MetKul2006-5.04.06
Московський державний технічний університет імені М.Е. Баумана
Теорія механізмів та машин
Курсове проектування кулачкових механізмів
Видавництво МДТУ імені М.Е. Баумана
УДК 531.8 ББК 34.41 Т 33
Рецензенти В.І.Ушаков, В.Д.Дудко
Т33 Теорія механізмів та машин. Курсове проектування кулачкових механізмів.: Навч. посібник/В.Б. Тарабарін - М.: МДТУ ім.
н.е. Баумана, 2005. – … с., іл. ISBN
Посібник містить постановку задач проектування кулачкових механізмів, приклад формулювання розділу технічного завдання на проектування кулачкового механізму, алгоритми вирішення задач проектування різних кулачкових механізмів, вимоги до змісту пояснювальної записки та оформлення графічної частини, приклади проектування кулачкових механізмів.
Для студентів, які виконують курсовий проект з ТММ. Іл. . Табл. . Бібліогр. назв.
УДК 531.8 ББК 34.42
Валентин Борисович Тарабарін Теорія механізмів та машин.
Курсове проектування кулачкових механізмів.
З МДТУ ім. н.е. Баумана
Кулачкові механізми використовують у різних машинних агрегатах до виконання різноманітних основних чи допоміжних функцій. У двигунах внутрішнього згоряння вони переміщують впускні та випускні клапани, у верстатах використовуються в механізмах подачі заготовки, у конвеєрах та транспортерах керують механізмами дозаторів або кінцевих вимикачів, у машинах переміщують заготовки або готові вироби. У механізмах з гідравлічним приводом кулачкові механізми використовуються для регулювання подачі рідини. Плунжерні
насоси на основі кулачкових механізмів використовуються в мастильних системах механізмів та редукторів.
У механізмах приводів радіолокаційної антени(вар.40) та механізму подачі (вар.29) кулачковий механізм є складовою основного механізму.
Алгоритм проектування кулачкового механізму, його структурна схема, закон руху штовхача та фазові кути в основному визначаються функціональним призначенням механізму. Кулачковий механізм регулятора подачі рідини має заданий закон переміщення штовхача - переміщення пропорційно до витрати рідини, що проходить через регулятор. У курсовому проекті рекомендується вибирати закон руху штовхача прямо пропорційним швидкості відносного руху в парі поршеньциліндр. Для механізму газорозподілу необхідно забезпечити необхідне максимальне переміщення штовхача, при цьому закон, яким він переміщається, може бути обраний довільно і, зазвичай, визначається технологією виготовлення кулачка. У плунжерних насосах кулачок виконує-
ється у вигляді ексцентрика з робочим кутом 2 π і з поступальним рухом штовхача. Товкач у цих механізмах зазвичай виконується без ролика зі сферичною чи плоскою робочою поверхнею.
Особливу увагу необхідно звернути на спосіб замикання найвищої пари в кулачковому механізмі. При силовому замиканні механізм має менші розміри, технологічніший, так як вимоги до точності виготовлення невисокі, при геометричному замиканні забезпечується більш надійний контакт ланок, але надлишкових зв'язків потрібно більш висока точність виготовлення і складання. Геометричне замикання зазвичай використовується у важких технологічних машинах та приладових системах, де неприпустиме порушення контакту ланок. У більшості кулачкових механізмів використовується силове замикання найвищої пари.
При проектуванні кулачкового механізму необхідно враховувати режим руху машинного агрегату:кут повороту кулачка, що не встановився або При встановленому режимі, приблизно пропорційний часу. Тому графіки швидкості та прискорення штовхача на вигляд (у першому наближенні) ідентичні графікам відповідних кінематичних передавальних функцій. Перехід від кінематичних графіків до передатних функцій здійснюється перерахунком на осі абсцис масштабу часу в масштаб кута, тому що кут повороту кулачка прямо пропорційний часу. При режимі руху валу, що не встановився, кулачка такого зв'язку між кутом і часом немає, а вид графіків кінематичних характеристик відрізняється від графіків геометричних параметрів – передавальних функцій або аналогів швидкості та прискорення.
Важливим етапом синтезу механізму є вибір виду штовхача. Розгойдується або коромисловий штовхач дозволяє використовувати великі значення допустимих кутів тиску, забезпечує більшу здатність навантаження механізму. При поступальному штовхачі важливу роль відіграє такий параметр кулачкового механізму як внеосность чи ексцентриситет - усунення осі штовхача щодо осі кулачка. Зовнішність використовується або для зменшення кута тиску на фазі видалення, або для виконання додаткових конструктивних вимог. При односторонньому (нереверсивному) обертанні кулачка ексцентриситет істотно зменшує допустимі мінімальні розміри кулачка, при реверсивному русі застосування ексцентриситету збільшує розміри кулачка. Для зменшення кута тиску ексцентриситет відкладається у напрямку основного обертання кулачка, яке оптимальна величина приблизно дорівнює половині максимального значення першої передавальної функції.
На рис. 1 наведено структурні схеми кулачкових механізмів із силовим замиканням, які використовуються в комплексних завданнях на курсовий проект з ТММ[1]. Надалі штовхачі з поступальним рухом бу-
дем називати штовхачами, а з обертальним – коромислами. На малюнку 1 зображені схеми кулачкових механізмів із штовхачами. На схемах 1а і зображені механізми з центральним штовхачем. У цих механізмах вісь штовхача перетинається з віссю обертання кулачка. На рис. 1б зображено механізм з внеосним штовхачем. У ньому вісь штовхача зміщена від осі обертання кулачка на величину ексцентриситету.
На схемах рис. 1 г і д показані механізми з коромислами. На схемі г зображено механізм із зовнішнім зачепленням (полюс Р ділить міжосьову відстань a w внутрішнім чином), а на схемі д – механізм із внутрішнім за-
ланцюгом (полюс Р ділить міжосьову відстань a w зовнішнім чином). Так
як обертання ланок при внутрішньому зачепленні відбувається в один бік, швидкість ковзання у вищій парі значно менше, а отже менше і знос ланок. У механізмах на схемах а, б і г заміни ковзання коченням використовується ролик. Ці механізми мають дві рухливості, причому рухливість ролика є місцевою або локальною, тому що не впливає на закон руху вихідної ланки.
На рис.2 зображено кулачкові механізми з геометричним замиканням вищої пари. Замикання на рис.2 забезпечується паралельним з'єднанням двох кулачкових механізмів. При цьому профіль кулачка у другому механізмі забезпечує той же закон руху штовхача (загалом профілі кулачків різні). Перший кулачковий механізм забезпечує-
ет рух штовхача на фазі видалення (працює вища пара K 1 ), другий
- На фазі зближення (працює вища пара K 2).
Механізм, схема якого зображено на рис. 2б, забезпечує замикання вищої пари за рахунок конструкціїкоромисла. Тут рух коро-
думки на фазі видалення забезпечується парою K 1 , але в фазі зближення – па-
рій K 2 . Такий механізм можливий лише для кулачка з робочим профілем.
- Колом або ексцентрика.
1. Постановка задачі проектування кулачкового механізму. Вихідні дані для проектування (що дано) та параметри, що визначаються у процесі проектування (що потрібно визначити).
У курсовому проекті вирішується завдання визначення основних розмірів механізму чи завдання метричного синтезу. При цьому визначаються розміри ланок механізму, що визначають забезпечення заданого закону руху штовхача при обмеженнях на кут тиску та габарити. На першому етапі необхідно з масиву даних, наведених у завданні на курсове проектування, вибрати ті, що належать до проектування кулачкового механізму. Зазвичай ці дані включають: функціональне призначення кулачкового механізму, його структурну схему, типовий закон зміни прискорення або другої кінематичної передавальної функції, частота обертання валу кулачка, кут робочого профілю та фазові кути видалення, дальнього вистою та зближення, хід штовхача (лінійний або допустимий кут тиску. Крім того, для механізмів із штовхачем заданий ексцентриситет, а для механізмів із коромислом – довжина коромисла. Зазвичай механізм проектується під час реверсивного руху кулачка, за погодженням з викладачем проектування можна провести для обертання кулачка в один бік. Можливе завдання додаткових обмежень на розміри механізму: діаметр кулачкового валу, діаметр ролика, міжосьова відстань. У деяких завданнях фазові кути для кулачка визначаються циклограми роботи машинного агрегату (деякі завдання з першого збірника). Розглянемо визначення фазовихкутів на прикладі циклограми роботи машини з роз'ємною матрицею, зображеною
на рис.3. Основний механізм наприкінці прямого ходу виконує операцію кування. Рухи штовхача кулачкового механізму узгоджені з рухом повзуна механізму. Допоміжний кулачковий механізм на фазі видалення здійснює закриття матриці, а на фазі зближення - її закриття. Закрита матриця відповідає верхньому вистою штовхача, відкрита - нижньому. При відкритій матриці з неї витягується готовий виріб і його місце встановлюється заготівля, при закритій матриці виконується процес кування. Закон руху штовхача визначається у вигляді безрозмірної діаграми залежності прискорення або другої передавальної функції від фазового кута кулачка. Якщо закон не заданий, його вибирають з типових законів руху [2 ,3]. При цьому враховують призначення механізму, частоту обертання валу, технологічність профілю кулачка та інші умови. У курсовому проекті найчастіше використовується закон руху з м'якими ударами, При такому законі у місцях сполучення ділянок профілю виникають стрибки прискорення кінцевої величини. Так як закон прискорення заданий у безрозмірній формі, то зручно одразу прийняти його за
закон другої передавальної функції. У разі потреби кінематичні характеристики механізму визначаються після його метричного синтезу (визначення основних розмірів) з урахуванням реального закону руху валу кулачка. Ці дії виключають грубі помилки в побудові кінематичних діаграм при режимах, що не встановилися (особливо в режимі так як в цих режимах зазвичай не можна використовувати припущення про рівномірне обертання валу кулачка.
Наступне питання, яке тут розглядається, – що потрібно визначити при проектуванні кулачкового механізму? Для механізму зі штовхачемвизначається мінімальний розмір початкової шайби теоретичного профілю кулачка, ексцентриситет, радіус ролика або сфери робочого профілю штовхача, центровий та конструктивний профілі кулачка. У механізмі з коромислом замість ексцентриситету визначається міжосьова відстань. Загалом розв'язання задачі проектування кулачкового механізму можна подати як послідовне виконання чотирьох етапів: 1. Побудова циклових діаграм кінематичних та геометричних характеристик; 2. Визначення основних розмірів механізму за допустимим кутом тиску; 3. Побудова центрового та конструктивного профілів кулачка; 4. Побудова циклової діаграми кута тиску для спроектованого кулачка. Далі послідовно розглядається виконання цих етапів для різних механізмів.
2. Дослідження кулачкового механізму методом діаграм кінематичних функцій
Побудова циклових графіків починається з визначення фазових кутів для робочої ділянки профілю. Робочий фазовий кут ділиться мінімум чотири ділянки: дві ділянки на фазі видалення – розгін і гальмування, дві ділянки на фазі зближення – розгін і гальмування. На межах ділянок кінематичні функції кулачкових механізмів мають особливі точки: розриви чи перегини. Тому ці залежності записуються у формі функції