RU2740526C1

RU2740526C1 - Hinged crank mechanism

Info

Publication number: RU2740526C1
Application number: RU2020123323A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Пожбелко
Original assignee: Владимир Иванович Пожбелко
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-01-15

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to the machine building. Hinged crank mechanism comprises a closed kinematic chain including a post, a connecting rod and rotary lever links arranged between them. Closed kinematic chain is made in the form of multi-contour hinged parallelogram, in which each separate connecting rod is made in form of three-hinged link, for example in form of equilateral triangle of three-hinged con-rod, kinematically connected to the rack by means of two-hinged bell cranks of equal length and parallel installed in each direction in one direction during assembly of kinematic chain with formation in it connected to each other through three-hinged con-rod parallelogram closed circuits.EFFECT: better performance is provided.5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным кривошипным механизмам, обеспечивающим надежную передачу вращающего момента и угловой скорости от одного приводного двигателя к нескольким синхронно вращающимся рабочим органам без возникновения от них зоны неуправляемых особых положений с неопределенностью движения выходного звена.The invention relates to mechanical engineering, in particular to articulated crank mechanisms, providing reliable transmission of torque and angular velocity from one drive motor to several synchronously rotating working bodies without the emergence of a zone of uncontrollable special positions with the uncertainty of the movement of the output link.

Известен шарнирный кривошипно-коромысловый механизм, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую стойку, ведущий кривошип, ведомое коромысло и расположенный между ними шатун, выполненный в виде двухшарнирного звена и установленный непараллельно стойке - аналог (книга Коловский М.З. и др. «Теория механизмов и машин» - М: Изд. Центр «Академия», 2006, с. 43, рас. 2.2).Known hinge crank-rocker mechanism containing a closed kinematic chain, including a rack, a driving crank, a driven rocker and a connecting rod located between them, made in the form of a double-hinged link and installed non-parallel to the rack - an analogue (book Kolovsky M.Z. et al. "Theory of mechanisms and machines "- M: Publishing Center" Academy ", 2006, p. 43, ras. 2.2).

Недостатками известного шарнирного механизма являются:The disadvantages of the known hinge mechanism are:

1. Сложность конструкции, изготовления и сборки звеньев разной длины.1. The complexity of the design, manufacture and assembly of links of different lengths.

2. Неработоспособность и избыточная (т.е. не зависящая от приводного двигателя) подвижность механизма в возникающем одном особом (крайнем) положении, что приводит к его неуправляемости и поэтому ограничивает рабочую зону вращения ведущего кривошипа.2. Inoperability and excessive (ie, independent of the drive motor) mobility of the mechanism in the emerging one special (extreme) position, which leads to its uncontrollability and therefore limits the working area of rotation of the driving crank.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является шарнирный кривошипный механизм, содержащий замкнутую кинематическую цепь, включающую стойку, ведущий и ведомый кривошип и расположенный между ними шатун, выполненный в виде двухшарнирного линейного звена, установленного параллельно и равного по длине стойке - прототип (Крайнев А.Ф. «Механика машин. Фундаментальный словарь» - М.: Машиностроение, 2000. С. 159., схема механизма на рис. б)).The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a hinged crank mechanism containing a closed kinematic chain, including a rack, a leading and driven crank and a connecting rod located between them, made in the form of a double-hinged linear link installed in parallel and equal in length to the rack - prototype (Krainev AF "Mechanics of machines. Fundamental dictionary" - M .: Mashinostroenie, 2000. S. 159., diagram of the mechanism in Fig. B)).

Недостатками указанного шарнирного кривошипного механизма являются:The disadvantages of the specified hinge crank mechanism are:

1. Наличие в механизме (через каждые 180° поворота ведущего кривошипа, когда все шарниры звеньев располагаются на одной прямой) двух особых мертвых положений, в которых из-за разрыва связей в кинематической паре возникает зона неуправляемого движения ведомого вала.1. The presence of two special dead positions in the mechanism (every 180 ° of rotation of the driving crank, when all the joints of the links are located on one straight line), in which a zone of uncontrolled movement of the driven shaft arises due to the rupture of links in the kinematic pair.

2. На практике эксплуатация и в теории установлено, что в этих особых положениях происходит самопроизвольный неуправляемый переход из сборки параллелограмма в сборку антипараллелограмма, при котором 2 раза за каждый цикл поворота на 360° происходит резкое изменение направления вращения ведомого вала с его жесткими ударами, т.е. механизм в этих мертвых положениях вообще неработоспособен (и по авт. свид. № 877176, Бюл. №40, СССР, 1981 г. - требует дополнительного сложного зубчатого привода кривошипов для выхода из мертвых положений путем ударного реверса выходного вала).2. In practice, operation and in theory it has been established that in these special positions there is a spontaneous uncontrollable transition from the parallelogram assembly to the antiparallelogram assembly, in which 2 times for each 360 ° rotation cycle there is a sharp change in the direction of rotation of the driven shaft with its hard blows, i.e. .e. the mechanism in these dead positions is generally inoperative (and according to ed. certificate No. 877176, bull. No. 40, USSR, 1981 - requires an additional complex gear drive of the cranks to exit dead positions by impact reversal of the output shaft).

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в создании работоспособного шарнирного кривошипного механизма без вредных особых положений - во всем возможном полном рабочем угле поворота ведущего кривошипа на 360° и сохранении при этом постоянного заданного направления вращения ведомого вала.The invention is based on a technical problem, which consists in creating a workable articulated crank mechanism without harmful special positions - in all possible full working angle of rotation of the driving crank by 360 ° and maintaining a constant specified direction of rotation of the driven shaft.

Получение технического результата достигается за счет того, что замкнутая кинематическая цепь предлагаемого шарнирного кривошипного механизма выполнена в виде многоконтурного шарнирного параллелограмма, в котором каждый отдельный шатун выполнен в виде трехшарнирного звена, например в виде равностороннего треугольника, кинематически связанного со стойкой посредством двухшарнирных кривошипов, выполненных одинаковой длины и параллельно установленных между собой в одном направлении при сборке кинематической цепи с образованием связанных между собой через шатун параллелограммных замкнутых контуров.Obtaining the technical result is achieved due to the fact that the closed kinematic chain of the proposed articulated crank mechanism is made in the form of a multicircuit articulated parallelogram, in which each individual connecting rod is made in the form of a three-articulated link, for example, in the form of an equilateral triangle, kinematically connected to the rack by means of two-articulated cranks made of the same length and parallel to each other in the same direction when assembling the kinematic chain with the formation of parallelogram closed circuits connected to each other through a connecting rod.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6.The essence of the invention is illustrated by drawings in Fig. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4, figs. 5 and FIG. 6.

На фиг. 1 изображен общий вид шарнирного кривошипного механизма, содержащего стойку 1 с опорными шарнирами O₁, O₂, O₃ и замкнутую кинематическую цепь, которая выполнена в виде многоконтурного шарнирного параллелограмма, в котором шатун 2 выполнен в виде трехшарнирного звена, например, в виде треугольника ABC (равностороннего, прямоугольного или косоугольного), кинематически связанного со стойкой 1 посредством двухшарнирных кривошипов 3, 4 и 5 одинаковой длины, параллельно установленных между собой в одном направлении при сборке кинематической цепи с образованием в ней связанных между собой через шатун 2 параллелограммных замкнутых контуров L₁, L₂.FIG. 1 shows a general view of a hinged crank mechanism containing a rack 1 with support hinges O ₁ , O ₂ , O ₃ and a closed kinematic chain, which is made in the form of a multi-circuit hinged parallelogram, in which the connecting rod 2 is made in the form of a three-hinged link, for example, in the form of a triangle ABC (equilateral, rectangular or oblique), kinematically connected to the rack 1 by means of double-hinged cranks 3, 4 and 5 of the same length, installed parallel to each other in the same direction when assembling the kinematic chain with the formation of parallelogram closed loops L connected to each other through a connecting rod 2 ₁ , L ₂ .

На фиг. 2 представлен вариант выполнения многоконтурного шарнирного параллелограмма из шести двухшарнирных звеньев одинаковой длины, три из которых 6, 7 и 8 при сборке из них шатуна образуют равносторонний треугольник АБС, а другие три двухшарнирных звена 9, 10 и 11 параллельно установлены между шатуном и стойкой и соединены с шатуном двойными шарнирами (обозначены «j₂»).FIG. 2 shows an embodiment of a multi-contour hinged parallelogram of six double-hinged links of the same length, three of which 6, 7 and 8, when assembled from them, form an equilateral triangle of ABS, and the other three double-hinged links 9, 10 and 11 are installed in parallel between the connecting rod and the strut and connected with connecting rod double hinges (marked "j ₂ ").

На фиг. 3 представлен вариант выполнения пространственной схемы многоконтурного шарнирного параллелограмма с расположением осей углового поворота всех шарниров отдельных шатунов, кривошипов и стойки при сборке замкнутой кинематической цепи О₁, О₂, О₃, А, В, С параллельно друг другу соответственно в горизонтальной плоскости шатуна 2 и в горизонтальной плоскости стойки 1.FIG. 3 shows an embodiment of the spatial scheme of a multi-circuit hinged parallelogram with the location of the angular rotation axes of all hinges of individual connecting rods, cranks and stands when assembling a closed kinematic chain O ₁ , O ₂ , O ₃ , A, B, C parallel to each other, respectively, in the horizontal plane of the connecting rod 2 and in the horizontal plane of the rack 1.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения многоконтурного шарнирного параллелограмма из набора последовательно установленных и соединенных между собой через двойной шарнир «j₂» двух отдельных трехшарнирных шатунов 12 и 13, соединенных со стойкой 1 пятью параллельными кривошипами одинаковой длины 14, 15, 16, 17 и 18, образующих в этой кинематической цепи связанные между собой через шатуны 12 и 13 параллелограммные замкнутые контуры L₁, L₂, L₃, L₄. Трехшарнирные шатуны 12 и 13 могут быть соединены с отдельными рабочими органами, совершающими синхронное движение по окружности с центром внутри объема обрабатываемого изделия.FIG. 4 shows an embodiment of a multi-circuit articulated parallelogram from a set of two separate three-articulated connecting rods 12 and 13 connected in series and connected to each other through a double hinge "j ₂ ", connected to the rack 1 by five parallel cranks of the same length 14, 15, 16, 17 and 18, forming in this kinematic chain, parallelogram closed loops L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₄ connected to each other through the connecting rods 12 and 13. Three-pivot rods 12 and 13 can be connected to separate working bodies performing synchronous movement around the circumference with the center inside the volume of the workpiece.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения многоконтурного шарнирного параллелограмма в виде набора последовательно установленных и соединенных между собой посредство двойных шарниров «j₂» отдельных трехшарнирных шатунов 19, 20 и 21, шарнирно соединенных со стойкой 1 посредством механизма параллельных кривошипов 22, 23, 24, 25, 26, 27 и 28 с расположением на стойке 1 осей соседних кривошипов в шахматном порядке, образующих в этой кинематической цепи связанные между собой через шатуны 19, 20 и 21 параллелограммные замкнутые контуры L₁, L₂, L₃, L₄, L₅ и L₆.FIG. 5 shows an embodiment of a multi-circuit articulated parallelogram in the form of a set of sequentially installed and interconnected by means of double hinges "j ₂ " separate three-articulated connecting rods 19, 20 and 21, pivotally connected to the rack 1 by means of a mechanism of parallel cranks 22, 23, 24, 25, 26 , 27 and 28 with the arrangement on the rack 1 of the axes of adjacent cranks in a checkerboard pattern, forming in this kinematic chain parallelogram closed loops L ₁ , L ₂ , L ₃ , L ₄ , L ₅ and L connected to each other through the connecting rods 19, 20 and 21 ₆ .

На фиг. 6 представлена изготовленная и испытанная автором действующая модель предлагаемого механизма на основе многоконтурного параллелограмма с трехшарнирным (треугольным) шатуном 2. Испытания изготовленной модели механизма подтверждают его надежную работоспособность при полном повороте ведущего кривошипа за повторяющийся цикл на угол ϕ=0-360°, в пределах которого в цикле отсутствуют особые неуправляемые положения и самопроизвольный переход из параллелограмма в антипараллелограмм и обратно (что и обеспечивает безударную и бесшумную работу механизма в течение полного цикла).FIG. 6 shows a working model of the proposed mechanism made and tested by the author on the basis of a multi-circuit parallelogram with a three-articulated (triangular) connecting rod 2. Tests of the manufactured model of the mechanism confirm its reliable performance at full rotation of the driving crank for a repeated cycle at an angle ϕ = 0-360 °, within which in the cycle there are no special uncontrolled positions and spontaneous transition from parallelogram to antiparallelogram and vice versa (which ensures shockless and noiseless operation of the mechanism during a full cycle).

Работа представленного шарнирного кривошипного механизма заключается в следующем.The work of the presented articulated crank mechanism is as follows.

Заданное вращение ведущего кривошипа 3 (фиг. 1) через трехшарнирный треугольный шатун 2 преобразуется во вращение ведомых кривошипов 4 и 5 с такой же постоянной угловой скоростью. Выполняемая в предлагаемом механизме передача усилий и моментов с ведущего кривошипа 3 на два ведомых кривошипа 4 и 5 происходит через три шарнира А, В и С, расположенные с разных сторон треугольного шатуна 2, что и обеспечивает постоянный (без разрыва связей) контакт всех кинематических пар, т.е. постоянство вращающего момента на ведомых кривошипах 4 и 5 в течении полного цикла поворота ведущего кривошипа 3 на 360°. Указанное постоянство контакта всех кинематических пар в механизме с трехшарнирным (треугольным) шатуном 2 в свою очередь, и обеспечивает полную управляемость механизма от одного приводного двигателя в течение всего цикла поворота ведущего звена 3, что автоматически исключает вредные особые положения с самопроизвольным превращением параллелограмма в антипараллелограмм (и наоборот с ударами звеньев). Таким образом, предлагаемый шарнирный механизм остается работоспособным кривошипным параллелограммым устройством в пределах всего цикла поворота на 360°, что полностью подтверждается на его действующей модели.The specified rotation of the driving crank 3 (Fig. 1) through the three-articulated triangular connecting rod 2 is converted into the rotation of the driven cranks 4 and 5 with the same constant angular velocity. The transfer of forces and moments from the driving crank 3 to two driven cranks 4 and 5 carried out in the proposed mechanism occurs through three joints A, B and C located on different sides of the triangular connecting rod 2, which ensures constant (without breaking the connections) contact of all kinematic pairs , i.e. the constancy of the torque on the driven cranks 4 and 5 during the full cycle of rotation of the driving crank 3 by 360 °. The specified constancy of contact of all kinematic pairs in the mechanism with a three-articulated (triangular) connecting rod 2, in turn, provides full controllability of the mechanism from one drive motor during the entire rotation cycle of the driving link 3, which automatically excludes harmful special positions with spontaneous transformation of a parallelogram into an antiparallelogram ( and vice versa with link strikes). Thus, the proposed hinge mechanism remains a workable parallelogram crank device within the entire 360 ° rotation cycle, which is fully confirmed by its current model.

Достигаемый в предлагаемом шарнирном кривошипном механизме положительный эффект заключается в следующем:The positive effect achieved in the proposed hinge crank mechanism is as follows:

1. Передача вращения с ведущего кривошипа на ведомые кривошипы (с такой же постоянной угловой скоростью) через трехшарнирный (треугольный) шатун с шарнирами на его вершинах обеспечивает полную рабочую зону поворота ведущего кривошипа на 360° без возникновения в цикле особых неуправляемых положений шарнирного кривошипного механизма.1. The transmission of rotation from the driving crank to the driven cranks (with the same constant angular velocity) through a three-articulated (triangular) connecting rod with hinges at its vertices provides a full working area of rotation of the driving crank by 360 ° without the occurrence of special uncontrollable positions of the articulated crank mechanism in the cycle.

2. Исключается самопроизвольный переход в крайних положениях параллелограмма в антипараллелограмм (что исключает возможность вращения выходного вала в другую сторону при заданном направлении вращения приводного двигателя и тем самым исключает жесткие динамические удары при случайном противовращении звеньев).2. Spontaneous transition in the extreme positions of the parallelogram to the antiparallelogram is excluded (which excludes the possibility of rotation of the output shaft in the other direction at a given direction of rotation of the drive motor and thereby excludes hard dynamic shocks in case of accidental counter-rotation of the links).

3. Обеспечивается надежная работоспособность, бесшумность, безударность и полный возможный диапазон работы многокривошипного параллелограммного механизма в пределах всего управляемого одним двигателем углового поворота ведущего кривошипа в цикле на 360°.3. Reliable performance, noiselessness, shocklessness and the full possible range of operation of the multi-crank parallelogram mechanism are provided within the entire angular rotation of the driving crank controlled by one motor in a 360 ° cycle.

Claims

1. A hinged crank mechanism containing a closed kinematic chain, including a stand, a connecting rod and rotary lever links located between them, characterized in that the closed kinematic chain is made in the form of a multi-circuit hinged parallelogram, in which each individual connecting rod is made in the form of a three-articulated link, for example in the form of an equilateral triangle of a three-articulated connecting rod, kinematically connected to the rack by means of two-articulated cranks made of the same length and installed parallel to each other in the same direction when assembling a kinematic chain with the formation of parallelogram closed circuits interconnected through a three-articulated connecting rod.

2. The hinge crank mechanism according to claim 1, characterized in that the multi-contour hinged parallelogram is composed of six double-hinged links of the same length, three of which, when assembled from them, the connecting rod form an equilateral triangle, and the other three double-hinged links are installed in parallel in one direction between the connecting rod and rack and connected to the connecting rod by double hinges.

3. The hinge crank mechanism according to claim 1, characterized in that the axes of angular rotation of all hinges of individual connecting rods, cranks and stands are located when assembling a closed kinematic chain parallel to each other, respectively, in the horizontal plane of the connecting rod and in the horizontal plane of the rack.

4. The articulated crank mechanism according to claim 1, characterized in that the multicircuit articulated parallelogram is composed of a set of separate three-articulated connecting rods installed in series and connected to each other through a double hinge, for example, in the form of an assembly of two three-articulated connecting rods connected to the rack by five parallel cranks of the same length , in which the three-pivot rods can be connected to separate working bodies, performing a synchronous rotational movement around a circle with a center inside the volume of the workpiece.

5. The articulated crank mechanism according to claim 1, characterized in that the multi-circuit articulated parallelogram is made in the form of a set of separate three-articulated connecting rods installed in series and interconnected by means of double hinges, pivotally connected to the rack by means of a mechanism of parallel cranks with an checkerboard pattern.