Двухподвижная вращательная кинематическая пара
Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным соединениям звеньев деталей машин. Двухподвижная вращательная кинематическая пара состоит из соединения опорного звена (1) и воздействующего звена (2), в котором опорное звено (1) выполнено в виде пустотелого цилиндра вращения с полукруговой образующей, а воздействующее звено (2) выполнено в виде поворотного цилиндра с закругленными по полусфере двумя торцами, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности пустотелого цилиндра. Технический результат: упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и монтажа, а также простота сборки и разборки двухподвижной кинематической пары без применения крепежных узлов. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным соединениям звеньев деталей машин.
Из теории механизмов и машин известно, что любой механизм состоит из звеньев и их подвижных соединений между собой в виде разнообразных кинематических пар (Артобелевский И.И. Теория механизмов и машин. Учебник для втузов. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука, Гл.ред. физ-мат. лит., 1988 - 640, с. 20).
Известна пятиподвижная (H=5) кинематическая пара, образованная опорным звеном в виде шара (Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Учебник для втузов. - 4-е издание, перераб. и доп. - М: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1988, с. 24, рис. 1.4, в) - аналог №1.
Недостатком этой кинематической пары является избыточное число «Я» подвижностей звеньев, а именно более двух, что приводит к неуправляемости механической системы.
Также известна трехподвижная (H=3) сферическая кинематическая пара, образованная опорным звеном в виде круглой сферы и воздействующего звена в виде шара, установленного внутри этой сферы (United States Patent No. 4,628,765. 1968) - аналог №2
Недостатком указанной трехподвижной кинематической пары является сложность изготовления и сборки из-за необходимости ее выполнения с точным пересечением только в одной точке всех трех осей вращения звеньев. Кроме того, практика машиностроения часто требует осуществления лишь двух относительных вращательных движений звеньев (Я=2) относительно двух взаимно-перпендикулярных осей. Описание выше пятиподвижная и трехподвижная кинематические пары этому требованию не удовлетворяют.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является двух подвижная кинематическая пара, состоящая из соединения опорного звена и воздействующего звена, в которой опорное звено выполнено в виде круговой параболической лунки, а воздействующее звено выполнено в виде параболической бочки, образующая которой конгруэнтна параболической лунке (патент RU 2681467, Бюл. 7, 2019 г. «Одноконтактная двухподвижная кинематическая пара»).
Недостатками указанной двухподвижной кинематической пары являются:
1. Сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления круговой параболической лунки и смежной (конгруэнтной) с ней параболической бочки с точно совпадающими между собой сложными поверхностями переменной кривизны, что требует применения сложного и дорогостоящего обрабатывающего оборудования.
2. Данная кинематическая пара допускает возможность самопроизвольного (т.е. неуправляемого) перемещения звена в виде бочки по стенке лунки вокруг оси «у». Это приводит к третьей подвижности (вокруг оси «у») - которая является вредной, так как заявленная «как двухподвижная» данная кинематическая пара превращается в «трехподвижную», что приводит к неработоспособности механизма с такой парой из-за самопроизвольного увеличения его подвижности W>1 и потери его управляемости.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции двухподвижной кинематической пары, снижения трудоемкости и стоимости ее изготовления и сборки, а также обеспечении между подвижными соприкасающимися звеньями двух относительных вращательных движений относительно двух взаимно перпендикулярных осей.
Получение технического результата достигается за счет того, что в кинематической паре, состоящей из соединения опорного звена и воздействующего звена, согласно изобретения опорное звено выполнено в виде пустотелого цилиндра вращения с полукруговой образующей, а воздействующее звено выполнено в виде поворотного цилиндра с закругленными по полусфере двумя торцами, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности пустотелого цилиндра.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена двухподвижная вращательная кинематическая пара, на фиг. 2 дан разрез в плоскости «z - у»; на фиг. 3 показан вид А на фиг. 1; на фиг. 4 представлено опорное звено с монтажным пазом «Т».
Дополнительно на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 представлены варианты выполнения двухподвижной вращательной кинематической парой.
Двухподвижная вращательная кинематическая пара (фиг. 1 -фиг. 4) состоит из соединения опорного звена 1 в виде пустотелого цилиндра вращения с полукруговой образующей радиусом «г», и воздействующего звена 2 в виде поворотного цилиндра с закругленными по полусфере радиусом «г» двумя торцами F и С, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности Е пустотелого цилиндра звена 1. Поворотный цилиндр звена 2 при сборке кинематической пары через монтажный паз «Г» надежно устанавливается внутри пустотелого цилиндра звена 1 с контактом по его внутренней поверхности Е через оба полусферических торца F и С, что обеспечивает требуемое беспрепятственное вращение только вокруг двух осей «z» и «х». Поворотный цилиндр звена 2 может быть выполнен с цилиндрической частью диаметром который может быть равен удвоенному радиусу кривизны «г» его полусферических торцов F и С, где d=2r.
В представленном на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 варианте выполнения двухподвижной вращательной кинематической пары - поворотный цилиндр воздействующего звена 2 вдоль его геометрической оси Ог02 сблокирован с шаром, диаметр которого «D» (фиг. 7) превышает диаметр «d» поворотного цилиндра (D>d), а пустотелый цилиндр опорного звена 1 выполнен с соосно расположенной с этим шаром сферической полостью «Q» (фиг. 6), образующая которых конгруэнтна сферической поверхности шара «5».
В представленном на фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11 и фиг. 12 варианте выполнения двухподвижной кинематической пары поворотный цилиндр диаметра «d» сблокирован с установленными на его концах симметрично с двух сторон двумя шарами одинакового диаметра (d1=2r)>d, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности Е пустотелого цилиндра.
Дополнительно поворотный цилиндр воздействующего звена 2 может быть выполнен с наружным слоем из упругого полимерного материала, например, каучука, деформируемого при сборке этого цилиндра с опорным звеном 1 для образования между ними беззазорной кинематической пары.
Для работы предлагаемой кинематической пары в агрессивных средах, поворотный цилиндр и опорное звено могут быть выполнены из композитного антифрикционного материала, например, полиуретана или полистирола с различными наполнителями.
Работает предлагаемая кинематическая пара следующим образом: если опорное звено 1 в виде пустотелого цилиндра принять за неподвижное, то воздействующее звено 2 в виде поворотного цилиндра может беспрепятственно вращаться вокруг оси «z» и поворачиваться относительно своей геометрической оси «х».
Положительный эффект предлагаемой двухподвижной вращательной кинематической пары заключается в упрощении конструкции, снижении трудоемкости изготовления и монтажа, а также простоте сборки и разборки соединения звеньев кинематической пары без применения крепежных узлов.
1. Двухподвижная вращательная кинематическая пара, состоящая из соединения опорного звена и воздействующего звена, отличающаяся тем, что опорное звено выполнено в виде пустотелого цилиндра вращения с полукруговой образующей, воздействующее звено выполнено в виде поворотного цилиндра с закругленными по полусфере двумя торцами, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности пустотелого цилиндра, а поворотный цилиндр установлен внутри пустотелого цилиндра с контактом через оба полусферических торца.
2. Двухподвижная вращательная кинематическая пара по п. 1, отличающаяся тем, что пустотелый цилиндр с одной из торцевых сторон выполнен с монтажным пазом, повторяющим конфигурацию поворотного цилиндра и предназначенным для его установки внутри пустотелого цилиндра при сборке пары.
3. Двухподвижная вращательная кинематическая пара по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр цилиндрической части поворотного цилиндра выполнен равным удвоенному радиусу кривизны его полусферических торцов.
4. Двухподвижная вращательная кинематическая пара по п. 1, отличающаяся тем, что поворотный цилиндр вдоль его геометрической оси сблокирован с установленным посередине этого цилиндра шаром, диаметр сферической поверхности которого превышает диаметр поворотного цилиндра, а пустотелый цилиндр опорного звена выполнен с соосно расположенной с этим шаром сферической полостью, образующая которой конгруэнтна сферической поверхности упомянутого шара.
5. Двухподвижная вращательная кинематическая пара по п. 1, отличающаяся тем, что поворотный цилиндр сблокирован с установленными на его концах симметрично с двух сторон двумя шарами одинакового диаметра, образующая которых конгруэнтна внутренней поверхности пустотелого цилиндра.
6. Двухподвижная вращательная кинематическая пара по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность поворотного цилиндра покрыта слоем из упругого полимерного материала, например полиуретана или каучука, деформируемого при сборке этого цилиндра с опорным звеном, для образования между ними беззазорной кинематической пары.
