многократный шарнирный параллелограмм

Формула изобретения

Многократный шарнирный параллелограмм, содержащий стойку, ведущее звено, по крайней мере, два шатуна и два ведомых звена одинаковой длины, при этом ведущее звено шарнирно соединено со стойкой и первым шатуном, первое ведомое звено - со стойкой и вторым шатуном, второе ведомое звено - с первым шатуном, звенья в каждой из пар - первый шатун и первое ведомое звено, второй шатун и второе ведомое звено - шарнирно соединены между собой в средних точках, шарниры соединений ведущего звена со стойкой и шатунов с ведомыми звеньями выполнены одноподвижными, оси всех шарниров соединения шатунов с ведомыми звеньями перпендикулярны плоскости расположения шатунов и ведомых звеньев, отличающийся тем, что ось шарнира "ведущее звено - стойка" параллельна плоскости шатунов и ведомых звеньев, шарнир "ведущее звено - первый шатун" выполнен трехподвижным, шарнир "первое ведомое звено - стойка" установлен в плоскости вращения ведущего звена и выполнен двухподвижным, причем его первая ось параллельна оси шарнира "ведущее звено - стойка", вторая - перпендикулярна плоскости шатунов и ведомых звеньев, длина ведущего звена меньше длины стойки, сумма длин этих звеньев меньше длины первого шатуна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к направляющим механизмам для воспроизведения нескольких кривых определенного вида, и может использоваться в качестве привода нескольких инструментов при обработке поверхностей и в качестве скелетной основы для объектов типа, например, машущего крыла, изменяющих свою форму при движении.

Известен двойной шарнирный параллелограмм [1], который используется, например, для воспроизведения дуг окружностей с центрами в опорных шарнирах ведомых звеньев. Этот механизм состоит из стойки, ведущего звена, двух шатунов и двух ведомых звеньев.

Звенья двойного шарнирного параллелограмма соединены между собой одноподвижными шарнирами со взаимно параллельными осями. Ведущее звено и оба ведомых звена шарнирно присоединены к стойке. Первый шатун шарнирно соединен с ведущим звеном и первым ведомым звеном с образованием первого шарнирного параллелограмма. Второй шатун шарнирно соединен с ведомыми звеньями с образованием второго шарнирного параллелограмма, подобного первому параллелограмму.

Известный двойной шарнирный параллелограмм работает следующим образом. Вращение ведущего звена первым шатуном передается первому ведомому звену, а от него вторым шатуном - второму ведомому звену. При повороте ведущего звена на угол <180° благодаря известным особенностям движения звеньев шарнирных параллелограммов каждое ведомое звено повернется на такой же угол. В результате точки ведомых звеньев опишут дуги окружностей различных радиусов с центрами в опорных шарнирах этих звеньев. При этом воспроизводимые дуги окружностей находятся в плоскости расположения звеньев двойного шарнирного параллелограмма.

Известный двойной шарнирный параллелограмм преобразуется в многократный шарнирный параллелограмм за счет присоединения к нему подобных шарнирных параллелограммов.

Достоинством известного двойного шарнирного параллелограмма является возможность воспроизведения им дуг окружностей различных радиусов с одинаковым центральным углом в окрестности опорных шарниров ведомых звеньев.

Недостатком двойного шарнирного параллелограмма является ограниченность его функциональных возможностей. Данный механизм позволяет воспроизводить только простейшие плоские кривые - дуги окружностей с центрами на стойке. Это обусловлено свойством двойного шарнирного параллелограмма, выражающимся в совершении ведомыми звеньями только вращательных движений в неподвижной плоскости и непосредственной связью обоих ведомых звеньев со стойкой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является многократный шарнирный параллелограмм [2], используемый, например, для воспроизведения дуг окружностей с центрами в опорном и виртуальном шарнирах ведомых звеньев. Данный механизм состоит из стойки, ведущего звена и, по крайней мере, двух шатунов и двух ведомых звеньев. Стойка и ведущее звено имеют длину L, а каждый шатун и каждое ведомое звено - длину 2L.

Звенья известного многократного шарнирного параллелограмма соединены между собой одноподвижными шарнирами со взаимно параллельными осями. Ведущее звено шарнирно соединено со стойкой и с первым шатуном, первое ведомое звено - со стойкой и со вторым шатуном, второе ведомое звено - с первым шатуном. Звенья в каждой из пар - первый шатун и первое ведомое звено, второй шатун и второе ведомое звено - шарнирно соединены между собой в средних точках. При этом в механизме образуются два одинаковых по форме шарнирных параллелограмма - ромба.

Известный многократный шарнирный параллелограмм работает следующим образом. Вращение ведущего звена первым шатуном передается первому ведомому звену, далее через концевые шарниры первого ведомого звена и первого шатуна движение передается второму шатуну и второму ведомому звену. При повороте ведущего звена на угол <180° благодаря известным особенностям движения звеньев шарнирных параллелограммов каждое ведомое звено повернется на такой же угол. При этом первое ведомое звено поворачивается вокруг опорного шарнира на стойке, а второе ведомое звено - вокруг виртуального шарнира, расположенного вне стойки на пересечении ее продолжения с продолжением второго ведомого звена. В результате точки ведомых звеньев опишут дуги окружности различных радиусов с центрами в опорном и виртуальном шарнирах. Все воспроизводимые дуги окружностей находятся в плоскости расположения звеньев многократного шарнирного параллелограмма.

Достоинством известного многократного шарнирного параллелограмма является некоторое расширение его функциональных возможностей. Данный механизм позволяет воспроизводить дуги окружностей различных радиусов с одинаковым центральным углом с центрами не только в опорном шарнире на стойке, но и в виртуальных шарнирах вне стойки.

Недостатком известного многократного шарнирного параллелограмма остается ограничение его функциональных возможностей, связанное с воспроизведением механизмом только простейших плоских кривых - дуг окружностей. Это обусловлено свойством данного механизма, выражающимся в совершении ведомыми звеньями только вращательных движений в неподвижной плоскости.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании многократного шарнирного параллелограмма, свободного от недостатков, известных в техническом уровне механизмов, и позволяющего воспроизводить несколько замкнутых пространственных кривых определенного вида с собственными параметрами для каждой кривой за счет придания поворотных колебаний плоскости шатунов и ведомых звеньев при их одновременном плоскопараллельном движении в этой плоскости.

Для решения поставленной задачи в многократном шарнирном параллелограмме, содержащем стойку, ведущее звено и, по крайней мере, два шатуна и два ведомых звена одинаковой длины, при этом ведущее звено шарнирно соединено со стойкой и первым шатуном, первое ведомое звено - со стойкой и вторым шатуном, второе ведомое звено - с первым шатуном, звенья в каждой из пар - первый шатун и первое ведомое звено, второй шатун и второе ведомое звено - шарнирно соединены между собой в средних точках, шарниры соединений ведущего звена со стойкой и шатунов с ведомыми звеньями выполнены одноподвижными, оси всех шарниров соединения шатунов с ведомыми звеньями перпендикулярны плоскости расположения шатунов и ведомых звеньев, в нем ось шарнира "ведущее звено - стойка" параллельна плоскости шатунов и ведомых звеньев, шарнир "ведущее звено - первый шатун" выполнен трехподвижным, шарнир "первое ведомое звено - стойка" установлен в плоскости вращения ведущего звена и выполнен двухподвижным, причем его первая ось параллельна оси шарнира "ведущее звено - стойка", вторая - перпендикулярна плоскости шатунов и ведомых звеньев, длина ведущего звена меньше длины стойки, сумма длин этих звеньев меньше длины первого шатуна.

Выбор в многократном шарнирном параллелограмме шарниров с разной подвижностью и определенной ориентацией их осей в пространстве, принятое соотношение длин звеньев отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Существенные отличительные признаки во всей совокупности существенных признаков многократного шарнирного параллелограмма приводят к расширению его функциональных возможностей, заключающемуся в воспроизведении механизмом нескольких замкнутых пространственных кривых определенного вида с собственными параметрами для каждой кривой. Это обусловлено следующим.

Принятая установка двухподвижного шарнира и ориентация его первой оси всегда приводит к перпендикулярности первой оси двухподвижного шарнира прямой, проходящей через центры двухподвижного и трехподвижного шарниров.

Увеличение степени подвижности шарниров, выбранная ориентация осей двухподвижного шарнира и принятое соотношение длин звеньев приводит к тому, что при любом положении ведущего звена первая ось двухподвижного шарнира всегда лежит в плоскости расположения шатунов и ведомых звеньев, сохраняя перпендикулярность поперечным диагоналям всех шарнирных параллелограммов.

Благодаря вышеуказанным свойствам и известному свойству механизма эллипсографа всегда обеспечивается расположение одних концевых шарниров всех ведомых звеньев на первой оси двухподвижного шарнира, а расположение противоположных им концевых шарниров ведомых звеньев - на прямой, проходящей через центр трехподвижного шарнира параллельно первой оси двухподвижного шарнира.

Такое расположение концевых шарниров ведомых звеньев приводит к тому, что при вращении ведущего звена плоскость шатунов и ведомых звеньев совершает поворотные колебания одновременно с плоскопараллельным движением шатунов и ведомых звеньев в этой плоскости.

В результате сложения двух указанных движений каждая точка шатунов и ведомых звеньев, не лежащая на первой оси двухподвижного шарнира, за один цикл описывает замкнутую пространственную кривую с собственными параметрами для каждой кривой.

Наличие в многократном шарнирном параллелограмме отличительных признаков «ось шарнира "ведущее звено - стойка" параллельна плоскости шатунов и ведомых звеньев, шарнир "ведущее звено - первый шатун" выполнен трехподвижным, шарнир "первое ведомое звено - стойка" установлен в плоскости вращения ведущего звена и выполнен двухподвижным, причем его первая ось параллельна оси шарнира "ведущее звено - стойка", вторая - перпендикулярна плоскости шатунов и ведомых звеньев, длина ведущего звена меньше длины стойки, сумма длин этих звеньев меньше длины первого шатуна» приводит к тому, что при вращении ведущего звена плоскость шатунов и ведомых звеньев совершает поворотные колебания одновременно с плоскопараллельным движением шатунов и ведомых звеньев в этой плоскости, а каждая точка шатунов и ведомых звеньев, не лежащая на первой оси двухподвижного шарнира, за один цикл описывает замкнутую пространственную кривую с собственными параметрами для каждой кривой.

Данная причинно-следственная связь логически не вытекает из известного уровня техники, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертеже изображена кинематическая схема заявляемого многократного шарнирного параллелограмма.

Осуществление изобретения выполнено на примере двукратного шарнирного параллелограмма.

Двукратный шарнирный параллелограмм содержит стойку 1, ведущее звено 2, три шатуна 3, 4, 5 и три ведомых звена 6, 7, 8.

Звенья двукратного шарнирного параллелограмма шарнирно соединены между собой. Ведущее звено 2 соединено со стойкой 1 одноподвижным шарниром 9, а с первым шатуном 3 трехподвижным шарниром 10. Первое ведомое звено 6 соединено со стойкой 1 двухподвижным шарниром 11, а со вторым шатуном 4 - одноподвижным шарниром 12. Второе ведомое звено 7 соединено с первым шатуном 3 и с третьим шатуном 5 одноподвижными шарнирами 13 и 14 соответственно. Третье ведомое звено 8 соединено со вторым шатуном 4 одноподвижным шарниром 15. Звенья в каждой из пар - первый шатун 3 и первое ведомое звено 6, второй шатун 4 и второе ведомое звено 7, третий шатун 5 и третье ведомое звено 8 - соединены между собой в средних точках одноподвижными шарнирами 16, 17 и 18 соответственно.

Оси одноподвижных шарниров 12÷18 перпендикулярны плоскости расположения шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8, а ось одноподвижного шарнира 9 параллельна этой плоскости. Первая ось 19 двухподвижного шарнира 11 параллельна оси одноподвижного шарнира 9, вторая ось 20 шарнира 11 перпендикулярна плоскости шатунов и ведомых звеньев. Точка пересечения осей 19 и 20 двухподвижного шарнира 11 лежит в плоскости вращения ведущего звена 2.

Длины всех шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 одинаковы. Длина ведущего звена 2 меньше длины стойки 1, а сумма длин этих звеньев меньше длины каждого шатуна.

Указанные выше шарнирные соединения шатунов 3, 4, 5 с ведомыми звеньями 6, 7, 8 приводят к образованию двух шарнирных параллелограммов - ромбов.

При выбранной ориентации осей 19, 20 двухподвижного шарнира 11 и принятом соотношении длин звеньев первая ось 19 двухподвижного шарнира 11 всегда лежит в плоскости шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8, сохраняя перпендикулярность прямым, соединяющим попарно шарниры 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15.

Благодаря указанным свойствам и известному свойству механизма эллипсографа шарниры 13 и 15 при любом положении ведущего звена 2 всегда лежат на оси 19 двухподвижного шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - на прямой, проходящей через центр трехподвижного шарнира 10 параллельно оси 19 двухподвижного шарнира 11.

Схема двукратного шарнирного параллелограмма на чертеже изображена в декартовой системе координат xyz. Начало координат - в центре двухподвижного шарнира 11, ось х направлена по оси 19 двухподвижного шарнира 11, ось у совпадает со стойкой 1.

Двукратный шарнирный параллелограмм работает следующим образом. В начале цикла ведущее звено 2 совмещено с осью у, а центр его трехподвижного шарнира 10 находится в точке А. В этом положении ведущего звена 2 плоскость шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 совпадает с плоскостью ху, шарниры 13 и 15 лежат на оси х, а шарниры 12 и 14 - на прямой АВ, параллельной оси х. При этом шарниры 13 и 15 находятся на минимальных расстояниях от центра двухподвижного шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - на минимальных расстояниях от центра трехподвижного шарнира 10.

При повороте ведущего звена 2 вокруг оси одноподвижного шарнира 9 против хода часовой стрелки центр трехподвижного шарнира 10 перемещается по окружности, лежащей в плоскости yz. В первой половине цикла расстояние между центрами трехподвижного шарнира 10 и двухподвижного шарнира 11 уменьшается. С поворотом ведущего звена 2 плоскость шатунов и ведомых звеньев поворачивается вокруг оси 19 двухподвижного шарнира 11 (вокруг оси х) против хода часовой стрелки. Одновременно шатуны 3, 4, 5 и ведомые звенья 6, 7, 8 совершают плоскопараллельное движение в своей плоскости. При этом шарниры 13 и 15 перемешаются по оси х, удаляясь от центра шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - по прямой, проходящей через центр трехподвижного шарнира 10 параллельно оси х, удаляясь от центра шарнира 10. В момент, когда ведущее звено 2 займет положение, перпендикулярное прямой, соединяющей центры шарниров 10 и 11, плоскость шатунов и ведомых звеньев повернется вокруг оси х на максимальный угол. Дальнейший поворот вокруг оси х этой плоскости происходит по ходу часовой стрелки. В конце первой половины цикла плоскость шатунов и ведомых звеньев совместится с плоскостью ху, шарниры 13 и 15 удалятся на максимальные расстояния от центра двухподвижного шарнира 11, а шарниры 12 и 14 - на максимальные расстояния от центра трехподвижного шарнира 10.

Во второй половине цикла расстояние между центрами трехподвижного шарнира 10 и двухподвижного шарнира 11 увеличивается, плоскость шатунов и ведомых звеньев продолжает поворот вокруг оси х по ходу часовой стрелки, а шатуны 3, 4, 5 и ведомые звенья 6, 7, 8 совершают движения, противоположные по направлению соответствующим движениям первой половины цикла. В момент, когда ведущее звено 2 займет положение, перпендикулярное прямой, соединяющей во второй половине цикла центры шарниров 10 и 11, плоскость шатунов и ведомых звеньев повернется вокруг оси х на максимальный угол. Далее эта плоскость поворачивается против хода часовой стрелки. В конце цикла восстанавливается начальное положение всех звеньев механизма.

За один цикл работы двукратного шарнирного параллелограмма каждый из шарниров 12 и 14 описывает замкнутую пространственную кривую на поверхности виртуального кругового цилиндра. Ось этого цилиндра совпадает с осью шарнира 9, а радиус основания равен длине ведущего звена 2. Проекции обеих описываемых кривых на плоскость yz совпадают с траекторией центра шарнира 10, а проекции этих кривых на ось виртуального цилиндра соответственно равны смещениям шарниров 13 и 15 вдоль оси х. Каждая промежуточная точка шатунов 3, 4, 5 и ведомых звеньев 6, 7, 8 описывает подобную замкнутую пространственную кривую на поверхности соответствующего виртуального цилиндра, ось которого расположена в плоскости ху параллельно оси х.

Использование изобретения расширяет функциональные возможности многократного шарнирного параллелограмма, что позволяет применять его, например, при одновременной обработке нескольких участков сложной поверхности для повышения производительности труда и как скелетную основу в объектах с изменяемой формой типа машущего крыла для увеличения подъемной силы.

Источники информации

1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. T.1. - М.: Наука. 1970. - С.380.

2. Кожевников С.Н. Механизмы. Справочник: изд. 4-ое, перераб. и доп. / С.Н.Кожевников, Я.И.Есипенко, Я.М.Раскин. - М.: Машиностроение. 1976. - С.89.