Введение

Механизм с четырьмя шарнирами, обеспечивающий прямолинейное движение

Сцепление Уатта — это тип механической передачи, изобретенный Джеймсом Уаттом, в котором центральная подвижная точка механизма ограничена движением по почти прямой траектории. Уатт описал эту передачу в своей патентной спецификации 1784 года для паровой машины Уатта. В настоящее время она используется в автомобильных подвесках, где играет ключевую роль в кинематике подвески, то есть в характеристиках её движения, ограничивая движение оси автомобиля почти вертикальным перемещением и одновременно уменьшая горизонтальное смещение.

Описание

Сцепление Уатта состоит из трех соединенных вместе шарнирно соединенных стержней, образующих цепь. Эта цепь состоит из двух концевых стержней и одного среднего стержня. Средний стержень прикреплен с каждого конца к одному из концов каждого внешнего стержня. Два внешних стержня имеют одинаковую длину и длиннее среднего стержня. Все три стержня могут вращаться вокруг двух точек соединения. Внешние концы длинных стержней зафиксированы относительно друг друга, а в остальном три стержня могут свободно вращаться вокруг двух шарниров, где они соединены. При анализе механизмов рассматривается воображаемый стержень фиксированной длины, соединяющий внешние концы. Таким образом, сцепление Уатта является примером четырехзвенного механизма.

История

Его происхождение описано в письме, которое Уатт написал Мэтью Болтону в июне 1784 года. Контекст инновации Уатта был описан К. Г. Гибсоном: в период промышленной революции механизмы для преобразования вращательного движения в поступательное широко применялись в промышленном и горнодобывающем оборудовании, локомотивах и измерительных приборах. Эти устройства должны были сочетать в себе инженерную простоту с высокой точностью и способностью работать на высокой скорости в течение продолжительного времени. Для многих задач приблизительное поступательное движение является приемлемой заменой точному поступательному движению. Пожалуй, наиболее известным примером является четырехрычажный механизм Уатта, изобретенный шотландским инженером Джеймсом Уаттом в 1784 году. Этот тип механизма – один из нескольких, описанных в патентной спецификации Уатта от 28 апреля 1784 года. Однако в письме к Болтону он фактически описывал усовершенствование этого механизма, которое не было включено в патент. Чуть более поздняя конструкция, получившая название параллельного рычажного механизма, позволила создать более компактный и удобный дизайн, который фактически использовался в его возвратно-поступательных и роторных лучевых двигателях.

Форма, прослеживаемая связью

Эта связь не создает истинно прямолинейного движения, и Уотт действительно не утверждал, что она его создает. Скорее, она описывает кривую Уатта – лемнискату или кривую, имеющую форму восьмерки; при выборе длин ее звеньев и основания таким образом, чтобы они образовали перекрещенный квадрат, она описывает лемнискату Бернулли. В письме к Болтону от 11 сентября 1784 года Уотт описывает эту связь следующим образом. Хотя связь Пёселье-Липкина, инвертор Харта и другие механизмы, обеспечивающие прямолинейное движение, генерируют истинно прямолинейное движение, связь Уатта обладает преимуществом значительно большей простоты по сравнению с ними. В этом отношении она схожа с механизмом Чебышева, который создает приближенное прямолинейное движение; однако в случае связи Уатта движение перпендикулярно линии, соединяющей ее две конечные точки, в то время как в механизме Чебышева движение параллельно этой линии.

Сдвоенный поршень

Ранние однодействующие баллочные двигатели использовали цепь для соединения поршня с балкой, и это было вполне удовлетворительно для откачки воды из шахт и т.п. Однако для вращательного движения механизм, работающий как на сжатие, так и на растяжение, обеспечивает более удачную конструкцию и позволяет использовать цилиндр двойного действия. Такой двигатель включает в себя поршень, на который попеременно воздействует пар с обеих сторон, тем самым удваивая его мощность. Механизм, фактически использованный Уаттом (также изобретенный им) в его более поздних вращательных баллочных двигателях, назывался параллельным механизмом, являющимся развитием "механизма Уатта", но использующим тот же принцип. Поршень двигателя крепится к центральной точке механизма, что позволяет ему воздействовать на две внешние балки механизма как толканием, так и тягой. Практически линейное движение механизма позволяет этому типу двигателей использовать жесткое соединение с поршнем, не вызывая заклинивания поршня в цилиндре. Эта конфигурация также обеспечивает более плавное движение балки, чем у однодействующего двигателя, что облегчает преобразование его возвратно-поступательного движения во вращательное. Пример механизма Уатта можно найти на поршневом штоке высокого и среднего давления двигателей Crossness 1865 года. В этих двигателях поршневой шток низкого давления использует более традиционный параллельный механизм, но шток высокого и среднего давления не соединяется с концом балки, поэтому нет необходимости экономить место.

Подвеска транспортного средства

Сцепление Уатта используется в задней оси некоторых автомобильных подвесок как усовершенствование по сравнению со стержнем Панхарда, разработанным в начале двадцатого века. Оба механизма предназначены для предотвращения относительного бокового смещения между осью и кузовом автомобиля. Сцепление Уатта обеспечивает движение, гораздо более близкое к вертикальной прямой линии, и при этом постоянно удерживает центр оси на продольной центральной линии автомобиля, а не смещает его в сторону, как это происходит при использовании простого стержня Панхарда. Оно состоит из двух горизонтальных стержней одинаковой длины, установленных по обе стороны шасси. Между этими стержнями соединена короткая вертикальная перекладина. Центр этой короткой вертикальной перекладины – точка, ограниченная прямолинейным движением – крепится к центру оси. Все точки вращения свободно вращаются в вертикальной плоскости. В некотором смысле, сцепление Уатта можно рассматривать как два стержня Панхарда, установленных друг напротив друга. Однако в конструкции Уатта противоположные криволинейные движения, создаваемые вращающимися стержнями Панхарда, в значительной степени компенсируют друг друга в короткой вертикальной вращающейся перекладине. Сцепление может быть установлено в перевернутом виде, при котором центр P крепится к кузову, а L1 и L3 – к оси. Это снижает массу, не учитываемую подвеской, и незначительно изменяет кинематику. Эта схема использовалась в австралийских V8 Supercars до конца сезона 2012 года. Сцепление Уатта также может использоваться для предотвращения перемещения оси в продольном направлении автомобиля. В этом случае используются две связи Уатта с каждой стороны оси, установленные параллельно направлению движения, однако в гоночных подвесках чаще применяется одна четырехрычажная конструкция.