6. Проектирование кулачковых механизмов

Кулачковые механизмы — плоские механизмы с одной высшей кинематической парой — широко распространены в механизмах перемещения рабочих органов различных машин-автоматов, в устройствах подачи станков, механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания и во многих других случаях, когда требуется получить возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение ведомого звена в соответствии с заданным законом. Важное свойство кулачковых механизмов заключается в возможности создания такого режима движения, при котором выходное звено остается неподвижным в течение времени поворота кулачка на некоторый угол. Движение ведомого звена (толкателя) в кулачковых механизмах воспроизводится теоретически точно. Ведущее звено кулачкового механизма называют кулачком, а ведомое (выходное) — толкателем.

Четвертый лист проекта посвящен расчету и проектированию кулачкового механизма, который является составной частью проектируемой машины. Его можно использовать как основной механизм, но чаще — как вспомогательный для выполнения технологической операции, последовательность и продолжительность которой согласуется с движением звеньев основного механизма. В связи с этим проектирование кулачковых механизмов выполняют после того, как предварительно намечена общая компоновка машины, спроектированы ее рабочие органы, установлены продолжительность и последовательность выполнения элементов движения ведомого звена кулачкового механизма и выбран закон его движения.

Проектирование кулачкового механизма заключается в определении взаимного расположения ведущего звена, ведомого звена и формы профиля кулачка, обеспечивающих заданный закон движения толкателя. При этом необходимо соблюдать требования, обусловленные технологическим процессом и эксплуатационными показателями механизма. Эти требования отражены в заданиях к курсовому проектированию.

Проектное решение оценивается комплексом показателей таких, как размеры деталей, их прочность, долговечность, стоимость и т. д. Получить решение, в котором все эти показатели оптимальные, обычно не удается. Поэтому оптимизируют один или несколько показателей с обеспечением выполнения ограничений по остальным показателям.

В этой главе рассмотрена методика проектирования кулачковых механизмов с оптимизацией по габаритам. Дополнительным условием синтеза является обеспечение отсутствия заклинивания кулачкового механизма, что достигается учетом допустимых углов давления на выходном звене. Кроме аналитических методов проектирования кулачковых механизмов, в практике широко используют и графические методы, которые также описаны в настоящей главе.

1. Исходные данные

и этапы проектирования четвертого листа

В заданиях к курсовому проектированию кулачковых механизмов содержатся следующие исходные данные:

1. структурная схема, показывающая тип кулачка, вид толкателя, их относительное расположение и характер движения толкателя. Ведущим звеном в механизме (рис. 7.1, 7.2) является дисковый кулачок 1, ведомым — толкатель 2, снабженный роликом 3. Толкатель может совершать поступательное (см. рис. 7.1) или вращательное (см. рис. 7.2) движение;

2. максимальное перемещение толкателя — ход h_в толкателя (см. рис. 7.1) или угол (3 поворота толкателя (см. рис. 7.2), рассчитываемый по ходу h_B толкателя, осуществляемому по дуге (см. рис. 7.2);

3. длина l₂ в случае вращательного движения толкателя или внеосность е — в случае его поступательного движения;

4. фазовые углы: угол φ_1p рабочего профиля кулачка и его составляющие в фазах удаления φ_1y, дальнего стояния φ_1д и сближения φ_1c, которые назначаются в соответствии с циклограммой, отражающей согласованность перемещений исполнительных звеньев механизма;

5. закон движения толкателя в виде графика изменения ускорения толкателя в зависимости от угла поворота кулачка. Закон движения определяется конкретной технологической операцией, для выполнения которой предназначен проектируемый механизм;

6. допустимое значение угла давления [ϑ];

7. направление вращения кулачка и частота его вращения.

Спроектированный кулачковый механизм должен реализовывать заданный закон движения и при этом иметь наименьшие габариты и достаточную надежность работы.

Проектирование кулачкового механизма подразделяют на три этапа:

определение кинематических передаточных функций, характеризующих изменение ускорения, скорости и перемещения толкателя, в функции угла поворота кулачка или времени;

расчет основных размеров кулачкового механизма — минимального радиуса r₀ кулачка, внеоснос- ти е или межосевого расстояния a_w, при которых углы давления ϑ не превышают допустимых значений;

определение формы профиля кулачка.

Проектирование кулачкового механизма выполняют с использованием аналитических зависимостей либо графических методов. Часто сочетают оба метода, т. е. некоторые из этапов выполняют аналитически, а другие — графически.