_B B";

I_S = m_A(B - B")² + m_B(B")²,

где m - масса шатуна; I_S - момент инерции шатуна относительно оси, проходящей через его центр масс; m_A и m_S - приведенные массы шатуна, сосредоточенные соответственно в центрах шарниров A и B; m_S - приведенная масса шатуна, сосредоточенная в центре масс шатуна; B - кинематический размер шатуна (расстояние между шарнирами); B" - расстояние от центра масс шатуна до центра шарнира (например, центра шарнира B).

Решая систему уравнений, получают:



Шатун проектируют сначала из условий прочности и устойчивости. Затем начинают варьировать его геометрическими параметрами, например изменяют толщину, ширину или форму поперечного сечения образующих его элементов. Этими параметрами варьируют до тех пор, сохраняя при этом исходное значение массы шатуна m, пока приведенная масса m_S (она может быть как положительной, так и отрицательной величиной) не станет обладать такой величиной, при которой соответствующая ей инерционная нагрузка (совместно с установленными в механизме противовесами) будет способствовать снижению реакции в той или иной кинематической паре. Причем можно определить оптимальное значение массы m_S, которое совместно с противовесами будет обеспечивать минимально возможную величину данной реакции.

Как видно из описания, применение предложенного способа уравновешивания рычажного механизма позволяет снижать в определенной степени реакции в наиболее важных или нагруженных кинематических парах рычажного механизма или его отдельных звеньях и узлах, что приводит к повышению надежности и долговечности машин. Поскольку из-за снижения реакций в кинематических парах происходит уменьшение и сил трения, то это влечет за собой повышение КПД, экономию топлива, энергии и т.п. Кроме того, учет реакций, возникающих от действия инерционных нагрузок, совместно с реакциями, возникающими от действия внешних рабочих нагрузок, открывает новые перспективы предложенного способа уравновешивания механизмов по дальнейшему снижению максимальных величин реакций в кинематических парах, динамической нагруженности, снижению количества перекладок зазоров в парах, уравновешиванию механизмов на фундаменте и др. , что существенно расширяет область применения предложенного способа уравновешивания и повышает его конкурентоспособность.