Применение и классификация кулачковых механизмов

При проектировании механизмов часто нужно знать закон движения ведомого звена. Если проектируются механизмы с низшими кинематическими парами, то закон движения известен – это либо прямая линия (например, для строгания), либо окружность (сверление). Но чаще ведомое звено совершает сложное движение по заданному закону. По данной траектории и проектируют кулачковые механизмы.

Кулачковые механизмы получили широкое распространение в машинах и приборах. Например, в двигателях внутреннего сгорания (в механизмах газораспределения) они используются для открывания и закрывания впускных клапанов, в токарных полуавтоматах для регулирования хода резца и т.д. Поэтому, в зависимости от назначения, разновидностей кулачковых механизмов великое множество. Основное достоинство: простота изготовления и получение любой траектории ведомого звена – толкателя.

Простейший кулачковый механизм состоит из кулачковой шайбы 1 (или просто кулачка); ролика 2, который огибает кулачковую шайбу; толкателя 3 (штанги) и опоры 4 (рисунок 4.1 а,б).

а - с поступательно движущимся центральным роликовым толкателем;

б - с поступательно движущимся смещенным роликовым толкателем;

в - с поступательно движущимся тарельчатым (плоским) толкателем;

г - с качающимся роликовым толкателем (с коромыслом).

Рисунок 4.1 - Схемы плоских кулачковых механизмов

Ведущее звено в кулачковых механизмах называется кулачком. На кинематических схемах кулачок обозначается цифрой 1. Ведомое звено называется толкателем, обозначается предпоследней цифрой.

По характеру движения толкателя кулачковые механизмы делятся:

1. с поступательно движущимся толкателем (рисунок 4.1, а-в);

2. с качающимся толкателем (рисунок 4.1, г).

Если траектория движения толкателя совпадает с осью вращения кулачка, то такой механизм называется кулачковым механизмом с центральным роликовым толкателем (рисунок 4.1, а). Если траектория движения толкателя не совпадает с осью вращения кулачка (образуется расстояние е – эксцентриситет или смещение), то такой механизм называется кулачковым механизмом со смещенным роликовым толкателем (рисунок 4.1, б).

Кулачок очерчен профилем. Профиль кулачка – сечение кулачка плоскостью, параллельной плоскости движения кулачка.

Кулачковые также как и все другие механизмы бывают:

1. Плоские – кулачковые механизмы, движение звеньев которых осуществляются в параллельных плоскостях (рисунок 4.1, а-г).

2. Пространственные – кулачковые механизмы, все точки которых движутся по замкнутым пространственным кривым (рисунок 4.2, а).

Плоские кулачковые механизмы также различают по характеру контакта кулачка и толкателя, а также по характеру движения кулачка и толкателя (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Классификация кулачковых механизмов по характеру контакта

Характер движения кулачок- -толкатель	Вид контакта
Ролик	Прямая	Точка	Кривая
В-В	ωК ωТ	ωК ωТ	ωК ωТ	ωК ωТ
В-П	ωК VT	ωК VT	ωК VT	ωК VT
П-В	ωТ     VК	ωТ     VК	ωТ VК	ωТ   VК
П-П	VT VК		VT   VК	VT   VК
Примечание. ωК, ωТ – угловые скорости кулачка и толкателя; VT, VК - линейные скорости толкателя и кулачка.

По числу звеньев кулачковые механизмы делятся на

Ø простые – состоят из 3-х звеньев (рисунок 4.1).

Ø сложные – состоят из более чем 4-х звеньев (рисунок 4.2, б).

а - пространственный кулачковый механизм;

б - сложный кулачковый механизм.

Рисунок 4.2

При работе кулачковых механизмов необходимо постоянное соприкосновение ведущего и ведомого звеньев. Это касание может быть обеспечено: а) чисто геометрически, если выполнить кулачок в форме паза, боковые поверхности которого огибают ролик (рисунок 4.3, а);

б) с помощью пружины или силовое замыкание (рисунок 4.3, б).

а - с геометрическим замыканием с пазовым кулачком;

б - с геометрическим замыканием с двумя кулачками в рамке;

в - с силовым замыканием с поступательно движущимся толкателем;

г - с силовым замыканием с качающимся коромысловым толкателем.

Рисунок 4.3 - Плоские кулачковые механизмы

Достоинства кулачковых механизмов: простота конструкций; возможность получить любой закон движения толкателя.

Недостатки: быстрый износ в высшей кинематической паре.

При проектировании кулачковых механизмов решаются 2 задачи:

1. Анализ работы кулачкового механизма – по заданным размерам и профилю кулачка определяется закон движения ведомого звена (толкателя);

2. Синтез кулачкового механизма – по заданному закону движения толкателя определяются размеры кулачка.

В дальнейшем мы рассмотрим только 2-ую задачу проектирования.