автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Разработка методов структурного и кинематического синтеза клиновых и винтовых механизмов четвертого семейства

На правах рукописи

БАКЛУШИН ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО И КИНЕМАТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА КЛИНОВЫХ И ВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ ЧЕТВЕРТОГО СЕМЕЙСТВА

Специальность: 05.02.18-Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2006

Работа выполнена на кафедре «Теории механизмов и машин и основ конструирования» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Л.Т. Дворников; Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Г. Хомченко;

доктор технических наук, профессор Э.Я. Живаго.

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет», г. Томск.

Защита состоится 15 декабря в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.06 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омском государственном техническом университете» по адресу: г. Омск, пр. Мира 11, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омского государственного технического университета».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира 11, ОмГТУ, диссертационный совет Д 212.178.06, ученому секретарю.

Автореферат разослан /«> Н £/>/9

Ученый секретарь диссертационного „

Совета Д 212.178.06, к.т.н., профессор В.Н. Бельков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Экономически развиваясь, государство предъявляет повышенные требования ко всем отраслям промышленности, а в особенности к машиностроению, которое всегда являлось основой технического прогресса. Современной тенденцией машиностроения является комплексная механизация производственных процессов, как наиболее эффективный метод повышения производительности труда. Этот процесс идет по пути создания и внедрения новых механизмов, машин и систем машин. Известно, что создание новых машин, начинается с исследования их структуры, с поиска алгоритмов их структурного синтеза.

В 1990 г, в Сибирском государственном индустриальном университете (г. Новокузнецк) были начаты исследования, посвященные разработке новых подходов к решению задач синтеза структур как пространственных, так и плоских механических систем любой сложности. Эти исследования позволили найти некоторые новые схемы машин, показали, что проблема эта не потеряла своей актуальности. В связи с выходом на новые задачи актуальность поиска структур приобрела существенную значимость.

Одним из объектов начатых исследований явились так называемые механизмы четвертого семейства, пригодные для использования в самых разных областях машиностроения.

Целью настоящего исследования является создание метода структурного синтеза кинематических цепей четвертого семейства, с помощью которого возможно было бы синтезировать многообразие конструктивных схем кинематической цепи с заданной подвижностью, включая и нулевую подвижность (группы Ассура), и развитие метода на разработку новых видов механизмов, названных редукторами поступательного движения.

Методика исследований. В диссертации использованы известные и оригинальные методы анализа и синтеза структуры плоских клиновых и пространственных винтовых механизмов, графоаналитические методы исследования их кинематики и кинетостатики, методы макетирования и эксперимента.

Достоверность результатов подтверждается реальными алгоритмами поиска новых структур механизмов четвертого семейства по заданным условиям. Создание новых механизмов, названных «Редукторами поступательного движения» подтверждено патентами РФ №2150626 от И-05.1999 г. и № 2184290. от 05.07.2000г. Работа завершается актом о внедрении результатов научных исследований, в ООО «КузнецкПромМон-таж» при проектировании и создании прессовых конструкций.

На защиту выносятся:

- обоснование необходимых и достаточных условий образования цепей четвертого семейства;

- метод синтеза структур плоских цепей четвертого семейства;

- метод синтеза нераспадающихся на более простые групп Ассура четвертого семейства;

- установление признаков отличий кинематических цепей друг от друга и нахождение полного состава механизмов четвертого семейства;

- новые подходы к созданию пространственных винтовых механизмов на основе их плоских клиновых аналогов;

- алгоритм синтеза новых механизмов, названных редукторами поступательного движения, и обоснование условий их полной работоспособности;

- методика кинематического анализа и синтеза редукторов поступательного движения.

Научная новизна. Новизна исследования заключается в разработке принципиально нового подхода к решению задач синтеза цепей четвертого семейства. Впервые показана возможность отыскания всего многообразия кинематических цепей четвертого семейства, удовлетворяющих условиям их работоспособности. Разработан новый вид механизмов, названных редукторами поступательного движения, на ряд найденных схем получены патенты РФ.

Практическое применение результатов исследования показано на конкретных примерах синтеза механизмов, обладающих широкими возможностями обеспечения заданных траекторий и законов движения рабочих органов. Редукторы поступательного движения способны заменять и модернизировать известные гидравлические механизмы поступательного действия.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и представлялись;

- на шестой, седьмой, восьмой, девятой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и шестнадцатой научно-практических конференциях по секции машиностроения и горных машин (г.Новокузнецк, с 1997 г. по 2005 г.);

- на региональном конкурсе «Инновации и изобретения года» при Администрации Кемеровской области и торгово-промышленной палаты (г. Кемерово, 2004 г);

- на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых СТТ 2005 (г, Томск, 2005 г);

- в центре научно-технической информации, (ЦНТИ) (г. Кемерово, 2005 г);

- работа автора была признана победителем конкурса 2003 г. на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России (Приказ №4288, от 19.11.2003).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в семи научных статьях, двух изобретениях и одного решения о выдаче патента на изобретение.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из пятидесяти двух наименований и приложения. Общий объем работы 154 страницы, 12-таблиц, 82-рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность исследования и дано краткое описание содержания глав диссертации.

В первой главе показано, что согласно числу общих наложенных на весь механизм связей проф. Добровольским В.В. было обосновано разделение всех известных кинематических цепей по родам. В дальнейшем, Артоболевским И.И. было введено понятие семейств механизмов, которое оказалось более адекватно определяющим суть вопроса и которое используется до настоящего времени. В зависимости от принадлежности кинематической цепи к тому или йному семейству ее подвижность может определяться по формуле, носящей имя Добровольского В.В.,

Я1 + 1

(1)

5

где т — число общих наложенных на механизм связей (т = 0,1,2,3,4); к ~ номер класса кинематических пар (А = 5,4,3,2,1); п — число подвижных звеньев цепи; Рк~ число кинематических пар Л-того класса. Для различных семейств кинематических цепей формула Добровольского В.В. принимает вицы:

-для нулевого семейства: т = 0, =* 6 л - - 4р4 - Зр3 - 2рг -ри -для первого: т = \,}У1~5п-4р5-Зр4-2рз-р2', -для второго: т=2, И/г=4п~Зр$-2р4-рз'1

- для третьего: т=3,1У1-Зп~2р5-р4; -для четвертого:т =»4, И/4 = 2п~р!.

К настоящему времени наиболее серьезные результаты достигнуты в изучении механизмов третьего семейства, т.е. плоских и сферических. Достаточно глубоко изучены простейшие механизмы нулевого семейства. Практически не исследованными остаются механизмы первого и второго семейств. Что касается механизмов четвертого семейства, которым по-

священа настоящая диссертационная работа, то в этом направлении были рассмотрены лишь простейшие схемы и самые ординарные задачи. Так, в известных исследованиях механизмов четвертого семейства, самыми содержательными из которых до 1994 г. являлись исследования Добровольского В.В. и Артоболевского И.И., даются общие сведения о таких механизмах, приводятся используемые схемы и ставятся задачи их исследования.

В 1994 г. Дворниковым J1.T. была разработана универсальная структурная система поиска структур механизмов любых семейств, которая дала возможность целенаправленно решать многие задачи синтеза структур кинематических цепей, в том числе механизмов четвертого семейства.

Именно эти подходы были взяты автором за основу в системном изучении механизмов четвертого семейства.

Далее в первой главе дается обзор всех известных механизмов четвертого семейства, в том числе тех, которые нашли практическое применение; приводится краткий анализ последних исследований в этом направлении, в частности Турпаева А.И., Пейсаха Э.Е., Тимофеевой И.О., и формулируются основные задачи настоящего исследования.

Вторая глава диссертации посвящена разработке теории синтеза структур цепей четвертого семейства.

С использованием подходов профессора Дворникова Л.Т., в работе обосновывается универсальная структурная система синтеза кинематических цепей, применительно к четвертому семейству, в виде р -1 + (т - IJ/tr_j +... + ini +... + 2п2 + nlt

' n = 1 + rtr_/ +«. + И| + +ttj +it0, (2)

W=2n-p,

где p - общее число кинематических пар кинематической цепи. Будем иметь в виду далее, что для механизмовяетвертого семейства р =ps',

т - количество кинематических пар наиболее сложного - базисного звена цепи;

щ - число звеньев, добавляющих в цепь по / кинематических пар. Звенья По кинематических пар в цепь не добавляют.

Решить универсальную систему (2) — это значит найти удовлетворяющие ее числа кинематических пар р и числа звеньев от «м до я».

Очевидно, что при т—i групп Ассура (№=0) построить невозможно, а механизмом является единственный (г= 1, W— 1, п — I, р — 1), а именно ползун, имеющий возможность двигаться относительно стойки.

Для синтеза цепей с г>1 обосновывается решение системы (2) в виде

р = ТГ+2т+2(К-1)-2п<„ (т-2)щ_1 +...+(1-1)пг+...+ 2п3 +п2 = N.

^ = Л — 1 ~ — ~ )

где N - целое положительное число, включая ноль. Независимыми, задаваемыми параметрами системы (3) являются два, а именно сложность базисного звена (г) и подвижность цепи (IV).

При г- 2 и 1 по (3) можно найти единственное решение л = 2, р=3, «1 = 1, я„ = 0. Трехзвенный клиновой механизм, удовлетворяющий приведенному решению, показан на рисунке 1.

Строится механизм так: к звену I, принятому за г-угольник и обладающему двумя геометрическими элементами двух поступательных кинематических пар П1 и Пг, присоединяется звено 2, представляющее собой звено «1, так как оно добавляет в цепь одну кинематическую пару Щ.' Свободные пары соединяются со стойкой 0,

Задаваясь т=*2 и И"=2, по(3) можно найти два решения: л =3,/>=4, щ =2, «о=0 и п=2,р=2, «1 =0, лв = 1, которые реализуются в виде разных схем (рисунок 2а и 2Ь соответственно).

Отметим, что при наличии звена я0 (рисунок ЗЬ) цепь оказывается не замкнутой на стойку.

Система (3) может применяться для решения задач синтеза структур всего многообразия кинематических цепей четвертого семейства. Однако при реализации решений в конкретные цепи следует учитывать их ветвле-

-цш;

Рисунок 1 — Трехзвенный клиновой механизм

3(а.)

а)

Ь)

Рисунок 2 - Двухподвижные цепи с т=2

ние. Число ветвей цепи у определяется как разница между общим числом парр и числом пар, занятых присоединенными (л~ 1) звеньями, т.е.

Г*р-{п-1). (4)

Подставляя в (4) п пр из (2), можно, с учетом третьего уравнения из (3) связать ус тв виде

у=т+(т-2)п^,+.~+(1-1)п, +...+п3 =г+Лг. (5)

В процессе построения цепей, в них могут появляться замкнутые изменяемые контуры, Если обозначить через «число замкнутых изменяемых контуров, а через д- число выходов цепи на стойку, то они будут связаны с у через зависимость

. (6)

откуда следует, что у- есть число свободных пар цепи, которое имело бы место, если бы цепь не содержала в своем составе замкнутых изме-.няемых контуров. Количество выходов 5 ограничивается сверху и снизу. Оно для закрытых цепей не должно быть менее двух и не может быть более у, т.е.

2<.6<>г. (?)

С учетом ветвления цепей и появления в них изменяемых замкнутых контуров, а также при условии, что далее будут рассматриваться цепи замкнутые на стойку, т.е. при «0 - 0, универсальная структурная система (3) приобретет вид

(3) -+(т-2)пы +...+(¡-1)/^ +...+2п}+п2 »¿У, да

—►Н] =11-/-"^ — Яд,

(б)

Для заданных конкретных независимых параметров и г система (8) позволяет находить число звеньев л, число кинематических пар р, все числа звеньев щ, а также у, а, в, на основании чего становится возможным простраивать структурные схемы любых кинематических цепей четвертого семейства, как с замкнутыми изменяемыми контурами, так и без них.

Большой интерес представляет отыскание полного состава цепей при заданном количестве звеньев. В работе приведен алгоритм решения таких задач.

Систематически рассматривается задача о синтезе структур механизмов 1) по заданным значениям г. Так, если самое сложное звено принимается трехугольным (г = 3), в результате решения системы (8)

можно показать, что для четырехзвенных механизмов (и = 3, а четвертое звено - стойка) решениями являются Р = 5, «1=2, ¿>-3, «=0 и р=5, П1=*2у <У-2, а=1, по которым создаются два механизма (рисунок За и ЗЬ).

Рисунок 3 - Клиновые четырехзвенники с т= 3

Они строятся от г-уголышка, присоединением к нему двух звеньев «1 (в первом случае - независимо друг от друга, а во втором - образовывая замкнутый изменяемый контур). При этом, замыкающее контур звено является звеном пи т.е. оно добавляет одну кинематическую пару. Простейшим работоспособным изменяемым замкнутым контуром в механизмах четвертого семейства является трехзвенный, т.е. аэ.

Общий алгоритм отыскания структур механизмов предусматривает подстановку в систему (8) значения г, определяющего сложность г-угольника, и далее, путем увеличения параметра IV от нудя через единицу, нахождение чисел звеньев щ. При этом могут строиться цепи с любым общим количеством звеньев л, при различных числах выходов ¿и количеством изменяемых замкнутых контуров а.

Особое внимание в работе обращено на поиск нераспадающихся на более простые групп Ассура четвертого семейства. Известно, что группы Ассура обладают уникальными свойствами. Присоединение такой группы любой сложности к ведущему звену позволяет получать гарантированно работоспособный механизм. Кроме того, известно, что любая группа Ассура есть группа, кинематически и кинетостатически разрешимая.

Для нахождения полного состава нераспадающихся групп Ассура автор исходил из условий, что нераспадающаяся группа должна содержать в своем составе изменяемые замкнутые контуры, при этом в образовании изменяемых замкнутых контуров должны быть задействованы все звенья группы. Анализ возможных схем групп Ассура показал, что между минимальным числом звеньев группы и максимальной сложностью г-угольника (г^,) существуют связи в виде

л»ш1=г> тш„=я. (9)

Кроме того было выявлено, что число изменяемых замкнутых контуров в группе а определяется числом используемых звеньев »и т.е.

а=П{ ~(т-2)+(т-3)/г^_1 +...+(¡~2)п, +...+п3, (10)

Из (10) следует, что при образовании нераспадающихся групп Ассу-ра необходимо создавать в них вполне определенное число изменяемых замкнутых контуров, а именно приг = Э,а = 1,

прит = 4,а = 2 + п3, ' . (.11) при г = 5, а =3 + 2п4 +м3,

приг = 6,а = 4+3п5 + 2»4 +п3, т.е. при т~4 нельзя построить нераспадающуюся группу Ассура с числом изменяемых замкнутых контуров менее двух, при т = 5 число контуров должно быть не менее трех и т.д.

На основании зависимостей (9), (10) и (11) с учетом того, что систему (8) можно преобразовать к виду

n~(r-t)~(т~2)nr^¡ +...+2п3 +п2,

72"', (12) .ттах ~ п>птЫ ~ г*

Система (12) позволяет находить все возможные группы Ассура четвертого .семейства, не распадающиеся на простые. В настоящей работе найдены и показаны все группы Ассура, состоящие из я=1,2,3, 4, 5 и 6, а именно: одна однозвенная группа, одна трехзвенная, три четырехзвенных, девять пятизвенных и двадцать шесть шестизвенных групп. На рисунке 4 дается фрагмент найденного состава групп.

Двухзвенных нераспадающихся групп Ассура создать невозможно. При построении различающихся кинематических цепей четвертого семейства с заданным числом звеньев важным параметром становится число сторон цепи и распределение этого числа между выходами. '

^ х~2 Г тО Хл^^ со /

Однозвенная группа Ассура Трехзвенная группа Ассура

Т=4 П1 Лл

Четырехзвенные группы Ассура

01

Пятизвенная группа Ассура Шестизвенная группа Ассура

■Рисунок 4-Не распадающиеся на простые группы Ассура четвертого семейства

На рисунке 5а а 5Ь приведены две кинематические цепи с я ~ 4. Общее число сторон подвижных звеньев (они обозначены цифрами) в обоих схемах равно десяти (Л=10). Отличие схем заключается в том, что между выходами А, Б, В, Г, А в первой схеме число сторон распределено как 2-22-4, а во второй — как 3-2-3-2. В работе обосновывается подробная методика перебора всех возможных вариантов схем по числу сторон между

Рисунок 5 — Распределение сторон по выходам цепи

С учетом всех перечисленных факторов, отличающих цегга друг от друга, рассматривается единая методика отыскания цепей в виде древа процедур (рисунок 6), по которому можно осуществлять синтез всего многообразия кинематических цепей.

Рисунок б - Древо процедур определения отличающихся кинематических цепей

Согласно уравнений древа в начале по заданным условиям (и и №) определяются и у. Далее устанавливается рад значений % от 3 до

По системе (8) находятся все возможные значения Ы, а значит и числа Я/. По найденному полному ряду значений 8 (выходов) от 2 до у, отыскивается количество и сложность замкнутых изменяемых контуров, после чего строится многообразие структур, отличающихся общим числом наружных сторон и их распределением между выходами.

Разработанная методика позволила найти все возможные схемы механизмов с числом подвижных звеньев от я = 1 до « — 5. Все они приведены в приложении к диссертации. Было установлено, что: однозвенный механизм может быть выполнен в единственном варианте. Единичным является и.двухзвенный механизм (рисунок 1). Трехзвенных механизмов два (рисунок 3), четырехзвенных механизмов двенадцать, пятизвенных механизмов-пятьдесят.

Отметим, что лишь некоторые из найденных механизмов являются известными.

В третьей главе работы исследуется взаимозависимость между плоскими клиновыми и пространственными винтовыми механизмами и обосновывается принцип создания так называемых редукторов поступательного движения. Показывается, что в механизмах четвертого семейства (клиновых и винтовых) могут использоваться три вида кинематических пар пятого класса, допускающих единственное независимое относительное движение: поступательное (П), винтовое (Вт) и поворотное (Пв).

В таких механизмах не могут использоваться вращательные кинематические пары т.к. они переводят кинематические цепи в третье семейство.

Если рассмотреть винтовое движение развернутым на плоскость, то между параметрами, определяющими это движение, можно найти зависимость

рг-МЮ'-Ы-х, (13)

где <р - угол поворота гайки на винте, г- радиус резьбы винтовой пары, 0-угол подъема винтовой линии, .У— поступательное смещение гайки.

В (13) 5 есть линейное смещение гайки вдоль оси X, а д> т - есть перемещение точки гайки, расположенной на радиусе г, при ее повороте на угол <р. На рисунке 7 показаны варианты развертки на плоскость винтовой пары в координатах фг-Б.

■ сз^ 1—I '"у!

,фг| ■ <рг|

I /7 \ ! Р=90

р=о

а) Ь) с)

Рисунок 7 - Варианты движения гайки на винте

Если угол р в винтовой паре довести до значения 90°, то р г по (13) при любых значениях 5 будет равно нулю, и винтовая пара вырождается в пару поступательную (рисунок 7Ь).

Если же угол Д уменьшить до нуля, то по (13) при любых значениях р смещение 5 будет оставаться равным нулю («У = 0). Таким образом, поворот подвижного звена на любой угол <р не приведет к смещению вдоль оси X, т.е. винтовая пара в этом случае также выродится, но в пару другого вида, а именно, в поворотную (рисунок 7с).

■ Рассмотрим ситуацию с 0 подробнее. Хотя в этом случае движение подвижного звена относительно неподвижного вращательное, пару эту нельзя назвать вращательной в полном смысле этого слова.

Дело в том, что любое винтовое движение не может быть бесконечным, - оно ограничивается длиной используемого резьбового участка. Все винтовые механизмы, как и клиновые, имеют возвратное движение, они работают по принципу «туда - обратно». В отличие от вращательной, поворотная пара обеспечивает лишь заданный максимальный угол поворота в одну или в другую сторону. Даже проектироваться такая пара должна по иным требованиям, чем вращательная.

Необходимо учитывать, что винтовые механизмы есть механизмы, в которых геометрические оси движения всех звеньев совпадают. Такие механизмы — соосные. При этом, имеются в виду оси как поступательного движения, так и поворотного. У гайки геометрическая ось ее поворота совпадает с осью поступательного движения, у любого кривошипа поступательные движения всех его точек лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения кривошипа.

Именно на этом основании кинематическую пару винтового механизма, которая позволяет звеньям поворачиваться относительно стойки без осевого смещения, следует называть поворотной парой, что по мнению автора, необходимо ввести в терминологию структуры механических систем.

Это уточнение является существенным. Оно позволяет отличать пары, обеспечивающие относительное поворотное (возвратно-поворотное) движение в механизмах четвертого семейства (поворотная пара), от пар, используемых во всех других (т < 4) семействах (вращательная пара).

С учетом этого можно говорить о полной аналогии между плоскими клиновыми и пространственными винтовыми механизмами. Т.е., используя в качестве основы полученную клиновую цепь, путем замены в ней всех поступательных пар на винтовые можно получить пространственную винтовую цепь.

Если создавать трехзвенные схемы (в которых третье звено - стойка), то возможны всего четыре вида механизмов, а именно Вт-Вт-Вт, П-Вт-Вт, Вт-Вт-Лв и П-Вт-Пв, Это утверждение подтверждается тем, что все трехзвенные винтовые пространственные механизмы, приведенные в известном справочнике академика Артоболевского И.И. «Механизмы в современной технике», удовлетворяют именно этим сочетаниям. Данное утверждение оказалось весьма существенным, т.к. оно объясняет, почему нельзя создать механизмы типа II-Br-II, или П-Пв-П, которые и могли бы работать как редукторы поступательного движения.

При создании редукторов поступательного движения (РПД), а этот термин был впервые употреблен в настоящем исследовании, необходимо, чтобы число подвижных звеньев было не менее трех. Простейшая из таких схем показана на рисунке 8.

«*=3)/0

3<И1> ю Si

Рисунок 8 - Простейший редуктор поступательного движения

Работает редуктор следующим образом. Если ведущему звену 2 придать поступательное смещение №), то звено 1 придет в движение через винтовую кинематическую пару 1-2. Само же звено 1 будет совершать винтовое движение по резьбовой нарезке относительно стойки 1-0, обусловленное поступательным движением ведущего звена, в результате чего через винтовую кинематическую пару 1-3 это звено, взаимодействуя с ведомым звеном 3, принудит последнее к поступательному движению

Редукция или передаточное отношение V определится зависимостью

' ^ А • (И)

, ■ .■ Л}

Величина же выразится через утлы наклона резьбы в винтовых кинематических парах.

Следует отметить, что не по всем клиновым схемам механизмов можно построить редукторы поступательного движения. Если использовать клиновой механизм с двумя выходами, (рисунок 9), то полученный механизм будет особенным тем, что в н£м входное и выходное звенья будут двигаться вдоль одной продольной оси. Тогда при поступательном смещении ведущего звена ведомое звено может сдвинуться точно также, и внутреннего движения между звеньями не произойдет.

Рисунок 9 — Вариатор поступательного движения

Для того, чтобы все звенья механизма получили относительное движение во всех винтовых парах, необходимо приложить некоторое сопротивление к выходному звену либо притормозить одно из звеньев от свободного движения. Вследствие того, что движение механизма будет зависеть от прилагаемого усилия торможения, такой механизм был назван вариатором поступательного движения (патент № 2082047 от 20.06.97 г.). Сфера применения таких механизмов весьма разнообразна. Возможно использование такого механизма в качестве демпфера при передаче больших нагрузок, вследствие его большой инерционности. Возможно также использование такого механизма в качестве аварийного ограничителя. При достижении предельной нагрузки, вариатор может привести к расцеплению соединения и предотвратить поломку.

Дм создания редукторов поступательного движения необходимо обеспечить .определенность движения от входящего звена к выходному.

Сделать это можно, введя в механизм еще одно соединение со стойкой, т.е. количество выходов на стойку для редуктора поступательного движения должно быть не менее трех (<5йЗ).

В результате разработанных условий были найдены схемы редукторов поступательного движения, состоящие из трех и четырех подвижных звеньев, в качестве основы были использованы клиновые аналоги механизмов, найденные в настоящей работе.

В работе был синтезирован ряд редукторов поступательного движения, а на схему (рисунок 10) получено решение о выдаче патента № 2005 136 509, от 24.11.2005. Разработанный метод синтеза РПД не имеет ограничений по числу используемых звеньев.

Рисунок 10 - Четырехзвенный редуктор поступательного движения

Показанные в настоящей главе примеры получения принципиально новых, имеющих патентные перспективы механизмов, свидетельствуют о реальной целесообразности разработанных методов.

Особо в работе рассмотрен вопрос об обеспечении гарантированной передачи движения от поступательно движущего винта к поворачиваемой гайке и наоборот. Выявлены условия, когда пара ползун-гайка становится самотормозящейся; найдена зона углов наклона резьб, допустимых к применению в редукторах поступательного движения (рисунок 11). На рисунке обозначены: р — угол трения, углы между лучами В и В*, а также А и А' - допустимые отклонения на изменение угла трения.

Рисунок И - Возможные углы наклона резьб РПД

Если угол наклона резьб в редукторе поступательного движения будет принимать значения соответствующие тем, что находятся в заштрихо-

ванной области, то редуктор поступательного движения становится гарантированно работоспособным.

В четвертой главе решается принципиально новая задача о кинематическом анализе и синтезе редукторов поступательного движения. Задача решается графоаналитическим методом. Сущность метода заключается в построении плана смещений в координатах где - осевые смещения звеньев, а (рг — развертка длины дуг поворота тех же звеньев. Рассматриваются прямая и обратная задачи кинематики. Прямая, или задача анализа, решается когда известными принимаются углы наклона резьб редуктора и ищется его передаточное отношение, а в обратной задаче - задаче синтеза - задается передаточное отношение и находятся необходимые углы наклона резьбовых соединений.

Обратимся к задаче анализа, сформулировав ее так: для заданного редуктора поступательного движения (патент РФ № 2184290 от 27.06.2002), в котором между входящим звеном 1 и выходным звеном 4 используется трехзвенная (звенья 1-2-3) группа Ассура (рисунок 12), при известных углах наклона резьб 1-2,1-3,2-3,2-0 и 3-4 необходимо определить передаточное отношение редуктора.

Рисуйок 12 - Пятизвенный редуктор поступательного движения.

Методика решения соответствующей задачи предусматривает следующие процедуры (рисунок 13).

Зададим некоторое смещение ведущего звена в виде вектора РУ и поставим цель при заданных углах наклона резьб найти смещение звена 4(Р4). Отношение этих смещений и определит передаточное отношение.

В выбранном масштабе из полюса Р (рисунок 13) откладывается смещение звена-1 (/*1). Далее, из точки 1 под известным углом наклона Д.2 в винтовой паре (1-2) проводится прямая а1 и под углом Д.э в винтовой паре (1-3) проводится прямая яз. Прямые а; и а^ являются линиями относительных смещений. Так прямая является линией смещения звена 3 относительно звена I,

Т.к. звено 2 имеет винтовое соединение со стойкой в винтовой паре (2-0), проводится прямая а3 из полюса Р под углом На пересечении линий а1 и а3 получим точку 2. Из точки 2 проводим прямую а4 под углом наклона в винтовой паре (2-3). На пересечении линий аг и а4 подучим точку. 3. Полученные точки 2 и 3 определяют движения соответствующих звеньев. Векторы РТ и ^'определяют поступательные смещения звенев 2

и 3 вдоль горизонтальной оси, а векторы 2*2 и З'З — их поворотные дви' жения.

Далее из точки 3 проводится прямая а5 под углом наклона в винтовой паре (3-4) и на пересечении этой прямой с горизонтальной осью координат находится искомая точка 4. Полученный вектор РА определяет поступательное смещение ведомого звена, а отношение Р1/Р4 ~ передаточное отношение редуктора .

Изложенный метод применим для нахождения как передаточных отношений редукторов поступательного движения в целом, так и отдельных их ступеней. ,

Особое внимание в работе уделено задаче кинематического синтеза. Покажем эту задачу на примере такого же редуктора, показанного на рисунке 12. Задача ставится так: при известном передаточном отношении и углах в винтовых парах (1-3), (1-2), (2-0) и (3-4) определить угол наклона в винтовой паре (2-3).

План смещений строится по разработанному алгоритму. В заданном масштабе из полюса Р (рисунок 13) проводится смещение ведущего звена 1 (Р1), а с учетом заданного передаточного отношения Р1/Р4 и смещение ведомого звена 4 (Р4). Из конца вектора смещения звена 1 под углами и проводятся прямые а^ и аг относительных смещений в кинематических парах 1-2 и 1-3. Зная, что звено 2 совершает винтовое движение относительно стойки в винтовой паре (2-0), проводим прямую а3 под углом На пересечении прямых а^ и находим точку 2, которая определяет движение звена 2. Из точки 4, конца вектора Р4 проводим прямую под углом Дм в винтовой паре (3-4). На пересечении прямых аг и а5 находится точка 3, которая определит смещение звена 3. Проведем прямую а4 через точки 2 и 3 и угол наклона этой прямой определит искомый угол /Ь-г т.к. относительное движение звеньев 2 и 3 определяется именно прямой а4.

Данная методика позволяет находить все углы в винтовых парах редукторов поступательного движения, при заданном передаточном отношении.

Необходимо отметить, что при решении иных задач могут оказаться потребными некие дополнительные построения, однако, можно утверждать, что все эти задачи вполне разрешимы, что исходит из принципиального утверждения о том, что любая группа Ассура - есть цепь кинематически разрешимая.

Также в четвертой главе рассмотрены основы кинетостатического исследования групп Ассура четвертого семейства.

В приложении к диссертации представлен акт о внедрении результатов научных исследований в строительно-монтажной организации г. Новокузнецка и копии патентов РФ Я® 2150626 и №2184290.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование универсальной структурной системы Дворникова Л.Т. обеспечивает возможность алгоритмичного структурного синтеза цепей четвертого семейства. Общее решение структурной системы, найденное в работе, позволяет по независимым параметрам (подвижность) и г (сложность базисного звена) находить числа звеньев и кинематических пар, сложность всех используемых звеньев и строить структурные цепи четвертого семейства во всем их разнообразии.

2. Нераспадающиеся на более простые группы Ассура четвертого семейства содержат в своем составе изменяемые замкнутые контуры, причем количество этих контуров определяется сложностью базисного звена (г). Алгоритм поиска нераспадающихся групп Ассура четвертого семейства основывается на утверждении, что все звенья без исключения должны быть использованы в образовании замкнутых изменяемых контуров.

3. Введение понятия числа сторон кинематической цепи и распределение этих сторон между выходами позволило обосновать полный перечень признаков, отличающих механизмы друг от друга, и обосновать составление так называемого «древа процедур», необходимых для установления усложняющихся по признакам механизмов четвертого семейства. Состоятельность разработанного адрева процедур» доказана проведением синтеза механизмов с числом "подвижных звеньев от я = 1 до л =5.

4. Между клиновыми и винтовыми механизмами существует органическая связь. В зависимости от углов наклона резьб в винтовых парах, движение звеньев может изменяться от поступательного до поворотного. В состав механизмов четвертого семейства могут входить только поступательные и пространственные винтовые кинематические пары, последние

при определенных условиях могут вырождаться либо в поступательные, либо в поворотные кинематические пары. Поворотная кинематическая па- ■ ра имеет принципиальное отличие от вращательной.

На основе поворотных винтовых пар возможно построение новых видов механизмов, названных автором редукторами поступательного движения (РПД). Под РПД понимается механизм способный осуществлять передачу поступательного движения с определенной редукцией, а также вариаторов поступательного движения - механизмов способных передавать поступательное движение с редукцией, определяемой условиями сопротивления (торможения). Разработанная методика структурного синтеза редукторов поступательного движения позволяет, основываясь на плоских клиновых цепях, создавать всевозможные схемы РПД, состоящие из любого числа подвижных звеньев. Работоспособность РПД определяется критическими углами резьб в винтовых парах, обеспечивающих исключение эффекта самоторможения и тем самым гарантирующих его работоспособность.

. 5. Разработанная методика кинематического исследования редукторов поступательного движения позволяет выбирать необходимые углы наклона резьб в винтовых парах, обеспечивающие требуемую редукцию как простых (чегырехзвенных РПД), так и более сложных, включающих в свой состав нераспадающиеся группы Ассура. Введение понятия ступеней редуктора поступательного движения и обоснование методики определения передаточного отношения отдельных ступеней и редуктора в целом позволило перейти к задаче кинематического синтеза РПД и решить ее.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБрТАХ

1. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Редукторы поступательного движения, основы теории и конструкции,/ Теория механизмов и машин: Материалы десятой научно-практической конференции Сибгиу. - Новокузнецк: 2000г. С. 82-94.

2. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Скарлыгнн А.Ю., Редуктор поступательного движения (РПД)./ Материалы регионального конкурса «Инновация и изобретения года». Кемерово - 2004г., С. 43-44.

3. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Методика отыскания видов нераспадающихся групп Ассура четвертого семейства^ Теория механизмов И машин: Материалы пятнадцатой научно-практической конференции Сибгиу. — Новокузнецк: 2005г. С. 77-90.

4. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., К вопросу о кинематическом синтезе редукторов поступательного движения, выполненных в винтовых вариантах./ Материалы Международной научно-практической конферен-

ции студентов, аспирантов и молодых ученых СТТ 2005 ТПУ Томск, 2005г. Том-1, С. 243-245.

5. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Шесгизвенный редуктор поступательного движения./ Информ. листок № 3-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

6. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Четырехзвенный редуктор поступательного движения./ Информ. листок № 5-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

7. Дворников Л .Т., Баклушин ДС., Четырехзвенный редуктор поступательного движения с поворотной парой на стойку./ Информ. листок № 4-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

8. Дворников Л.Т., Скарлыгин А.Ю., Баклушин Д.С., Редуктор поступательного движения. / Патент РФ № 2150626 от 11,05.1999г. Опубл. 10.06.2000. Бкш. № 16.

9. Дворников JI.T., Скарлыгин А.Ю., Баклушии Д.С., Редуктор поступательного движения. / Патент РФ № 2184290 от 05.07.2000г. Опубл. 27.06.2002. Бюл. № 18.

10. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Четырехзвенный редуктор поступательного движения / Решение о выдаче патента на изобретение № 2005 136 509 МПК F16H 25\20 (2006.01), приоритет от 24.11.05г.

Подписано в печать 07.11.06 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л.1,22. Уч.-издл. 1,37. Тираж 100. Заказ Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ