книги / Синтез кулачковых механизмов
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Б.В. Поезжаева
СИНТЕЗ КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в об ласти автоматизированного машиностроения (УМО AM) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направ лениям подготовки: бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и дипломированных спе циалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машинострои тельных производств»; «Автоматизированные технологии и производства»
Издат ельст во
Пермского государст венного технического университ ет а
2007
УДК 621.01 П45
Рецензенты:
канд. техн. наук, профессор А.И. Горчаков
(Пермская сельскохозяйственная академия); канд. техн. наук, доцент И.А. Луненков
(Пермский государственный технический университет)
П оезжаева, Е.В.
П45 Синтез кулачковых механизмов: учеб, пособие / Е.В. Поезжае ва. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 108 с.
ISBN 978-5-88151-778-6
Изложены основные теоретические вопросы синтеза кулачковых механизмов. Рассмотрены законы движения ведомых звеньев, приведены разработки алгоритмов расчета основных размеров и координат профиля кулачка. Даны указания к расчету профиля кулачка с учетом угла дав ления и заклинивания кулачкового механизма. Представлены различные виды профилирования кулачков, соответствующие разным законам дви жения ведомого звена и условиям функционирования кулачковых меха низмов.
УДК 621.01
Издано в решках приоритетного национального проекта «Образование» по про гретые Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного техни ческого университета»
|
О ГОУ ВПО |
|
ISBN 978-5-88151-778-6 |
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2007 |
||
|
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... |
5 |
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМ ИНЫ ............................................ |
6 |
1.1. Виды кулачковых механизмов....................................................... |
6 |
1.2. Рабочий процесс кулачкового механизма................................. |
11 |
1.3. Определение основных параметров |
|
кулачкового механизма............................................................................ |
13 |
1 .4. Вывод формулы для углов передачи движ ения...................... |
14 |
1.5. Определение угла передачи движения |
|
для кулачкового механизма с коромыслом...................................... |
17 |
1.6. Вывод формулы для определения угла давления |
|
в кулачковом механизме.......................................................................... |
18 |
2. ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
|
КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ............................................................. |
20 |
2.1. Установление целесообразного |
|
закона движения ведомого звена.......................................................... |
20 |
2.2. Профилирование кулачка................................................................. |
20 |
2.3. Этапы синтеза кулачковых механизмов...................................... |
21 |
3. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВЕДОМЫХ ЗВЕНЬЕВ............................. |
23 |
3.1. Параболический закон...................................................................... |
23 |
3.2. Косинусоидальный закон................................................................. |
26 |
3.3. Синусоидальный закон..................................................................... |
29 |
3.4. Построение графиков зависимостей dS7d(p=/((p) и S=J[ср) |
|
при заданном законе изменения ускорения...................................... |
31 |
3.5. Аналитические характеристики законов движ ения.............. |
34 |
3.6. Влияние упругости звеньев кулачкового механизма |
|
на закон движения толкателя и форму профиля кулачка............. |
38 |
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ |
|
КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА.............................................................. |
41 |
4.1. Определение минимальных размеров кулачкового |
|
механизма с поступательно движущимся толкателем.................. |
41 |
4.1.1 Определение минимального радиуса кулачка................. |
41 |
4.1.2. Построение профиля кулачка.............................................. |
46 |
4.1.3. Определение размеров ролика толкателя........................ |
47 |
4.2. Определение минимальных размеров |
|
кулачка с коромыслом.............................................................................. |
48 |
4.3. Определение минимальных размеров кулачка |
|
с плоским толкателем............................................................................... |
50 |
4.3.1. Метод “Задача Геронимуса” |
50 |
4.3.2. Метод суммирования ординат графиков........................ |
53 |
5. РАСЧЕТ КООРДИНАТ ПРОФИЛЯ ДИСКОВОГО КУЛАЧКА.. |
55 |
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА |
|
АНАЛИТИЧЕСКИМ М ЕТОДОМ ............................................................ |
59 |
6.1. Рекомендуемая последовательность |
|
проектирования кулачкового механизма............................................ |
59 |
6.2. Кинематический анализ кулачкового механизма.................... |
61 |
6.3. Профилирование кулачковой шайбы для механизмов |
|
с плоским толкателем............................................................................... |
64 |
6.4. Профилирование кулачковой шайбы для механизмов |
|
с толкателем, оканчивающимся острием или роликом................. |
66 |
6.5. Профилирование кулачковой шайбы для механизма |
|
с коромыслом.............................................................................................. |
69 |
6.6. Профилирование дискового кулачка........................................... |
72 |
6.6.1. Расчет начального радиуса кулачка |
|
с учетом допустимого угла давления........................................... |
72 |
6.6.2. Определение координат профиля кулачка...................... |
76 |
6.7. Определение основных размеров механизма |
|
из условия выпуклости профиля кулачка.......................................... |
78 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. |
88 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................... |
89 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ........................................................................................... |
91 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ........................................................................................... |
96 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ........................................................................................... |
99 |
При конструировании машин приходится подбирать тип или серию механизмов, включаемых в состав машины, исходя из тех про цессов, которые должны быть воспроизведены в машине во время ее работы. В тех случаях, когда перемещение, а следовательно, ско рость и ускорение ведомого звена должны изменяться по заданному закону, и особенно в тех случаях, когда ведомое звено должно вре менно останавливаться при непрерывном движении ведущего звена, наиболее рационально применение кулачковых механизмов.
Кулачковым называется механизм, который содержит два основных звена: кулачок и толкатель, образующие высшую кинематическую пару.
Очертание элементов кинематической пары на кулачке называ ется профилем кулачка. Выбирая тот или иной закон изменения ради уса векторной кривой кулачка, можно получить самые разнообраз ные движения ведомого звена. Простота воспроизведения заданного закона движения ведомого звена послужила причиной широкого рас пространения кулачковых механизмов в системах газораспределения ДВС, в системах управления электроцепей в вагонах метрополитена (контроллеры) и т. д.
Кулачковый механизм является частью общей кинематической схемы проектируемой машины. Он используется либо как основной механизм, осуществляющий движение исполнительных звеньев, либо как вспомо гательный для управления циклом или выполнения операций подачи, смазки, перемещения суппорта, включения двигателя и т. д.
Достоинствами кулачковых механизмов являются простота кон струкции, надежность, компактность, относительно высокий КПД, возможность движения ведомого звена по любому заданному закону
спаузами, что особо ценно для автоматических устройств.
Кнедостаткам кулачковых механизмов относятся: сравнительно большой износ соприкасающихся поверхностей высшей кинемати ческой пары из-за больших удельных давлений и высоких относи тельных скоростей; ограниченность применения при повышенных скоростях ввиду возникновения динамических нагрузок; трудности при изготовлении кулачков сложного профиля.
1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
1.1.Виды кулачковых механизмов
Кулачковые механизмы разделяются на плоские и пространс твенные (рис. 1.1).
У плоских кулачковых механизмов все точки движутся в одной или параллельных плоскостях, у пространственных звенья движутся в разных плоскостях. Эти механизмы различают по виду движения ведомого звена, а также по элементам высшей кинематической пары.
Движение ведомого или ведущего звена кулачкового механизма может быть поступательным или вращательным.
Рис. 1.1. Виды кулачковых механизмов: а, б, в, г - плоские; д, е - пространс твенные
Схемы кулачковых механизмов с вращающимися и поступатель но движущимися кулачками показаны на рис. 1.2.
На рис. 1.2, а изображен кулачковый механизм с кулачком, совер шающим возвратно-поступательное движение, на рис. 1.2, б - кулач ковый механизм с грибовидным толкателем, а на рис. 1.2, в - кулач ковый механизм с толкателем, оканчивающимся роликом, что резко уменьшает трение при работе механизма. Ось движения толкателя проходит здесь через центр вращения кулачка, такой механизм назы вается центральным.
На рис. 1.2, г показан кулачковый механизм со смещением, т. е. ось толкателя смещена относительно центра вращения кулачка. Иногда конец толкателя представляет собой плоскость (рис. 1.2, д). Если ве домое звено должно совершать качательное движение, то возможно построение кулачковых механизмов, в которых толкатель заменен
Рис. 1.2. Кулачковый механизм с поступательно движущимся и вращающим ся кулачком: а - кулачок движется поступательно; б, в, г, д ,е - кулачок вра щается
рычагом, или коромыслом (рис. 1.2, е). Постоянное соприкосновение элементов высшей кинематической пары может обеспечиваться уст ройством пазовых кулачков с двусторонней связью (см. рис. 1А,д,е).
Эту задачу также можно решить, если поставить пружину на толка тель (см. рис. 1.1, в, г).
Кулачковый механизм с поступательно движущимся толкате лем представлен на рис. 1.3. Он бывает трех видов: с центральным толкателем (ось толкателя проходит через ось вращения кулачка) (рис. 1.3, а), с центральным заостренным толкателем (ось толкателя проходит через ось вращения кулачка) (рис. 1.3, б), с внеосным тол кателем (рис. 1.3, в).
Кулачковый механизм с возвратно-вращающимся толкателем пред ставлен на рис. 1.4. В этом механизме звено 2 (толкатель) совершает возвратно-вращательное движение с центром вращения в точке 0 2.
Толкатели, которые применяются в кулачковых механизмах, мо гут заканчиваться острием для точного копирования профиля кулачка, например в часовых механизмах (см. рис. 1.1, а, б, в, г). Для уменьше ния износа кулачка и толкателя в кулачковых механизмах используют ролик (см. рис. 1.1, д, е), а для передачи больших усилий со стороны кулачка на толкатель применяют толкатели, оканчивающиеся плос костью (см. рис. 1.2, д).
а б в
Рис. 1.3. Кулачковый механизм с поступательно движущимся толкателем: 1 - кулачок; 2 - толкатель
Постоянное соприкасание зве ньев в высшей паре обеспечивается
силовым или геометрическим за мыканием (рис. 1.5). При силовом
замыкании постоянное прижатие
звеньев обеспечивается действием пружины, силы тяжести, давления жидкости и т. п. При геометричес ком замыкании возможность отры
ва одного звена от другого устра
няется введением дополнительной (избыточной) геометрической свя зи, которая не накладывает новых
ограничений |
на относительное |
|
движение звеньев. Одним |
из на |
|
иболее распространенных |
спосо |
|
бов геометрического замыкания является применение пазового ку лачка (рис. 1.5,6). Однако точно выполнить паз и устранить удары
ролика о паз достаточно трудно,
поэтому появились двухдисковые
кулачки (рис. 1.5, в), в которых выходное звено взаимодейству ет с двумя дисковыми кулачка
ми, жестко соединенными меж ду собой. Вместо двухдискового кулачка можно выполнить диа метральный кулачок (рис. 1.5, г),
в котором профиль кулачка может быть выбран произвольно только на некоторой его части. Другая часть профиля получается из ус ловия касания кулачка со второй плоскостью.
Рис. 1.4. Кулачковый механизм с возвратно-вращ аю щ имся толкателем: 1 - кулачок; 2 - толкатель
Рис. 1.5. Виды замыкания вы сшей пары в кулачковом меха низме: а - силовое; б, в, г - гео метрическое
Кулачковые механизмы раз личаются также по видам дви жения входных и выходных зве ньев и по виду элемента высшей пары на звене, соприкасающем ся с кулачком (плоскость, ци линдрическая поверхность ро лика, сферическая поверхность и т. п.). Общее число возможных сочетаний по этим признакам достаточно велико.
Если в механизме с высшей парой оба ее элемента обра зованы поверхностями с пос тоянной кривизной, то этот механизм всегда может быть заменен кинематически экви
валентным механизмом с низшими парами. Например, эксцентри ковый механизм (рис. 1.6, а) - кривошипно-ползунным механизмом с кривошипом АВ и шатуном ВС, а плоский поводковый механизм (рис. 1.6, б) - шарнирным четырехзвенником ABCD. На этом осно вании оба механизма не считаются кулачковыми. Они представляют собой конструктивные видоизменения механизмов с низшими пара ми. Если же хотя бы один элемент высшей пары образован поверх ностью переменной кривизны, т.е. принадлежит кулачку, то можно получить только мгновенный заменяющий механизм с низшими па рами. Например, для плоского кулачкового механизма (рис. 1.6, в)
по аналогии с предыдущим можно построить заменяющий механизм
ввиде шарнирного четырехзвенника, если поместить центры В и С
вцентры кривизны профилей. Но длины звеньев этого механизма будут переменными и, кроме того, его кинематическая эквивален
тность исходному механизму распространяется только на скоро сти и ускорения первого порядка. Если один из профилей - прямая линия, то его центр кривизны удаляется в бесконечность и вместо шарнира в заменяющем механизме будет поступательная пара.