Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для части двигателя, иногда называемой «кулачком», см. Распределительный вал . Для имени «Cam» и других значений см. Cam (значения) .
Рис. 1 Анимация, показывающая непрерывно вращающиеся кулачки, производящие возвратно-поступательное линейное движение толкателей кулачков.
Эллиптический дисковый кулачок с качающимся толкателем.

Кулачка является вращающимся или скользящим элементом в механической связи используется , особенно в преобразовании вращательного движения в поступательное движение. [1] [2] Часто это часть вращающегося колеса (например, эксцентрикового колеса) или вала (например, цилиндра неправильной формы), которая ударяет по рычагу в одной или нескольких точках на его круговой траектории. Кулачок может быть простым зубом, который используется, например, для подачи импульсов мощности к паровому молоту , или эксцентриковым диском или другой формой, обеспечивающей плавное возвратно-поступательное движение (назад и вперед) в толкателе , который представляет собой рычаг. контактируя с кулачком. Таймер кулачокпохожи и широко использовались для управления электрическими машинами (электромеханический таймер в стиральной машине является распространенным примером) до появления недорогой электроники, микроконтроллеров , интегральных схем , программируемых логических контроллеров и цифрового управления .

Обзор [ править ]

Кулачок можно рассматривать как устройство, которое преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное (или иногда колебательное) движение. [ Требуется уточнение ] [3] Типичным примером является распредвала из автомобиля , который принимает вращательное движение двигателя и преобразует его в возвратно - поступательное движение необходимые для работы впускных и выпускных клапанов из цилиндров .

Диаграмма смещения [ править ]

Рис.2 Базовая диаграмма перемещений вращающегося кулачка

Кулачки могут быть охарактеризованы их диаграммами смещения, которые отражают изменение положения, которое следящий элемент может занять, когда поверхность кулачка перемещается в контакте с толкателем. В показанном примере кулачок вращается вокруг оси. Эти диаграммы соотносят угловое положение, обычно в градусах, с радиальным смещением, испытываемым в этом положении. Диаграммы смещения традиционно представляются в виде графиков с неотрицательными значениями. Простая диаграмма смещения иллюстрирует движение ведомого с постоянным увеличением скорости с последующим аналогичным возвратом с задержкой между ними, как показано на рисунке 2. [4] Подъем - это движение ведомого устройства от центра кулачка, задержка - это движение где ведомый элемент находится в покое, а возврат - это движение ведомого к центру кулачка. [5]

Распространенным типом являются приводы клапанов в двигателях внутреннего сгорания. Здесь профиль кулачка обычно симметричен, и при обычно встречающихся скоростях вращения развиваются очень высокие силы ускорения. В идеале выпуклая кривая между началом и максимальным положением подъема снижает ускорение, но для этого требуются непрактично большие диаметры вала относительно подъема. Таким образом, на практике точки, в которых начинается и заканчивается подъем, означают, что на профиле появляется касательная к базовой окружности. Это непрерывно с касательной к окружности кончика. При проектировании кулачка указаны подъемная сила и угол остановки θ . Если рассматривать профиль как большую базовую окружность и маленькую концевую окружность, соединенные общей касательной, создавая подъемную силу L, соотношение может быть вычислено, учитывая угол φ между одной касательной и осью симметрии ( φ -π/2 - θ/2), в то время как C - это расстояние между центрами окружностей (обязательно), R - радиус основания (задано), а r - радиус концевой окружности (обязательно):

C =L/1 - sin φи r = R - L грех φ/1 - sin φ
Рис.3 Профиль кулачка

Дисковый или пластинчатый кулачок [ править ]

Наиболее часто используемым кулачком является кулачковая пластина (также известная как дисковый кулачок или радиальный кулачок [6] ), которая вырезана из куска плоского металла или пластины. [7] Здесь толкатель движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения распределительного вала. [8] При такой конструкции пластинчатых кулачков уместны несколько ключевых терминов: базовая окружность , первичная окружность (с радиусом, равным сумме радиуса толкателя и радиуса базовой окружности), наклонная кривая, которая представляет собой радиальную кривую, начерченную путем применения радиальные смещения от основного круга по всем углам и угол разделения лепестков ( LSA - угол между двумя соседними кулачками впускного и выпускного кулачков).

Базовая окружность - это наименьший круг, который можно провести к профилю кулачка.

Когда-то распространенным, но теперь устаревшим применением этого типа кулачков были кулачки для автоматического программирования станков. Каждое движение или операция инструмента управлялись непосредственно одним или несколькими кулачками. Инструкции по созданию кулачков для программирования и данных о создании кулачков для наиболее распространенных марок станков были включены в технические справочники еще в современную эру ЧПУ . [9]

Этот тип кулачка используется во многих простых контроллерах электромеханических устройств , таких как посудомоечные и стиральные машины, для приведения в действие механических переключателей, управляющих различными частями.

Трансмиссия мотоцикла с цилиндрическим кулачком с тремя толкателями. Каждый ведомый контролирует положение вилки переключения передач.

Цилиндрический кулачок [ править ]

Кулачок цилиндра с постоянным свинцом на токарном станке American Pacemaker. Этот кулачок используется для обеспечения повторяемой настройки поперечного салазок при нарезании резьбы одноточечным инструментом.

Цилиндрическая камера или ствол кулачок является камерой , в которой подписчик едет на поверхности цилиндра. В наиболее распространенном типе толкатель движется по канавке, вырезанной в поверхности цилиндра. Эти кулачки в основном используются для преобразования вращательного движения в линейное движение, параллельное оси вращения цилиндра. Цилиндр может иметь несколько канавок в поверхности и приводить в движение несколько толкателей. Цилиндрические кулачки могут обеспечивать движения, которые включают более одного вращения цилиндра и, как правило, обеспечивают положительное позиционирование, устраняя необходимость в пружине или другом приспособлении для поддержания контакта толкателя с управляющей поверхностью.

Применения включают в себя приводы станков, таких как сабельные пилы, и стволы управления переключением в секвентальных трансмиссиях , например, на большинстве современных мотоциклов .

Частным случаем этого кулачка является постоянный шаг , когда положение ведомого элемента линейно с вращением, как в ходовом винте. Цель и детали реализации влияют на то, называется ли это приложение кулачковой или винтовой резьбой, но в некоторых случаях номенклатура может быть неоднозначной.

Цилиндрические кулачки также могут использоваться для привязки выхода к двум входам, где один вход - это вращение цилиндра, а другой - положение толкателя вдоль кулачка. Выход радиальный по отношению к цилиндру. Когда-то они были обычным явлением для специальных функций в системах управления, таких как механизмы управления огнем для орудий на морских судах [10] и механические аналоговые компьютеры. [11]

Примером цилиндрического кулачка с двумя входами может служить дублирующий токарный станок, примером которого является токарный станок с рукояткой для топора Клотца [12], который обрезает рукоятку топора до формы, управляемой шаблоном, действующим как кулачок для механизма токарного станка. .

Face cam [ править ]

Поверхность кулачок производит движение с помощью повторителя езды на лице диска. В наиболее распространенном типе ведомый ведомый элемент вставлен в прорезь, так что невыпадающий ведомый ведомый элемент производит радиальное движение с положительным позиционированием без необходимости использования пружины или другого механизма, чтобы поддерживать ведомый ведомый элемент в контакте с управляющей поверхностью. Торцевой кулачок этого типа обычно имеет только одну прорезь для толкателя на каждой грани. В некоторых приложениях одиночный элемент, такой как шестерня, цилиндрический кулачок или другой вращающийся элемент с плоской поверхностью, может выполнять функцию лицевого кулачка в дополнение к другим целям.

Торцевые кулачки могут обеспечивать повторяющееся движение с канавкой, которая образует замкнутую кривую, или могут обеспечивать создание функции с остановленной канавкой. Кулачки, используемые для генерации функций, могут иметь канавки, которые требуют нескольких оборотов, чтобы покрыть всю функцию, и в этом случае функция обычно должна быть обратимой, чтобы канавка не пересекалась сама по себе, а выходное значение функции должно достаточно отличаться при соответствующих поворотах. что имеется достаточное количество материала, разделяющего соседние сегменты канавки. Распространенной формой является кулачок с постоянным ходом, в котором смещение ведомого элемента линейно с вращением, например спиральная пластина в спиральном патроне . Необратимые функции, требующие самопересечения канавки, могут быть реализованы с использованием специальных конструкций толкателей.

Замок створчатого окна, традиционный кулачковый, для окна с двойной створкой

Вариант торцевого кулачка обеспечивает движение параллельно оси вращения кулачка. Типичным примером является традиционный оконный замок для створки , в котором кулачок крепится к верхней части нижней створки, а следящий элемент - это крюк на верхней створке. В этом приложении кулачок используется для обеспечения механического преимущества при принудительном закрытии окна, а также обеспечивает самоблокировку, как некоторые червячные передачи , из-за трения.

Торцевые кулачки также могут использоваться для привязки одного выхода к двум входам, обычно где один вход - это вращение кулачка, а другой - радиальное положение толкателя. Выход параллелен оси кулачка. Когда-то это были обычные механические аналоговые вычисления и специальные функции в системах управления. [13]

Лицо кулачок , который реализует три выхода для одного входа вращательного стерео фонограф , где относительно постоянный шаг канавка направляющих стилусов и тонарм устройство, действующее в качестве либо кулисный типа (тонарм) или линейном (линейное отслеживание поворотного стола) толкателя, и только перо действует как ведомый для двух ортогональных выходов для представления аудиосигналов. Эти движения происходят в плоскости, радиальной к вращению пластинки, и под углами 45 градусов к плоскости диска (перпендикулярно граням канавки). Положение тонарма использовалось некоторыми проигрывателями в качестве управляющего входа, например, для выключения устройства или для загрузки следующего диска в стеке, но в простых единицах измерения игнорировалось.

Кулачок в форме сердца [ править ]

Этот тип кулачка в форме симметричного сердечка используется для возврата вала, удерживающего кулачок, в заданное положение под действием давления ролика. Они использовались на ранних моделях главных часов почтового отделения для синхронизации времени часов со средним временем по Гринвичу, когда активирующий ведомый привод был автоматически прижат к кулачку через сигнал от источника точного времени. [14]

Камера для улиток [ править ]

Этот тип кулачка использовался, например, в механических хронометражных часах, чтобы приводить в действие механизм дневного опережения ровно в полночь, и состоял из ведомого, который поднимался кулачком в течение 24 часов по спиральной траектории, которая оканчивалась на резком срезе последователь выпадал бы и активировал дневное продвижение. Там, где требуется точность синхронизации, как в часах синхронизации, они, как правило, были изобретательно устроены так, чтобы иметь роликовый кулачковый толкатель для подъема падающего груза на протяжении большей части его пути почти до его полной высоты и только на последней части его хода для веса. быть принятым и поддержанным твердым последователем с острой кромкой. Это гарантировало, что вес упадет в точный момент, обеспечивая точное время. [15]Это было достигнуто за счет использования двух кулачков-улиток, установленных соосно с роликом, который изначально опирался на один кулачок, а последний твердый толкатель - на другой, но не контактировал с его профилем кулачка. Таким образом, роликовый кулачок первоначально нес вес, до тех пор, пока на последнем участке пробега профиль не роликового кулачка поднялся больше, чем другой, заставляя твердый толкатель принять вес.

Линейный кулачок [ править ]

Линейный кулачок - это кулачок, в котором кулачковый элемент движется по прямой линии, а не вращается. Кулачковый элемент часто представляет собой пластину или блок, но может иметь любое поперечное сечение. [16] Ключевой особенностью является то, что на входе поступает линейное движение, а не вращательное. Профиль кулачка может быть вырезан на одном или нескольких краях пластины или блока, может быть, в одной или нескольких прорезях или канавках на лицевой стороне элемента, или даже может быть профилем поверхности для кулачка с более чем одним входом. Линейный кулачок по своей конструкции похож на поворотный кулачок, но не идентичен ему. [17]

Копировальный аппарат ключей . Оригинальный ключ (установленный в левом держателе) действует как линейный кулачок, регулирующий глубину резки дубликата.

Типичный пример линейного кулачка - ключ для штифтового тумблера . Штифты действуют как следящие. Это поведение проиллюстрировано, когда ключ дублируется в машине дублирования ключей, где исходный ключ действует как управляющий кулачок для вырезания нового ключа.

История [ править ]

Кулачковые механизмы появились в Китае около 600 г. до н.э. в виде спускового механизма арбалета с кулачковым поворотным рычагом. [18] Однако спусковой механизм не вращался вокруг своей оси, и в традиционной китайской технологии обычно мало использовались непрерывно вращающиеся кулачки. [19] Тем не менее, более поздние исследования показали, что такие кулачковые механизмы действительно вращались вокруг своей оси. [20] Аналогичным образом, более поздние исследования показывают, что кулачки использовались в гидравлических отбойных молотках во второй половине династии Западная Хань (206 г. до н.э. - 8 г. н.э.), как записано в Хуань Цзы Синь Лунь. Сложные пестики также упоминались в более поздних записях, таких как Jin Zhu Gong Zan и Tian Gong Kai Wu, среди многих других записей о пестиках, приводимых в движение водой. [21]Во времена династии Тан деревянные часы в астрономическом устройстве с водным приводом, шпоры внутри армиллярной сферы с водным приводом, автоматический будильник в пятиколесных песочных часах, искусственные бумажные фигурки во вращающемся фонаре - все это использовало кулачок. механизмы. [22] Китайский годометр, в котором использовался механизм звонка и гонга, также является кулачком, как описано в Сун Ши. В книге «Нонгшу» вертикальное колесо ветрового короба с водяным приводом также является кулачком. [23] В этих примерах и пестик с водяным приводом, и ветровая коробка с водяным приводом имеют внутри по два кулачковых механизма. [24] Кулачки, которые вращались непрерывно и функционировали как неотъемлемые элементы машины, были встроены в эллинистические водные автоматы.с 3 века до нашей эры. [25] Кулачок и распредвал позже появились в механизмах Аль-Джазари и Шоштари, которые использовали их в своих автоматах, описанных в 1206 году. [26] Кулачок и распредвал появились в европейских механизмах с 14 века. [27]

См. Также [ править ]

  • Возвратно  -поступательное движение - повторяющееся возвратно-поступательное линейное движение
  • Кулачковый двигатель  - поршневой двигатель, в котором поршни приводят в движение вал с кулачковым приводом.
  • Аппарат перекоса  - механизм для преобразования возвратно-поступательного и вращательного движения
  • Кривошип (механизм)  - простая машина, передающая движение на вращающийся вал или от него на расстоянии от центральной линии.
  • Эксцентрик (механизм)  - Круглый диск, жестко прикрепленный к вращающейся оси, со смещением его центра относительно оси.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "определение кулачка" . Мерриам Вебстер . Проверено 5 апреля 2010 . вращающаяся или скользящая деталь (как эксцентриковое колесо или цилиндр неправильной формы) в механической связке, используемой, в частности, для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение или наоборот
  2. ^ Шигли, Дж .; Уикер, Дж. (2010). Дизайн кулачка. Теория машин и механизмов (4-е изд.). Oxford University Press, США. п. 200.
  3. ^ Jensen, Preddben w. (1965). Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 1. ISBN 9780824775124.
  4. ^ Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 8.
  5. ^ Введение в механизмы - кулачки «подъем - это движение ведомого от центра кулачка, задержка - это движение, когда ведомый элемент находится в покое, а возврат - это движение ведомого к центру кулачка»
  6. ^ «Камеры; их профили, а также скорость и ускорение их связанных последователей» . Проверено 29 августа 2013 года .
  7. ^ Jensen, Preben w. (1965). Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 1.
  8. ^ Введение в механизмы - кулачки «Толкатель движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения распределительного вала».
  9. ^ Оберг, Эрик (1996). Справочник машин, 25-е изд . Промышленная пресса. С. 1050–1055.
  10. ^ Бомар; Ноль; Уоллес (1996). Наводчик Mate 1 и C NAVEDTRA 14110 . Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения. п. 4–2.
  11. ^ Clymer, А. Бен (1993). «Механические аналоговые компьютеры Ганнибала Форда и Уильяма Ньюэлла» . IEEE Annals of the History of Computing . 15 (2): 19–34. DOI : 10.1109 / 85.207741 . S2CID 6500043 . 
  12. ^ Хаус обрабатывает токарный станок Клотца на YouTube
  13. ^ Bomar, Null, и Уоллес (1996). Наводчик Mate 1 и C NAVEDTRA 14110 . Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения. п. 4–1.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Движение кулачка в форме сердца
  15. ^ Движение кулачка улитки
  16. ^ "Линейная механическая блокировка кулачка" .
  17. ^ «Расчетные уравнения: кулачки» . Проверено 29 августа 2013 года .
  18. ↑ Го-Хун Сяо; Хун-Сеньянь (2014). «Механизмы в древних китайских книгах с иллюстрациями». Издательство Springer International : 70–71. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  19. ^ Джозеф Нидхэм: Наука и цивилизация в Китае, Том 4: Физика и физические технологии, Часть II: Машиностроение, Cambridge University Press, 1965, стр. 84
  20. Перейти ↑ Kuo-Hung Hsiao (2013). «Структурный синтез древнекитайского оригинального арбалета»: 270. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  21. ^ Hsiao (2014) р71.
  22. ^ Hsiao (2014) р71.
  23. ^ Hsiao (2014) р71.
  24. ^ Hsiao (2014) р71.
  25. ^ Льюис, MJT (1997), Жернова и молот. Истоки гидроэнергии , Университет Халл Пресс, стр. 84–88, ISBN 0-85958-657-X
  26. ^ Жорж Ифра (2001). Всеобщая история вычислительной техники: от абак до квантового компьютера (PDF) . Перевод Э. Ф. Хардинга. John Wiley & Sons, Inc. стр. 171. Архивировано из оригинального (PDF) 8 октября 2006 года.
  27. ^ А. Лер (1981). De Geschiedenis van het Astronomisch Kunstuurwerk . Ден Хааг. п. 227. Архивировано из оригинального 25 октября 2010 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Страницы дизайна кулачков Создает анимированные кулачки для определенных движений последователя.
  • Цифровая библиотека кинематических моделей для проектирования (KMODDL) - фильмы и фотографии сотен работающих моделей механических систем в Корнельском университете. Также включает в себя электронную библиотеку классических текстов по машиностроению и проектированию.
  • Введение в механизмы - классификация кулачков, номенклатура, движение и конструкция кулачков; информация для курса «Введение в механизмы» Университета Карнеги-Меллона.
  • Функция полиномиального кулачка с файлом Excel VBA для демонстрации его движения