4. Тема №4.Расчет и построение профиля кулачка кулачкового механизма

Кулачковым называется механизм, в состав которого входит кулачок. Кулачок - звено, входящее в высшую кинематическую пару, рабочая поверхность которого имеет переменную кривизну. Простейший кулачковый механизм состоит из кулачка, толкателя и стойки. Выбором профиля кулачка можно получить практически любой закон движения выходного звена.

4.1. Виды кулачковых механизмов

Различают плоские и пространственные кулачковые механизмы. К плоским относятся кулачковые механизмы с дисковыми кулачками (рис. 4.1) и механизмы с поступательно движущимся плоским кулачком (рис. 4.2).

К пространственным относятся механизмы с цилиндрическим, коническим и более сложной формы кулачками.

Кулачковые механизмы различают:

1. по характеру движения кулачка:

• с вращающимся кулачком (рис. 4.1);

• с поступательно движущимся кулачком (рис. 4.2);

• с неподвижным кулачком;

2. по характеру движения толкателя:

• с поступательно движущимся толкателем (рис. 4.3);

• с вращающимся толкателем (рис. 4.1);

• с толкателем, совершающим сложное движение (рис. 4.3);

3. по характеру рабочей поверхности толкателя:

• с заостренным толкателем (рис. 4.4а);

• с роликовым толкателем (рис. 4.46);

• с плоским тарельчатым толкателем (рис. 4.4в);

• с криволинейным толкателем (рис. 4.4г);

4. по характеру замыкания высшей пары:

• с геометрическим (кинематическим) замыканием (рис. 4.5);

• с силовым замыканием (рис. 4.6).

Рис. 4.1. Схема механизма с вращающимся кулачком: 1 – кулачок, 2 – ролик, 3 – толкатель

Основное назначение профиля кулачка в механизме – обеспечение работы механизма по заданной программе.

Рис. 4.2. Схема механизма с поступательно движущимся кулачком

Рис. 4.3. Кулачковый механизм с кулачком, совершающим ложное движение

Рис. 4.4. Кулачковые механизмы:

а) с заостренным толкателем; б) с роликовым толкателем;

в) с плоским тарельчатым толкателем; г) с криволинейным толкателем

Рис. 4.5. Кулачковый механизм с геометрическим (кинематическим) замыканием

Рис. 4.6. Кулачковый механизм с силовым замыканием.

4.2. Этапы синтеза кулачкового механизма

При проектировании кулачковых механизмов можно выделить следующие основные этапы:

1. выбор схемы механизма;

2. выбор закона движения выходного звена (т.е. толкателя) в функции угла поворота кулачка;

3. определение основных размеров;

4. аналитический расчет координат профиля кулачка или графическое построение его профиля.

4.2.1. Синтез кулачковых механизмов

При синтезе кулачкового механизма считаются известными: схема механизма, фазовые углы, максимальный ход толкателя, допустимый угол давления, а также график зависимости ускорения толкателя от угла поворота кулачка.

Рис. 4.7

Требуется по заданным условиям построить профиль кулачка.

Методом графического интегрирования строим графики V ( ) и S ( );

Рис. 4.8

По графику S₂(φ₁) с учетом допустимого угла давления (α_доп) определяем минимальный радиус шайбы кулачка (R_min ) и

Рис. 4.9

строим профиль кулачка

Рис. 4.10

4.3. Анализ кулачковых механизмов

Рис. 4.11

Цель: построить зависимости S₂(φ₁ ,V₂(φ₁),α₂(φ₁).

4.4.Мягкие и жесткие удары

Рис. 4.13

При линейном законе движения толкателя на фазах подъема и опускания скорость толкателя будет постоянна, а ускорения могут достигать бесконечности. Следовательно, силы, действующие на звенья механизма, теоретически также достигают бесконечности. Это вызывает появление в механизме так называемых жестких ударов, которые могут привести к разрушению механизма.

4.5. Углы давления в кулачковых механизмах

В случае, если угол давления (а) в кулачковых механизмах превысит

допустимое значение, то может произойти заклинивание механизма.

Например, в кулачковых механизмах с игольчатым толкателем угол давления не должен превышать 25÷30 градусов.

Углом давления называется угол, заключенный между направлением вектора скорости толкателя и направлением вектора реакции кулачка на толкатель.

4.6. Этапы построения профиля кулачка

1. Построить механизм в начальном положении (начало фазы подъема).

2. По заданному закону движения толкателя, применяя метод обращения движения, построить относительные положения толкателя при остановленном кулачке.

3. На этих положениях толкателя найти соответствующие положения центра ролика.

4. Проведя плавную кривую через полученные точки, построить центровой (теоретический) профиль кулачка.

5. Построить рабочий профиль кулачка как огибающую кривую относительных положений рабочих поверхностей толкателя (эквидистантная, т.е. равноотстоящая от теоретического профиля, кривая).