Шарнирный параллелограмм

Шарнирный параллелограмм — это механическая система, состоящая из четырёх звеньев (стержней), соединённых между собой шарнирами, образующая в плане параллелограмм. Является разновидностью плоского четырёхзвенного шарнирного механизма. Основное свойство шарнирного параллелограмма — противоположные звенья всегда остаются параллельными друг другу, что обеспечивает поступательное движение одного из звеньев относительно другого. Широко применяется в технике, машиностроении, робототехнике и строительстве.

История

Первые теоретические исследования шарнирных механизмов, включая параллелограмм, связаны с работами математиков и механиков XVIII—XIX веков. В 1784 году английский инженер Джеймс Уатт запатентовал параллелограмм Уатта — механизм, преобразующий круговое движение в прямолинейное. Хотя строго параллелограммом он не является, его принцип лёг в основу многих последующих разработок.

В 1870-х годах французский инженер Пьер-Жозеф Понселе и немецкий учёный Франц Рело исследовали кинематику плоских шарнирных механизмов. Рело, в частности, описал свойства шарнирного параллелограмма как механизма с одной степенью свободы. В XX веке, с развитием автомобилестроения и авиации, шарнирные параллелограммы стали применяться в подвесках, рулевых управлениях и приводах.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Шарнирный параллелограмм состоит из четырёх звеньев:

• Стойка (неподвижное звено) — обычно самое длинное или короткое, закреплённое на основании.
• Кривошип (ведущее звено) — звено, совершающее полное вращение вокруг шарнира.
• Шатун (противоположное звено) — звено, соединяющее кривошип и коромысло; в параллелограмме движется поступательно.
• Коромысло (ведомое звено) — звено, совершающее качательное движение.

Все звенья соединены цилиндрическими шарнирами, обеспечивающими вращение в одной плоскости. В идеальном шарнирном параллелограмме длины противоположных звеньев равны, а шарниры расположены в вершинах параллелограмма.

Кинематика

При вращении кривошипа шатун движется поступательно, сохраняя ориентацию в пространстве. Это свойство используется для передачи движения без изменения угла наклона рабочего органа. Механизм имеет одну степень свободы: положение всех звеньев однозначно определяется углом поворота кривошипа.

Разновидности

• Классический шарнирный параллелограмм — все звенья равны, механизм может складываться в линию.
• Шарнирный параллелограмм с неравными звеньями — используется для получения определённых траекторий.
• Шарнирный параллелограмм с дополнительными звеньями — для увеличения жёсткости или изменения передаточного отношения.
• Пространственный шарнирный параллелограмм — звенья расположены не в одной плоскости, применяется в роботах-манипуляторах.

Применение

Автомобилестроение

Шарнирные параллелограммы используются в подвесках автомобилей, например, в двухрычажной подвеске (double wishbone). В такой конструкции два параллелограмма обеспечивают вертикальное перемещение колеса без изменения его угла наклона. Также применяются в рулевых трапециях — механизмах, передающих усилие от рулевого колеса к поворотным кулакам.

Робототехника

В промышленных роботах шарнирные параллелограммы используются в манипуляторах для обеспечения параллельного переноса рабочего органа. Пример — дельта-робот (Delta robot), в котором три параллелограмма обеспечивают высокоскоростное перемещение схвата в трёхмерном пространстве.

Строительная техника

В экскаваторах, погрузчиках и кранах шарнирные параллелограммы применяются в стрелах и ковшах для поддержания постоянной ориентации рабочего органа. Например, в грейферах параллелограммный механизм удерживает челюсти параллельно друг другу при раскрытии.

Авиация

В шасси самолётов шарнирные параллелограммы используются для уборки и выпуска колёс. Они обеспечивают вертикальное перемещение колеса без изменения его ориентации относительно корпуса.

Медицина

В хирургических роботах и эндоскопических стойках шарнирные параллелограммы применяются для точного позиционирования инструментов. Они позволяют врачу управлять инструментом, сохраняя его ориентацию.

Железнодорожный транспорт

В токоприёмниках (пантографах) электровозов шарнирные параллелограммы обеспечивают вертикальное перемещение токосъёмника без изменения угла наклона.

Интересные факты

• Шарнирный параллелограмм является обратимым механизмом: если зафиксировать шатун, то стойка и коромысло поменяются ролями.
• В механике параллелограмм Уатта не является строгим параллелограммом, но его модификации (например, параллелограмм Чебышёва) приближаются к нему.
• В 1960-х годах советский инженер Л. В. Ассур разработал теорию структурного синтеза шарнирных механизмов, включая параллелограммы.
• Шарнирные параллелограммы используются в пантографах — устройствах для копирования чертежей, где они обеспечивают масштабирование.

Критика и ограничения

Основные недостатки шарнирного параллелограмма:

• Износ шарниров — при высоких нагрузках и частоте движений шарниры быстро изнашиваются.
• Люфты — зазоры в шарнирах приводят к потере точности.
• Ограниченный угол поворота — при больших углах механизм может заклинивать или выходить из строя.
• Необходимость смазки — для снижения трения требуется регулярное обслуживание.

В современных конструкциях эти недостатки компенсируются использованием подшипников качения, герметичных шарниров и композитных материалов.

Источники

• Артоболевский И. И. «Теория механизмов и машин». — М.: Наука, 1988.
• Рело Ф. «Теоретическая кинематика». — СПб.: Типография В. Безобразова, 1876.
• Уатт Дж. Патент № 1784 на параллелограммный механизм.
• Ассур Л. В. «Исследование плоских шарнирных механизмов». — М.: АН СССР, 1952.
• Справочник по машиностроению. Том 2. — М.: Машиностроение, 2004.