Кулачково-рычажный механизм

Кулачково-рычажный механизм — это разновидность механической передачи, в котором перемещение исполнительного звена (рычага) осуществляется под действием профилированного вращающегося или поступательно движущегося элемента (кулачка), при этом рычаг совершает возвратно-качательное или сложное движение. Относится к классу кулачковых механизмов, отличаясь от простого кулачкового толкателя использованием дополнительного звена — рычага, что позволяет изменять закон движения выходного звена и усилие на нём.

Устройство и принцип действия

Основными элементами кулачково-рычажного механизма являются:

• Кулачок — вращающаяся или поступательно движущаяся деталь, имеющая профилированную рабочую поверхность (профиль). Форма профиля определяет закон движения рычага.
• Рычаг — жёсткое звено, которое может совершать качательное движение вокруг оси. На одном конце рычага располагается контактный элемент (ролик, плоская тарелка или сферический наконечник), находящийся в непосредственном контакте с кулачком.
• Ось рычага — неподвижная опора, вокруг которой происходит качание рычага.
• Выходное звено (часто — шток, ползун или второй рычаг) может быть соединено с рычагом и совершать требуемое рабочее движение (возвратно-поступательное, качательное и т. д.).
• Пружина или другое силовое замыкание (в некоторых схемах) — обеспечивает постоянное прижатие контактного элемента рычага к профилю кулачка.

Принцип действия: При вращении кулачка его профиль воздействует на контактный элемент рычага, заставляя последний поворачиваться вокруг своей оси. За счёт рычажного звена происходит преобразование вращательного движения кулачка в качательное движение рычага. В зависимости от длины плеч рычага и расположения точки контакта можно получить разные передаточные отношения и законы движения выходного звена, отличные от закона, задаваемого профилем кулачка. Возможно также использование двух кулачков для принудительного движения рычага в обе стороны (кулачок толкает, второй — возвращает).

Классификация

Кулачково-рычажные механизмы классифицируются по нескольким признакам:

По типу движения кулачка

• С вращающимся кулачком — наиболее распространённый тип; кулачок совершает полный оборот.
• С поступательно движущимся кулачком — кулачок движется прямолинейно (обычно возвратно-поступательно), например, в копировальных станках.
• С качающимся кулачком — кулачок совершает неполный оборот (качание).

По расположению оси рычага относительно кулачка

• С наружным расположением оси — ось вращения рычага находится снаружи от проекции кулачка.
• С внутренним расположением оси — ось рычага находится в зоне, близкой к центру вращения кулачка.

По способу силового замыкания

• Силовое замыкание (пружинное) — контакт обеспечивается силой пружины или веса рычага.
• Геометрическое замыкание — профиль кулачка выполнен в виде паза (канавки), в котором движется ролик рычага, что исключает потерю контакта без пружины.

Характеристики и особенности

Важнейшей характеристикой кулачково-рычажного механизма является закон движения выходного звена — зависимость его перемещения, скорости и ускорения от времени или угла поворота кулачка. Этот закон полностью определяется профилем кулачка и кинематической схемой рычага. Ключевые особенности:

• Возможность получения сложных законов движения, в том числе с выстоями (остановками), с ускоренным или замедленным возвратом, с равномерным движением. Простые кулачково-рычажные механизмы обеспечивают более плавные переходы по сравнению с простыми кулачками с толкателем.
• Повышенное усилие на выходном звене (за счёт рычажного умножения силы) при соответствующем выборе плеч. Это позволяет управлять тяжёлыми нагрузками с помощью кулачков, рассчитанных на меньшие усилия.
• Повышенная износостойкость контактных пар (ролик — кулачок) по сравнению с простыми кулачками с плоским толкателем, так как ролик снижает трение скольжения.
• Сложность проектирования — задача профилирования кулачка с учётом рычажного звена является более сложной, чем для простого толкателя. Необходимо учитывать кинематику всех звеньев.
• Ограниченная скорость — при высоких скоростях вращения возможны ударные нагрузки в момент выхода ролика на участок подъёма профиля. Для устранения этого применяют специальные профили (синусоидальные, косинусоидальные и т. д.).
• Регулировка — в некоторых конструкциях предусмотрена регулировка зазора (натяга) между роликом и кулачком, что влияет на точность работы.

Применение

Кулачково-рычажные механизмы широко распространены в машиностроении и приборостроении, особенно там, где требуется строго заданное движение рабочих органов в определённые моменты цикла.

• Автоматические линии и станки — для подачи заготовок, зажима деталей, поворота револьверных головок, управления клапанами и т. д. (например, в токарных автоматах, деревообрабатывающих станках).
• Текстильные машины — для управления нитями, движения ремизок, челноков.
• Полиграфические машины — для перемещения бумаги, красочных валиков.
• Упаковочное оборудование — для выполнения операций загиба, обрезки, сборки коробок.
• Двигатели внутреннего сгорания (частично) — в газораспределительных механизмах (ГРМ) используется кулачковый вал, который воздействует на рычаг (коромысло) с роликом, открывающий клапан. Это типичный пример кулачково-рычажной передачи.
• Приборы управления — в кулачковых командоаппаратах, программных регуляторах (например, в стиральных машинах, где кулачки через рычаги переключают режимы).
• Игрушки и механические модели — для задания сложных движений фигуркам, механическим игрушкам.

Примеры конструкций

1. Газораспределительный механизм (ГРМ) двигателя: Кулачок распределительного вала через ролик давит на коромысло (рычаг), которое, в свою очередь, открывает клапан. Это кулачково-рычажный механизм с роликом на рычаге.
2. Кулачковый пресс: Вращающийся кулачок через ролик и двуплечий рычаг создаёт усилие на плунжере пресса. Такая схема позволяет развивать большое усилие при относительно небольшом ходе кулачка.
3. Автоматический зажимной патрон: В некоторых конструкциях кулачки патрона (зажимные элементы) приводятся в движение через систему рычагов, управляемых кулачком центрального штока (пневмо- или гидроцилиндра).
4. Механизм подачи проволоки или ленты: Кулачок через рычаг обеспечивает периодическое перемещение материала на заданный шаг, при этом профиль кулачка задаёт закон ускоренного и замедленного движения подающего ролика.

Критика и ограничения

Основные недостатки кулачково-рычажных механизмов связаны с контактом и динамикой. Высокое контактное давление в паре «ролик-кулачок» приводит к износу, особенно при отсутствии смазки или при попадании абразивных частиц. Для снижения износа применяют закалённые стали, покрытия, игольчатые подшипники в роликах. Также существует проблема инерционных нагрузок: при высоких частотах вращения кулачкового вала масса рычага может вызывать отрыв ролика от профиля (нарушение замыкания), что приводит к удару. Данная проблема решается увеличением жёсткости пружины силового замыкания, но это, в свою очередь, увеличивает нагрузку на привод. Кроме того, проектирование этого механизма требует точного решения обратной задачи кинематики, что усложняет его по сравнению с простым кривошипно-ползунным механизмом, который проще в расчёте и изготовлении.

См. также

• Кулачковый механизм
• Рычажный механизм
• Кривошипно-шатунный механизм
• Толкатель (деталь машин)

Источники

• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
• Козлов М. П., Малинин А. А. Детали машин и основы конструирования. — М.: Машиностроение, 1985.
• Решетов Л. Н. Самоустанавливающиеся механизмы. — М.: Машиностроение, 1979.
• Д. В. Чернилевский. Детали машин. Проектирование приводов. — М.: Машиностроение, 2002.