Недостатки кулачковых механизмов

Достоинства кулачковых механизмов

- Все механизмы с ВКП малозвенны, следовательно, позволяют уменьшать габариты машины в целом.

- Простота синтеза и проектирования.

- Механизмы с ВКП более точно воспроизводят передаточную функцию.

- Обеспечивают большое разнообразие законов движения выходного звена.

- Механизмы с ВКП должны иметь силовое или геометрическое замыкание.

- Контактные усилия в ВКП гораздо выше, чем в НКП, что приводит к износу, т.е. 2 профиля теряют свою форму и как следствие, свое главное достоинство.

- Сложность обработки профиля кулачка.

- Невозможность работы на больших оборотах и передачи больших мощностей.

Основные параметры кулачкового механизма

Профиль кулачка может 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. При вращении кулачка толкатель совершает возвратно поступательное или возвратно вращательное движения с остановом в верхнем и нижнем положении. Таким образом в цикле движения толкателя в общем случае можно выделить четыре фазы: удаления, дальнего стояния (или выстоя), сближения и ближнего стояния. В соответствии с этим, углы поворота кулачка или фазовые углы делятся на:

- угол удаления (подъема)

- угол дальнего (верхнего) выстоя

- угол сближения (спуска)

- угол ближнего (нижнего) выстоя.

Сумма трех углов образует угол, который называется рабочим углом

.

В частных случаях могут отсутствовать углы верхнего и нижнего выстоя, тогда .

Кулачок механизма характеризуется двумя профилями:

- центровым (или теоретическим)

- конструктивным (или рабочим).

Под конструктивным понимается наружный рабочий профиль кулачка.

Теоретическим или центровым называется профиль, который в системе координат кулачка описывает центр ролика (или скругления рабочего профиля толкателя) при движении ролика по конструктивному профилю кулачка.

Фазовым называется угол поворота кулачка.

Профильным углом называется угловая координата текущей рабочей точки теоретического профиля, соответствующая текущему фазовому углу . В общем случае фазовый угол не равен профильному.

Перемещение толкателя и угол поворота кулачка отсчитывают от начала фазы подъема, т.е. от наинизшего положения центра ролика, находящегося на расстоянии от центра вращения кулачка. Это расстояние носит название – начального радиуса или радиуса нулевой начальной шайбы и совпадает с минимальным радиус-вектором центрового профиля кулачка.

Максимальное перемещение выходного звена носит название ход толкателя.

Внеосность толкателя – эксцентриситет - для кулачков с поступательно-движущимся толкателем.

Межосевое расстояние – расстояние между центром вращения кулачка и закрепленной точкой коромысла – для кулачков с коромысловым толкателем.

Угол давления – это угол между скоростью в точке контакта и нормалью к профилю (т.е. направление силы). Обычно этот угол обозначают или . И в одной точке контакта два профиля имеют разный угол давления.

Без учета трения сила направлена по общей нормали в точке контакта профилей. Таким образом, в кулачковом механизме угол давления это угол между нормалью к центровому профилю кулачка и скоростью центра ролика.

Размеры кулачкового механизма определяют из кинематических, динамических и конструктивных условий.

1. Кинематические условия – обеспечение воспроизведения заданного закона движения толкателя.
2. Динамические – обеспечение высокого КПД и отсутствие заклинивания.
3. Конструктивные – обеспечение минимальных размеров механизма, прочности и сопротивляемости износу.

Геометрическая интерпретация аналога скорости толкателя

Кулачек и толкатель образуют ВКП. Толкатель движется поступательно, следовательно, его скорость параллельна направляющей. Кулачек совершает вращательное движение, поэтому его скорость направлена перпендикулярно радиусу вращения в текущей точке и относительная скорость скольжения профилей направлена по общей касательной к ним.

,

где , а - полюс зацепления в ВКП, который находится на пересечении нормали к профилям в точке контакта с линией центров. Т.к. толкатель движется поступательно, то центр его вращения лежит в бесконечности, и линия центров проходит перпендикулярно скоростичерез центр кулачка.

Треугольник скоростей и подобны как треугольники с взаимно перпендикулярными сторонами, т.е. соотношение соответствующих сторон у них постоянно и равно коэффициенту подобия: , откуда .

Т.е. аналог скорости толкателя изображается отрезком перпендикулярным к скорости толкателя, который отсекается прямой параллельной контактной нормали и проходящей через центр кулачка.

Формулировка синтеза: Если на продолжении луча, проведенного из центра ролика перпендикулярно скорости толкателя, отложить от точки отрезок длиной и через конец этого отрезка провести прямую параллельную контактной нормали, то эта прямая пройдет через центр вращения ведущего звена (кулачка) точку .

Таким образом, чтобы получит отрезок , изображающий аналог скорости толкателя надо вектор скорости толкателя повернуть на в сторону вращения кулачка.

Влияние угла давления на работу кулачкового механизма

Уменьшение начального радиуса кулачка при прочих равных условиях ведет к увеличению углов давления. С увеличением углов давления увеличиваются силы, действующие на звенья механизма, снижается коэффициент полезного действия механизма, возникает возможность самоторможения (заклинивания механизма), т.е. никакая сила со стороны ведущего звена (кулачка) не может сдвинуть ведомое (толкатель) с места. Поэтому для обеспечения надежной работы кулачкового механизма необходимо так выбрать его основные размеры, чтобы угол давления ни в одном из положений не превышал некоторого допустимого значения .

При определения основных размеров кулачкового механизма с коромысловым толкателем достаточно, чтобы угол давления ни в одном из положений механизма не превышал , для кулачкового механизма с поступательно движущимся роликовым толкателем достаточно, чтобы угол давления ни в одном из положений механизма не превышал .

Синтез кулачкового механизма. Этапы синтеза

При синтезе кулачкового механизма, как и при синтезе любого механизма, решается ряд задач из которых в курсе ТММ рассматриваются две: выбор структурной схемы и определение основных размеров звеньев механизма (включая профиль кулачка).

Первый этап синтеза - структурный. Структурная схема определяет число звеньев механизма; число, вид и подвижность кинематических пар; число избыточных связей и местных подвижностей. При структурном синтезе необходимо обосновать введение в схему механизма каждой избыточной связи и местной подвижности. Определяющими условиями при выборе структурной схемы являются: заданный вид преобразования движения, расположение осей входного и выходного звеньев. Входное движение в механизме преобразуется в выходное, например, вращательное во вращательное, вращательное в поступательное и т.п. Если оси параллельны, то выбирается плоская схема механизма. При пересекающихся или перекрещивающихся осях необходимо использовать пространственную схему. В кинематических механизмах нагрузки малы, поэтому можно использовать толкатели с заостренным наконечником. В силовых механизмах для повышения долговечности и уменьшения износа в схему механизма вводят ролик или увеличивают приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей высшей пары.

Второй этап синтеза - метрический. На этом этапе определяются основные размеры звеньев механизма, которые обеспечивают заданный закон преобразования движения в механизме или заданную передаточную функцию. Как отмечалось выше, передаточная функция является чисто геометрической характеристикой механизма, а, следовательно, задача метрического синтеза чисто геометрическая задача, независящая от времени или скоростей. Основные критерии, которыми руководствуется проектировщик, при решении задач метрического синтеза: минимизация габаритов, а, следовательно, и массы; минимизация угла давления в вышей паре; получение технологичной формы профиля кулачка.

Выбор радиуса ролика (скругления рабочего участка толкателя)

При выборе радиуса ролика руководствуются следующими соображениями:

- Ролик является простой деталью, процесс обработки которой несложен (вытачивается, затем термообрабатывается и шлифуется). Поэтому на его поверхности можно обеспечить высокую контактную прочность. В кулачке, из-за сложной конфигурации рабочей поверхности, это обеспечить сложнее. Поэтому обычно радиус ролика меньше радиуса начальной шайбы конструктивного профиля и удовлетворяет соотношению , где - радиус начальной шайбы теоретического профиля кулачка. Выполнение этого соотношения обеспечивает примерно равную контактную прочность, как для кулачка, так и для ролика. Ролик обладает большей контактной прочностью, но так как его радиус меньше, то он вращается с большей скоростью и рабочие точки его поверхности участвуют в большем числе контактов.

- Конструктивный профиль кулачка не должен быть заостренным или срезанным. Поэтому на выбор радиуса ролика накладывается ограничение , где - минимальный радиус кривизны теоретического профиля кулачка.

- Рекомендуется выбирать радиус ролика из стандартного ряда диаметров в диапазоне . При этом необходимо учитывать, что увеличение радиуса ролика увеличивает габариты и массу толкателя, ухудшает динамические характеристики механизма (уменьшает его собственную частоту). Уменьшение радиуса ролика увеличивает габариты кулачка и его массу; частота вращения ролика увеличивается, его долговечность снижается.

Дата добавления: 2014-01-07