2. Види кулачкових механізмів

За видами руху кулачка і штовхача механізми в основному поділяються на наступні типи:

а) механізми, у яких обертальний рух кулачка перетворюється в зворотно-поступальний рух штовхача (рис. 1, а);

б) механізми, у яких обертальний рух кулачка перетворюється в зворотно-обертальний рух штовхача (рис. 1, б);

в) механізми, у яких зворотно-поступальний рух кулачка перетворюється в зворотно-поступальний рух штовхача (рис. 1, в);

г) механізми, у яких зворотно-поступальний рух кулачка перетворюється в зворотно-обертальний рух штовхача (рис. 1, г).

Рис. 1. Кулачкові механізми: а і б - з обертальним рухом штовхача, в і г - з поступальним рухом штовхача

Найчастіше на практиці застосовуються кулачкові механізми перших двох типів. Кулачкові механізми, представлені на рис.1, а можуть бути центральними, коли лінія руху штовхача проходить через вісь обертання кулачка, або нецентральними, коли лінія руху штовхача не проходить через вісь обертання кулачка, а зсунута від неї на деяку величину е, яку називають ексцентриситетом, а сам механізм - позацентровим.

Штовхачі кулачкових механізмів у залежності від елементів, якими вони стикаються з кулачком, поділяються на такі види:

- гострий штовхач, кінець якого виконаний за дуже малим радіусом. Недоліком таких штовхачів є їхня низька зносостійкість, у наслідок чого вони можуть застосовуватися тільки в тихохідних механізмах при незначних переданих зусиллях;

- сферичний грибоподібний штовхач, профіль якого окреслений за сферою;

- плоский (тарілчастий) штовхач, профілем якого є площина. Його перевага - сприятливий напрямок зусиль. Однак при плоскому штовхачеві кулачок повинний бути опуклим за профілем;

- штовхач, що має циліндричний ролік (рис. 1). Перевагою кулачкових механізмів з таким штовхачем є його зносостійкість, тому що тут тертя ковзання профілів вищої кінематичної пари заміняється тертям кочення. Однак при цьому збільшуються розміри кулачкового механізму.

Під час роботи кулачкового механізму виникають інерційні зусилля, спрямовані на відрив робочої поверхні штовхача від профілю кулачка. Тому однією з найважливіших вимог до кулачкових механізмів є та, що кулачок і штовхач повинні бути замкнуті.

Замикання вищої кінематичної пари кулачок-штовхач застосовується або кінематичне (геометричне), або силове.

Прикладом кінематичного замикання може бути кулачковий механізм із пазовим кулачком. У паз кулачка, окреслений двома еквідистантними поверхнями, входить ролик штовхача, довільне переміщення якого при такому способі виключається.

Силове замикання в більшості випадків здійснюється за допомогою пружини. Рідше для силового замикання застосовуються гідравлічні чи пневматичні пристрої.

3. Задача синтезу кулачкових механізмів

Задача синтезу кулачкових механізмів складається в проектуванні профілю кулачка, що задовольняє необхідним умовам:

- закону руху вихідної ланки (штовхача);

- обмеженню кута тиску;

- опуклості кулачка (для механізмів із плоским штовхачем).

4. Вибір закону руху штовхача

Характерний закон руху штовхача S=f(t), тобто залежність переміщення штовхача від часу, зображений графічно діаграмою на рис. 2. Поряд із ним показаний графік зміни аналога швидкості штовхача, який під час кінематичного аналізу отримують методом графічного диференціювання.

Рис.2. Графіки переміщення і аналога швидкості штовхача

Ця крива при рівномірному обертанні кулачка водночас є залежністю переміщення штовхача від кута повороту кулачка S=f(φ).

Рух штовхача в загальному випадку, який відповідає одному повороту кулачка, в загальному випадку має 4 фази:

φ_у - фаза віддалення (підйому) штовхача, протягом якої він піднімається на величину розмаху h_max (чи повертається на величину кута розмаху ψ_max, якщо штовхач обертається);

φ_вс - фаза верхнього стояння штовхача, протягом якої його рух залишається без змін;

φ_п - фаза наближення (опускання) штовхача, протягом якої штовхач повертається в початкове положення;

φ_нв - фаза нижнього стояння, коли штовхач знаходиться в спокої в нижньому положенні.

Усі фази відбуваються за один оберт кулачка, тому сума кутів усіх фаз дорівнює 360° (2π рад):

φ_у + φ_вс + φ_п + φ_нв = 2 π (360 °)

Однак часто від кулачкового механізму потрібне лише здійснення ходу штовхача на величину h_max (чи ψ_max - для штовхача, що коливається) за визначений час. Закон же, за яким буде відбуватися цей рух, не має значення. У цьому випадку закон руху штовхача конструктор може вибрати самостійно.

При виборі закону руху штовхача варто уникати стрибкоподібної (різкої) зміни його прискорення а, тому що така зміна викликає різке зростання сил (як відомо, сила пропорційна прискоренню а), у результаті чого при роботі кулачкового механізму відбуваються так звані удари. Саме тому закон руху штовхача задають у виді аналога прискорення d²S/dφ²=f(φ). Аналізуючи закони руху, можна вибрати з нескінченої безлічі законів найбільш сприятливий з точки зору динаміки роботи механізму і його довговічності.