Лекция 11

7. Кулачковые механизмы Основные понятия и определения

Кулачковым называется механизм, который содержит два основных звена: кулачок и толкатель, образующих высшую кинематическую пару.

Принцип действия простейшего кулачкового механизма представлен на

рис. 7.1. При вращении кулачка 1 с угловой скоростью ω₁ толкатель 2 совершает циклическое возвратно-качающееся движение. Постоянный контакт толкателя с кулачком поддерживается пружиной 4. Такой вид замыкания высшей пары называют силовым.

Элементы высшей пары при движении скользят один по другому, что вызывает их износ. В целях уменьшения износа часто вводят ролик (см. рис. 4.2, а, б), который перекатывается по кулачку. Однако при большой быстроходности механизма и высоких температурах ролик может перекатываться по кулачку со скольжением. Тогда целесообразно использовать грибовидные и тарельчатые толкатели (рис. 7.6).

Поверхность кулачка, с которой взаимодействует толкатель – рабочий профиль кулачка (действительный).

Поверхность, проходящая через точку В и отстоящая от действительного профиля на расстоянии радиуса ролика – теоретический профиль.

Рис. 7.1. Кулачковый механизм контроллера: 1 – кулачок, 2 – толкатель, 3 – ролик, 4 - устройство, замыкающее высшую пару (пружина), 5 – контакты.

Достоинства кулачковых механизмов:

• возможность с их помощью воспроизведения широкого класса циклических законов движения ведомого звена, в том числе и с остановками;

• механизмы просты по конструкции, имеют высокий кпд и при необходимости легко перенастраиваются на другой закон движения путем смены кулачка.

К недостаткам кулачковых механизмов относятся:

• большие давления в высшей паре, из-за чего механизм не может передавать значительные усилия и обеспечивать большие перемещения толкателя при высоких частотах вращения кулачка;

• высокая трудоемкость изготовления кулачков со сложным профилем;

• в механизмах необходимо предусмотреть устройство для замыкания высшей пары.

Рис. 7.2. Геометрическое замыкание высшей пары

Постоянство контакта звеньев, входящих в высшую пару, можно обеспечить помощью сил веса или сил упругости пружины (рис. 7.1) – это так называемое силовое замыкание. Благодаря пазовым кулачкам при одном ролике (рис. 7.2, рис. 7.3,б) или двухроликовому толкателю (рис. 7.3, а) со спаренными кулачками осуществляется геометрическое замыкание высшей пары.

Кулачковые механизмы нашли широкое применение в системах газораспределения двигателей внутреннего сгорания, в системах управления электрических цепей (контроллеры), в эскалаторах метрополитена.

В зависимости от характера движения кулачка различают механизмы с вращательным движением ведущего звена (рис. 7.1... 7.5) и поступательным движением (рис..7.6).

Рис. 7.3. Механизмы с качающимся толкателем и геометрическим замыканием высшей пары

Основные схемы кулачковых механизмов

Кулачковые механизмы с поступательно движущимся толкателем показаны на рис. 7.4.

а б в

Рис. 7.4. Кулачковые механизмы с поступательно движущимся толкателем:

а – с соосным толкателем с роликом; б - с соосным заостренным толкателем; в – с внеосным толкателем, е – эксцентриситет

Рис.7.5. Рис.7.6.

Механизм с коромыслом Механизм с плоским толкателем.

Рис. 7.7. Механизм с поступательно перемещающимся кулачком

На рис. 7.5. показан кулачковый механизм с качающимся толкателем (коромыслом). Звено 2 (толкатель) совершает возвратно­­–вращающееся движение с центром вращения в точке О₂. На рис. 7.6. – механизм с плоским толкателем.

Широкое применение получили пространственные кулачковые механизмы (рис. 7.2, рис.7.8).

Рис. 7.8. Пространственный кулачковый механизм

Основные параметры кулачковых механизмов

В соответствии с рис. 7.9, толкатель 2 в процессе работы совершает следующие движения:

• поступательно вверх (удаление). В этом случае толкатель взаимодействует с участком 0–1;

• стоит на месте (выстой) – контакт с участком 1–2. На участке 1–2 кулачок имеет постоянный радиус кривизны

• толкатель опускается (сближение) – контакт с участком 2–3.

Фазе удаления на профиле кулачка соответствует угол ψ_удал;

фазе выстоя – ψ_выс; фазе сближения – ψ_сб.

ψ_удал + ψ_выс + ψ_сб = ψ_раб – рабочий угол профиля кулачка. Рабочий угол кулачка можно показать только на кулачке.

Рис.7.9. Основные параметры кулачковых механизмов

7.1. Этапы синтеза кулачковых механизмов

Проектирование кулачковых механизмов выполняют в следующем порядке.

• Выбор кинематической схемы механизма.

• Выбор закона движения толкателя.

• Определение r_min минимального радиус-вектора теоретического профиля кулачка.

• Построение теоретического профиля кулачка.

• Выбор радиуса ролика и построение практического профиля.

• Расчет размеров звеньев, входящих в высшую пару из условий замыкания высшей пары, прочности, долговечности и износостойкости.