Виды толкателей

Используются толкатели нескольких видов:

1) С остриём. Используется для сложных профилей с малыми радиусами кривизны. Преимущественно точное воспроизведение сложной функцией. Недостатки: быстрый износ, поскольку в ней нет места сложным контактам.

2) С роликами. Основной вид толкателей. Здесь трение – скольжение заменено трением качения. В качестве роликов часто используют стандартные шариковые подшипники.

3) Тарельчатые.

4) Грибовидные.

9.3 Углы давления в кулачковых механизмах. Условие отсутствия заклинивания

Значение угла давления оказывает определённое влияние на работоспособность механизма и на его размеры, то есть, в конечном счете, на массогабаритные характеристики.

Угол давления β – угол между вектором силы, действующей на толкатели и вектором скорости толкателя.

Рассмотрим схему сил, действующих на толкатель:

Q – вся внешняя нагрузка (вес толкателя, сила сопротивления, силы упругости пружины и Даламберовы силы инерции).

P – сила давления от кулачка на толкатель, перпендикулярно ττ.

N₁, N₂ – нормальные реакции направляющей.

T₁, T₂ – силы трения в направляющих.

Для определения угла давления β рассмотрим условие динамического равновесия на основании принципа Даламбера.

; ; (9.1)
; ; (9.2)
; . (9.3)

Учтём, что по закону Кулона
; . (9.4)

Подставляем эти выражения в выражение (9.2):
, (9.5)
. (9.6)

Проведём анализ формулы (9.6):

С точки зрения влияния величины угла β на реакцию в направляющую:

1) Если β = 0, то P = Q; N₁, N₂, T₁, T₂ → 0, то есть к min.

2) Если β возрастёт, то возрастёт реакция N₁ и N₂, возрастёт и сила P.

3) Существует такое значение β = βкр, при котором знаменатель в (9.6) стремится к о. физически это означает, что никакая конечная сила P не преодолеет внешнюю нагрузку Q. Это явление в технике называется заклиниванием кулачкового механизма.

Значение угла заклинивания найдём, приравняв знаменатель (9.6) к 0. Тогда:
, (9.7)
. (9.8)

Например: f = 0,1; y = 4l; tgβ_кр = 1,11

В практике конструирования вводят допускаемый угол давления. Тогда условие отсутствия заклинивания имеет вид:
; . (9.9)

Для механизмов с поступательным движением толкателя ГОСТ устанавливает = 30˚.

Механизмы с качающимися толкателем значительно менее склонны к заклиниванию, поэтому они более надёжны. Для них ГОСТ установил =70˚, βкр 89˚.

9.4 Проектирование кулачковых механизмов

Проектирование кулачковых механизмов осуществляется поэтапно:

В аналитической и ли графической форме устанавливает закон движения толкателя:
. (9.10)

Именно для воспроизведения этой функции и создаётся функциональные кулачковые механизмы.

Находят минимальный радиус кулачка r_min. Для этого задаются значением эксцентриситета е и допускаемым углом давления .

Выбирают радиус ролика r_p из двух условий:
r_p ≤ 0,7 ρ_min, (9.11)
r_p < 0,4 r_min. (9.12)

Несоблюдение первого условия приводит к тому, что кулачковый механизм будет не точно воспроизводить требуемую функцию и может возникнуть подрез профиля.

Построение профиля кулачка: для этого разбивают цикл 2 на графике S=S(φ) на 12 или 24 равных частей и обозначают ординаты , .

Построение теоретического профиля приводят методом обращенного движения. Для этого всей системе, включая корпус прибора сообщают условное вращение минус ω кулачка. Тогда кулачёк остановится, а толкатель будет обегать кулачёк. Практически построение выглядит следующим образом: проводят две окружности, радиусом равным эксцентриситет r и rmin. Далее находят начальную точку 0, откладывают углы 2π/12 (30˚) и проводят полукасательные.

Практически профиль кулачка получают методом обкаки по известному методу радиус ролика.

9.5 Расчёт на прочность кулачковых механизмов. Выбор материала

Наибольшие напряжения и износ кулачкового механизма возникает в месте контакта кулачка с толкателем. Поэтому расчёт на прочность осуществляет по контактному напряжению с использованием формулы Герца, полученную им при сжатии цилиндра. Эта формула имеет вид:
, (9.13)
где Р – нормальное усилие на кулачок;
- приведённый модуль Юнга;
- приведённый радиус кривизны;
ρ – радиус кривизны кулачка.

По результатам расчёта на контактную прочность определяют ширину кулачка и подбирают конструкционные материалы кулачка и ролика, обеспечение надёжной и долговечной работы. Кулачки как наиболее ответственные детали в механизме изготовляют из качественных конструкционных и даже инструментальных сталей: сталь 50, сталь 20х, и инструментальные У7А, У8А с НRC 52…60 и [σн] =1200…1600 МПа. Рабочие поверхности кулачков механизма обязательно шлифуют, а в некоторых случаях даже полируют. Ролики и толкатели обычно изготовляют из стали. Часто для роликов используют стандартные подшипники.

9.6 Примеры применения кулачковых механизмов

Широко применяются как в общем машиностроении, так и в приборостроении:

1) В автомобилестроении: в механизмах газораспределения, на котором располагают кулачки (обычно их 8). Эти кулачки перемещают толкатели клапанов.

2) Перфоратор с кулачковым механизмом:

3) Станок с пространственным кулачком для намотки катушек индуктивности и дросселей.

ГЛАВА 10 Рычажные механизмы

10.1 Особенности рычажных механизмов

Рычажные механизмы состоят из рычагов и ползунов, соединённых кинематическими парами. Их широко применяют в различных машинах, устройствах автоматики, механизмах РЭС, периферийных устройствах ЭВМ и т.д. такое широкое применение связано с их простотой, универсальностью, точностью и с более высоким КПД, чем у зубчатых и кулачковых. Рычажные механизмы предназначены для:

- преобразования движения вращательного в поступательное и наоборот;

- воспроизведение различных функций и вычерчивание кривых;

- выполнение математических, а так же логических операций булевой алгебры.

Рычажные механизмы преобразуют движение с высокой точностью. Это связано с тем, что элементы их кинематических пар является простыми поверхностями: плоскими, цилиндрическими, сферами.

10.2 Виды рычажных механизмов. Их применение

10.2.1 Кривошипно-ползунный механизм

Кривошипно-ползунный механизм (КПМ) состоит из кривошипа 1, шатуна 2, ползуна 3. ползун движется возвратно – поступательно по направляющей. В этом механизме входящим может быть как кривошип, так и ползун. Например, в двигателях внутреннего сгорания входным звеном является ползун (поршень), который передаёт вращение через шатун коленчатому валу. Найдём функцию положения механизма:
. (10.1)

Функции положения устанавливает связь между обобщёнными координатами на входе и выходе механизма.

10.2.2 Шарнирный четырёхзвенный механизм

Механизм используется в устройствах автоматики, манипуляторах. Рассмотрим применение этого механизма в качестве грейферного для киносъемочной камеры.

10.2.3 Кулисный механизм

Кулисным называется механизм, в котором ползун перемещается по подвижной направляющей. Подвижная направляющая 3, называется кулисой. Выходным звеном может быть как звено 1, так и звено 3. Этот механизм применяется в механизмах автоматики, тумблерах для фиксации деталей, замыкающий контакт, в станках и т. д.