Эллипсограф

Полезная модель направлена на расширение функциональных и демонстрационных возможностей устройства. Указанный технический результат достигается тем, что в известном механизме, содержащем стойку, телескопические, кривошип и шатун, ползун, направляющую для перемещения ползуна и планку, перпендикулярную направляющей, причем направляющая для перемещения ползуна способна поворачиваться и фиксироваться относительно стойки, на кривошипе неподвижно установлен лазерный источник света так, что его световой луч параллелен продольной оси кривошипа и падает на планку ползуна, а на кривошипе, шатуне и ползуне установлены самописцы, планка подвижно соединена с направляющей и имеет координатную шкалу с началом на этой направляющей, на шатуне и планке установлены дополнительные ползуны, образующие друг с другом вращательную кинематическую пару. 1 илл.

Полезная модель относится к механизмам, воспроизводящим эллипсы с наперед заданным эксцентриситетом, и может использоваться на различных стадиях проектирования в машиностроении, приборостроении и т.д. Кроме этого она может служить в качестве демонстрационного наглядного пособия в учебном процессе, при изучении плоскопараллельного движения тел и его частных случаев (поступательного и вращательного) в теоретической механике, теории механизмов и машин, в геометрии и др.

Известен эллипсограф - плоский четырехзвенный рычажный механизм Леонардо да Винчи ([1]. Крайнев А.Ф. Словарь - справочник по механизмам, - М.: Машиностроение, 1987. - 560 с. с.541), состоящий из стойки, двух ползунов, соединенных шатуном посредством шарниров. В качестве стойки может служить планшет, по поверхности которого движутся звенья механизма.

Это устройство служит для воспроизведения эллипсов. Его недостатками являются ограниченность по функциональным возможностям и типоразмерам, т.к. длина звена, соединяющего ползуны, фиксирована. В качестве аналогов можно назвать также эллипсографы, построенные на основе планетарной передачи и кинематической схемы И.И.Артоболевского (там же, с.541). Недостатками этих аналогов являются относительная сложность конструкции, изготовления и сборки.

Наиболее близким техническим решением устройства, выбранного в качестве прототипа, является плоский рычажный механизм (патент 55147 РФ, МПК G01P 13/00, опубл. 27.07.2006 г., Бюл. 21). Он содержит стойку, кривошип, шатун, ползун и направляющую для перемещения ползуна. К ползуну неподвижно прикреплена планка.

Недостатками прототипа являются ограниченные функциональные и демонстрационные свойства из-за невозможности воспроизведения эллипсов с наперед заданным эксцентриситетом, а также ограниченная область углов поворота кривошипа, в которой световой луч лазерного источника может попадать на планку, поскольку она закреплена на ползуне.

Технической задачей предлагаемой модели является расширение демонстрационных и функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в известном механизме, содержащем стойку, телескопические кривошип и шатун, ползун, направляющую для перемещения ползуна и планку, перпендикулярную направляющей, причем направляющая для перемещения ползуна способна поворачиваться и фиксироваться относительно стойки, на кривошипе неподвижно установлен лазерный источник света так, что его световой луч параллелен продольной оси кривошипа и падает на планку ползуна, а на кривошипе, шатуне и ползуне установлены самописцы, планка подвижно соединена с направляющей и имеет координатную шкалу с началом на этой направляющей, на шатуне и планке установлены дополнительные ползуны, образующие друг с другом вращательную кинематическую пару.

Выполнение планки подвижной относительно направляющей ползуна позволяет вычерчивать эллипсы с определенной величиной эксцентриситета, показывать непрерывный переход от окружности, описываемой пальцем кривошипа через эллипсы изменяемого эксцентриситета к прямой и обратно - от прямой к окружности, вычерчиваемой самописцем ползуна. За счет подвижности планки значительно расширяется область углов поворота кривошипа, при которых возможно попадание лазерного луча на планку.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид модели.

Эллипсограф состоит из планшета (стойки) 1, кривошипа 2, шатуна 3, ползунов 4, направляющей 5, лазерного источника 6, планки 7, самописцев 8, и фиксаторов 9. Все звенья механизма движутся в плоскостях, параллельных плоскости планшета 1. Ведущим звеном является кривошип 2, который вращается относительно оси O, неподвижно скрепленной со стойкой 1, и через шатун 3 приводит в движение ползун 4 по направляющей 5, самописцы 8 могут перемещаться вдоль звеньев и фиксироваться на них. Планка 7 и направляющая 5 ползуна 4 имеют шкалы длин. Начало шкалы направляющей 5 совпадает с осью вращения кривошипа 2.

Эллипсограф работает следующим образом.

Фиксаторами 9 устанавливаются длины кривошипа 2 и шатуна 3. На кривошипе 2, ползунах 4 шатуна 3 и планки 7 и направляющей 5 в заданных положениях устанавливаются самописцы 8. Положение самописца кинематической пары шатун-планка (4-7) определяется значением длины малой полуоси b эллипса из выражения для наперед заданного эксцентриситета: в , где a - большая ось эллипса, равная выбранной длине кривошипа 2. Координата малой полуоси b фиксируется самописцем кинематической пары ползунов 4, соединяющих шатун 3 и планку 7, по шкале планки, когда кривошип выставлен перпендикулярно направляющей 5. Вращая кривошип 2, приводим в движение механизм. В течение цикла механизма его самописцы очерчивают требуемые траектории.

Таким образом, полезная модель позволяет расширить функциональные и демонстрационные возможности, а именно

- вычерчивать траектории точек звеньев (кривошипа, шатуна, ползуна);

- проверять условия проворачивемости кривошипа звеньев, выражающегося неравенством , где L₁ и L₂ - соответственно длины кривошипа и шатуна, а e - величина принятого эксцентриситета;

- отслеживать движение мгновенного центра скоростей шатуна;

- вычерчивать эллипсы с задаваемым эксцентриситетом;

- определять текущие координаты точек очерчиваемого эллипса по шкалам направляющей ползуна и планки;

- изменять типоразмеры механизма, используя телескопичность кривошипа и шатуна и т.д.

Демонстрационные возможности:

- ознакомление учащихся с конструкцией, структурой и принципом действия механизма;

- вычерчивание траекторий точками звеньев (кривошипа, шатуна, ползуна)

- проверка условия проворачивемости кривошипа звеньев;

- слежение за движением мгновенного центра скоростей (МЦС) шатуна;

- очерчивание эллипсов задаваемого эксцентриситета;

- определение координат текущих точек очерчиваемого эллипса в системе координат с началом на оси вращения кривошипа.

Конструктивные модификации.

Изменения конструкций кривошипно-ползунного механизма реализуются:

- изменением длин звеньев (они телескопические);

- поворотом и фиксацией направляющей относительно планшета;

- отсутствием телескопической конструкции кривошипа и шатуна.

Эллипсограф, содержащий стойку, телескопические кривошип и шатун, ползун, направляющую для перемещения ползуна, которая может поворачиваться и фиксироваться относительно стойки и планку, перпендикулярную направляющей, на кривошипе неподвижно установлен лазерный источник света так, что его световой луч параллелен продольной оси кривошипа и попадает на планку ползуна, а на кривошипе, шатуне и ползуне установлены самописцы, отличающийся тем, что планка подвижно соединена с направляющей ползуна и имеет координатную шкалу с началом на этой направляющей, на шатуне и планке установлены дополнительные ползуны, образующие друг с другом вращательную кинематическую пару.