# Уравновешенный шарнирно-рычажный механизм

Владимир Николаевич Суханов

Механизм относится к плоским шарнирным (рычажным) механизмам и может найти применение при проектировании промышленных и подъемных кранов

Суханов Владимир Николаевич

Уравновешенный шарнирно-рычажный механизм

Origin: http://samlib.ru/s/suhanow_w_n/mehrichru.shtml

Создан: 02/11/2002, изменен: 17/02/2009, 8k

Статья: Изобретательство

Series: Изобретательство

Механизм относится к плоским шарнирным (рычажным) механизмам и может найти применение при проектировании промышленных и подъемных кранов

____________________________________________________________

Общеизвестен рычаг - устройство, в котором меньшая сила уравновешивает большую силу. Рычаг имеет шарнирную опору и две точки приложения сил.

Рычаг находится в равновесии, если векторная сумма моментов действующих на него сил равна нулю.

Pa - Qb = 0 ,

где a и b - плечи сил P и Q (см. рисунок 1а)

В этом случае точка опоры рычага находится между точками приложения действующих на рычаг сил P и Q.

Если две силы P и Q приложены к рычагу по одну стороны от опоры, то для взаимного их равновесия они должны быть направлены в разные стороны (см. рисунок 1б).

Рисунок 1а Рисунок 1б

Силы, приложенные по одну сторону от опоры, для взаимного равновесия могут быть направлены также в одну сторону. Для этого каждая сила должна иметь свой отрезок рычага (свое плечо) между точкой приложения и опорой, а также на опоре плечи должны быть сопряжены через передаточный механизм, например, одну ступень зубчатого механизма ZM. При этом работает правило рычага (см. рисунок 2).

Рисунок 2

При этом зубчатый механизм ZМ должен иметь передаточное число равное единице, а также углы между плечами a и b и направлением сил P и Q соответственно равными между собой.

Предложен новый механизм, в котором силы P и Q приложены к двухзвенному рычагу со звеньями 1 и 2 (см. рисунок 3).

Рисунок 3

Первое звено 1 рычага с плечом a для силы P свободно вращается на шарнире 3 опоры 4. Второе звено 2 рычага с плечом b для силы Q вращается на шарнире 5 свободного конца звена 1. На одной оси с шарниром 5 вращается зубчатое колесо 6, к которому прикреплено звено 2. Колесо 6 цепью сопряжено с зубчатым колесом 7, которое на одной оси с шарниром 3 закреплено на опоре 4.

Диаметр колеса 7 в два раза больше диаметра колеса 6. Длина плеча b=a+x, где x - длина звена 1. Звено 1 с горизонталью образует угол . Звено 2 с горизонталью образует угол . Их сумма + =90o. Эти условия обеспечивают равновесие сил P и Q, при их равенстве, несмотря на то, что они направлены в одну сторону и приложены по одну сторону от опоры.

Траектория движения точки приложения силы Q - эллипс.

Особенность механизма на рисунке 3, по сравнению с рычажным на рисунке 2, заключается в том, что силы, находясь по одну сторону от опоры и направляясь в одну сторону, уравновешивают друг друга. В предложенном новом механизме одно из плеч крепиться не к основанию, а к точке приложения силы другого плеча (действие передаточного механизма сохраняется). Тогда мы имеем разновидность рычага, у которого силы имеют одно направление и приложены с одной стороны от опоры. С точки зрения здравого смысла это невозможно, но механизм оказывается простым.

На механизм в 1987 году была оформлена заявка на изобретение N 4130878/08, но автор получил отказное решение отраслевой патентной экспертизы ВНИИГПЭ. Дело дошло до экспертного совета, но у экспертов кинематические суеверия и традиционные предрассудки оказались столь сильными, что даже работа механизма на их глазах не показалась им убедительной, так как, по их мнению, "такого не может быть".

Устройство уравновешенного шарнирно-рычажного механизма изображено на рисунке 3.

Для тяжело нагруженных манипуляторов, роль цепной передачи может выполнить зубчатый механизм с колесами 8, 9 и 10 (см. рисунок 4).

Диаметр колеса 8 в два раза больше диаметра колеса 10. Диаметр колеса 9 соизмерим с диаметрами колес 8 и 10. Все остальные условия и пропорции этого механизма аналогичны механизму на рисунку 3.

Возможен гидравлический механизм. Простота конструкции и меньшая масса которого, по сравнению с механизмом на рисунках 3 и 4, может сделать его способным к конкуренции (см рисунок 5).

Рисунок 4 Рисунок 5

В гидравлическом механизме рабочий гидравлический цилиндр 11 от гидронасоса со станцией управления осуществляет перемещение звеньев 1 и 2 манипулятора. При этом гидравлический цилиндр 12 между основанием 4 и звеном 1 подключен к гидравлическому цилиндру 13 между звеньями 1 и 2. Перемещение штока цилиндра 12 вызывает равное перемещение штока цилиндра 13 . Остальные условия работы манипулятора аналогичны манипулятору на рисунке 3.

Это устройство имеет свое развитие. Если предложенный уравновешенный механизм представить как одно "звено" переменной длины и к нему по предложенному техническому решению добавить второе подобное "звено", то получим уравновешенный механизм способный перемещать точку приложения Q не только по траектории эллипса, но в плоскости расположения звеньев 1 и 2.

Один из примеров устройства уравновешенного механизма с рабочей плоскостью изображено на рисунке 6.

Рисунок 6.

Где 8 - звенья пантографа или другого механизма, обеспечивающего горизонтальное уравновешенное перемещение в пространстве. Пантограф со звеньями 8 осуществляет горизонтальное перемещение уравновешенного механизма на рис. 3. Звенья этого механизма 1 и 2.

Звено 2 неподвижно присоединено к основанию 4 посредством гибкого вала или цепной передачи с передаточным числом 1:2. При этом звено 2 подключено к валу (передачи) в месте оси 5, а передача подключена к основанию 4 в месте оси шарнира 3.

Это не единственное решение уравновешенного манипулятора. Механизмы подобного типа позволят увеличить КПД "одноруких" манипуляторов. В них энергия будет затрачиваться только на преодоление сил трения в шарнирах и на совершение полезной работы.

Манипулятор на рисунке 3 (или 4, или 5) размещен на грузовой тележке мостового крана (или козлового крана). Манипулятор, имея вылет грузовой стрелы, образованной звеньями 1 и 2 может осуществлять вертикальные перемещения в зонах недосягаемости для грузовой тележки с подъемным механизмом (традиционной схемы).

Предложенный манипулятор может быть использован при проектировании портальных кранов.

КПД такого манипулятора стремиться к 100%. Потери обусловлены трением в шарнирах 3 и 5, потери в которых стремятся к нулю. Для горизонтального перемещения нет необходимости затрачивать работу на подъем и спуск звеньев 1 и 2, так как они взаимно уравновешены.

Статья опубликована в книге "Изобретательское Творчество", ISBN: 5-94990-002-2 в 2003 году, в Казане, Из-во "Фолиантъ".

Впервые информация об этой статье была опубликована в бюллетене ВНТИЦ "Идеи. Гипотезы. Решения" номер 2, 2002 год под номером 72200200011. Зарегистрировано в ВНТИЦ 19 апреля 2002 года.

____________________________________________________________

© Суханов Владимир Николаевич. Уравновешенный шарнирно-рычажный механизм

Origin: http://samlib.ru/s/suhanow_w_n/mehrichru.shtml

Создан: 02/11/2002, изменен: 17/02/2009, 8k

Статья: Изобретательство

Series: Изобретательство