В кинематике соединение Уатта (также известное как параллельное соединение ) представляет собой тип механического соединения, изобретенного Джеймсом Уоттом, в котором центральная движущаяся точка соединения вынуждена двигаться почти по прямой линии . Он был описан в описании патента Уатта 1784 года на паровую машину Уатта .
Сегодня он используется в автомобильных подвесках , позволяя оси транспортного средства двигаться вертикально, предотвращая при этом боковое движение.
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 воображаемый стержень фиксированной длины, соединяющий внешние конечные точки. Таким образом, связь Уатта является примером четырехзвенной связи .
Его происхождение содержится в письме, которое Уотт написал Мэтью Бултону в июне 1784 года.
Я получил представление о методе, позволяющем штоку 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. [2]
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 . [3]
Контекст инновации Ватта был описан К.Г. Гибсоном:
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 . [5] В письме Бултону от 11 сентября 1784 г. Уотт 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.
В более ранних лучевых двигателях одинарного действия для соединения поршня с балкой использовалась цепь, 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 использовать цилиндр двойного действия . Такой двигатель включает в себя поршень, на который попеременно с двух сторон воздействует пар, что удваивает его мощность. Рычаг, который фактически использовал Ватт (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 этому типу двигателя использовать жесткое соединение с поршнем, не вызывая заедания поршня 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. [3] [6]
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 традиционное соединение с параллельным движением , но шток высокого и среднего давления не соединяется с концом балки, поэтому нет необходимости экономить пространство.
Рычаг Уатта используется в задней оси подвесок некоторых автомобилей как усовершенствованная версия тяги Панара , которая была разработана в начале двадцатого века. Оба метода предназначены для предотвращения относительного бокового движения оси и кузова автомобиля. Рычаг 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. [7]
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.
