Связь Ватта

Анимация связи Ватта
Размеры (длина a, b ):

  Ссылка 3: а + а

  Ссылки 2 и 4: б

Расстояние по вертикали между швами ≈ 2 а
Горизонтальное расстояние между швами ≈ 2 б
Таким образом, звено 1 (общее расстояние между швами): $\approx {\sqrt {4a^{2}+4b^{2}}}$

Схема, нарисованная от руки Джеймсом Уоттом (1808 г.) в письме сыну, описывающая, как он пришел к этому дизайну.

— Рычаг Уатта это тип механического рычага, изобретенный Джеймсом Уоттом , в котором центральная движущаяся точка рычага вынуждена двигаться почти по прямой траектории . Уатт описал эту связь в своем патенте 1784 года на паровую машину Уатта .

Сегодня он используется в автомобильных подвесках подвески , где он играет ключевую роль в кинематике , то есть в ее свойствах движения, ограничивая движение оси транспортного средства почти вертикальным перемещением, а также ограничивая горизонтальное движение.

Описание

Рычаг Уатта состоит из трех стержней, скрепленных вместе в цепь. Цепочка стержней состоит из двух концевых стержней и среднего стержня. Средний стержень прикреплен болтами на каждом из своих концов к одному из концов каждого внешнего стержня. Два внешних стержня имеют одинаковую длину и длиннее среднего. Три стержня могут поворачиваться вокруг двух болтов. Внешние концы длинных стержней зафиксированы на месте относительно друг друга, но в остальном три стержня могут свободно поворачиваться вокруг двух соединений в местах их соединения.

В анализе связей существует воображаемая полоса фиксированной длины, соединяющая внешние конечные точки. Таким образом, связь Уатта является примером четырехзвенной связи .

История

Рисунок 9 из заявки на патент Джеймса Ватта (верхняя левая часть), показывающий прямую связь.

Его происхождение содержится в письме, которое Уотт написал Мэтью Бултону в июне 1784 года.

Я получил представление о методе, позволяющем заставить шток поршня двигаться перпендикулярно вверх и вниз, просто прикрепив его к куску железа на балке, без цепей или перпендикулярных направляющих [...] и это одна из самых гениальных простых штук. механики, которую я изобрел.

Контекст инновации Ватта был описан К.Г. Гибсоном:

В годы промышленной революции механизмы преобразования вращательного движения в поступательное получили широкое распространение в промышленном и горнодобывающем оборудовании, локомотивах и измерительных приборах. Такие устройства должны были сочетать инженерную простоту с высокой степенью точности и способностью работать на высокой скорости в течение длительного времени. Для многих целей приближенное линейное движение является приемлемой заменой точного линейного движения. Пожалуй, самым известным примером является четырехрычажная система Уатта, изобретенная шотландским инженером Джеймсом Уаттом в 1784 году.

Этот тип связи является одним из нескольких типов, описанных в описании патента Ватта от 28 апреля 1784 года. Однако в своем письме Бултону он на самом деле описывал разработку связи, которая не была включена в патент. Чуть более поздняя конструкция, названная механизмом параллельного движения , привела к созданию более удобной и компактной конструкции, которая фактически использовалась в его возвратно -поступательном и роторном лучевых двигателях .

Джеймс Ватт Рычаг параллельного движения

Форма, прослеживаемая связью

Эта связь не создает настоящего прямолинейного движения, и действительно, Уотт не утверждал, что это так. Скорее, он очерчивает кривую Уотта , кривую в форме лемнискаты или восьмерки; когда длины его стержней и основания выбраны так, чтобы образовать скрещенный квадрат , он изображает лемнискату Бернулли . В письме Бултону от 11 сентября 1784 г. Ватт описывает эту связь следующим образом.

На выпуклостях арок, лежащих в противоположных направлениях, имеется определенная точка соединительного рычага, имеющая очень небольшое заметное отклонение от прямой линии.

Хотя связь Поселье-Липкина , инвертор Харта и другие прямолинейные механизмы создают истинно прямолинейное движение, связь Уотта имеет преимущество гораздо большей простоты, чем эти другие связи. В этом отношении он похож на рычаг Чебышева , другой рычаг, который обеспечивает приблизительное прямолинейное движение; однако в случае связи Уатта движение перпендикулярно линии между двумя ее концами, тогда как в случае связи Чебышева движение параллельно этой линии.

Приложения

Поршень двойного действия

В более ранних лучевых двигателях одинарного действия использовалась цепь для соединения поршня с балкой, и это удовлетворительно работало для перекачки воды из шахт и т. д. Однако для вращательного движения рычажный механизм, который работает как на сжатие, так и на растяжение, обеспечивает лучшую конструкцию и позволяет цилиндр двойного действия использовать . Такой двигатель включает в себя поршень, на который попеременно с двух сторон воздействует пар, что удваивает его мощность. Рычаг, фактически использованный Ваттом (также изобретенный им) в его более поздних роторных лучевых двигателях, назывался рычагом параллельного движения , развитием «рычага Ватта», но использующим тот же принцип. Поршень двигателя прикреплен к центральной точке рычажного механизма, что позволяет ему воздействовать на две внешние балки рычажного механизма как толкая, так и тянуя. Почти линейное движение рычажного механизма позволяет двигателю этого типа использовать жесткое соединение с поршнем, не заставляя поршень застревать в цилиндре, в котором он находится. Эта конфигурация также приводит к более плавному движению луча, чем двигатель одинарного действия, что упрощает преобразование его возвратно-поступательного движения во вращение.

Пример связи Уатта можно найти на штоке поршня высокого и среднего давления двигателей Crossness 1865 года . В этих двигателях шток поршня низкого давления использует более традиционную рычажную связь с параллельным движением , но шток высокого и среднего давления не соединяется с концом балки, поэтому нет необходимости экономить пространство.

Подвеска автомобиля

Рычажная автомобильная подвеска Уатта

Подвеска рычажного поезда Уатта

Рычаг Уатта используется в задней оси некоторых автомобилей подвесок как усовершенствованная версия тяги Панара , которая была разработана в начале двадцатого века. Оба метода предназначены для предотвращения относительного бокового движения оси и кузова автомобиля. Рычажный механизм Уатта гораздо точнее приближает вертикальное прямолинейное движение, и он делает это, последовательно располагая центр оси на продольной осевой линии транспортного средства, а не по направлению к одной стороне транспортного средства, как это было бы в случае, если бы был простой стержень Панара. использовал.

Он состоит из двух горизонтальных стержней одинаковой длины, установленных с каждой стороны шасси. Между этими двумя стержнями соединена короткая вертикальная планка. Центр этого короткого вертикального стержня – точка, которая удерживается в прямолинейном движении – прикреплен к центру оси. Все поворотные точки могут свободно вращаться в вертикальной плоскости.

В некотором смысле рычаг Уотта можно рассматривать как два стержня Панара, установленных друг напротив друга. Однако в конструкции Уотта противоположные изогнутые движения, создаваемые поворотными стержнями Панара, в значительной степени уравновешивают друг друга в коротком вертикальном вращающемся стержне.

Рычажный механизм может быть перевернутым, в этом случае центр P крепится к корпусу, а L1 и L3 крепятся к оси. Это уменьшает неподрессоренную массу и несколько меняет кинематику. Такая схема использовалась на австралийских суперкарах V8 до конца сезона 2012 года.

Рычаг Уатта также можно использовать для предотвращения перемещения оси в продольном направлении автомобиля. В этом случае используются две тяги Уатта с каждой стороны оси, установленные параллельно направлению движения, но в гоночных системах подвески чаще встречается только одна 4-рычажная тяга.

См. также

• Четырехзвенная связь
• Соединение (механическое)
• Прямолинейный механизм
• Рычаг параллельного движения Уатта , прямой рычажный механизм, построенный на основе рычажного механизма Уатта.

Внешние ссылки

• Ватт-лучевой двигатель
• Как нарисовать прямую линию, А.Б. Кемпе, бакалавр наук.
• Лемнискоидная (изогнутая цифрой 8) связь первого рода по Уатту
• Лемнискоидная связь второго и третьего рода по Уатту.
• Моделирование с использованием программного обеспечения Molecular Workbench.