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, который обеспечивает плавное возвратно-поступательное движение (назад и вперед) в толкателе , который представляет собой рычаг. контакт 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 .
Распредвал
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 перемещения
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 связывают 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 увеличением постоянной 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 толкатель находится в состоянии покоя, а возврат - это движение толкателя 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 ускоряющие силы. 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 профиль рассматривается как большой основной окружности и небольшой круг наконечника, к которому присоединились к общей касательной, давая подъем L , отношения могут быть рассчитаны с учетом угла φ между одной касательной и осью симметрии ( φ существоπ/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 - Lгрех φ/1 - sin φ
Дисковый или пластинчатый кулачок
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 клапанов).
Базовая окружность - это наименьшая окружность, которую 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 станков наиболее распространенных марок 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.
Цилиндрический кулачок
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, вырезанных 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 удержания толкателя в контакте с управляющей поверхностью.
Применения включают приводы станков, таких как сабельные пилы, и цилиндры управления переключением передач в секвентальных трансмиссиях , например, на большинстве современных мотоциклов .
Частным случаем этого кулачка является постоянный шаг , в котором положение следящего 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 придает рукоятке топора форму, управляемую шаблоном, действующим как кулачок для механизма токарного станка. .
Лицо кулачок
Поверхность кулачок производит движение с помощью повторителя езды на лице диска. В наиболее распространенном типе ведомый элемент устанавливается в паз, так что невыпадающий толкатель производит радиальное движение с положительным позиционированием без необходимости в пружине или другом механизме, удерживающем толкатель в контакте с контрольной 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 функций 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 отличаться в достаточной степени при соответствующих поворотах. что имеется достаточное количество материала, разделяющего соседние сегменты канавки. Распространенной формой является кулачок с постоянным шагом, 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.
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 самоблокирующееся действие, 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 повторитель 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 игнорировалось в простых единицах измерения.
Кулачок в форме сердца
Этот тип кулачка в форме симметричного сердечка используется для возврата вала, удерживающего кулачок, в заданное положение за счет давления со стороны ролика. Они использовались на ранних моделях основных часов почтового отделения для синхронизации времени на часах со средним временем по Гринвичу, когда активирующий повторитель автоматически нажимался на кулачок с помощью сигнала от источника точного времени. [14]
Кулачок улитки
Этот тип кулачка использовался, например, в механических хронометражных часах, чтобы приводить в действие механизм дневного опережения ровно в полночь, и состоял из ведомого, поднимаемого кулачком в течение 24 часов по спиральной траектории, которая оканчивалась на резком срезе, на котором 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 поднятия падающего груза на протяжении большей части его пути почти до его полной высоты и только для последней части его хода для веса. быть принятым и поддержанным твердым последователем с острой кромкой. Это гарантировало, что вес упадет в точный момент, позволяя точно рассчитать время. [15] Это было достигнуто за счет использования двух кулачков-улиток, установленных соосно с роликом, изначально опирающимся на один кулачок, а последний твердый толкатель - на другой, но не контактирующим с его профилем кулачка. Таким образом, роликовый кулачок первоначально нес вес, пока на заключительном участке пробега профиль не роликового кулачка поднялся больше, чем другой, заставляя твердый толкатель принять вес.
Линейный кулачок
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. Развитие линейного кулачка похоже, но не идентично вращающемуся кулачку. [17]
Типичный пример линейного кулачка - ключ для штифтового фиксатора . Штифты действуют как следящие. Это поведение проиллюстрировано, когда ключ дублируется в машине для дублирования ключей, где исходный ключ действует как управляющий кулачок для вырезания нового ключа.
История
Кулачковые механизмы появились в Китае около 600 г. до н.э. в виде спускового механизма арбалета с кулачковым 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, фигурки из искусственной бумаги во вращающемся фонаре, все используемые кулачковые 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 камера с водяным приводом имеют внутри по два кулачковых механизма. [24] Кулачки, которые вращались непрерывно и функционировали как неотъемлемые элементы машин, 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]
Смотрите также
- 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 оси.
Рекомендации
- ^ "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
- ^ Shigley, J .; Уикер, Дж. (2010). Дизайн кулачка. Теория машин и механизмов (4-е изд.). Издательство Оксфордского университета, США. п. 200.
- ^ Jensen, Preddben w. (1965). Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 1. ISBN 9780824775124.
- ^ Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 8.
- ^ Введение в механизмы - кулачки «подъем - это движение ведомого от центра кулачка, задержка - это движение, когда ведомый элемент находится в состоянии покоя, а возврат - это движение ведомого к центру кулачка»
- ^ «Камеры; их профили, а также скорость и ускорение связанных с ними последователей» . Проверено 29 августа 2013 года .
- ^ Дженсен, Пребен в. (1965). Дизайн и производство кулачков . Промышленная пресса, Нью-Йорк. п. 1.
- ^ Введение в механизмы - кулачки «Толкатель движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения распределительного вала».
- ^ Оберг, Эрик (1996). Справочник машин, 25-е изд . Промышленная пресса. С. 1050–1055.
- ^ Бомар; Ноль; Уоллес (1996). Наводчик Mate 1 и C NAVEDTRA 14110 . Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения. п. 4–2.
- ^ Климер, 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 .
- ^ Хаус обрабатывает токарный станок Клотца на YouTube
- ^ Бомар, Нулл 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 )
- ^ Движение кулачка в форме сердца
- ^ Движение кулачка улитки
- ^ «Линейная механическая блокировка кулачка» .
- ^ «Расчетные уравнения: кулачки» . Проверено 29 августа 2013 года .
- ^ Го-Хун Сяо; Хун-Сеньянь (2014). «Механизмы в древних китайских книгах с иллюстрациями». Издательство Springer International : 70–71. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ↑ Джозеф Нидхэм: Наука и цивилизация в Китае, Том 4: Физика и физические технологии, Часть II: Машиностроение, Cambridge University Press, 1965, стр. 84
- ^ Го-Хун Сяо (2013). «Структурный синтез древнекитайского оригинального арбалета»: 270. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Hsiao (2014) р71.
- ^ Hsiao (2014) р71.
- ^ Hsiao (2014) р71.
- ^ Hsiao (2014) р71.
- ^ Льюис, MJT (1997), Жернов и молот. Истоки гидроэнергии , Университет Халл Пресс, стр. 84–88, ISBN. 0-85958-657-X
- ^ 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.
- ^ А. Лер (1981). De Geschiedenis van het Astronomisch Kunstuurwerk . Ден Хааг. п. 227. Архивировано из оригинального 25 октября 2010 года.
Внешние ссылки
- Страницы дизайна кулачков Создание анимированных кулачков для определенных движений последователей.
- 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