3. Синтез кулачкового механизма

В двигателях внутреннего сгорания кулачковый механизм входит в состав механизма газораспределения, который служит для открытия и закрытия клапанов, обеспечивая наполнение цилиндров двигателя топливной смесью и выпуск отработанных газов.

В задачу синтеза кулачкового механизма входит определение профиля кулачка в соответствии с заданным законом движения толкателя.

Минимальный радиус кулачка для кулачковых механизмов с поступательно движущимся и качающимся остроконечным грибовидным толкателем определяется из условия, что угол давления не должен превышать допустимой величины в любом положении механизма.

Для кулачковых механизмов с плоским (тарельчатым толкателем) минимальный радиус кулачка определяется из условия выпуклости кулачка (профиль кулачка не должен иметь точек перегиба).

Кулачковым называется механизм, включающий высшую кинематическую пару, которую образуют кулачок и толкатель (рис. 3.1).

Кулачком называется звено, имеющее элемент высшей кинематической пары, выполненный в виде поверхности переменной кривизны (1). Звено, образующее с кулачком высшую кинематическую пару (звено 2), обычно называют толкателем.

Цикл работы кулачкового механизма состоит из четырех фаз, соответствующих углам поворота кулачка:

а) подъема (удаления) толкателя;

б) остановки в крайнем удаленном положении (дальнего стояния или верхнего стояния);

в) опускания (приближения);

г) остановки в крайнем ближнем положении (ближнего стояния или нижнего выстоя).

Углы подъема, верхнего выстоя, опускания в сумме образуют рабочий угол профиля кулачка. В некоторых кулачковых механизмах в зависимости от программы работы кулачка могут отсутствовать фазы верхнего и нижнего выстоя ведомого звена.

– угол подъема (удаления);

– угол верхнего выстоя (дальнего стояния);

– угол опускания (приближения);

– угол нижнего выстоя (ближнего стояния);

– рабочий угол;

Рис.3.1 – угол давления;

– угол передачи.

Угол (рис. 3.1), образуемый общей нормалью к профилю кулачка в точке касания с толкателем, по которой действует сила реакции со стороны кулачка на толкатель, и направлением скорости точки толкателя называется углом давления.

Сила (реакция кулачка на толкатель) может быть разложена на две составляющие: силу , действующую вдоль линии движения толкателя, и силу , направленную по перпендикуляру к линии движения толкателя.

Сила является полезной силой, направленной на преодоление сил сопротивления, а сила – вызывает перекос толкателя, возникновение сил трения в направляющих толкателя. Если эта сила велика, то возникающие в направляющих силы трения могут превысить силу и тогда произойдет заклинивание толкателя. Чем больше угол давления , – тем больше сила .

Исходя из этого, на практике максимальные значения углов давления ограничивают. Для поступательно движущихся толкателей , для вращающихся толкателей .

Проектирование кулачкового механизма сводится к определению минимального радиуса кулачка , который должен быть таким, чтобы угол давления не превышал допустимой величины в любом положении механизма.