Шарнирно-рычажный механизм с кривошипом, шатуном, балансиром и штоком с камнем

Авторы патента:

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть применена в учебных лабораториях по теоретической и прикладной механике, по теории механизмов и машин и другим общетехническим дисциплинам технических вузов, техникумов и технических училищ.

Известный шарнирно-рычажный механизм имеет неизменяемые длины звеньев и неизменяемые положения опор. Это не позволяет проводить исследования по выявлению зависимостей, например, величин скоростей и ускорений точек механизма от длины звеньев.

В предложенном механизме все звенья выполнены телескопическими с клеммами на концах, а площадки, на которых расположены опоры, стали иметь возможность изменять свои положения. Это позволило обучающимся проводить учебно-исследовательскую работу по выявлению, например, величин скоростей и ускорений, а также сил взаимодействия звеньев, от размеров звеньев и положения их опор. 1 илл.

Известен многозвенный шарнирно-рычажный механизм (Анализ и синтез плоских механизмов / Маркин Ю.С., Наумов Л.Г., Маркин О.Ю. и др./ Под редакцией д.т.н., профессора Маркина Ю.С. - Казань, Татарское кн. изд-во, 2003, стр.108, задания 261-265), начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами а, b, с, d, состоящий из кривошипа, направленного вверх с левым уклоном под углом 60° к горизонту и шарнирно связанного с шатуном, направленным вниз с правым уклоном, другой конец которого шарнирно связан с большим катетом жесткого прямоугольного треугольника балансира, направленного вверх с левым уклоном, меньший катет, исходящий из неподвижного вращательного шарнира, которым балансир связан со станиной, направлен вниз с правым уклоном и шарнирно связан со штоком, направленным вниз с левым уклоном, который своим нижним концом проходит внутри камня с возможностью скольжения, связанного с неподвижным вращательным шарниром, расположенным ниже и правее неподвижного вращательного шарнира балансира на расстоянии от него, равном соответственно 0,7 м и 0,3 м, расстояние между неподвижными вращательными шарнирами кривошипа и балансира по горизонтали равно 0,8 м, по вертикали - половине этого расстояния, длина меньшего катета жесткого треугольника равна расстоянию по вертикали между неподвижными шарнирами, длина большего катета равна 0,6 м, длина шатуна равна 0,85 м, длина кривошипа - 0,25 м.

Основной недостаток известного многозвенного шарнирно-рычажного механизма заключается в том, что он имеет постоянные размеры звеньев и постоянное положение опор, не позволяющих проводить исследования по отысканию зависимостей, например, величин скоростей и ускорений характерных точек механизма от размеров его звеньев, величин сил взаимодействия его звеньев от их размеров.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы сделать звенья механизма изменяемыми по длине с соответствующим изменением положения их опор с тем, чтобы можно было проводить исследования по выявлению зависимостей величин скоростей и ускорений характерных точек механизма от размеров звеньев и положения их опор, а также зависимостей величин сил взаимодействия от размеров звеньев.

Технический результат достигается тем, что в шарнирно-рычажном механизме с кривошипом, шатуном, балансиром и штоком с камнем, состоящем из кривошипа, направленного вверх с левым уклоном под углом 60° к горизонту и шарнирно связанного с шатуном, направленным вниз с правым уклоном, другой конец которого шарнирно связан с большим катетом жесткого прямоугольного треугольника балансира, направленного вверх с левым уклоном, меньший катет, исходящий из неподвижного вращательного шарнира, которым балансир связан со станиной, направлен вниз с правым уклоном и шарнирно связан со штоком, направленным вниз с левым уклоном, который своим нижним концом проходит внутри камня с возможностью скольжения, связанного с неподвижным вращательным шарниром, расположенным ниже и правее неподвижного вращательного шарнира балансира, согласно нашему предложению, все рычажные звенья механизма выполнены телескопическими, наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными от начала звеньев к их концам, стороны жесткого прямоугольного треугольника балансира также выполнены телескопическими, при этом у стержня большего катета клемма расположена внизу, у стержня меньшего катета также внизу, у стержня гипотенузы - вверху, а у штока клемма расположена в начале звена, площадки, на которых находятся основания неподвижных вращательных шарниров кривошипа, балансира и камня, выполнены с возможностью перемещения вдоль вертикальных направляющих, которые закреплены к станине с возможностью перемещения их вдоль горизонтальных направляющих и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.

Такое исполнение шарнирно-рычажного механизма позволило изменять размеры его звеньев и положения их опор и исследовать зависимость, например, скоростей и ускорений характерных точек механизма, а также других характеристик, например, силовых, от размеров звеньев и положения их опор.

На фиг. представлена принципиальная схема шарнирно-рычажного механизма.

Шарнирно-рычажный механизм с кривошипом, шатуном, балансиром и штоком с камнем, начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами а, b, с, d, состоит из кривошипа AO₁, направленного вверх с левым уклоном под углом 60° к горизонту и шарнирно связанного с шатуном АВ, направленным вниз с правым уклоном. Другой конец шатуна шарнирно связан с большим катетом ВС жесткого прямоугольного треугольника балансира, направленного вверх с левым уклоном. Меньший катет DC, исходящий из неподвижного вращательного шарнира С, которым балансир связан со станиной, направлен вниз с правым уклоном и шарнирно связан со штоком DF. Шток направлен вниз с левым уклоном, который своим нижним концом проходит внутри камня 1 с возможностью скольжения, связанного с неподвижным вращательным шарниром Е.

Шарнир Е расположен ниже и правее неподвижного вращательного шарнира С балансира на расстоянии по вертикали и по горизонтали от него, равном соответственно 0,7 м и 0,3 м. Расстояние между неподвижными вращательными шарнирами О₁ и С кривошипа и балансира по горизонтали равно 0,8 м, по вертикали - половине этого расстояния. Длина меньшего катета DC жесткого треугольника равна расстоянию по вертикали между неподвижными шарнирами O₁ и С.Длина большего катета ВС равна 0,6 м. Длина шатуна АВ равна 0,85 м. Длина кривошипа - 0,25 м.

Все рычажные звенья механизма выполнены телескопическими. Наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными от начала звеньев к их концам. Например, шатун АВ имеет наружный стержень 2 и клемму 3, расположенную на конце звена. Стороны жесткого прямоугольного треугольника балансира также выполнены телескопическими. У стержня большего катета ВС клемма расположена внизу. У стержня меньшего катета DC также внизу. У стержня гипотенузы - вверху. Только у штока DF клемма расположена в начале звена. Площадки, на которых находятся основания неподвижных вращательных шарниров O₁, С, Е, соответственно кривошипа, балансира и камня 1, выполнены с возможностью перемещения вдоль вертикальных направляющих, соответственно 4, 5, 6, которые закреплены к станине с возможностью перемещения их вдоль горизонтальных направляющих, соответственно 7, 8, 9 и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.

Шарнирно-рычажный механизм работает следующим образом.

Например, изменяем длину кривошипа АО₁. Для этого ослабляем затяжку резьбовых крепежных элементов клеммы, выдвигаем внутренний стержень из наружного и устанавливаем нужную длину кривошипа, а затем жестко соединяем стержни с помощью клеммы затяжкой резьбовых крепежных элементов.

При этом изменяется скорость точки А, которая определяется по формуле:

где, ₁ - угловая скорость кривошипа; - длина кривошипа.

При увеличенной длине кривошипа увеличивается и величина скорости точки А. С изменением скорости точки А происходит изменение скоростей и других характерных точек механизма, например, точек В, D, F. Изменяя ступенчато длину кривошипа и определяя скорости характерных точек механизма, можно выявлять зависимость величин скоростей точек от длины кривошипа. Аналогично можно определять зависимости и величин ускорений характерных точек от длины кривошипа, а также сил взаимодействия звеньев механизма, известными методами теоретической механики и теории механизмов и машин. Следует сказать, что можно определять скорости и ускорения не только характерных точек механизма, но и любых других точек, принадлежащих звеньям рассматриваемого механизма.

По аналогии можно изменять размеры и других звеньев и выявлять необходимые зависимости. Опыт показывает, что у предложенного механизма появились огромные возможности в осуществлении различных сочетаний в изменении длин звеньев, а у обучающихся - широкие возможности для проведения учебно-исследовательской работы.

Задача, поставленная перед полезной моделью, полностью выполнена.

Шарнирно-рычажный механизм с кривошипом, шатуном, балансиром и штоком с камнем, состоящий из кривошипа, направленного вверх с левым уклоном под углом 60° к горизонту и шарнирно связанного с шатуном, направленным вниз с правым уклоном, другой конец которого шарнирно связан с большим катетом жесткого прямоугольного треугольника балансира, направленного вверх с левым уклоном, меньший катет, исходящий из неподвижного вращательного шарнира, которым балансир связан со станиной, направлен вниз с правым уклоном и шарнирно связан со штоком, направленным вниз с левым уклоном, который своим нижним концом проходит внутри камня с возможностью скольжения, связанного с неподвижным вращательным шарниром, расположенным ниже и правее неподвижного вращательного шарнира балансира, отличающийся тем, что все рычажные звенья механизма выполнены телескопическими, наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными от начала звеньев к их концам, стороны жесткого прямоугольного треугольника балансира также выполнены телескопическими, при этом у стержня большего катета клемма расположена внизу, у стержня меньшего катета также внизу, у стержня гипотенузы - вверху, а у штока клемма расположена в начале звена, площадки, на которых находятся основания неподвижных вращательных шарниров кривошипа, балансира и камня, выполнены с возможностью перемещения вдоль вертикальных направляющих, которые закреплены к станине с возможностью перемещения их вдоль горизонтальных направляющих и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.