Анализ и проектирование кулачковых механизмов

Кулачковым называется трехзвенный механизм с высшей кинематической парой входное звено, которого называется кулачком, а выходное - толкателем (или коромыслом).

Кулачковые механизмы предназначены для преобразования вращательного или поступательного движения кулачка в возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение толкателя. При этом в механизме с двумя подвижными звеньями можно реализовать преобразование движения по сложному закону.

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. Степень свободы в этой кинематической паре не изменяет передаточных функций механизма и является местной степенью свободы.

Важным преимуществом кулачковых механизмов является возможность обеспечения точных выстоев выходного звена. Это преимущество определило их широкое применение в простейших устройствах цикловой автоматики и в механических счетно-решающих устройствах (арифмометры, календарные механизмы). Кулачковые механизмы можно разделить на две группы. Механизмы первой обеспечивают перемещение толкателя по заданному закону движения. Механизмы второй группы обеспечивают только заданное максимальное перемещение выходного звена - ход толкателя. При этом закон, по которому осуществляется это перемещение, выбирается из набора типовых законов движения в зависимости от условий эксплуатации и технологии изготовления.

Классификация кулачковых механизмов:

Кулачковые механизмы классифицируются по следующим признакам:

• по расположению звеньев в пространстве

o пространственные

o плоские

• по движению кулачка

o вращательное

o поступательное

o винтовое

• по движению выходного звена

o возвратно-поступательное (с толкателем)

o возвратно-вращательное (с коромыслом)

• по наличию ролика

o с роликом

o без ролика

• по виду кулачка

o дисковый (плоский)

o цилиндрический

o сложный пространственный

• по форме рабочей поверхности выходного звена

o плоская

o заостренная

o цилиндрическая

o сферическая

o эвольвентная

• по способу замыкания элементов высшей пары

o силовое

o геометрическое

При силовом замыкании удаление толкателя осуществляется воздействием контактной поверхности кулачка на толкатель (ведущее звено - кулачок, ведомое - толкатель). Движение толкателя при сближении осуществляется за счет силы упругости пружины или силы веса толкателя, при этом кулачок не является ведущим звеном. При геометрическом замыкании 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.

Кулачковый механизм с силовым замыканием высшей пары	Кулачковый механизм с геометрическим замыканием высшей пары

Основные параметры кулачкового механизма

Большинство кулачковых механизмов относится к цикловым механизмам с периодом цикла равным 2π. В цикле движения толкателя в общем случае можно выделить четыре фазы: удаления, дальнего стояния, возвращения и ближнего стояния.

В соответствии с этим, углы поворота кулачка или фазовые углы делятся на:

• угол удаления φ_y

• угол дальнего стояния φ_дс

• угол возвращения φ_в

• угол ближнего стояния φ_бс.

Сумма трех углов образует угол φ_раб, который называется рабочим углом.

φ_раб = φ_у + φ_дс + φ_в.

Кулачок механизма характеризуется двумя профилями: теоретическим и рабочим. Под рабочим понимается наружный профиль кулачка. Теоретическим называется профиль, который в системе координат кулачка описывает центр ролика (или скругления рабочего профиля толкателя) при движении ролика по конструктивному профилю кулачка.

Рис. Центральный кулачковый механизм с поступательно движущимся толкателем.

Рис. Нецентральный кулачковый механизм с поступательно движущимся толкателем.

Рис. Коромысловый кулачковый механизм.

Углом γ называют острый угол, образуемый прямыми на которых рассположенны векторы абсолютной и относительной скоростей той точки толкателя которая находится в точке контакта. Если пренебреч силой трения между кулачком и толкателем, то силой, приводящей в движение толкатель, является давление Q кулачка, приложенное к толкателю в точке контакта и направленное по общей нормали к профилям кулачка и толкателя. Разложив силу Q на взаимно перпендикулярные составляющие, из которых первая направлена по направлению скорости, получим силы Q₁ и Q₂ в зависимости от угла γ

Q₁ = sin γ;

Q₂ = cos γ;

Сила Q₁ перемещает толкатель преодолевая при этом все полезные и вредные сопротивления, приложенные к толкателю. Сила Q₂ Увеличивает силы трения в кинематической паре, образованной толкателем и стойкой.

С уменьшением угла γ сила Q₁ уменьшается, а сила Q₂ увеличивается. При некотором значении угла γ может оказаться, что сила Q₁ не сможет преодолевать все сопротивления, приложенные к толкателю и механизм не будет работать.

При проектировании кулачкового механизма задают минимальное допустимое значение угла γ обозначаемое γ_min и требуют, чтобы угол γ ни в одном положении не был меньше γ_min.