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.

Рис. 39

Рис. 40

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.

8.2. КОНСТРУКЦИЯ КУЛАЧКОВ

Кинематическая конструкция кулачка в основном связана с созданием профиля кулачка. С точки зрения конструкции кулачки можно разделить на две категории:

• Низкоскоростные кулачки : Для этих кулачков кинематика является нашей главной заботой. Силами инерции можно пренебречь. Эти кулачки есть в швейных машинах, в игрушках, в записывающих устройствах. Так как качество поверхности не очень критично, эти типы кулачков могут быть изготовлены очень дешево (например, штамповка из листового металла или литье пластмасс и т. д.). В некоторых приложениях они могут даже использоваться для уменьшения количества деталей в механизме. Исходя из заданных кинематических требований, профиль кулачка может быть выложен без учета динамики системы. Однако нужно иметь в виду гладкость поверхности кулачка и угол давления даже при малых скоростях.

• Высокоскоростные кулачки: Концепция жесткости в случае высоких скоростей не работает. В случае высоких скоростей, низкой жесткости, большой массы или резонанса (все это мы будем называть высокоскоростным кулачком). Динамика системы будет иметь большое значение. Например, одним из применений кулачков является двигатель внутреннего сгорания. Кулачок используется для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов поршней. Скорость двигателя 6000 – 8000 об/мин очень распространена. В таком случае толкатель должен быть поднят (или клапан должен быть открыт) менее чем за 0,05 секунды. Ускорение ведомого будет достигать нескольких g.

Динамический дизайн высокоскоростных кулачков выходит за рамки темы этой главы. Однако при выполнении кинематического проектирования необходимо принять определенные меры предосторожности, такие как ограничение величины ускорения, чтобы полученный кулачковый механизм мог достаточно хорошо работать на низких или средних скоростях. Для высокоскоростных кулачков должны быть наложены определенные ограничения на отношение входа и выхода.

Для низкоскоростных кулачков кривая движения, которая теоретически показывает отношение вход-выход, может иметь любую форму. Обычно движение повторяется после полного оборота кулачка. Типичное применение — игрушки, автоматы для нарезки винтов, швейные машины и т. д. При s = f(q) (0 q p) задана функция. Даже для приложений с низкой скоростью эта функция должна быть непрерывной, а наклон кривой не должен превышать определенного значения. В противном случае можно столкнуться с такими проблемами, как избыточная потребляемая мощность, большие усилия на подшипниках и т. д. во время работы кулачка.

Рисунок 8.9

Рисунок 8.10.

В большинстве кулачковых приложений кривая движения для всего цикла точно не определена. Обычно требуется, чтобы в определенных частях вращения кулачка выходной сигнал оставался неподвижным. Это состояние известно как задержка . Например, в двигателях внутреннего сгорания мы хотим, чтобы кулачок удерживал клапан закрытым в течение определенной части цикла (0 q b ₁ ), а затем как можно быстрее откройте клапан и оставьте его открытым в течение какой-то другой части цикла (b ₂ q b ₃ ). В качестве другого примера рассмотрим машину для изготовления пластиковых стаканчиков. Матрица, используемая для придания формы чашке, должна оставаться (оставаться) в нижнем положении, чтобы чашку можно было выдать в течение определенной части цикла (0 q b ₁ ), а затем она должна двигаться вверх, чтобы придать форму пластику. и нажмите на нее (обычно применяется нагрев), чтобы открыть какую-то другую часть цикла (b ₂ q b ₃ )). Разница между двумя приложениями заключается в количестве хода s, величине передаваемой силы и скорости, с которой должны вращаться два кулачка (в первом случае она будет находиться в диапазоне 3000–6000 об/мин, где она будет около от 30 до 60 об/мин во втором примере).

Обычно периоды выдержки должны быть максимально большими, а участки подъема и возврата между выдержками должны быть максимально быстрыми. Однако, если часть цикла подъема и возврата мала, кривая смещения между двумя задержками станет крутой, следовательно, скорость и ускорение увеличатся (при условии постоянной скорости на входе, угловой поворот кулачка, q, равен пропорционально прошедшему времени). Кривая движения кулачка может иметь следующие общие характеристики:

• Задержка-Подъем-Задержка (D-R-D): После определенного периода задержки ведомый поднимается (или возвращается) к другому периоду задержки. Это наиболее частое движение кулачка. Часть D-R-D цикла кулачка будет сопровождаться движением Dwell-Return-Dwell, которое анализируется аналогичным образом с D-R-D (a)

.

• Задержка-Подъем-Возврат  (D-R-R): После определенного периода задержки толкатель поднимается и возвращается к исходному движению (b)
• Подъем-возврат (R-R):  Период задержки отсутствует. Для высокоскоростных приложений в большинстве случаев вместо кулачков можно использовать кривошипно-ползунковый механизм или любой другой механизм с нижними кинематическими парами (c)

Обратите внимание, что если глобальные характеристики кривой движения такие, как показано на рис. 8.11 a и b, не будет единой функции s(q), определяющей кривую движения. Вместо этого для каждой части цикла у нас будут разные функции.

Например, для частей задержки мы будем иметь s= 0 или s= H и . Кривые движения для участков подъема и возврата были выбраны в качестве некоторых основных математических функций, чтобы можно было контролировать характеристики движения.

СХЕМА И НОМЕНКЛАТУРА КУЛАЧКОВ

Рисунок 8.7.

Поясним общую процедуру графического определения профиля кулачка (общеизвестную как расположение кулачка) и объясним используемую номенклатуру на простом примере. Предположим, что задана кривая движения, показанная на рис. 8.7. Мы хотели бы реализовать эту кривую движения, используя радиальный кулачок с встроенным поступательным роликовым толкателем. Сначала мы должны определить радиус ролика (rr) и радиус базовой окружности (rb), на которые будет наложен профиль кулачка. Радиус ролика обычно определяется в соответствии с допустимым контактным напряжением (известным как напряжение Герца) после того, как мы определяем силы, действующие в точке контакта. Радиус окружности основания выбирается таким образом, чтобы профиль кулачка был не очень крутым или, другими словами, чтобы передача усилия от кулачка к толкателю была разумной. Это будет объяснено в разделе 6.4. Предположим, что нам известны радиус ролика (rr) и радиус окружности основания (rb). Теперь давайте нарисуем окружность (первую окружность) радиусом rb+rr. Центр ролика будет располагаться на этой окружности, когда он находится в нижнем положении. Теперь разделим кривую движения и первичную окружность на равное количество интервалов. На рис. 8.8 у нас есть 12 равных интервалов, соответствующих 300 оборотам кривошипа каждый (в случае реальной конструкции, особенно для участков подъема и возврата, количество интервалов должно быть достаточно большим для достижения определенной точности). При построении профиля кулачка выполняем кинематическую инверсию.