Зачем нужен кулачковый механизм

Черчение

Home Машиностроение Механизмы и машины Кулачковый механизм

Кулачковый механизм

Кулачок — деталь кулачкового меха­низма с профилированной поверхностью скольжения, чтобы при своем вра­щательном движении передавать сопряженной детали (толкателю или штанге) движение с заданным законом изменения скорости. Геометричес­кая форма кулачков может быть различной: плоской, цилиндрической, ко­нической, сферической и более сложной.

Кулачковые механизмы — преобразующие механизмы, изменяющие ха­рактер движения. В машиностроении широко распространены кулачковые ме­ханизмы, преобразующие вращательное движение в возвратно-поступательное и возвратно-качательное. Кулачковые механизмы (рис. 39 и 40), как и дру­гие виды механизмов, подразделяют на плоские и пространственные.

Кулачковые механизмы применяют для выполнения различных опера­ций в системах управления рабочим циклом технологических машин, стан­ков, двигателей и т. д. Основным элементом системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания является простейший кулачковый меха­низм, изображенный на рис. 39, I. Механизм состоит из кулачка 1, штанги 2, связанной с рабочим органом, и стойки, поддерживающей в пространстве звенья механизма и обеспечивающей каждому звену соответствующие сте­пени свободы. Ролик 3, устанавливаемый в некоторых случаях на конце штанги, не влияет на закон движения звеньев механизма. Штанга, соверша­ющая поступательное движение, называется толкателем 2, а враща­тельное — коромыслом 4 (рис. 39, II). При непрерывном движении ку­лачка толкатель совершает прерывное поступательное, а коромысло — пре­рывное вращательное движения.

Обязательным условием нормальной работы кулачкового механизма яв­ляется постоянное касание штанги и кулачка (замыкание механизма). За­мыкание механизма может быть си­ловым и геометрическим. В первом случае замыкание обычно обеспечи­вается пружиной 5 (рис. 39, III), при­жимающей штангу к кулачку, во вто­ром — конструктивным оформлени­ем толкателя, особенно, его рабочей поверхности. К примеру, толкатель с плоской поверхностью (рис. 39, III) касается кулачка разными точками, потому его применяют только в слу­чае передачи малых усилий.

В машинах легкой промышленнос­ти для обеспечения весьма сложного взаимосвязанного движения деталей,
наряду с простейшими плоскими, применяют пространственные кулачковые механизмы. В пространственном кулачковом механизме можно увидеть ти­пичный пример геометрического замыкания — цилиндрический кулачок с профилем в виде паза, в который входит ролик толкателя (рис. 40,I).

При выборе типа кулачкового механизма стараются остановиться на при­менении плоских механизмов, имеющих значительно меньшую стоимость по сравнению с пространственными, и во всех случаях, когда это возможно, используют штангу качающейся конструкции, так как штангу (коромысло) удобно устанавливать на опоре с применением подшипников качения. Кроме того, в этом случае габаритные размеры кулачка и всего механизма в целом могут быть меньше.

Изготовление кулачковых механизмов с коническими и сферическими кулачками (рис. 40, II и III) является сложным техническим и технологи­ческим процессом, а потому и дорогим. Поэтому такие кулачки применяют в сложных и точных приборах.

Кулачковый механизм

Кулачковые механизмы в технике относятся к категории преобразующих устройств. Их основным назначением является изменение характера движения. На сегодняшний день наибольшее распространение получили кулачковые механизмы, с помощью которых осуществляется преобразование вращательного движения в движение возвратно-поступательное.

Кулачковые механизмы используются тогда, когда требуется получить перемещения ведомых звеньев на относительно небольшие величины.

Основными элементами практически всех кулачковых механизмов являются фигурный диск, или кулачёк, который вращается определенным образом вокруг предполагаемой оси, а также толкатель, который совершает возвратно-поступательные движения.

В кулачковом механизме диск или кулачок представляет его активную часть, то есть ведущий элемент. В качестве же ведомого выступает толкатель, который нередко именуют щупом. При этом последний или же сам, непосредственно, является исполнительным органом, или же тесно с ним связан.

Под действием кулачка толкатель движется в прямом направлении. Возврат его в исходное положение осуществляется или за счет действия сжавшейся возвратной пружины, или под влиянием противодействующих усилий, которые на него оказывают те органы, которыми он управляет.

Бывают и такие варианты, когда осуществляется вращение толкателя (который в этих случаях называется коромыслом) вокруг определенного центра. При этом ведущий кулачок осуществляет прямолинейные перемещения возвратно-поступательного характера.

Преимущества и недостатки кулачкового механизма

Главным достоинством кулачкового механизма является то, что с его помощью можно достичь перемещения и движения ведомого звена на основании закона относительно большой сложности. При этом конструкция механизма достаточно проста, а точность его работы высока. Такое сочетание характеристик сложно достичь при использовании других устройств. Именно по этой причине сейчас кулачковые пары применяются в технике весьма широко. Немаловажную роль играет также и то, что они в большинстве случаев очень компактны и отличаются высокой степенью надежности. Чаще всего кулачковые механизмы используются в тех функциональных устройствах, в которых необходимо достичь строго определенного автоматизма выполнения движений.

Есть у кулачковых пар и некоторые недостатки. Основным из них является то, что расчет профиля поверхности ведущего звена представляет собой достаточно сложную задачу, да и его изготовление — тоже. Для того чтобы достичь строгой закономерности изменения профиля рабочей поверхности, приходится осуществлять ее воспроизведение с высокой точностью.

Применение кулачкового механизма

Те задачи, для решения которых используются кулачковые пары, чаще всего определяются сферой применения, причем они весьма разнообразны. В машинах-орудиях и в машинах-двигателях общего машиностроения на кулачки обычно возлагается задача выполнять те операции, которые повторяются периодически (например, сцепление или расцепление, замыкание, нажим, поднимание, открывание и т.п.). В станочном оборудовании с помощью толкателя инструментам или устройствам задается некоторое перемещение, характеризующееся относительно небольшой длиной пути и заданной скоростью.

Одними из широко распространенных устройств, в которых используются кулачковые механизмы, являются двигатели внутреннего сгорания. Кроме того, они являются неотъемлемой частью полиграфических и текстильных машин, разнообразных приборов, автоматов различного назначения.

4.4.Кулачковые механизмы

Во многих отраслях техники получили широкое распространение кулачковые механизмы. Принципиальная схема кулачкового механизма показана на рис. 4.18.

Кулачок 1 вращается относительно оси О; ролик 2 соприкасается с поверхностью кулачка и приводит в движение толкатель 3, который имеет направляющую 4.

В приборах с небольшими нагрузками применяют остроконечный толкатель без ролика. Кроме прямолинейно движущегося толкателя выходным звеном может быть коромысло О₁А (рис. 4.19), которое вращается относительно закрепленной на стойке точки. Непрерывный контакт ролика с профилем кулачка может быть обеспечен внешней силой (пружиной и др.), приложенной к толкателю – силовое замыкание. Геометрическое замыкание обеспечивается выполнением в кулачке паза, в котором движется ролик.

Кулачковые механизмы используются и как управляющие механизмы (например, управляющие работой клапанов), и как силовые, создающие крутящий момент на валу кулака (например, кулачковые разгружатели возмущающего момента). Основными входными параметрами синтеза являются функция положения толкателя или создаваемый кулачковым разгружателем крутящий момент; дополнительными параметрами синтеза – максимально допустимый угол давления в высшей кинематической паре [α] или минимально допустимый радиус кривизны профиля кулака ρ_min. Выходными параметрами синтеза являются размеры кулачкового механизма и координаты профиля кулака.

4.4.2.Проектирование кулачковых механизмов

При проведении синтеза кулачковых механизмов можно выделить три этапа:

Выбор закона движения толкателя (или функции положения; обычно ее записывают в виде: s = s (q), где s – перемещение толкателя, рис. 4.20);

Определение минимальных размеров механизма (радиуса начальной шайбы r₀, эксцентриситета е);

Определение профиля кулака.

Рассмотрим более подробно эти этапы.

I этап. В законе движения толкателя можно выделить в общем случае четыре фазы, которые представлены на циклограмме (рис. 4.21): удаления, дальнего стояния, возвращения и ближнего стояния. На фазе удаления происходит перемещение толкателя из самого ближнего к кулаку положения. На фазе возвращения толкатель возвращается в ближнее положение. На фазах дальнего и ближнего стояния перемещения толкателя не происходит. Выбор закона движения толкателя проводится для фаз удаления и возвращения.

Четырем фазам соответствуют углы поворота кулака: q_I, q_II, q_III, q_IV. В некоторых механизмах (например, кулачковых разгружателях) фаза q_II или q_IV может оказаться равной 0. Углы q_I, q_II, q_III, q_IV обычно определяются технологическим процессом, для которого проектируется механизм, и поэтому являются заданными. Также заданным является ход толкателя – S_max.

Обычно выбирают не саму функцию s(q), а ее вторую производную – аналог ускорения . Самая простая функция – ступенчатая (рис. 4.22, а). Рассмотрим ее.

Введем единичную функцию :

Тогда можно записать в следующем виде:

Здесь С₁ и С₂ – постоянные интегрирования, которые найдем из начальных условий:

Отсюда С₁ = 0, С₂ = 0. Для отыскания амплитуды а₀ воспользуемся условием: s(q_I) = s_max, следовательно:

Зная амплитуду а₀, можно построить графики функций s(q) и (рис. 4.23, б, в).

Недостаток рассмотренного закона – скачок аналога ускорения (и, следовательно, ускорения) при q = 0, q = q_I/2 и q = q_I, что приводит к скачкообразному изменению сил инерции толкателя в этих положениях и появлению ударной нагрузки на механизм. Скачкообразное изменение ускорения называют мягким ударом. (Существует понятие и жесткого удара, при котором скачкообразно изменяется скорость толкателя, при этом ускорение стремится к бесконечности.) Для избежания ударной нагрузки используют синусоидальный закон изменения аналога ускорения (рис. 4.23).

Обозначив амплитуду аналога ускорения а₀, запишем в виде:

Найдем постоянные интегрирования из условий: . Отсюда следует, что С₂ = 0, . Подставляя значение С₁, перепишем аналог скорости в виде:

Максимальный ход толкателя s = s_max будет в конце участка удаления, т.е. при q = q_I. Подставляя s(q_I) = s_max в выражение для перемещения толкателя, получим значение амплитуды a₀:

Из сравнения выражений (4.21) и (4.18) видно, что безударная работа кулачкового механизма достигается за счет увеличения амплитуды а₀ в /21,57 раза.

II этап. Определение минимальных размеров кулачкового механизма.

Рассмотрим пример с остроконечным поступательно движущимся толкателем (рис. 4.24, а). В таком механизме надо выбрать минимальный радиус r₀ начальной шайбы и эксцентриситет e (расстояние от линии действия толкателя до оси вращения кулака). В этом механизме уменьшение радиуса r₀ приводит к увеличению угла давления ; при большом угле давления возможно заклинивание механизма. Поэтому минимальные размеры механизма выбирают из условия ограничения «сверху» угла давления.

Рассмотрим графический метод. Исключая q из полученных функций s(q) и , построим в координатах две кривые, называемые характеристиками угла давления: в первой четверти – для фазы возвращения, а во второй – для фазы удаления (рис. 4.24, б). Отметим, что аналог скорости толкателя для вращающегося кулака и поступательно движущегося толкателя измеряется в единицах длины, так же, как и перемещение толкателя s(q). Масштаб по осям s и должен быть одинаковым!

Обозначим: [_у], [_в] – допустимые углы давления на фазе удаления и возвращения соответственно. Проведем касательные к характеристикам угла давления под углами к вертикальной оси: [_у] – на фазе удаления, [_в] – на фазе возвращения. Касательные пересекутся в некоторой точке О. Если радиус начальной шайбы выбрать равным длине отрезка ОО₁, а эксцентриситет е – равным расстоянию от точки О до вертикальной оси (рис. 4.24, б), то получим минимально возможные размеры, при которых ни одно значение угла давления на фазе удаления и на фазе возвращения не превышает допустимых [_у] и [_в], причем в двух положениях максимальные значения углов давления равны [_у], [_в] (а именно в тех положениях, в которых касательные соприкасаются с характеристиками угла давления). Если начало отрезка r₀ выбрать в заштрихованной области, то радиус начальной шайбы кулака увеличится, а максимальные значения угла давления уменьшатся. Поэтому, в частности, округлять значение r₀ следует в большую сторону.

Рассмотрим пример кулачкового механизма с плоским толкателем. В таком механизме угол давления всегда постоянный, в частности, равен 0, как на рис. 4.25, а, поэтому внутренние условия передачи сил благоприятные, опасности заклинивания нет.

Рассмотрим графический метод определения радиуса начальной шайбы. Можно показать, что радиус кривизны ρ_А в точке контакта А определяется следующей суммой (рис. 4.25, а):

Чтобы выполнялось условие ρ_А > 0, надо, чтобы

Для того чтобы минимальный радиус кривизны кулака , надо увеличить r₀ на длину ρ_min; тогда условие (4.23) перепишется в виде:

Аналог ускорения толкателя при вращающемся кулаке и поступательно движущемся толкателе измеряется в единицах длины, так же, как и перемещение толкателя s(q). Для графического определения r₀, удовлетворяющего условию (4.23), необходимо выполнить следующие построения. Из функций s(q) и исключается q и строится кривая в координатах (рис. 4.6, б), причем масштаб осей выбирается одинаковым. Под углом 45 0 проводится касательная к отрицательной части кривой. Откладывая вниз от точки пересечения касательной с вертикальной осью отрезок, равный ρ_min, получаем точку О. Выбирая радиус r₀ больше, чем длина отрезка ОО₁, мы получим выполнение условия (9) в любой точке профиля кулака.

III этап. Определение профиля кулака.

Рассмотрим пример с остроконечным толкателем. Предварительно были найдены: s(q), r₀, e. Требуется найти профиль кулака, т.е. положение точки контакта А кулака и толкателя в локальной системе координат х₁0у₁, связанной с кулаком (рис. 4.26). Эти данные вводятся в станок с ЧПУ для изготовления кулака.

и матрицу перехода во вращательной кинематической паре О:

По аналогии с пространственными механизмами запишем выражение для перехода от локальной системы координат х₁0у₁ к неподвижной системе координат х0у:

Матрица перехода H₀₁(q) является ортогональной; для нее справедливо:

где – транспонированная матрица. С учетом (4.29) раскроем выражение (4.28):

Для замены трения скольжения на трение качения остроконечный толкатель снабжают роликом (рис. 4.27).

В этом случае расчетный профиль (его называют теоретическим) заменяют на эквидистанту (отстающую от теоретического профиля на радиус ролика r_p кривую), называемую рабочим профилем. Радиус ролика r_p выбирают из условия:

В этом случае вектор-столбец неподвижных координат точки контакта А примет следующий вид:

Получим выражение для профиля кулака с роликовым толкателем:

Угол давления α в каждом положении может быть найден по следующей формуле, полученной из геометрических построений (рис. 4.28):

В кулачковом механизме с плоским толкателем (рис. 4.11) изменится только вектор-столбец неподвижных координат точек контакта А:

Тогда локальные координаты кулака, взаимодействующего с плоским толкателем, равны:

При расчете кулачкового механизма на разных этапах использовались графические и аналитические методы. В этом нет противоречия, т.к. графический метод использовался при определении минимальных размеров, где не требуется высокая точность (полученные результаты округляются); аналитические методы использовались при интегрировании закона движения и при профилировании кулака, где от точности вычислений зависит точность воспроизведения заданного закона движения.

Назначение кулачковых механизмов, их классификация, область применения и особенности

Цель: ознакомить студентов с назначением, областью применения и классификацией кулачковых механизмов, методикой проектирования и кинематического анализа кулачковых механизмов.

1. Назначение кулачковых механизмов, их классификация, область применения и особенности.
2. Параметры кулачкового механизма.

3. Кинематический анализ плоских кулачковых механизмов.

4. Синтез кулачковых механизмов:

4.1. Определение закона движения ведомого звена.

4.2. Определение радиуса базовой поверхности кулачка для различных кулачковых механизмов по углу давления и из условия выпуклости профиля.

4.3. Определение радиуса ролика

4.4. Получение теоретического и практического профиля кулачка для различных типов кулачковых механизмов с поступательно движущимся (плоским, роликовым, острым) и качающимся (роликовым, плоским) толкателем.

Назначение кулачковых механизмов, их классификация, область применения и особенности

Кулачковым называется трехзвенный механизм с высшей кинематической парой, входное звено которого называется кулачком, а выходное — толкателем (или коромыслом). Часто для замены в высшей паре трения скольжения трением качения и уменьшения износа, как кулачка, так и толкателя, в схему механизма включают дополнительное звено — ролик и вращательную кинематическую пару. Подвижность в этой кинематической паре не изменяет передаточных функций механизма и является местной подвижностью.

Кулачковые механизмы предназначены для преобразования вращательного или поступательного движения кулачка в возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение толкателя.

Достоинства кулачковых механизмов:

o Возможность воспроизведения практически любого закона движения толкателя, обеспечение точных выстоев ведомого звена.

o Простота устройства и удобство технического обслуживания.

o Малые габариты при сложных законах движения.

o Большое удельное давление в точке контакта кулачка с толкателем, что может привести к выкрашиванию материалов (питтинг).

o Необходимость обеспечения замыкания высшей пары.

o Сложность изготовления кулачка.

Эти преимущества определили их широкое применение в измерительных приборах и машинах автоматического или полуавтоматического действия и обеспечивают функции “жёсткого” управления выполняемым процессом.

Классификация кулачковых механизмов:

Кулачковые механизмы классифицируются по следующим признакам:

• по расположению звеньев в пространстве (пространственные, плоские)
• по движению кулачка (вращательное, поступательное, винтовое)
• по движению выходного звена (возвратно-поступательное (с толкателем), возвратно-вращательное (с коромыслом))
• по наличию ролика (с роликом, без ролика)
• по виду кулачка)дисковый (плоский), цилиндрический, коноид (сложный пространственный))
• по форме рабочей поверхности выходного звена (плоская, заостренная, цилиндрическая, сферическая)
• по способу замыкания элементов высшей пары (силовое, геометрическое)

Рис. 4.1. Плоские кулачковые механизмы с поступательным толкателем

Рис. 4.2. Плоские кулачковые механизмы с вращающимся толкателем (коромыслом)

Рис. 4.3. Примеры кулачковых механизмов

При силовом замыкании (рис. 4.4) удаление толкателя осуществляется воздействием на него контактной поверхности кулачка (ведущее звено ‑ кулачок, ведомое ‑ толкатель). Движение толкателя при сближении осуществляется за счет силы упругости пружины или веса толкателя, при этом кулачок не является ведущим звеном. При геометрическом замыкании (рис.4.5) движение толкателя при удалении осуществляется воздействием наружной рабочей поверхности кулачка на толкатель, при сближении ‑ воздействием внутренней рабочей поверхности кулачка на толкатель. На обеих фазах движения кулачок ведущее звено, толкатель — ведомое.

Рис.4.4. Кулачковый механизм с силовым замыканием высшей пары

Рис. 4.5. Кулачковый механизм с геометрическим замыканием высшей пары

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: