Классификация кулачковых механизмов

{spoiler=Далее}

Классификация кулачковых механизмов

Чтобы разобраться во всем многообразии схем кулачковых механизмов, удобно воспользоваться их классификацией по конструктивным признакам. При этом следует помнить, что любая классификация относительна, то есть, не может быть совершенно полной, а может быть видоизменена или дополнена при выявлении новых признаков классифицируемых процессов, явлений или механизмов. Здесь будем различать кулачковые механизмы по шести признакам.

1. По объемному признаку:

а) плоские;

б) пространственные.

В плоском кулачковом механизме звенья движутся в одной или параллельных плоскостях (рис. 4.1а), а если это условие не соблюдается, то механизм является пространственным. Один из таких механизмов показан на рис. 4.1б: кулачок 1 представляет собой стакан, край которого срезан определенным образом и образует профиль кулачка. Кулачок вращается в плоскости, перпендикулярной изображению, а толкатель 2 движется в плоскости изображения.

2. По характеру движения кулачка:

а) с вращающимся кулачком;

б) с качающимся кулачком;

в) с поступательно движущимся кулачком.

         Кулачковые механизмы на рис. 4.1а и 4.1б имеют вращающийся кулачок. На рис. 4.1впоказана схема кулачкового механизма с качающимся кулачком: кулачок представляет собой сектор, имеющий возможность качаться относительно неподвижной точки. На рис. 4.1г приведена схема кулачкового механизма с поступательно движущимся кулачком, этот кулачок совершает возвратно-поступательное движение по неподвижным направляющим.

Рис. 4.1.

3. По характеру движения толкателя:

а) с поступательно движущимся толкателем;

б) с качающимся толкателем;

в) с толкателем, совершающим сложное движение.

         Все кулачковые механизмы, схемы которых показаны на рис. 4.1 имеют поступательно движущиеся толкатели. На рис. 4.2а приведена схема кулачкового механизма с качающимся толкателем: толкатель 2 имеет возможность качаться относительно неподвижной точки, а характер его движения зависит от профиля кулачка 1. Схема кулачкового механизма, толкатель которого совершает сложное движение, показана на рис. 4.2б. Толкатель 2 является шатуном стержневого шарнирного механизма, и траектории движения его точек зависят от размеров звеньев этого механизма, а характер его движения, то есть, его скорость и ускорение определяются профилем кулачка 1.

4. По конструкции толкателя (имеется в виду часть толкателя, контактирующая с кулачком):

а) с остроконечным толкателем;

б) с закругленным толкателем;

в) с плоским толкателем;

г) с роликовым толкателем.

         Схема кулачкового механизма с остроконечным толкателем дана на рис. 5.1а, с закругленным – на рис. 5.1б. В обоих этих случаях в контакте толкателя с кулачком имеет место высшая кинематическая пара, и теоретически контакт происходит в точке.

Рис. 4.2.

         Однако, в действительности, в результате упругого сжатия элементов кинематической пары при передаче усилия от кулачка к толкателю, на контактирующих поверхностях образуются площадки контакта, и чем больше эта площадка, тем лучше условия передачи усилий, то есть, условия работы кулачкового механизма. У кулачкового механизма на рис. 4.1а эти условия наихудшие, так как конец толкателя выполнен острым. Такой кулачковый механизм не может применяться для передачи больших усилий, он используется только в измерительных системах, так как обладает свойством наиболее точно отслеживать профиль кулачка.

         Кулачковые механизмы, имеющие закругленный толкатель (рис. 4.1б), используются в качестве силовых, причем, чем больший радиус кривизны закругленной части толкателя, тем большая площадка образуется в контактной зоне и тем лучше условия передачи усилий. На рис. 4.2в показаны два закругленных толкателя, контактирующие с кулачком 1. У толкателя 2а радиус кривизны ρ закругленной части больше, чем у толкателя 2; можно сказать, что у толкателя 2а кривизна закругленной части меньше, чем у толкателя 2, то есть, чем больше радиус кривизны, тем меньше кривизна. Условия работы у толкателя 2а лучше, так как площадка контакта больше. Кулачковые механизмы с закругленными толкателями с успехом применяются в системах газораспределения поршневых двигателей, для открывания и закрывания клапанов компрессоров и т.д.

         При увеличении радиуса кривизны толкателя до бесконечности кривизна уменьшается до нуля и получается плоский толкатель с наибольшей контактной площадкой между толкателем и кулачком и, соответственно, наилучшими условиями передачи сил. Схема кулачкового механизма с плоским толкателем показана на рис. 4.2г. Конструкция толкателя такова, что включает стержень и плоскую тарелку, названную так из-за круглой формы в плане. Подобные механизмы находят широкое использование в технике.

         Общим недостатком кулачковых механизмов с остроконечным, закругленным и плоским толкателем является наличие трения скольжения между кулачком и толкателем при их работе. Кулачковые механизмы с роликовым толкателем лишены этого недостатка (рис. 4.1в, 4.1г, 4.2а, 4.2б). Однако, наличие дополнительного звена (ролик) и зазора во вращательной кинематической паре «ролик-толкатель» ограничивает использование таких механизмов при больших частотах вращения кулачка из-за возможных вибраций.

5. По способу обеспечения постоянства контакта между толкателем и кулачком (по способу замыкания):

а) с силовым замыканием;

б) с кинематическим (геометрическим) замыканием.

         Силовое замыкание предусматривает прижим толкателя к кулачку при помощи силы тяжести, силы пружины или силы специальных прижимных устройств (пневмо- или гидроцилиндры). Наиболее распространен прижим пружиной (рис. 4.2а), параметры которой рассчитываются таким образом, чтобы не допустить отрыва толкателя от кулачка при больших частотах вращения.

         Смысл кинематического (геометрического) замыкания заключается в том, что толкатель не может отойти от профиля кулачка, благодаря конструктивным особенностям механизма. Одна из возможных конструкций показана на рис. 4.3. Здесь ролик 3 толкателя 2 входит в паз, выполненный по профилю кулачка в диске 1.

Для возможности перекатывания ролика внутри паза, диаметр ролика должен быть меньше ширины паза, что достаточно ясно видно на разрезе в виде слева. Это приводит к тому, что при каждом обороте кулачка происходит перекладка зазора между кулачком и роликом, то есть, ролик оказывается прижатым то к одной стороне паза, то к другой. При больших скоростях это явление сопровождается ударами, поэтому область использования подобных механизмов ограничена относительно низкими скоростями.

         6. По возможности регулирования:

а) нерегулируемые;

б) регулируемые.

         Все механизмы, рассмотренные до сих пор, являются нерегулируемыми. Но есть достаточное количество регулируемых кулачковых механизмов, то есть механизмов, параметры которых могут быть изменены. Регулироваться может расположение толкателя, ход толкате-

Рис. 4.3.

ля и профиль кулачка. На рис. 4.3б показана возможная конструкция кулачка с регулируемым профилем. Сектор определенного профиля шарнирно установлен на диске и может быть закреплен в различных позициях при помощи винта, чем и достигается изменение профиля.

         Все указанные шесть конструктивных признаков могут характеризовать отдельный кулачковый механизм. Например, механизм, показанный на рис. 4.2а в достаточно полной мере определяется так: плоский нерегулируемый кулачковый механизм с вращающимся кулачком, роликовым качающимся толкателем и силовым замыканием.

{/spoilers}