Синтез важільних прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки на базі шарнірного чотириланкового механізму

СИНТЕЗ ВАЖІЛЬНИХ ПРЯМОЛІНІЙНО-НАПРЯМНИХ МЕХАНІЗМІВ ТА МЕХАНІЗМІВ ІЗ ЗУПИНКОЮ ВИХІДНОЇ ЛАНКИ НА БАЗІ ШАРНІРНОГО ЧОТИРИЛАНКОВОГО МЕХАНІЗМУ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Хмельницький - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Хмельницькому державному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кіницький Ярослав Тимофійович, Хмельницький державний університет, завідувач кафедри машинознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Воробйов Микола Степанович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти й газу, професор кафедри механіки машин;

кандидат технічних наук, доцент Пасіка В'ячеслав Романович, Українська академія друкарства (м. Львів), доцент кафедри інженерної механіки.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра деталей машин.

Захист відбудеться “24” вересня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Хмельницькому державному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Хмельницького державного університету (вул. Кам'янецька, 110/1)

Автореферат розісланий “5” липня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В багатьох випадках при проектуванні машин виникає задача створення механізмів, які забезпечують зупинку вихідної ланки певної тривалості протягом неперервного обертового руху вхідної ланки. Для цього можуть бути використані різні типи механізмів, зокрема кулачкові, але, як відомо, в багатьох випадках доцільніше використовувати важільні механізми, оскільки, внаслідок відсутності вищих кінематичних пар, наявності геометричного замикання ланок, вони практично є більш надійними та довговічними, забезпечують більші робочі швидкості машин, що особливо важливо при проектуванні машин-автоматів. Існує цілий ряд методів синтезу таких механізмів, однак вони забезпечують, як правило, лише частковий розв'язок поставленої задачі порівняно з тим, що можуть забезпечити ці механізми в загальному вигляді. Невирішеною залишається також задача їх оптимізаційного синтезу. В останній час спостерігається бурхливий розвиток комп'ютерних технологій, завдяки чому з'явилась можливість вирішувати ці задачі більш комплексно, з використанням методів чисельного аналізу.

В даній роботі розглядаються методи синтезу таких механізмів на базі важільного прямолінійно-напрямного шарнірного чотириланкового механізму, шатунна крива якого є несиметричною. Оскільки такий механізм містить тільки обертові кінематичні пари, він має ряд переваг перед іншими базовими чотириланковими механізмами (менше тертя у парах, більша надійність, довговічність тощо).

Таким чином, розробка чисельно-аналітичних методів синтезу прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів з зупинкою, які б дозволили проводити їх оптимізаційний синтез, розкрити межі існування таких механізмів, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках тематичних планів НДР Хмельницького державного університету на базі теми 2Б-2000 “Розробка чисельних методів геометричного синтезу шарнірно-важільних напрямних механізмів і механізмів з вистоєм вихідної ланки”, номер держ. реєстрації 00100V001978 (здобувач працював молодшим науковим співробітником), а також базі на теми 1Б-2004 “Теоретичні основи та методи оптимального синтезу шарнірно-важільних механізмів із зупинкою вихідної ланки”, номер держ. реєстрації 0104U002104 (здобувач працює науковим співробітником і є відповідальним виконавцем).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розробка чисельно-аналітичних методів оптимізаційного синтезу важільних прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки, побудованих на базі шарнірного чотириланкового механізму, що створені на основі методів чисельного аналізу та кінематичної геометрії. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- скласти огляд найбільш обґрунтованих та розроблених на даний час методів синтезу важільних напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки;

- розробити загальний чисельний метод визначення величини ділянки наближення в напрямних механізмах, у тому числі для механізмів, синтезованих з використанням різних особливих точок шатунної площини;

- розробити чисельно-аналітичні методи синтезу зазначених механізмів за заданою тривалістю і точністю зупинки вихідної ланки, величиною її максимального ходу та іншими характеристиками;

- розробити метод зміни тривалості зупинки вихідної ланки, що дозволяв би проводити регулювання в широких межах.

Об'єкт дослідження -синтез напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки.

Предмет дослідження -важільні напрямні механізми та механізми із зупинкою вихідної ланки, побудовані на базі несиметричного прямолінійно-напрямного шарнірного чотириланкового механізму.

Методи дослідження. В роботі використано аналітичні методи кінематичної геометрії для визначення геометричних параметрів прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки; методи чисельного аналізу для проведення оптимізаційного синтезу таких механізмів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

- розроблено чисельний метод визначення величини ділянки наближення в напрямних механізмах, який може бути використаний для різних типів базових напрямних механізмів і має ряд переваг перед існуючими методами. Для механізмів, синтез яких проводиться з використанням кінематичної геометрії нескінченно близьких положень плоскої фігури, такий метод розроблено вперше, на його основі розроблено чисельно-аналітичну методику синтезу напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки на базі прямолінійно-напрямного шарнірного чотириланкового механізму з використанням точок Болла.

- встановлено недоцільність вибору величини ділянки наближення у напрямних механізмах та відповідно тривалості зупинки вихідної ланки у механізмах, що побудовані на їх основі методом найкращого наближення за Чебишевим та з умови наявності п'яти точок граничних відхилень шатунної кривої від прямої (або дуги) наближення, оскільки у багатьох випадках визначені таким чином величини ділянок наближення не відповідають дійсним значенням;

- встановлено, що в шатунній площині шарнірного чотириланкового механізму існує певний, раніше невідомий вид особливих точок, що були названі дисертантом точками розпрямлення 4-го порядку. Зазначені особливі точки визначають нове сімейство прямолінійно-напрямних механізмів і мають деякі переваги перед відомими особливими точками шатунної площини, розроблено чисельно-аналітичну методику синтезу таких механізмів;

- з допомогою розробленого чисельного методу синтезу важільних механізмів за заданою тривалістю зупинки вихідної ланки з використанням точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку, встановлені геометричні параметри механізмів та межі їх існування, що дозволяє проводити оптимізаційний синтез таких механізмів;

- запропоновано метод зміни тривалості зупинки вихідної ланки за допомогою додаткового двокривошипного механізму, що дозволяє проводити регулювання у досить широких межах, причому теоретична точність наближення у таких механізмах, на відміну від існуючих методів, не змінюється.

Практичне значення отриманих результатів. Важільні прямолінійно-напрямні механізми та механізми із зупинкою вихідної ланки отримали широке практичне використання у сучасному машинобудуванні. Запропоновані в дисертаційній роботі методи, алгоритми, програмне забезпечення та результати у вигляді таблиць, діаграм, довідкових карт дозволяють проводити оптимізаційний синтез таких механізмів.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить лише ті наукові результати, які отримані здобувачем особисто. Постановка задач та обговорення результатів проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та її окремі результати доповідались на міжнародній науково-технічній та методичній конференції “Механіка машин і механізмів” (Хмельницький, 2002 р.), І польсько-українській науковій конференції “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” (Сатанів, 2003 р.), 5-й міжвузівській науково-теоретичній конференції “Проблеми сучасної інженерної технології” (Хмельницький, 2004), засіданнях наукового семінару кафедри машинознавства і на щорічних (2002-2004 рр.) наукових конференціях Хмельницького державного університету.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 4 статтях (усі - в фахових виданнях), опубліковано 1 тези доповіді наукової конференції, отримано 1 авторське свідоцтво та 1 деклараційний патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 152 сторінках машинописного тексту, містить 72 рисунки, 6 таблиць, список використаних джерел з 120 найменувань та 4 додатки. Загальний обсяг дисертації - 262 сторінки.

важільний механізм вихідний ланка

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми та подано загальну характеристику дисертації.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів синтезу важільних напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки. Показано, що, не дивлячись на велику кількість таких методів, вони забезпечують, як правило, лише частковий розв'язок поставленої задачі. Наведено приклади використання таких механізмів у техніці. Сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі розглядається питання синтезу прямолінійно-напрямних механізмів з використанням точок Болла та побудованих на їх основі механізмів із зупинкою вихідної ланки. Відомо, що точка Болла визначається як перетин кривої кругових точок з поворотним колом, є точкою розпрямлення своєї рулетти (шатунної кривої, яку вона викреслює) і забезпечує дотик третього порядку з дотичною прямою (в цій точці збігаються перші три похідні обох функцій).

До кривошипа, положення якого визначається кутом під'єднань структурна група 2-3 ІІ класу 1-го виду (за класифікацією Ассура-Артоболевського), причому в шатунній площині вибрана деяка точка за яку вибирається точка Болла шатунної площини механізму. Ця точка викреслює шатунну криву, яка на ділянці наближається до прямої лінії. До базового чотириланкового механізму під'єднана структурна група 4-5 другого класу 5-го виду таким чином, що напрямна повзуна 4 паралельна прямолінійній ділянці шатунної кривої. Під час проходження шатунною точкою цієї ділянки, ланка 5 буде мати наближену зупинку, причому величина теоретичного відхилення від абсолютно нерухомого положення буде дорівнювати відхиленню, з яким ця ділянка шатунної кривої наближається до прямої лінії. Вхідними параметрами для синтезу таких механізмів є довжини ланок: кривошипа шатуна коромисла та кут повороту кривошипа (точку Болла можна знайти для будь-якого положення механізму). Відстань між осями нерухомих шарнірів прийнята за одиницю В результаті синтезу знаходимо відносну довжину відрізка кут злому шатуна що визначають положення точки Болла, та кут нахилу прямолінійної ділянки шатунної кривої до осі абсцис.

Не дивлячись на те, що аналітична методика синтезу механізмів з використанням точок Болла є відомою, невирішеною є задача визначення величини ділянки наближення, оскільки зазначений метод гарантує тільки наявність прямолінійної ділянки деякої тривалості.

Проведено дослідження механізмів, величина ділянки наближення у яких вибрана за допомогою відомих методів. Встановлено недоцільність вибору цієї ділянки за допомогою методів найкращого наближення за Чебишевим та з умови наявності 5 точок граничних відхилень (4 спільних точки) на ділянці наближення, оскільки такі методи, як показано в роботі, гарантують тільки те, що ділянка наближення буде не менше заданої величини, в багатьох механізмах спостерігається майже ідеальна зупинка за межами теоретичної ділянки наближення, та приклад діаграми переміщень вихідної ланки механізму, ділянка наближення якого вибрана з умови наявності 5 точок граничних відхилень.

Для визначення величини ділянки наближення в механізмах, синтезованих з використанням методів кінематичної геометрії, зокрема з використанням точок Болла, було розроблено чисельний метод, що не має вказаних вище недоліків. Зазначений метод використовує так званий безрозмірний коефіцієнт граничної швидкості вихідної ланки. Відомо, що для порівняння законів руху різних механізмів використовуються безрозмірні коефіцієнти (інваріанти) кінематичних величин, які чисельно дорівнюють кінематичним характеристикам вихідної ланки, перерахованим на одиничний хід, причому тільки для періоду робочого ходу. Оскільки в нашому випадку величина робочого ходу є невідомою (ми ще не знаємо дійсну величину зупинки), то пропонується розраховувати кінематичні характеристики вихідної ланки, перераховані на одиничний хід, але для всього періоду руху механізму. Причому пропонується задатись таким граничним значенням безрозмірної швидкості, при якому ми будемо вважати, що вихідна ланка перейшла з фази вистою (зупинки) у фазу робочого ходу і навпаки. Оскільки розраховуються не дійсні значення швидкостей, а безрозмірні, то для різних механізмів, в тому числі і для механізмів з різною тривалістю зупинки вихідної ланки, можна задаватись одним і тим же значенням граничної швидкості. Подані рекомендації щодо вибору значення цього коефіцієнта. Зазначений метод може бути використаний для механізмів, побудованих з використанням різних методів синтезу, в тому числі на основі різних базових механізмів.

На основі розробленого чисельного методу вибору величини ділянки наближення, створено чисельно-аналітичний метод синтезу механізмів з використанням точок Болла, який дозволяє проводити синтез та визначати тривалість ділянок наближення таких механізмів. Вперше повністю побудована крива Болла, що є геометричним місцем точок Болла, які визначені для різних положень шарнірного чотири-ланкового механізму.

В роботі досліджувались лише ті механізми, що забезпечують зупинку вихідної ланки в одному з крайніх положень.

У третьому розділі наведено методику синтезу та дослідження механізмів, що використовують точки розпрямлення 4-го порядку. Зазначені точки є новими особливими точками шатунної площини шарнірного чотириланкового механізму, які знайдені дисертантом. Відомо, що для синтезу прямолінійно-напрямних механізмів методами кінематичної геометрії можуть бути використані точки Болла або їх окремі випадки, таким чином знайдені точки розпрямлення 4-го порядку є ще одним видом особливих точок, які можуть бути використані для синтезу таких механізмів. Ці точки були визначені наступним чином. Як відомо, геометричним місцем точок рухомої площини, які описують прямі лінії (що є точками розпрямлення або перегину), є поворотне коло, будь-яка точка поворотного кола здатна забезпечити дотик не нижче 2-го порядку з дотичною прямою. Таким чином, оскільки нашою метою є проведення синтезу прямолінійно-напрямних механізмів, шукана особлива точка, так само як і точка Болла, повинна належати поворотному колу. Точка розпрямлення 4-го порядку була визначена як точка перетину поворотного кола з кривою, що є геометричним місцем точок, рулетти яких забезпечують дотик не нижче 4-го порядку зі своїм кругом кривизни. Виявилось, що знайдена таким чином точка не збігається з жодною відомою особливою точкою шатунної площини, тобто визначає принципово нове сімейство прямолінійно-напрямних механізмів, причому, так само як і точка Болла, існує в кожному положенні механізму і при рівних інших умовах може забезпечувати синтез механізмів з тривалішими ділянками наближення.

Оскільки точка розпрямлення 4-го порядку визначається як перетин двох кривих, її положення визначається як розв'язок системи рівнянь цих кривих, записаних в неявному вигляді:

(1)

Коефіцієнти , що входять у рівняння (1):

(2)

В наведених рівняннях - прискорення та похідні вищих порядків від переміщення полюса миттєвого обертання шатунної площини (див. рис. 1).

Запишемо рівняння поворотного кола у параметричному вигляді:

(3)

де - радіус поворотного кола, - координата, що визначає центр поворотного кола, - кут, що є параметром в цих рівняннях.

Провівши математичні перетворення, отримуємо рівняння:

(4)

де коефіцієнти та введені для спрощення, визначаються як

 (5)

Розв'язавши рівняння (4), одержимо

(6)

Параметричні кути визначені з рівняння (6), визначають точки перетину поворотного кола з кривою, що є геометричним місцем точок, рулетти яких забезпечують дотик 4-го порядку. Очевидно, що таких точок є дві, оскільки положення точки розпрямлення 4-го порядку визначається коренями квадратного рівняння (4). Оскільки однією з цих точок є полюс один з цих коренів буде а інший визначає положення точки розпрямлення 4-го порядку. Встановлено, що у цьому відношенні знайдена точка, характеризується такими ж властивостями, як і точка Болла - вона існує в кожному положенні механізму і для кожного положення можна знайти тільки одну таку точку, причому так само, як і у випадку знаходження точки Болла, існує два положення кривошипно-коромислового механізму (кривошип паралельний коромислу), коли точка розпрямлення 4-го порядку знаходиться в нескінченності. Прийнявши знайдену точку розпрямлення за шатунну, розрахуємо відносну довжину та кут злому шатуна :

(7)

В цих рівняннях - кут, що визначає положення шатуна, - координати точки у системі координат (рис. 1).

Для синтезу механізмів із зупинкою вихідної необхідно визначити також кут нахилу прямолінійної ділянки шатунної кривої.

Оскільки дотичні прямі до шатунних кривих точок поворотного кола повинні проходити через полюс повороту кут визначається таким чином:

(8)

Слід відзначити, що для правильного визначення кута використовувалась не звичайна функція а функція , яка є у більшості сучасних мов програмування.

Встановлено, що, на відміну від точок Болла, точки розпрямлення 4-го порядку є вузлами інтерполяції, при переході через які функція змінює знак. Тому чисельний метод визначення величини ділянки наближення в таких механізмах був відповідним чином змінений, а на його основі було створено чисельно-аналітична методика синтезу прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки. Побудовано криву точок розпрямлення 4-го порядку, що є геометричним місцем таких точок, визначених для різних положень кривошипа.

Проведено моделювання роботи механізмів із зупинкою вихідної ланки, побудованих на основі точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку, за допомогою програми CosmosMotion проведено розрахунок параметрів синтезованих механізмів. Отримані результати підтвердили правильність розрахунків, проведених за допомогою розроблених методів та працездатність спроектованих механізмів.

Деякі важільні механізми мають суттєвий недолік - повільне набирання швидкості вихідної ланки підчас робочого ходу. Такі механізми забезпечують гірші кінематичні характеристики порівняно з механізмами, що забезпечують таку ж тривалість зупинки. Для виключення таких механізмів пропонується критерій сповільненості виходу ланки з фази зупинки.

Як було зазначено, згідно з чисельним методом визначення тривалості зупинки, необхідно задатись певним значенням безрозмірної швидкості, при якій ми будемо вважати, що ланка перейшла з фази зупинки у фазу робочого ходу і навпаки. Пропонується, збільшивши значення цього коефіцієнта, визначити нову величину ділянки наближення, а потім розрахувати запропонований критерій сповільненості

(9)

де - тривалості зупинок вихідної ланки за звичайним та збільшеним коефіцієнтами граничності швидкості. Причому встановлюється максимальне значення запропонованого критерію, вище якого механізми будуть виключатись.

У четвертому розділі описано чисельний метод визначення геометричних параметрів вказаних механізмів та встановлено межі їх існування за заданою тривалістю зупинки вихідної ланки, що дозволяє проводити оптимізаційний синтез таких механізмів за певними критеріями, зокрема максимальним ходом вихідної ланки, точністю наближення, відстанню до шатунної точки та її положенням, причому такі довідкові карти побудовані як для механізмів точок Болла, так і для механізмів точок розпрямлення 4-го порядку. Порівняння механізмів точок Болла та механізмів точок розпрямлення 4-го порядку показало, що для заданого шарнірного чотириланкового механізму можна знайти більше механізмів з тривалими зупинками вихідної ланки, причому такі механізми, синтезовані з використанням різних особливих точок забезпечують приблизно однакову точність наближення.

У п'ятому розділі наведено результати синтезу та дослідження напрямних механізмів та механізмів із зупинкою, побудованих на основі двокривошипних механізмів.

Встановлено, що при проектуванні механізмів із зупинкою, використання двокривошипних механізмів замість кривошипно-коромислових має ряд переваг, зокрема можливість забезпечення значно більших величин максимального ходу вихідної ланки, а оскільки ця величина у багатьох випадках задається конструктором, використання двокривошипних механізмів дозволяє проектувати механізми, що мають менші габаритні розміри, металоємкість, а значить меншу масу, менші сили інерції та реакції в кінематичних парах. Встановлено, що особливі точки шатунної площини кривошипно-коромислових механізмів у ряді положень знаходяться на значній відстані, у двокривошипних механізмах таких положень, як правило, немає. Однак до недоліків таких механізмів слід віднести неможливість забезпечення тривалих зупинок вихідної ланки (як правило, ). Побудовано діаграми, що дозволяють проводити синтез таких механізмів.

Запропоновано метод регулювання тривалості зупинки вихідної ланки, в основі якого лежить наступний принцип. Як відомо, кривошип базового механізму обертається рівномірно, ідея полягає в тому, щоб за допомогою додаткового двокривошипного механізму створити нерівномірність в його обертанні, що дозволить певним чином змінити швидкість шатунної точки механізму. Тоді час перебування зазначеної точки на інтервалі наближення також відповідним чином зміниться. Характерно, що за допомогою запропонованого методу, зміна тривалості зупинки вихідної ланки проходить без зміни теоретичної точності наближення, оскільки змінюється лише час перебування шатунної точки на ділянці наближення. Однак до недоліків таких механізмів слід віднести наявність двох додаткових ланок, що дещо знижує практичну точність таких механізмів.

Однією з характеристик базових прямолінійно-напрямних механізму, як двокривошипних, так і кривошипно-коромислових, є довжина прямолінійної ділянки, яка розраховується за формулою

(10)

де - аналоги швидкостей шатунної точки механізму, - відповідні кути повороту кривошипа. Однією з характеристик шатунних кривих таких механізмів пропонується коефіцієнт, що визначається як відношення довжини прямолінійної ділянки до загальної довжини шатунної кривої. В роботі наведено результати розрахунків величини цього коефіцієнта для різних механізмів. Слід зазначити, що регулювання тривалості зупинки за допомогою розглянутого вище методу для механізмів, шатунні криві яких мають більші значення цього коефіцієнта, може проводитись у більш широких межах.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено чисельно-аналітичну методику кінематичного синтезу важільних прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки, які побудовані на основі несиметричного шарнірного чотириланкового механізму з використанням точок Болла, що визначаються для чотирьох нескінченно близьких положень його шатунної площини. Вперше повністю побудовано криву Болла шарнірного чотириланкового механізму, що є геометричним місцем точок Болла, визначених для різних його положень.

2. Встановлено недоцільність вибору величини ділянки наближення у напрямних механізмах та відповідно тривалості зупинки вихідної ланки у механізмах, що побудовані на їх основі методом найкращого наближення за Чебишевим та з умови наявності п'яти точок граничних відхилень шатунної кривої від прямої (або дуги) наближення, оскільки при використанні зазначених методів у багатьох випадках визначені таким чином величини ділянок наближення не відповідають дійсним значенням і гарантують лише те, що величина цієї ділянки буде не менше наперед заданої величини, внаслідок чого можна отримати механізми з повільним розбігом вихідної ланки під час робочого ходу.

3. Запропоновано чисельний метод визначення величини ділянки наближення у напрямних механізмах, що базується на чисельному аналізі діаграми переміщень вихідної ланки за допомогою безрозмірного коефіцієнта граничної швидкості вихідної ланки. Подані деякі рекомендації щодо вибору величини цього коефіцієнта, встановлено, що одне і теж саме його значення може бути використане для синтезу важільних механізмів з різною тривалістю зупинки вихідної ланки. Причому, як зазначено в сучасних дослідженнях німецьких вчених В. Функа та Ф. Гассманна, основним недоліком існуючих аналітичних методів кінематичної геометрії нескінченно близьких положень плоскої фігури, за допомогою яких проводиться синтез прямолінійно-напрямних механізмів є неможливість прогнозування величини ділянки наближення. Таким чином розроблений нами чисельний метод є на даний час єдиним методом, що дозволяє визначати тривалість ділянки наближення в таких механізмах. Слід також відмітити, що зазначений метод може бути використаний для різних типів базових напрямних механізмів.

4. Встановлено, що в шатунній площині шарнірного чотириланкового механізму існує певний, раніше невідомий вид особливих точок, що були названі нами точками розпрямлення 4-го порядку. Зазначені точки визначають нове сімейство прямолінійно-напрямних механізмів. Показано, що знайдена особлива точка не збігається з жодною раніше відомою особливою точкою шатунної площини.

5. Розроблено аналітичну методику визначення точок розпрямлення 4-го порядку, алгоритми та відповідне програмне забезпечення. Встановлено, що зазначені точки розпрямлення 4-го порядку, так само, як точки Болла, існують в кожному положенні шарнірного чотириланкового механізму, що дозволило побудувати криву точок розпрямлення 4-го порядку, кожна точка якої зі зміною положення шатунної площини послідовно займає положення точки розпрямлення 4-го порядку і може бути використана при проектуванні прямолінійно-напрямного механізму, причому розроблена нами методика може бути використана для будь-яких модифікацій шарнірного чотириланкового механізму.

6. Розроблено чисельний метод визначення величини ділянки наближення, що враховує особливості діаграм переміщень вихідних ланок механізмів, побудованих на основі точок розпрямлення 4-го порядку. Зазначений метод був використаний для розв'язку задач синтезу механізмів із зупинкою вихідної ланки.

7. Проведено порівняльний аналіз важільних механізмів, побудованих на основі точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку, який показав, що за допомогою знайдених нами точок розпрямлення 4-го порядку можна знайти більше механізмів, що забезпечують тривалі зупинки вихідної ланки з достатньою для практики точністю.

8. Запропоновано критерій сповільненості виходу ланки з фази зупинки з метою виключення механізмів зі сповільненим виходом ланки з фази зупинки, оскільки зазначені механізми характеризуються збільшеними значеннями кінематичних характеристик. Подані деякі рекомендації щодо вибору максимального значення запропонованого критерію.

9. Розроблено чисельний метод, що дозволяє проводити синтез важільних механізмів за заданою тривалістю зупинки вихідної ланки з використанням точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку, оскільки синтез таких механізмів є важливою практичною задачею.

10. Побудовано довідкові карти, що відображають межі існування механізмів з однаковою тривалістю зупинки вихідної ланки, наведено таблиці їх геометричних та кінематичних параметрів, що важливо з точки зору проектування оптимальних за певним критерієм механізмів.

11. Встановлено, що двокривошипні механізми можуть успішно використовуватись як базові прямолінійно-напрямні механізми при проектуванні важільних механізмів із зупинкою вихідної ланки, причому вони мають ряд переваг перед аналогічними кривошипно-коромисловими механізмами, зокрема здатні забезпечувати значно більші величини максимального ходу вихідної ланки, що дозволяє в багатьох випадках забезпечити менші габаритні розміри, металоємкість, а відповідно кращі кінематичні та динамічні характеристики проектованих механізмів. Причому, оскільки у кожному положенні шатунної площині двокривошипного шарнірного чотириланкового механізму можна також знайти точки Болла та точки розпрямлення 4-го порядку, для синтезу таких механізмів були використані розроблені нами чисельно-аналітичні методи. Для цих механізмів наведено деякі результати розрахунків у вигляді діаграм, що можуть бути використані для їх синтезу. Встановлено, що за допомогою таких двокривошипних механізмів неможливо забезпечити довготривалі зупинки вихідної ланки (як правило, ).

12. Проведені розрахунки довжини прямолінійної ділянки шатунної кривої синтезованих прямолінійно-напрямних механізмів, запропоновано коефіцієнт, що характеризує форму шатунної кривої і визначається як відношення довжини прямолінійної ділянки до загальної довжини шатунної кривої, наведено результати у вигляді діаграм.

13. Запропоновано метод регулювання тривалості зупинки вихідної ланки восьмиланкового механізму за допомогою додаткового двокривошипного механізму. Перевагами даного методу є можливість проведення регулювання у досить широких межах, причому характерною особливістю методу є те, що теоретична точність наближення при цьому залишається постійною, оскільки проводиться зміна лише швидкості шатунної точки на ділянці наближення, внаслідок чого час перебування точки на ділянці наближення також змінюється.

14. Проведено моделювання роботи механізмів із зупинкою вихідної ланки, побудованих на основі точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку, які були синтезовані за допомогою розроблених нами чисельно-аналітичних методів, внаслідок чого було підтверджено правильність розрахунків за допомогою зазначених методів та працездатність синтезованих механізмів.

15. На основі запропонованих чисельно-аналітичних методів та алгоритмів розроблено програмний продукт “Синтез напрямних механізмів” (а. с. №9468 України від 23.02.2004), за допомогою якого можна проводити оптимізаційний синтез, кінематичний та силовий розрахунок (в тому числі з врахуванням мас ланок та тертя в кінематичних парах) важільних напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки, які побудовані на основі несиметричного шарнірного чотириланкового механізму.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Харжевський В.О., Кіницький Я.Т., Свєтловський О.Б. Аналітична кінетостатика плоских важільних механізмів ІІ класу з врахуванням сил тертя Вісник Технол. у-ту Поділля. -2002.-№6, Ч.1.-С. 61-64.

2. Харжевський В.О., Кіницький Я.Т. Чисельно-аналітичний метод синтезу важільних механізмів з зупинкою вихідної ланки на базі несиметричного шарнірного чотириланкового механізму з використанням точок Болла // Вісник Технол. у-ту Поділля. -2003.-№4.-С. 43-54.

3. Харжевський В.О. Методика синтезу важільних прямолінійно-напрямних механізмів з дотиком 4-го порядку //Вісник Технол. у-ту Поділля. - 2003.-№6, Ч.1 Т.2-С. 152-163.

4. Харжевський В.О. Методика синтезу важільних прямолінійно-напрямних механізмів з дотиком 4-го порядку. // Матеріали І польсько-української наукової конференції “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” (смт. Сатанів 16-18 жовтня 2003 р.) - Хмельницький: ВІС.-2003.- С. 107-108.

5. Харжевський В.О. Синтез важільних механізмів за заданою трива-лістю зупинки вихідної ланки та межі їх існування //Вісник Технол. у-ту Поділля. - 2004.-№1, Ч.1 С. 10-20.

6. Комп'ютерна програма “Синтез напрямних механізмів”: А.с. №9468 України, Харжевський В.О. - Заявлено 16.12.2003; Зареєстровано 23.02.2004.

7. Шарнірно-важільний механізм з двома регульованими зупинками вихідної ланки: Деклараційний патент на винахід 66042 А України, МПК 7 F16H21/00/ Харжевський В.О., Кіницький Я.Т. №2003076659; Заявлено 15.07.2003; Опубліковано 15.04.2004, Бюл. №4. - 2 с.

АНОТАЦІЯ

Харжевський В.О. Синтез важільних прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки на базі шарнірного чотириланкового механізму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Хмельницький державний університет, Хмельницький, 2004.

Розроблено чисельний метод вибору величини ділянки наближення в напрямних механізмах, який має ряд переваг перед існуючими методами, а на його основі - чисельно-аналітичну методику синтезу прямолінійно-напрямних механізмів та механізмів із зупинкою вихідної ланки з використанням точок Болла на базі шарнірного чотириланкового механізму. Встановлено недоцільність вибору величини ділянки наближення методом найкращого наближення за Чебишевим та з умови наявності 5 точок граничних відхилень. Знайдено новий вид особливих точок шатунної площини, що були названі точками розпрямлення 4-го порядку і мають ряд переваг, розроблено чисельно-аналітичну методику синтезу таких механізмів. Визначено геометричні параметри та розкрито межі існування механізмів точок Болла та точок розпрямлення 4-го порядку за заданою тривалістю зупинки вихідної ланки, що дозволяє проводити їх оптимізаційний синтез за певними критеріями. Крім цього, проведено синтез та дослідження механізмів, побудованих на основі двокривошипних механізмів, запропоновано метод зміни тривалості зупинки вихідної ланки, що дозволяє проводити регулювання у досить широких межах і має переваги перед існуючими методами.

Проведено моделювання роботи синтезованих механізмів, отримані результати підтвердили правильність проведених розрахунків та працездатність спроектованих механізмів.

Ключові слова: важільні напрямні механізми, зупинка вихідної ланки, оптимізаційний синтез, кінематична геометрія, особливі точки, моделювання.

АННОТАЦИЯ

Харжевский В.А. Синтез рычажных прямолинейно-направляющих механизмов и механизмов с остановкой выходного звена на базе шарнирного четырехзвенного механизма. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. - Хмельницкий государственный университет, Хмельницкий, 2004.

Разработан численный метод выбора величины интервала приближения в направляющих механизмах, который имеет ряд преимуществ перед существующими методами и может быть использован для механизмов, синтезированных с использованием различных методов, в том числе для различных базовых механизмов. На его основе создана численно-аналитическая методика синтеза прямолинейно-направляющих механизмов и механизмов с остановкой выходного звена с использованием точек Болла на базе шарнирного четырехзвенного механизма. Выявлена нецелесообразность выбора величины интервала приближения в таких механизмах методом наилучшего приближения по Чебышеву, а также по условию существования пяти точек предельных отклонений на интервале приближения, поскольку эти методы обеспечивают только то, что величина участка приближения будет не меньше заданной.

Установлено, что в шатунной плоскости шарнирного четырехзвенного механизма существует новый, ранее неизвестный вид особых точек, которые, при использовании их в качестве шатунных, могут обеспечивать проектирование рычажных прямолинейно-направляющих механизмов. Такие точки были названы точками распрямления 4-го порядка, как показали исследования, они определяют новое семейство таких механизмов. В кинематической геометрии бесконечно близких положений плоской фигуры описано только один вид особых точек, которые могут быть использованы для синтеза прямолинейно-направляющих механизмов - точки Болла, либо их частные случаи. Таким образом, найденные и исследованные точки распрямления 4-го порядка являются еще одним видом особых точек, которые могут быть использованы для синтеза таких механизмов. Показано, что такие точки имеют некоторые преимущества перед точками Болла, в частности при равных начальных условиях синтеза, используя точки распрямления 4-го порядка можно найти больше механизмов с продолжительными остановками выходного звена причем механизмы точек распрямления 4-го порядка обеспечивают точность в пределах аналогичных механизмов точек Болла. Разработана численно-аналитическая методика синтеза таких механизмов с использованием точек распрямления 4-го порядка.

Разработан численный метод синтеза механизмов на основе точек Болла и точек распрямления 4-го порядка по заданной продолжительности выстоя, с помощью которого удалось определить геометрические параметры и построить области существования таких механизмов, что позволяет проводить их оптимизационный синтез по определенным критериям, в частности по заданной величине максимального хода выходного звена, точности приближения, положению шатунной точки и т.д. Приведены результаты в виде справочных карт и таблиц геометрических параметров.

Проведен синтез и исследование прямолинейно-направляющих механизмов и построенных на их основе механизмов с остановкой выходного звена на основе базового двухкривошипного механизма, использование которого, как выяснилось, имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием базового кривошипно-коромыслового механизма. Приведены диаграммы, позволяющие проводить синтез таких механизмов.

Предложен метод регулирования продолжительности выстоя с помощью дополнительного двухкривошипного механизма, который позволяет проводить регулирование в широких пределах, причем, в отличие от существующих методов, теоретическая точность приближения при этом не изменяется

Проведено моделирование работы синтезированных механизмов, полученные результаты подтвердили правильность проведенных расчетов и работоспособность спроектированных механизмов.

Ключевые слова: рычажные направляющие механизмы, выстой выходного звена, оптимизационный синтез, кинематическая геометрия, особые точки, моделирование.

SUMMARY

Kharzhevsky V.A. Synthesis of straight-line linkage mechanisms and dwell mechanisms on the basis on four-bar linkage. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.02.02 - Machinery sciences. - Khmelnytsky State University, Khmelnytsky, 2004.

Numerical method for the definition of the approximate part in linkage path generation mechanisms which has advantages in comparison with known methods is developed and on its basis numerical and analytical method of synthesis of straight-line linkage mechanisms and dwell mechanisms using Ball's points on the basis on four-bar linkage is developed. It is established an inexpediency of using Chebyshev's best approximation method and 5 extreme points condition of approximate part selection. New type of coupler plane special points was found which was named 4th order straightening points; they have some advantages in comparison with known special points. Existence domains of Ball's points and 4th straightening points straight-line and dwell mechanisms are established. It enables to carry out optimal synthesis of such mechanisms using different criteria. Synthesis of straight-line and dwell mechanisms which are based on linkage double-crank mechanism was carried out and results are shown. Method of dwell time adjustment is developed. It has advantages in comparison with known methods and enables to adjust dwell values in wide range. Modeling of working of synthesized mechanisms is carried out and results proved the validity of calculation results of proposed methods.

Key words: linkage path generating mechanisms, dwell, optimal synthesis, infinitesimally close positions, special points, modeling.

Размещено на Allbest.ur