Рис. 1. Трехзвенный стержневой механизм
Рис. 2. Кривошипно-коромысловый шарнирный механизм.
Для преобразования движения или передачи силы в машинах используются различные плоские или
пространственные стержневые механизмы. Простейшим двухзвенным стержневым механизмом является рычаг, вращающийся относительно неподвижной точки опоры.
На рис. 1 изображен трехзвенный механизм, в котором при вращении стержня 1 цилиндрический палец на стержне 2 скользит в пазу станины 3.
Примером четырехзвенного четырехшарнирного механизма может служить механизм подъемно-качающегося стола листопрокатного стана, который при приемке прокатываемого листа устанавливается в положение, показанное на рисунке 2.
Рис 3. Двухкоромысловые четырехзвенные шарнирные механизмы: а — портового крана; б — прямила Чебышева.
Рис. 4. Двухкривошипный четырехзвенный шарнирный механизм.
При падаче листа в нижнюю пару валков стол при помощи стержня 2 и повороте кривошипа 1 на 180° занимает нижнее положение (изображено штриховой линией).
Кривошипу 1 сообщается эпизодическое движение в моменты времени, когда прокатываемый лист необходимо передать из верхней в нижнюю пару валков.
В четырехзвенном шарнирном механизме ABCD, используемом в качестве механизма горизонтального перемещения груза при повороте коромысла 1 в передвижном портовом кране, точка подвеса груза на звене 2 выбирается с таким расчетом, чтобы участок ЕЕ0 траектории, в пределах которого осуществляется горизонтальное
перемещение груза, мало отклонялся от горизонтали (рис. 3, а).
В этом случае при переносе груза не затрачивается работа на его поднятие и опускание, как это было бы в случае криволинейной траектории.
В механизме портового крана звенья 1 и 3, вращающиеся относительно неподвижного звена, могут поворачиваться на ограниченный угол.
В механизме (рис. 2) звено 1 может совершать полный оборот и носит название кривошипа, а механизм может быть назван кривошипно-коромысловым шарнирным механизмом.
Механизм портового крана (рис. 3, а) называется двухкоромысловым четырехзвенным шарнирным механизмом.
К этому же типу должен быть отнесен механизм, известный под названием прямила Чебышева (рис. 3, б). В этом механизме, при определенном соотношении расстояний между центрами шарниров, точка Е описывает траекторию, некоторый участок которой мало отличается от прямой.
Непрерывное движение механизма мсообщить вращение шатуну 2 относительно какого-либо из коромысел 1 или 3. Нетрудно видеть, что если в четырехзвенном шарнирном механизме расстояние между неподвижными центрами звеньев взять меньше, чем любое из остальных, то оба указанных звена могут совершать непрерывное вращение в одном направлении.
Механизм такого вида называется двухкривошипным. На рис. 4 изображен двухкривошипный механизм, используемый для передачи вращательного движения параллельными валами А и D, расстояние между осями которых может изменяться. Разумеется ось D может быть и неподвижной.
Размер цилиндрических поверхностей, образующих шарнирное соединение, может быть большим или меньшим расстояния между центрами смежных шарниров.
На рис. 5, а показано шарнирное соединение, в котором радиус цилиндрической поверхности шарнира А меньше расстояния между центрами шарниров А и В, а на рис. 5, б, наоборот, он больше указанного расстояния.
Звено 1 в этом случае называют эксцентриком. И в том, и в другом случае точка В движется по дуге окружности радиуса АВ.
Если относительный поворот звеньев механизма меньше 360°, то можно использовать только часть эксцентрика (рис. 5, в и г). В частном случае, если радиус АВ в соединении (рис. 5, г) сделать бесконечным, то стержень АВ обращается в ползун.
Рис. 5. Разновидности шарнирного соединения.
Рис. 6-а. Эксцентриковый четырехзвенный шарнирный механизм.
Рис. 6-б. Эксцентриковый четырехзвенный шарнирный механизм.
На рис. 6, а и б изображены эксцентриковые механизмы.
В первом из них (рис. 6, а) радиус цилиндрической поверхности шарнира В сделан больше расстояния между центрами А и В. При вращении эксцентрика 1, охватываемого хомутом на эксцентриковой тяге 2, коромысло 3 будет совершать качательное движение вокруг центра D. Во втором (рис. 6, б) эксцентрик 1 вращается в эксцентрично расточенном отверстии диска 2. Последний, в свою очередь, вращается в эксцентрично расточенном отверстии диска 3, вращающемся вокруг неподвижного центра D. Вследствие того, что расстояния между центрами Л, В, С и D остаются все время неизменными, движение звена 3 трехэксцентрикового механизма будет такое же, как и четырехзвенного механизма (на схеме показан штриховыми линиями) с неподвижными осями А и D.
Широкое применение в различного рода машинах имеет так называемый кривошипно-ползунный механизм (рис. 7, а). В этом механизме при непрерывном вращении кривошипа 1 ползун 3 совершает возвратно-поступательное движение. Величина хода ползуна зависит от длины 1ав кривошипа.
В многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания в качестве кривошипа используется коленчатый вал, к которому усилия от каждого из поршней (ползунов) передаются через шатуны 2. Коленчатый вал вращается непрерывно в одном и том же направлении.
Рис. 7. Кривошипно-ползунные механизмы:
а — схема; б — механизм гидравлического исполнительного двигателя; в — механизм
компрессора.
Рис. 8. Кулисные механизмы:
а — с качающейся кулисой; б — с вращающейся кулисой; е — с поступательно
движущейся кулисой.
В кривошипно-ползунном механизме (рисунки 7, б) кривошип 1 увязанный с поршнем 3 шатуном 2, движется под действием давления жидкости на поршень. Направление движения зависит от того, в какую из полостей а или б цилиндра подается жидкость. Кривошип имеет ограниченный угол поворота.
На рис. 7, в показан механизм трехступенчатого авиационного воздушного компрессора, в котором движение поршням 3 и 5 сообщается от эксцентрика 1 на ведущем валу через шатуны 2 и 4. Воздух через воздушный фильтр и систему клапанов поступает в камеру а при движении поршня 3 вниз.
При движении поршня 3 вверх воздух сжимается и выталкивается в камеру б, а затем в камеру с. Движение воздуха на схеме показано стрелками.
К четырехзвенным стержневым механизмам следует отнести также различного рода кулисные механизмы. В механизме с качающейся кулисой (рис. 8, а) ползун 2, перемещающийся в пазу кулисы 3, шарнирно связан с кривошипом 1, вращающимся вокруг неподвижной оси А. Изменение направления вращения кулисы происходит каждый раз, когда линия АВ кривошипа 1 располагается перпендикулярно стенкам паза кулисы 3.
Таким образом, при непрерывном вращении кривошипа 1 кулиса 3 совершает возвратное вращательное движение.
В механизме (рис. 8, б) с вращающейся кулисой расстояние АС между неподвижными центрами вращения меньше
длины АВ кривошипа 1. Благодаря такому соотношению расстояний между центрами кулиса 3 может занять любое положение в пределах угла 360°. Однако при равномерном вращении кривошипа 1 кулиса 3 вращается в том же направлении неравномерно.
В частном случае, если неподвижный центр С удалить в бесконечность, то качающаяся кулиса обращается в поступательную (рисунок 8, в).
Такого типа кулисный механизм известен как синусный механизм, потому что перемещение кулисы 3 в направляющих пропорционально синусу угла поворота кривошипа 1 от вертикали.
Этот механизм используется в системах, предназначенных для выполнения математических операций.
Конструктивно кулисные механизмы могут быть выполнены различным образом.
Рис. 9. Кулисные механизмы:
а, б, в — насосов; г — тестомесильной машины.
Рис. 10. Механизм чушколомателя.
В механизме насоса (рис. 9, а) кривошип 1 в форме эксцентрика приводит в движение эксцентриковую тягу 2, движущуюся внутри вращающегося цилиндра3. В этом механизме роль камня играет звено 2, а роль кулисы — цилиндр3. Всасывающий и нагнетающий каналы перекрываются непосредственно кромками вращающегося цилиндра 3 в средних положениях.
В насосе (рис. 9,б) эксцентрик заменен кривошипом 1. С точки зрения строения и кинематики механизм насоса, показанный на рис. 9, в, ничем не отличается от рассмотренных ранее. В этом механизме роль кривошипа играет эксцентрик 1, роль кулисы — разделительное звено 3 и роль камня — разделительная перегородка 2.
При вращении эксцентрика по стрелке жидкость засасывается в камеру а и выталкивается из камеры б.
Разделение камер всасывания и нагнетания осуществляется наружной цилиндрической поверхностью звена 2, которая катится со скольжением внутри цилиндрической поверхности корпуса насоса.
На рис. 9, г изображен механизм тестомешалки, который также представляет собой конструктивное видоизменение кулисного механизма
Стержневые механизмы могут иметь и более четырех звеньев.
Если механизмы плоские и все звенья соединены между собой шарнирами или поступательными парами, то всегда по мере усложнения механизма число звеньев его должно оставаться четным.
На рис. 10 показана кинематическая схема механизма чушколомателя. Подлежащие разделению чушки прижимаются ползуном 6, регулируемым при помощи кулачка 7, к неподвижному упору и к упору на ползуне 5. При опускании ползуна 5 при помощи распорного механизма со звеньями 2, 5, 4, приводимыми в движение
коленчатым валом 1, чушки разламываются.
Благодаря тому, что в начале разрушения чушек линии центров шарниров звеньев 3 и 4 составляют малый угол, действующее вдоль шатуна 2 усилие имеет ограниченное значение.
Рис. 11. Схемы шестизвенных кулисных механизмов:
а — с нижним камнем кулисы; б — с нижним поводком; в — с приводом от шатуна; а — с вращающейся кулисой.
В кулисном механизме (рис. 11, а) движение задается кривошипу 7, на конце которого шарнирно укреплен камень 2, скользящий в пазу кулисы 3. Второй камень 4, скользящий в нижнем пазу кулисы, вращается относительно неподвижной оси. Ползун 5, перемещение которого является целью применения механизма, шарнирно связан
с кулисой. Кулисный механизм, схема которого изображена на рис. 11, б, отличается от предыдущего тем, что камень 4 заменен поводком 4.
В механизме (рис. 11, в) возвратно-поступательное движение ползуна 5 воспроизводится воздействием на него шатуна кривошипно-ползунного механизма через камень 4. Вращающаяся кулиса 3 механизма, показанного на рис. 11, г, скользит относительно камня 2 с неподвижной осью вращения. При равномерном вращении кривошипа кулиса 3 вращается неравномерно.
При построении машин используются различные плоские механизмы, отличающиеся размерами, видом и конструкцией подвижного соединения, числом звеньев и др.
Пространственные стержневые механизмы во многих случаях позволяют при меньшем по сравнению с плоскими механизмами числом звеньев осуществлять требуемый вид движения или передачу движения между осями, как угодно расположенными в пространстве.
Рис. 12. Механизм косой шайбы.
Рис. 13. Механизм петлителя.
Схемы некоторых пространственных механизмов
На рисунке 12 изображен механизм косой шайбы, которая вращается на косом колене 3 коленчатого вала. Благодаря пальцу 1, скользящему в неподвижном пазу, шайба 2 совершает вращение вокруг оси, совпадающей с осью пальца 1, и оси, перпендикулярной к плоскости чертежа.
Четырехзвенный пространственный механизм (рисунок 13) предназначен для воспроизведения заданной траектории точки В звена 3 на цилиндрической поверхности; звено 3 может совершать вращательное и поступательное движение относительно неподвижной направляющей, поэтому точка В будет всегда находиться на цилиндрической поверхности.
Связь звеньев 3 и 2 осуществляется сферическим шарниром А. Звено 2 может совершать только вращательное движение относительно косого колена коленчатого вала 1.
Рис. 14. Стержневая передача между пересекающимися осями.
Рис. 15-а. Пространственный кривошипно-коромысловый механизм.
В пространственном механизме (рисунок 14) вращение между двумя валами 1 и 5 с пересекающимися осями передается с помощью промежуточного звена 3, скользящего с вращением по неподвижной цилиндрической направляющей. Радиусы вращения r2 и r4 центров шаров 2 и 4 должны быть одинаковы так же, как и удаление плоскостей их вращения от оси направляющей.
Для передачи вращательного движения между валами с не параллельными осями используют различные пространственные четырехзвенные кривошипно-коромысловые механизмы.
В механизме(рисунок 15) в качестве кривошипа применен эксцентрик 2 на валу 1, образующий с шатуном 3 сферический шарнир. Шатун 3 с коромыслом 4 на валу 5 также образуют сферический шарнир. Оси вращения кривошипа и коромысла скрещиваются под некоторым углом.
Рис. 15-б. Пространственный кривошипно-коромысловый механизм.
Рис. 16. Сферический механизм.
Рис. 17. Сферический механизм с плоской диадой.
Четырехзвенный пространственный механизм с пересекающимися в одной точке осями всех шарниров называют сферическим (рис. 16).
Если из центра О описать сферу, то расстояние между осями шарниров для каждого из звеньев можно измерить длиной дуги (или соответствующим центральным углом), которую можно считать также размером звена.
Углы между плоскостями расположения осей во время движения механизма изменяются. Нетрудно видеть, что сферический механизм обращается в плоский, если радиус сферы равен бесконечности. На рис. 17 изображен комбинированный механизм, в котором звенья 1,2 и 3 образуют сферический механизм, а звенья 3, 4 и 5 — плоскую часть механизма.
Движение между валами с пересекающимися осями может передаваться различного вида универсальными шарнирами, одной из разновидностей которых является шарнир Гука (рис. 18). Передача вращения от вала 1 к валу 3 через вилку 2 возможна вследствие того, что оси всех шарниров пересекаются в одной точке.
Особенностью механизма является то, что при вращении вала 1 с постоянной угловой скоростью вал 3 будет вращаться неравномерно;
угол между осями валов 1 и 3 может изменяться без нарушения работоспособности механизма, однако при этом неравномерность вращения ведомого вала изменяется.
Более универсальным является механизм, изображенный на рис. 19, известный под названием углового шарнира, допускающий как параллельное смещение осей (рис. 19, а), так и поворот последних (рис. 19, б). Между валами 1 и 4 расположены вилка 2 и гребень 3, соединенные с валами шарнирно.
Разновидностей пространственных стержневых механизмов гораздо больше чем плоских.
Рис. 18. Кинематическая схема шарнира Гука.
Рис. 19. Угловой шарнир.
