Учебное пособие по курсу "Теория механизмов и машин", страница 109

Кулачком называется звено, которому принадлежит элемент высшей пары, выполненной в виде поверхности переменной кривизны. В кулачковых механизмах различных схем кулачок всегда является ведущим звеном.

В зависимости от особенностей конструкции, функционального назначения машины и ряда других факторов применяют разные виды кулачков: плоские с поступательным перемещением (рис. 16.1) и вращающиеся кулачки — плоские (рис. 16.2 и 16.3), цилиндрические (рис. 16.4), конические, гиперболоидные и коноидные. На рис. 16.5 представлен механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 16.5

Кулачковый механизм содержит хотя бы одну двухподвижную (высшую) кинематическую пару. Одним из недостатков кулачкового механизма является необходимость замыкания кинематической пары. В низших вращательных парах осуществляется геометрическое замыкание, когда валик на конце одного звена естественным образом соприкасается с охватывающей втулкой на конце другого звена.

Кулачок (см. рис. 16.1 и 16.2) может двигать толкатель только вверх до того момента, когда он займет свое наивысшее положение. После этого при дальнейшем вращении кулачка толкатель останется на месте и кинематическая пара разомкнется. Силовое замыкание чаще всего осуществляется при помощи пружин (см. рис. 16.1–16.3). Замыкание силой тяжести применяется только в тихоходных стационарных механизмах. Кинематическое замыкание может осуществляться при помощи пазового кулачка (рис. 16.6) либо рамочного толкателя (рис. 16.7).

Толкатель в кулачковых механизмах совершает поступательное движение либо вращательное (в этом случае он называется коромыслом).

Рабочая поверхность толкателей, воспринимающих нагрузку от кулачка, подвержена износу. Для его уменьшения используют роликовые башмаки. Роликом служит радиальный шарикоподшипник. Таким образом скольжение и качение наконечника толкателя по кулачку заменяется чистым качением ролика по кулачку и качением на шариках колец подшипника относительно друг друга.

16.2. Законы движения толкателя

Типичным графиком зависимости между перемещением толкателя и углом поворота кулачка для кулачкового механизма с поступательно движущимся толкателем является кривая на рис. 16.8, в. Внутри цикла, осуществляемого за один оборот кулачка (угол 2π), можно выделить четыре фазы и соответствующие им фазовые углы поворота кулачка: угол удаления φ_у, дальнего стояния φ_д, сближения φ_с и ближнего стояния φ_б:

                                Ф = φ_у + φ_д + φ_с + φ_б = 2π.                       (16.1)

Сумма первых трех фазовых углов:

                                       j_у + φ_д + φ_с = φ_1p                             (16.2)

определяет рабочий профильный угол.

Приведенный график перемещения толкателя соответствует функциональному назначению механизма газораспределения компрессора: кулачки за один оборот открывают клапан цилиндра в такте «всасывание», держат его открытым на угле φ_д и закрывают при движении поршня к верхней мертвой точке, когда осуществляется сжатие атмосферного воздуха и его нагнетание в ресивер.

Профиль кулачка определяется не только технологическими, но и динамическими условиями. В быстроходных кулачковых механизмах первостепенное значение имеют инерционные силы.

В практике проектирования наибольшее применение получили относительно простые законы движения толкателя: линейный, параболический, косинусоидальный, синусоидальный и др. Простейшим законом движения является закон постоянной скорости (рис. 16.9, а). Однако при таком законе в начале и конце фазы удаления ускорение равно бесконечности, что проявляется в виде «жесткого» удара. Такой закон допустим при малых массах толкателя и малых скоростях движения.

Рис. 16.9