Прочная неустойчивость
Ю. ЕРМАКОВ, изобретатель
НОВЫЙ ТИП ПРОСТЫХ И ЛЕГКО УПРАВЛЯЕМЫХ МЕХАНИЗМОВ ВЫ ПОЛУЧИТЕ, ИСПОЛЬЗУЯ ГИБКИЕ ЛЕНТЫ. ИХ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, СМУЩАЮЩАЯ КОНСТРУКТОРОВ, МОЖЕТ БЫТЬ ОБРАЩЕНА В НЕМАЛОЕ ДОСТОИНСТВО. ЛЕНТА МОЖЕТ СТАТЬ ПЕРЕДАТОЧНЫМ МЕХАНИЗМОМ НЕВИДАННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ, ОНА ПОЗВОЛЯЕТ В ДЕСЯТКИ РАЗ УВЕЛИЧИВАТЬ ХОД КУЛАЧКОВ, ПЕРЕДАВАТЬ МАЛЫМ КОЛИЧЕСТВОМ ДЕТАЛЕЙ ОГРОМНЫЕ УСИЛИЯ...
Механизмы, передающие движение на исполнительные органы машины — от широко распространенного кулачкового до кривошипно-ползунного — имеют жесткие звенья. Редким исключением можно считать упругий шатун в «Механизмах» И. И. Артоболевского. Но, оказывается, можно создать целый класс упругих механизмов, использующих потерю устойчивости для передачи движения.
Впервые вопрос устойчивости стержней и пластин рассмотрел и математически обосновал в 1744 году Л. Эйлер. Он дал общую формулу критической силы, при которой стержень теряет устойчивость. Но, главное, Эйлер показал, что может, быть несколько форм потери устойчивости — с искривлением по синусоидам с двумя, тремя и более полуволнами.
Возьмите стальную линейку и сожмите ее с обоих концов. Ее прогиб можно использовать для перемещения толкателя. Вот и готова схема простого механизма преобразования движения (а. с. № 693 082). Пластина из упругой стали крепится шарнирно в стойке и в ползуне (рис. 1).
При ходе ползуна пластина прогибается и перемещает толкатель. Предварительное сжатие пластины исключает зазоры в шарнирных соединениях и в месте контакта с толкателем. Шарнирные связи по сравнению с защемленными концами уменьшают в четыре раза силу прогиба пластины. Благоприятно и распределение напряжений в пластине: напряжение сжатия от изгиба компенсируется напряжениями обратного знака от приложенной силы толкателя. И чем больше прогиб, тем выше жесткость изогнутой пластины. Это и есть та самая предварительно напряженная конструкция, которая широко используется в строительстве. Механизм представляет собой как бы арочный мост с теми же законами распределения сил, что и в строительной механике.
Рис.1. Механизм, перемещающий
толкатель 1 при перемещении ползуна 2.Пришло время посмотреть на неустойчивость как на полезное явление, что позволяет разработать серию передаточных механизмов.
Вот один из них (рис. 2), основанный на расчетах Л. Эйлером критической силы высшего порядка, соответствующей искривлению по многоволновым синусоидам (а. с. № 868 197).
Рис. 2. Гибкая лента 1 передает движение нескольким толкателям 2.Если в точках перегиба синусоидально изогнутой пластины установить ч толкатели, то получится механизм с передачей движения нескольким звеньям одновременно. Установив несколько толкателей в противоположных направлениях, мы расширим технологические возможности механизма, по-, высим определенность неустойчивого положения. Впрочем, будет неправильно охарактеризовать это положение «неустойчивым», поскольку механизм фактически перешел на другой принцип действия. Вместо упругой пластины используется гибкая лента, которая становится обобщенной связью всех исполнительных звеньев-толкателей. Никто же не считает ременные передачи неустойчивыми.
Недостаток всех известных кулачковых механизмов — малый ход толкателя, обусловленный предельно малым углом подъема профиля кулачка (до 25е). А гибкие кулачковые механизмы лишены этого недостатка. Достаточно намотать ленту на барабан и отпускать ее в необходимом количестве (а. с. № 763 634), чтобы обеспечить ход толкателя в десятки раз больше, чем дает обычный дисковый кулачок (рис. 3).
По сравнению с реечным механизмом или пневмогидроци-линдром ленточный кулачковый механизм имеет в два раза меньшие габариты и в 5— 6 раз меньшую металлоемкость.
Рис. 3. Гибкая лента с успехом заменяет кулачковый механизм.Аналогичный принцип действия имеет мембранный механизм, в котором ползуны взаимодействуют с закрученной в спирали лентой (а. с. № 937 846). При поперечном сжатии ленты спирали раскручиваются и перемещают ползуны (рис. 4).
Рис. 4. Спираль, раскручиваясь, перемещает ползуны.Еще большие усилия можно передать через замкнутую в кольцо ленту круглой или прямоугольной формы (а. с. № 937 845). При сжатии кольца его боковые стенки выпучиваются (рис. 5) и перемещают толкатели.
А теперь сделаем кривошип ползунного механизма из обычного стержня, теряющего устойчивость при продольном сжатии (рис. 6).
Рис. 5. Прямоугольная лента способна передать толкателям большие усилия.Посредине его шарнирно закрепим шатун, связанный с поршнем. Один конец стержня соединен с приводом вращения, установленным в передвижном корпусе. Подвинем корпус в направлении стержня. Последний превратится в кривошип с возрастающим радиусом прогиба. Ход поршня увеличится. Можно, наоборот, совсем остановить движение поршня, полностью распрямив кривошип, отодвинув корпус с приводом. Вот вам один из вариантов плавного сцепления привода с главной передачей, например, автомобиля, без всяких муфт и коробки скоростей. Ведь механизм обратим, и движение может передаваться с поршня на кривошип колен-вала.
Рис. 6. Механизм с гибким кривошипом. При перемещении привода 1 можно
изменять величину хода поршней 2 за счет изменения изгиба кривошипа 3.Итак, упругодеформируемые механизмы при минимальном числе деталей, простоте и легкости обеспечивают передачу движений на расстояния, намного превышающие ходы жестких механизмов. Экономия материалов, трудозатрат в изготовлении и производственных затрат огромна.
Неустойчивость «голосует» всеми своими прогибами за новое направление в конструировании механизмов с упругими связями, работающих в закритической области нагрузок. Здесь перечислены лишь немногие. Предлагаем и читателям ИРа поработать в этом направлении.
ИР № 5/85, с.13-14
