FR2817008A1 - Balanced four-bar articulated mechanism has output member extended beyond axis of second pivot and meshing gears - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention concerne d'une manière générale un mécanisme articulé à quatre barres équilibré permettant d'annuler les charges dynamiques variables sur le bâti du mécanisme et par suite les vibrations du bâti qui sont conditionnées par la fluctuation des forces d'inertie. The present invention relates generally to an articulated mechanism with four balanced bars making it possible to cancel the variable dynamic loads on the frame of the mechanism and consequently the vibrations of the frame which are conditioned by the fluctuation of the inertial forces.
L'équilibrage des mécanismes tels que les mécanismes à quatre barres articulé est un problème bien connu dans le domaine de l'enginierie mécanique car les charges dynamiques variables provoquent le bruit, l'usure et la fatigue des machines. Balancing mechanisms such as four-bar articulated mechanisms is a well-known problem in the field of mechanical engineering because variable dynamic loads cause noise, wear and fatigue of machines.
A ce sujet on pourra se référer à l'article de Vigen ARAKELYAN, Marc DAHAN et Mike SMITH A historical review of the evolution of the theory on balancing of mechanismus International Symposium on Hystory of Machines and MechanismsProceeding HMM 2000-Kluwer Academic Publishers. On this subject, we can refer to the article by Vigen ARAKELYAN, Marc DAHAN and Mike SMITH A historical review of the evolution of the theory on balancing of mechanismus International Symposium on Hystory of Machines and MechanismsProceeding HMM 2000-Kluwer Academic Publishers.
L'un des moyens les plus efficaces utilisés pour la réduction de l'activité vibratoire des machines rapides est l'équilibrage des forces d'inertie développées par les systèmes mécaniques de ces machines, à partir d'une distribution rationnelle des masses mobiles des éléments des systèmes. One of the most effective means used for the reduction of the vibratory activity of fast machines is the balancing of the inertial forces developed by the mechanical systems of these machines, starting from a rational distribution of the moving masses of the elements. systems.
On a déjà développé, à partir d'approches théoriques, plusieurs solutions pour obtenir un équilibrage complet des forces d'inertie et du moment des forces d'inertie d'un mécanisme articulé à quatre barres. Toutefois, toutes ces solutions contiennent des défauts importants qui interdisent leur transfert dans les applications industrielles. Several solutions have already been developed from theoretical approaches to obtain a complete balancing of the inertia forces and the moment of the inertia forces of a four-bar articulated mechanism. However, all of these solutions contain significant defects which prohibit their transfer to industrial applications.
Une première approche pour équilibrer le moment des forces d'inertie du balancier d'un mécanisme articulé à quatre barres consiste à utiliser des roues d'engrenage ayant un mouvement d'oscillation. Compte-tenu que dans les engrenages il existe toujours des jeux, il est évident que les changements périodiques du sens de rotation des roues d'engrenage engendrent des chocs entre les dents. Cela rend impossible l'application de cette approche dans les machines rapides. A first approach for balancing the moment of the inertial forces of the balance of a four-bar articulated mechanism consists in using gear wheels having an oscillating movement. Taking into account that in the gears there are always clearances, it is obvious that the periodic changes of the direction of rotation of the gear wheels generate shocks between the teeth. This makes it impossible to apply this approach in fast machines.
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Dans une autre approche, on a proposé de remplacer les engrenages par des courroies dentées. Là encore, le problème de l'oscillation est non résolu. In another approach, it has been proposed to replace the gears with toothed belts. Again, the problem of oscillation is not resolved.
On a encore proposé de réaliser un équilibrage actif des forces d'inertie, c'est-à-dire la minimisation des forces d'inertie par la rotation prescrite de l'élément d'entrée du mécanisme. Cependant, pour la réalisation d'une telle rotation de l'élément d'entrée, il faut développer des moteurs spéciaux permettant d'engendrer la variation de la rotation de cet élément d'entrée. It has also been proposed to carry out active balancing of the inertial forces, that is to say the minimization of the inertial forces by the prescribed rotation of the input element of the mechanism. However, for the realization of such a rotation of the input element, it is necessary to develop special motors making it possible to generate the variation of the rotation of this input element.
A ce jour, il n'existe donc pas une méthode générale, facile à industrialiser, pour résoudre le problème de l'équilibrage des forces d'inertie engendrées par un mécanisme articulé à quatre barres. To date, there is therefore no general method, easy to industrialize, to solve the problem of balancing the inertial forces generated by an articulated mechanism with four bars.
La présente invention a donc pour objet de fournir un mécanisme articulé à quatre barres dont on a réduit, voire supprimé, les vibrations par équilibrage complet des forces d'inertie et des moments de ces forces d'inertie exercées sur le bâti du mécanisme. The object of the present invention is therefore to provide an articulated mechanism with four bars from which the vibrations have been reduced, or even eliminated, by complete balancing of the inertial forces and moments of these inertial forces exerted on the frame of the mechanism.
Les buts ci-dessus sont atteints selon l'invention, grâce à un mécanisme articulé à quatre barres équilibré qui comprend : 'un bâti, un élément d'entrée fixé à rotation en son centre au bâti par un premier axe d'articulation, un élément de sortie fixé à rotation au bâti au moyen d'un deuxième axe d'articulation, un élément de liaison fixé à rotation à une première extrémité de l'élément d'entrée et de l'élément de sortie au moyen d'un troisième et d'un quatrième axes d'articulation, respectivement, caractérisé en ce que : * l'élément de sortie est prolongé à partir du deuxième axe d'articulation dans une direction opposée à sa première extrémité d'une longueur égale à la moitié de la longueur séparant le deuxième et le quatrième axes d'articulation, et en ce qu'il comprend un système d'engrenage constituant un pantographe comportant : The above objects are achieved according to the invention, thanks to a balanced four-bar articulated mechanism which comprises: a frame, an input element fixed in rotation at its center to the frame by a first articulation axis, a output element rotatably attached to the frame by means of a second hinge pin, a connecting element rotatably attached to a first end of the input element and the output element by means of a third and of a fourth articulation axis, respectively, characterized in that: * the output element is extended from the second articulation axis in a direction opposite to its first end by a length equal to half of the length separating the second and fourth axes of articulation, and in that it comprises a gear system constituting a pantograph comprising:
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une première roue d'engrenage solidaire de l'élément de liaison et dont l'axe de rotation est constitué par le troisième axe d'articulation ; une deuxième roue d'engrenage, de même diamètre que la première roue d'engrenage et portant un contrepoids, fixée à rotation au moyen d'un cinquième axe d'articulation à une seconde extrémité de l'élément d'entrée ; et une troisième roue d'engrenage complémentaire dont l'axe de rotation est constitué par le premier axe d'articulation et qui relie cinématiquement la première et la deuxième roues d'engrenage, grâce à quoi la rotation de la deuxième roue d'engrenage autour du cinquième axe d'articulation est identique à la rotation de l'élément de liaison autour du troisième axe d'articulation, imposant au contrepoids une trajectoire exactement identique, mais opposée à la trajectoire du centre des masses du mécanisme, la masse du contrepoids et le moment d'inertie de la troisième roue d'engrenage complémentaire étant déterminés pour que la résultante des forces d'inertie et le couple des forces d'inertie du mécanisme soient annulées et n'aient aucune action sur le bâti du mécanisme. a first gear wheel secured to the connecting element and whose axis of rotation is constituted by the third axis of articulation; a second gear wheel, of the same diameter as the first gear wheel and carrying a counterweight, fixed in rotation by means of a fifth hinge pin at a second end of the input element; and a third complementary gear wheel whose axis of rotation consists of the first articulation axis and which kinematically connects the first and second gear wheels, whereby the rotation of the second gear wheel around of the fifth axis of articulation is identical to the rotation of the connecting element around the third axis of articulation, imposing on the counterweight a trajectory exactly identical, but opposite to the trajectory of the center of the masses of the mechanism, the mass of the counterweight and the moment of inertia of the third complementary gear being determined so that the result of the inertia forces and the couple of inertia forces of the mechanism are canceled and have no action on the frame of the mechanism.
La suite de la description se réfère à la figure unique annexée qui représente schématiquement un mécanisme articulé à quatre barres équilibré selon l'invention. The rest of the description refers to the single appended figure which schematically represents a balanced four-bar articulated mechanism according to the invention.
Le mécanisme articulé à quatre barres équilibré représenté sur la figure comprend un bâti 1 sur lequel sont montés un élément d'entrée ou manivelle 2, un élément de sortie ou balancier 4 reliés entre eux par un élément de liaison ou bielle 3 et par le bâti 1 au moyen de quatre axes d'articulation de révolution A, B, C et D. Plus précisément, la manivelle 2 est reliée au bâti par le premier axe d'articulation A disposé en son centre. Le balancier 4 est relié au bâti 1 par le second axe d'articulation D. Une première extrémité de la manivelle 2 et du balancier 4 est reliée à une extrémité respective de la bielle 3 par un troisième axe d'articulation B et un quatrième axe d'articulation C. Comme le The balanced four-bar articulated mechanism shown in the figure comprises a frame 1 on which are mounted an input element or crank 2, an output element or balance 4 connected together by a connecting element or connecting rod 3 and by the frame 1 by means of four axes of articulation of revolution A, B, C and D. More specifically, the crank 2 is connected to the frame by the first axis of articulation A placed in its center. The balance 4 is connected to the frame 1 by the second articulation axis D. A first end of the crank 2 and of the balance 4 is connected to a respective end of the connecting rod 3 by a third articulation axis B and a fourth axis like C.
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montre la figure, la manivelle 2, le balancier 4 et la bielle 3 sont constitués par des tiges ou barres. shows the figure, the crank 2, the balance 4 and the connecting rod 3 are constituted by rods or bars.
La structure qui vient d'être décrite est une structure classique d'un mécanisme articulé à quatre barres. The structure which has just been described is a conventional structure of an articulated mechanism with four bars.
Selon l'invention, le balancier 4 est prolongé à partir du deuxième axe d'articulation D, dans la direction opposée à son extrémité reliée par le quatrième axe d'articulation C à la bielle 3, d'une longueur égale à la moitié de la longueur RCD séparant le deuxième axe d'articulation D du quatrième axe d'articulation C. According to the invention, the pendulum 4 is extended from the second articulation axis D, in the direction opposite to its end connected by the fourth articulation axis C to the connecting rod 3, with a length equal to half of the length RCD separating the second axis of articulation D from the fourth axis of articulation C.
Une première roue d'engrenage 5 dont l'axe de rotation est constitué par le troisième axe d'articulation B est fixée solidaire de la bielle 3. Une deuxième roue d'engrenage 7, de même diamètre que la première roue 5 est fixée à rotation à l'extrémité de la manivelle 2 opposée à l'extrémité de cette manivelle reliée à la bielle 3, au moyen d'un cinquième axe d'articulation E. Cette deuxième roue porte un contrepoids 8 de masse déterminée. A first gear wheel 5 whose axis of rotation consists of the third articulation axis B is fixed integral with the connecting rod 3. A second gear wheel 7, of the same diameter as the first wheel 5 is fixed to rotation at the end of the crank 2 opposite the end of this crank connected to the rod 3, by means of a fifth hinge pin E. This second wheel carries a counterweight 8 of determined mass.
Une troisième roue d'engrenage complémentaire 6 montée à rotation sur le premier axe d'articulation A relie cinématiquement la première roue d'engrenage 5 à la deuxième roue d'engrenage 7. La deuxième roue d'engrenage 7 de même diamètre que la première roue d'engrenage 5 forment avec la première roue d'engrenage 5 et la troisième roue d'engrenage complémentaire 6 un pantographe. A third complementary gear wheel 6 rotatably mounted on the first articulation axis A kinematically connects the first gear wheel 5 to the second gear wheel 7. The second gear wheel 7 of the same diameter as the first gear wheel 5 form with the first gear wheel 5 and the third complementary gear wheel 6 a pantograph.
En fonctionnement, la rotation d'entrée de la manivelle 2 se traduit par une oscillation du balancier 4 sous l'action de la bielle 3. C'est le mouvement principal du mécanisme articulé à quatre barres. La bielle 3 achemine le mouvement d'entrée de la manivelle 2 vers la seconde roue d'engrenage 7 grâce à la troisième roue d'engrenage complémentaire 6 qui possède un moment d'inertie déterminé équilibrant le moment d'inertie du système. Puisque les trois roues d'engrenage 5,6 et 7 forme un pantographe, la rotation de la deuxième roue d'engrenage 7 autour du cinquième axe d'articulation E est identique à la rotation de la bielle 3 autour du troisième axe d'articulation B. Ainsi, le mécanisme proposé est équilibré en totalité, c'est-à-dire que In operation, the input rotation of the crank 2 results in an oscillation of the balance 4 under the action of the rod 3. This is the main movement of the articulated mechanism with four bars. The connecting rod 3 routes the input movement from the crank 2 to the second gear wheel 7 thanks to the third complementary gear wheel 6 which has a determined moment of inertia balancing the moment of inertia of the system. Since the three gear wheels 5, 6 and 7 form a pantograph, the rotation of the second gear wheel 7 around the fifth axis of articulation E is identical to the rotation of the connecting rod 3 around the third axis of articulation B. Thus, the proposed mechanism is fully balanced, that is to say that
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l'action des forces d'inertie et le moment des forces d'inertie des éléments mobiles sur le bâti 1 du mécanisme sont annulées.
the action of the inertial forces and the moment of the inertial forces of the movable elements on the frame 1 of the mechanism are canceled.
On va maintenant décrire l'équilibrage des forces d'inertie par détermination de la masse ma du contrepoids et également l'équilibrage du moment des forces d'inertie par détermination du moment d'inertie de la troisième roue d'engrenage complémentaire 6. We will now describe the balancing of the inertial forces by determining the mass ma of the counterweight and also the balancing of the moment of the inertial forces by determining the moment of inertia of the third complementary gear wheel 6.
Equilibrate des forces d'inertie
Le balancier 4 a la forme d'une tige. Il est prolongé de la moitié de la longueur ICD, donc la longueur totale du balancier #4 = (3/2) cD, c'est-à-dire la longueur de l'axe d'articulation C au centre S4 des masses du balancier 4 #CS4 = (3/4) Rco = 4/2 et la longueur de l'axe d'articulation D au centre des masses du balancier ROTS4 = (1/4) #CD = #4/6. Les conditions de la substitution dynamique de la masse m4 du balancier par deux masses concentrées me et mo situées aux centres des axes d'articulations C et D sont les suivantes :
OÙ 1S4 est le moment d'inertie du balancier 4 par rapport à l'axe perpendiculaire au plan du mécanisme et passant par le centre des masses du balancier
A partir de deux premières équations, nous déterminons les masses concentrées me et mo :
The pendulum 4 has the shape of a rod. It is extended by half the length ICD, therefore the total length of the pendulum # 4 = (3/2) cD, i.e. the length of the axis of articulation C at the center S4 of the masses of the balance 4 # CS4 = (3/4) Rco = 4/2 and the length of the hinge pin D at the center of the masses of the balance ROTS4 = (1/4) #CD = # 4/6. The conditions for the dynamic substitution of the mass m4 of the balance wheel by two concentrated masses me and mo located at the centers of the axes of articulations C and D are as follows:
WHERE 1S4 is the moment of inertia of the balance 4 with respect to the axis perpendicular to the plane of the mechanism and passing through the center of the masses of the balance
From the first two equations, we determine the concentrated masses me and mo:
Ainsi, pour assurer une substitution dynamique des masses, faut établir la troisième condition : Thus, to ensure a dynamic substitution of the masses, it is necessary to establish the third condition:
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Ce moment d'inertie correspond exactement au moment d'inertie de la tige prolongée du balancier 4 (car le moment axial d'inertie d'une tige est déterminé par l'expression suivante :
This moment of inertia corresponds exactly to the moment of inertia of the extended rod of the pendulum 4 (because the axial moment of inertia of a rod is determined by the following expression:
Ainsi, on substitue les masses du balancier 4 par deux 1 3 masses concentrées mc=-mrn et mo =-m4 situées aux centres 4 4 des axes d'articulations C et D.
Thus, the masses of the balance 4 are replaced by two 1 3 concentrated masses mc = -mrn and mo = -m4 located at the centers 4 4 of the axes of articulations C and D.
Après cette substitution, le balancier 4 devient un élément d'apesanteur car ces deux masses substituées assurent les mêmes caractéristiques dynamiques (mêmes forces et mêmes couples d'inertie) que les masses du balancier ayant une forme de tige. After this substitution, the balance 4 becomes a weightlessness element because these two substituted masses provide the same dynamic characteristics (same forces and same inertia torques) as the masses of the balance having a rod shape.
Une telle approche permet d'obtenir un autre modèle dynamique du mécanisme, complètement adéquat au mécanisme initial mais dans lequel les forces d'inertie non équilibrées du mécanisme sont représentées seulement par deux masses : la masse m3 de la bielle 3 et la masse concentrée me sur l'axe d'articulation C (sur la bielle). Ces deux masses sont disposées sur la bielle 3. On peut les représenter par une seule masse M=m3+mc qui peut être équilibrée par la masse ma du contrepoids 8. Pour cela il faut que MIma = k, où k est le rapport de la similitude du pantographe formé par les roues d'engrenage 5,6 et 7. En choisissant le rapport de similitude k ou égal à 1, la valeur de la masse du contrepoids est : ma = m3 + m4/4. Such an approach makes it possible to obtain another dynamic model of the mechanism, completely adequate to the initial mechanism but in which the unbalanced inertial forces of the mechanism are represented only by two masses: the mass m3 of the rod 3 and the concentrated mass me on the hinge pin C (on the connecting rod). These two masses are placed on the connecting rod 3. They can be represented by a single mass M = m3 + mc which can be balanced by the mass ma of the counterweight 8. For this it is necessary that MIma = k, where k is the ratio of the similarity of the pantograph formed by the gear wheels 5, 6 and 7. By choosing the similarity ratio k or equal to 1, the value of the mass of the counterweight is: ma = m3 + m4 / 4.
Equilibrate du moment des forces d'inertie
Après l'équilibrage des forces d'inertie du mécanisme articulé à quatre barres, le moment des forces d'inertie devient constant par rapport à n'importe quel point du plan du mécanisme et il est représenté par l'expression suivante :
After balancing the inertial forces of the four-bar articulated mechanism, the moment of the inertial forces becomes constant with respect to any point on the plane of the mechanism and is represented by the following expression:
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où K, sont les coefficients constant conditionnés par la distribution des masses des éléments, (pi sont les accélérations angulaires des éléments {voir l'article : R. S. Berkof, Complete force and moment balancing of incline four-bar linkages. Mechanisms and Machines Theory 8 (3), 397-410 (1973)}.
where K, are the constant coefficients conditioned by the mass distribution of the elements, (pi are the angular accelerations of the elements {see article: RS Berkof, Complete force and moment balancing of incline four-bar linkages. Mechanisms and Machines Theory 8 (3), 397-410 (1973)}.
En considérant que la manivelle 2 tourne à une vitesse nominale constante et que les masses du balancier sont substituées par deux masses concentrées, le moment des forces d'inertie peut être présenté par une expression simplifiée :
où Ki (i=3,5, 7) sont les coefficients constants conditionnés par la distribution des masses des éléments 3,5 et 7. Ce moment peut être équilibré par l'inertie de la troisième roue complémentaire 6
en prenant en compte la condition : (pe = u (ps, où u est le rapport de transmission d'engrenage. Le rapport de transmission d'engrenage a le signe - qui correspond à la couronne dentée : des engrenages avec des dents intérieures. Considering that the crank 2 rotates at a constant nominal speed and that the balance masses are replaced by two concentrated masses, the moment of the inertial forces can be presented by a simplified expression:
where Ki (i = 3.5, 7) are the constant coefficients conditioned by the mass distribution of the elements 3.5 and 7. This moment can be balanced by the inertia of the third complementary wheel 6
taking into account the condition: (pe = u (ps, where u is the gear transmission ratio. The gear transmission ratio has the sign - which corresponds to the ring gear: gears with internal teeth.
Ainsi, le moment d'équilibrage créé par la roue 6 est le suivant :
Après une telle redistribution des masses mobiles la résultante des forces d'inertie et le couple des forces d'inertie sont annulés et ils n'ont aucune action sur le bâti du mécanisme. After such a redistribution of the moving masses, the result of the inertia forces and the couple of inertia forces are canceled and they have no action on the frame of the mechanism.
Le mécanisme selon l'invention permet d'annuler les charges dynamiques variables sur le bâti du mécanisme. Ainsi, les vibrations du bâti conditionnées par la fluctuation des forces d'inertie sont annulées. On constate que l'exécution d'équilibrage dans le mécanisme selon l'invention est parfaitement réalisable et qu'il n'y a pas de choc supplémentaire à déplorer. Un tel mécanisme équilibré trouve une large application dans les machines rapides contenant des systèmes polyarticulés, tels que les machines agricoles, les machines typographiques, les machines pour l'industrie textile et autres machines pour des chaînes de production. The mechanism according to the invention makes it possible to cancel the variable dynamic loads on the frame of the mechanism. Thus, the vibrations of the frame conditioned by the fluctuation of the inertia forces are canceled. It can be seen that the balancing operation in the mechanism according to the invention is perfectly achievable and that there is no additional shock to deplore. Such a balanced mechanism finds wide application in fast machines containing polyarticulated systems, such as agricultural machines, typographic machines, machines for the textile industry and other machines for production lines.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0014980A FR2817008A1 (en) | 2000-11-20 | 2000-11-20 | Balanced four-bar articulated mechanism has output member extended beyond axis of second pivot and meshing gears |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR0014980A FR2817008A1 (en) | 2000-11-20 | 2000-11-20 | Balanced four-bar articulated mechanism has output member extended beyond axis of second pivot and meshing gears |
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| FR2817008A1 true FR2817008A1 (en) | 2002-05-24 |
Family
ID=8856684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0014980A Withdrawn FR2817008A1 (en) | 2000-11-20 | 2000-11-20 | Balanced four-bar articulated mechanism has output member extended beyond axis of second pivot and meshing gears |
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| FR (1) | FR2817008A1 (en) |
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- 2000-11-20 FR FR0014980A patent/FR2817008A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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| ST | Notification of lapse | ||
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