Кулачковый механизм: схема, использование, эксцентриситет

Кулачковый механизм служит для изменения вращательного движения в линейное перемещение небольшой амплитуды. Вращающаяся его деталь — диск с выступом, закрепленный на ведущем валу, именуется кулачок во время вращения выступ толкает либо толкатель, если нужно получить поступательное перемещение, либо коромысло, если требуется качательное движение. Подобные механизмы повсеместно используются в двигателях внутреннего сгорания, измерительных приборах, швейных машинках, самых разных регуляторах и множества прочих устройствах.

Кулачковые механизмы

Устройства используются если понадобится изменения вращения ведущего вала в линейное перемещение маленькой амплитуды. Важные элементы механизма такие:

• ведущий вал;
• закрепленный на нем (или являющийся его частью);
• фасонный диск с выступом;
• толкатель, движущий в направляющих, которые обеспечивают линейность его движения.

Фасонный диск (его называют также кулачком) – это энергичный компонент кинематической пары. Исполнительным элементом служит толкатель. Порой движение подается через качающиеся на параллельном валу коромысло.

Одним из ключевых показателей у механизмов с толкателем считается эксцентриситет — ось толкателя смещается относительно оси кулачка.

Рабочий принцип кулачкового механизма прост:

во время вращения кулачка в плоскости толкателя он поворачивается собственным сечением с большим радиусом, давя на толкатель и вынуждая его к линейному движению. Это перемещение происходит до той поры, пока не будет достигнута вершина кулачка. После его прохождения давление на шток начинает обессилеть аж до достижения очень маленького радиуса диска. Шток возвращается обратно под воздействием пружины. Цикл повторяется.

Спецификой кулачковой пары считается ее необратимость. Кривошипный механизм может преобразовывать движение туда и обратно. Так, в бензиновом или двигателе работающем на дизеле во время рабочего хода продольный ход поршня превращается во вращение коленчатого вала. Во время такта выпуска накопленная инерция вращения маховика вращает коленвал, и кривошипный механизм воплощает его в обратный ход поршня, вытесняющего останки продуктов горения рабочей смеси из цилиндра.

Кулачковая пара такой обратимости не имеет, потому как отсутствует жёсткая связь между элементами. Толкатель совершает обратное перемещение под воздействием возвратной пружины.

Самым широко популярным примером кулачкового механизма служит распределительный механизм в двигателе внутреннего сгорания. Кулачки распредвала напрямую или через коромысла открывают в конкретном порядке клапаны цилиндров. Запираются они возвратными пружинами.

Чтобы спроектировать действующее устройство, нужно провести ряд расчетов, для синтеза кулачкового механизма выстроить передаточную диаграмму.

Виды кулачковых пар

Разработано очень много и самых разных видов кулачковых механизмов. Они соединяются по самым разнообразным признакам.

По важной функции:

• приводящие исполнительный орган в движение по конкретной пути;
• обеспечивающие обычное перемещение (линейное или качающее) толкателя на установленное расстояние.

По пространственной формы:

• плоские, все пути лежат на одном уровне;
• пространственно кулачковый механизм, двигается по сложным траекториям.

По типу толкательного механизма отличают:

По пути его движения:

По пути кулачка:

• линейная;
• качающееся;
• вращение (винтовое движение).

Кулачковый механизм с роликовым толкателем по признаку смещения осей делится на:

• аксиальные (ось вращения диска находится в плоскости толкателя)
• дезаксиальные оси вращения и линия движения толкателя разнесены в пространстве.

Дистанцию такого разнесения называют дезаксиалом (e).

Кулачковые регулировочные механизмы часто строятся по дезаксиальной схеме.

Положительные качества кулачковых механизмов

Важным плюсом устройства является его способность осуществить очень непростые пространственные пути движения толкателя. Более того, движение можно строго настраивать по непостоянным фазам, зависящим от поворотного угла ведущего вала. При этом конструкция его очень проста в работе и обслуживании.

Такой практичности очень тяжело, а во многих случаях- просто нереально достигнуть с использованием остальных типов механических конструкций.

Дополнительным главным преимуществом конструкции над, скажем, электронными системами управления с электрическим или гидроприводом, считается ее необыкновенная надежность. Это немаловажно в тех конструкциях, где требуется достигнуть точного неоднократного повторения одних и тех же движений, например, как мотор или машинка для швейных работ.

Минусы кулачковых механизмов

Самым заметным минусом служит сложность и высокая цена изготовления деталей механизма. Наиболее трудоемким считается изготовление управляющего профиля. Тех. процесс начинается с отливки заготовки из очень прочных сплавов из стали, обладающих особенной стойкостью к переменным механическим напряжениям, износу и температурным перепадам. Дальше необходимо провести точную механическую обработку с дальнейшей шлифовкой и полировкой поверхностей. Упрочнение поверхности для работы достигается термической обработкой и цементацией. Такие распредвалы или кулачки привода масляного насоса обходятся дорого, зато смогут отработать сотни тысяч километров пробега.

Еще одним недостатком считается маленькая нагрузка, которую может толкнуть толкатель. Это происходит из-за большого трения в сопряжении пары, более того, появляются существенные боковые нагрузки на шток. Такой недостаток уменьшает мощностные возможности исполнительного органа устройства.

Для борьбы с данным недостатком применяют роликовый толкатель, расположенный на шариковом или игольчатом подшипнике. Для больших двигателей с большим диаметром клапанов и сильными возвратными пружинам применяют коромысленную схему. Различная длина плеч коромысла работают как рычажная система, трансформируя больший ход на одном плече в большее усилие на другом.

Важные параметры кулачкового механизма

Наиболее основными параметрами устройства, определяющими его рабочие качества, служат:

• самый большой ход толкателя (ход плеча коромысла);
• самая большая скорость поступательного перемещения;
• траектория исполнительного органа.

Более того, в расчете принимают участие и подобные характеристики, как:

• частота вращения приводного вала;
• установленное усилие на исполнительном органе;
• период работы, у многих схем принимается равным полному обороту вала (2?);
• фазовыми углами ?

Фазовые углы отличаются на такие:

• фаза убирания ?у – угол, при повороте вала на который происходит максимальное перемещение толкателя между его крайними положениями;
• фаза верхнего стояния ?в.в- угол самого большого убирания толкателя от оси кулачка;
• фаза сближения ?с отвечает перемещению толкателя из дальнего в ближнее положение, противоположна по смыслу фазе убирания, но не обязательно равна ей по величине;
• фаза нижнего стояния ? н.в — отвечает очень маленькому удалению и по смыслу противоположна ? в.в.

Если сложить все фазовые углы, должна выйдет полная окружность

? = ?у + ?в.в + ?с + ?н.в =2?.

Рабочий ход складывается из первых трех фаз:

Неженатый ход образуется из фазы нижнего стояния:

Каждой фазе работы ставится в соответствии один из профильных углов ?: ?у; ?в.в; ?с; ?н.в.

В большинстве случаев фазовый и профильный угол для любого состояния не равны между собой

Расчет кинематики кулачкового устройства основывается на линейных и угловых размерах его элементов. Соотношение между ними называют законом выходного звена кинематической схемы.

Его выражают как функцию от текущего поворотного угла вала, он предусматривает все свойства структуры системы и ее проектных параметров:

S =f(?), где ? – поворотный угол ведущего вала.

Закон выходного звена можно получить 2-мя методами:

Расчетно-аналитический способ значительно более точен, но просит трудных расчетов. Его применяют как ключевой во время проектирования ответственных механизмов.

Графоаналитический способ вычисления закона легче в применении и намного более нагляден. Его применяют для обычных устройств и как способ подготовительной оценки пред проведением расчетно- аналитических вычислений.

С появлением средств вычислительной техники и ПО трудности расчетно- аналитического метода отошли в прошлое. Средства трехмерного параметрического моделирования и кинематической симуляции, предлагаемые всеми ведущими изготовителями программных продуктов семейства CAD- CAE, дают возможность одновременно проводить графическое моделирование и аналитические расчеты, значительно облегчая работу конструктора.

Традиционный графоаналитический способ реализовывается:

• построением кинематических диаграмм;
• появлением кинематических планов с использованием заменяющего механизма.

Чертеж его собой представляет упрощенную модель, содержащую лишь низшие пары. Их характерное свойство состоит в том, что они обладают в фиксированных положениях ведущего звена теми же значениями координат, скорости и ускорения, как и у моделируемых ими элементов высшей пары.

Во время построения простой модели следует наблюдать за тем, чтобы сохранялись законы движения ведущего и ведомого компонентов кулачкового устройства, а еще относительное положение их осей.

Пара высшего порядка моделируется связанной двойкой низких пар. Благодаря этому в схеме появляется фиктивное третье звено, а взамен схемы кулачковых механизмов подставляют равноценную схему рычажной системы.

В большинстве случаев функция движения выходного звена имеет вид второй производной расстояния по углу положения вала либо по времени. Тогда она содержит физический смысл ускорения, и для графического моделирования используют способ построения кинематических диаграмм.

Назначение и область использования

Кулачковый механизм воплощает вращение в линейное перемещение небольшой амплитуды. В работе это короткое линейное движение применяется для выполнения следующих операций:

• сцепление или расцепление частей механизма;
• закрытие либо открытие клапана;
• возвратно- поступательно движение какого-нибудь исполнительного органа изделия;
• повторение исполнительным органом наперед заданной в формы поверхности кулачка сложной пространственной пути.

Данные операции находят использование в следующих устройствах и системах:

• управление клапанами двигателей внутреннего сгорания;
• топливные и масляные насосы;
• приводы гидравлических и пневматических тормозных систем;
• распределитель зажигания в устаревшем карбюраторном двигателе;
• привод изменения передач в трансмиссиях байков и прочего двухтактного транспорта;
• швейные машины;
• музыкальные механизмы: механический орган, шарманка, шкатулка и т. п.;
• транспортно- технологичные машины;
• таймеры с механическим приводом;
• сельскохозяйственные механизмы, комбайны, осуществляющие уборку и сортировку корнеплодов или злаков;

Более того, очень широкая сфера применения кулачковых пар лежит там, где требуется не потушить, а, наоборот, создать вибрацию. Они находят использование в вибромашинах, служащих для уплотнения грунта или полов из бетона в строительстве. Горная техника, применяемая при добыче рудных материалов, также создает сортировку тонких фракций на вибростолах, приводимых в движение кулачковыми парами.

Еще одна значимая область использования – точные приборы для измерений и средства механической и электромеханической автоматизации. Контактный прибор для определения величины давления и остальные прецизионные приборы широко применяют кулачковые пары для передачи вращения стрелки на шток, замыкающий контактные группы.

Применяются кулачковые устройства в малых и средних металлообрабатывающих станках для переключения передач, периодического перемещения рабочих органов.

В производственных технологических установках в химической, пищевой и фармацевтической промышленности устройства применяются для дозированной подачи сыпучего сырья к месту последующей переработки.

Не обращая внимания на быстрое совершенствование электронных средств управления, старая проверенная кулачковая пара смело держит собственные позиции там, где требуется неоднократно повторить однообразные движения очень точно.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.