Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория механизмов и машин. Проектирование кулачковых механизмов. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Н. А. ЧУСОВИТИН, К. В. ЗАХАРЧЕНКО
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ
И МАШИН
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2022
1
УДК 621.8(075.8)
Ч-947
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А. В. Мищенко, зав. кафедрой ОПД ФГБОУ
ВО «Новосибирское высшее военное командное училище» (НВВКУ)
д-р техн. наук С. В. Савелькаев, профессор кафедры
специальных устройств, инноватики и метрологии, ФГБОУ ВО
«Сибирский государственный университет геосистем
и технологий» (СГУГиТ)
Работа подготовлена на кафедре проектирования
технологических
машин для студентов МТФ направлений: 15.03.05 – Конструкторско-
технологическое обеспечение машиностроительных производств;
15.03.06 – Мехатроника и робототехника; 15.03.02 – Технологические
машины и оборудование; 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-
технологических машин и комплексов, а также для студентов ИДО
Чусовитин Н. А.
Ч-947 Теория механизмов и машин. Проектирование кулачковых меха-
низмов: учебное пособие / Н. А. Чусовитин, К. В. Захарченко. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2022. – 92 с.
ISBN 978-5-7782-4812-0
Пособие имеет краткие специальные теоретические разделы для широкого
круга специалистов-инженеров, работающих в области механизации и автоматизации различных производственных процессов. Рассматриваются вопросы
синтеза кулачковых механизмов, представлены расчетные зависимости, позволяющие теоретически определить профиль кулачка. Дан анализ структурных
схем кулачковых механизмов; в приложении приведены входные данные для
выполнения РГЗ по теме
Представленный материал необходим для более глубокого усвоения теоретических сведений студентами и преобразования полученных навыков в практическое их применение к решению конкретных инженерных задач.
Объем представленного материала значителен, а поэтому предполагается,
что студент изучит самостоятельно те вопросы, которые в силу временных
ограничений были не изложены преподавателем
ISBN 978-5-7782-4812-0 © Чусовитин Н. А., Захарченко К. В., 2022
«Синтез кулачкового механизма».
на занятиях.
УДК 621.8(075.8)
© Новосибирский государственный
технический университет, 2022
2
ВВЕДЕНИЕ
До середины XVIII в. техника изготовления машин даже в развитых
странах была в основном ручной, унаследованной еще от ремесленного
и мануфактурного производства. Поэтому машин производилось мало
(в единичном исполнении или мелкими партиями), правда они были неплохого качества. Однако цена их была высока и требовалось много времени на их изготовление. Металлообрабатывающее оборудование было
очень примитивно и малопроизводительно, оно позволяло только механизировать ручной труд мастеров.
Механики и ремесленники того времени задумывались над идеей
«освободить» руку человека от непосредственной реализации энергетического и материального потока. Одновременно решались и вопросы автоматического управления (т. е. реализация информационного потока).
Исторически первыми появились автоматы с программоносителями
в виде кулачков.
Кулачок использовался для приведения в движение рабочих органов
машин-автоматов, причем они обеспечивали движение рабочих органов, согласованное в пространстве и времени в соответствии с требуемой последовательностью, задаваемой циклограммой работы машиныавтомата. Именно от кулачков и упоров работали все механические автоматы. Задающая информация закладывалась очертанием элементов
кинематической пары на кулачке, называемым профилем кулачков.
Кулачковые системы одновременно выполняют две функции: силового (исполнительного) механизма и устройства управления. Управление движением перемещаемого органа осуществляется по закону, заложенному в профиле кулачка и воспринимаемом толкателем. Благодаря
жесткой связи между кулачком и толкателем в механических кулачковых системах возможно осуществление движения по любому закону,
3
который выбирается в зависимости от требований технологического
процесса.
Механические системы автоматического управления с кулачковыми
механизмами и распределительными валами относятся к централизованным разомкнутым системам управления. На этом принципе работают, в частности, многие современные расфасовочно-упаковочные автоматы. Теория проектирования таких механизмов совершенствуется
и по сей день.
Так, при конструировании машин приходится подбирать структурную схему механизмов, включаемых в состав машины, исходя из тех
процессов, которые должны быть воспроизведены в машине во время ее
работы. Наиболее рационально применение кулачковых механизмов в
тех случаях, когда перемещение, скорость и ускорение ведомого звена
должны изменяться по заданному
закону, особенно, когда ведомое
звено должно временно останавливаться при непрерывном движении
ведущего звена.
Выбором того или иного закона изменения радиуса векторной кривой кулачка можно получить самые разнообразные движения ведомого
звена. Простота воспроизведения заданного закона движения ведомого
звена послужила причиной широкого распространения кулачковых механизмов.
Достоинством кулачковых механизмов является простота
конструкции, надежность, компактность, относительно высокий КПД, возможность движения ведомого звена по любому заданному закону с паузами,
что особенно ценно для автоматических устройств.
Недостатками кулачковых механизмов являются: сравнительно
большой износ соприкасающихся поверхностей высшей кинематической пары из-за больших удельных давлений и высоких относительных
скоростей; ограниченность применения при повышенных скоростях
ввиду возникновения динамических нагрузок; трудности при изготовлении кулачков сложного профиля.
4
1. КЛАССИФИКАЦИЯ
КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
Звено, с которым коромысло или толкатель образует высшую кинематическую пару (ВКП) и имеет конструктивный профиль переменной
кривизны, называют кулачком. Поэтому устройство, в состав которого
входит кулачок, называют кулачковым механизмом.
Кулачковые механизмы предназначены для преобразования вращательного или поступательного движения ведущего звена, это, как правило, кулачок, в возвратно-вращательное или
движение коромысла, толкателя соответственно.
Конструктивный профиль кулачка должен быть составлен из дуг
двух концентрических окружностей и кривых, осуществляющих переход с одной окружности на другую. Большинство кулачковых механизмов относится к цикловым механизмам с периодом цикла, равным 360°.
В настоящей работе видовое многообразие структурных схем кулачковых механизмов представлено согласно ГОСТ 2.770–68* ЕСКД
(CT СЭВ 2519–80), при этом исключительно с целью наглядности,
в некоторых рисунках показаны пространственные интерпретации
наиболее часто встречающихся видов кинематических пар (рис. 1).
Выходное звено кулачкового механизма, которое совершает возвратно-поступательное движение (ВПД), называют толкателем (рис. 2, а,
б, г, д, ж); возвратно-вращательное движение (ВВД) – коромыслом
(рис. 2, и, к, л); сложное возвратное движение – шатуном (рис. 2, з,
звено 3).
Для замены высшей кинематической пары трения
трение качения выходное звено снабжается роликом 2 (рис. 2, д, и, к, л).
Ролик является простой деталью, процесс обработки которой несложен
возвратно-поступательное
скольжения на
5
(вытачивается, затем термообрабатывается и шлифуется). Ролик обла-
дает большей контактной прочностью, но так как его радиус меньше радиуса начальной шайбы конструктивного профиля кулачка, то он вращается с большей скоростью, и рабочие точки его поверхности участвуют в большем числе контактов.
x
x
а б в
Рис. 1. Пространственное представление кинематических пар:
а – вращательная; б – цилиндрическая; в – поступательная
x
x
x
x
x
Смещение оси толкателя относительно оси вращения кулачка
(рис. 2, а, б, в, д, ж) называют эксцентриситетом е.
Эксцентриситет считается:
– положительным
V
теля
при его подъеме и скоростью точки контакта кулачка
A3
(0)е , если угол между скоростью толка-
V
A1
меньше 90° (рис. 2, в);
– нулевым (е = 0), если
90°.
= 90°; отрицательным (e < 0), если
По виду замыкания кулачковые механизмы классифицируются:
– с силовым замыканием, например массой
m
(рис. 2, а, в, г, з), или
2
пружиной (рис. 2, б, в, л);
– с геометрическим замыканием (рис. 2, д, ж, к).
При геометрическом замыкании возможность отрыва одного звена
от другого устраняется введением дополнительной (избыточной) связи,
которая не накладывает новых ограничений на относительное движение
звеньев. Одним из наиболее распространенных способов геометрического замыкания
является применение пазового кулачка (рис. 2, д).
Трудности точного выполнения паза и устранения ударов ролика о паз
привели к появлению двухдисковых кулачков (рис. 2, к), в которых вы-
ходное звено взаимодействует с двумя дисковыми кулачками, жестко
соединенными между собой.
6
S
2
C
S
2
C
2
Y
1
A
1
O
X
1
Z
2
A
Y
1
1
O
Z
X
1
а б
S
3
C
3
V
А1
2
А3
A
S
2
C
2
A
O
1
1
1
е
V
1
1
O
1
в г
V
O
V
2
3
3
C
2
B
A
O
1
1
1
2
O
3
2
A
O
1
1
1
B
O
2
д ж
Рис. 2. Виды кулачковых механизмов (см. также с. 8)
7
O
C
3
3
B
2
1
A
V
1
1
3
2
В
Y
О
1
А
Z
C
1
О
2
X
з и
B
A
O
1
1
1
O
2
3
C
Y
O
1
Z
3
2
B
2
A
1
1
X
3
3
C
к л
Рис. 2. Окончание
Вместо двухдискового кулачка можно выполнить диаметральный
кулачок с рамочным толкателем (рис. 2, ж), в котором, однако, профиль
кулачка может быть произвольно выбран только на некоторой его части.
Другая часть профиля получается из условия касания кулачка со второй
плоскостью.
По конструкции толкателя механизмы различают:
– с острым (игольчатым, точечным) толкателем (рис. 2, а, г
, з);
– плоским толкателем (рис. 2, б);
– выпуклым толкателем (рис. 2, в);
– роликом (рис. 2, д, и, к, л).
Эквивалентные (заменяющие) механизмы. Если в механизме с высшей парой С оба ее элемента образованы поверхностями с постоянной
кривизной (рис. 3, а, б), то этот механизм всегда может быть заменен
кинематически эквивалентным механизмом с
низшими парами.
8
Например, эксцентриковый механизм (рис. 3, а) – кривошипно-пол-
ОА
зунным механизмом с кривошипом
ковый механизм (рис. 3, б) – шарнирным четырехзвенником
и шатуном АВ, а плоский повод-
1
О АВО
12
.
V
3
O
2
3
2
B
1
C
1
A
C
2
3
B
A
O
1
а б
C
A
3
O
1
V
3
O
2
O
2
3
B
B
1
2
O
1
O
2
в г
O
2
1
1
A
Рис. 3. Кулачковые и эквивалентные им рычажные механизмы
На этом основании оба механизма не считаются кулачковыми. Они
представляют лишь конструктивные видоизменения механизмов с низшими парами. Если хотя бы один элемент высшей пары образован поверхностью переменной кривизны, т. е. принадлежит кулачку, то можно
получить только мгновенный заменяющий механизм с низшими парами.
9
Например, для плоского кулачкового механизма (рис. 3, в) по аналогии с предыдущим механизмом можно построить заменяющий механизм в виде шарнирного четырехзвенника, если поместить центры шарниров
А и В в центры кривизны профилей. Длины звеньев этого меха-
низма будут переменными и, кроме того, его кинематическая эквивалентность распространяется только на скорости и ускорения первого
порядка. Если один из профилей – прямая линия, то его центр кривизны
удаляется в бесконечность, и вместо шарнира в заменяющем механизме
будет устанавливаться поступательная пара
В (рис. 3, г).
Сложная фасонная форма (профиль) кулачка зависит от принятой
схемы механизма, начальных геометрических параметров и закона движения ведомого звена.
2. ЭТАПЫ СИНТЕЗА КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
На первом этапе выбирают структурную схему синтезируемого кулачкового механизма, а на втором – определяют основные размеры механизма, а именно минимальный радиус центрового профиля ку-
лачка
лика
R
; минимальный радиус рабочего профиля кулачка R; радиус ро-
0
r; эксцентриситет e; расстояние между опорами
l
.
0
S
S
max
O
П
B.B
O
Н .B
2
Рис. 4. Диаграмма движения толкателя S() (коромысла ψ(φ))
На третьем этапе с учетом найденных основных размеров определяют элемент высшей пары на кулачке (профиль плоского кулачка или
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]