Кулачок — это вращающаяся или скользящая деталь в механическом соединении , используемая, в частности , для преобразования вращательного движения в линейное. [1] [2] Часто это часть вращающегося колеса (например, эксцентрикового колеса) или вала (например, цилиндра неправильной формы), которая ударяет рычаг в одной или нескольких точках на его круговой траектории. Кулачок может представлять собой простой зубец, который используется, например, для подачи импульсов мощности на паровой молот , или эксцентриковый диск или другую форму, которая обеспечивает плавное возвратно-поступательное движение (назад и вперед) в толкателе , который представляет собой рычаг. контакт с камерой. Кулачковый таймер аналогичен и широко использовался для управления электрическими машинами (обычным примером является электромеханический таймер в стиральной машине) до появления недорогой электроники, микроконтроллеров , интегральных схем , программируемых логических контроллеров и цифрового управления .
Кулачок можно рассматривать как устройство, которое преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное (или иногда колебательное) движение. [ необходимо разъяснение ] [3] Типичным примером является распределительный вал автомобиля , который воспринимает вращательное движение двигателя и преобразует его в возвратно-поступательное движение, необходимое для работы впускных и выпускных клапанов цилиндров .
Кулачки можно охарактеризовать диаграммами смещения, которые отражают изменяющееся положение ведомого устройства, когда поверхность кулачка движется в контакте со ведомым устройством. В показанном примере кулачок вращается вокруг оси. Эти диаграммы соотносят угловое положение (обычно в градусах) с радиальным смещением, происходящим в этом положении. Диаграммы смещения традиционно представляются в виде графиков с неотрицательными значениями. Простая диаграмма смещения иллюстрирует движение ведомого устройства с увеличением постоянной скорости, за которым следует аналогичный возврат с задержкой между ними, как показано на рисунке 2. [4] Подъем — это движение ведомого устройства от центра кулачка, задержка — это движение. где ведомый находится в состоянии покоя, а возврат - это движение ведомого к центру кулачка. [5]
Распространенным типом являются приводы клапанов в двигателях внутреннего сгорания. Здесь профиль кулачка обычно симметричен, и на обычно встречающихся скоростях вращения возникают очень высокие силы ускорения. В идеале выпуклая кривая между началом и максимальным положением подъемной силы уменьшает ускорение, но для этого требуется непрактично большой диаметр вала относительно подъемной силы. Таким образом, на практике точки начала и окончания подъема означают, что на профиле появляется касательная к базовой окружности. Это непрерывно по касательной к вершине окружности. При проектировании кулачка задаются подъемная сила и угол задержки θ . Если профиль рассматривается как большой базовый круг и маленький кончик круга, соединенные общей касательной, дающей подъемную силу L , взаимосвязь можно вычислить, учитывая угол φ между одной касательной и осью симметрии ( φπ/2−θ/2), а C — расстояние между центрами кругов (обязательно), R — радиус основания (задан), а r — радиус вершины круга (обязательно):
Наиболее часто используемым кулачком является кулачок (также известный как дисковый кулачок или радиальный кулачок [6] ), который вырезается из куска плоского металла или пластины. [7] Здесь толкатель движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения распределительного вала. [8] В такой конструкции пластинчатых кулачков имеют значение несколько ключевых терминов: базовая окружность , основная окружность (с радиусом , равным сумме радиуса следящего устройства и радиуса базовой окружности), шаговая кривая, которая представляет собой радиальную кривую, полученную путем применения радиальные смещения от первичной окружности по всем углам и угол отделения лепестков ( LSA - угол между двумя соседними кулачками впускного и выпускного кулачков).
Базовый круг — это наименьший круг, который можно нарисовать на профиле кулачка.
Когда-то распространенным, но теперь устаревшим применением этого типа кулачков были кулачки для программирования автоматических станков. Каждое движение или операция инструмента контролировалась непосредственно одним или несколькими кулачками. Инструкции по созданию программных кулачков и данные генерации кулачков для наиболее распространенных марок станков были включены в инженерные справочники еще в современную эпоху ЧПУ . [9]
Этот тип кулачка используется во многих контроллерах простых электромеханических приборов , таких как посудомоечные и стиральные машины, для приведения в действие механических переключателей, управляющих различными частями.
Цилиндрический кулачок или цилиндрический кулачок — это кулачок, в котором толкатель движется по поверхности цилиндра. В наиболее распространенном типе толкатель движется в канавке, вырезанной на поверхности цилиндра. Эти кулачки в основном используются для преобразования вращательного движения в линейное движение, перпендикулярное оси вращения цилиндра. Цилиндр может иметь несколько канавок, вырезанных на поверхности, и приводить в движение несколько толкателей. Цилиндрические кулачки могут обеспечивать движения, которые включают более одного оборота цилиндра, и обычно обеспечивают положительное позиционирование, устраняя необходимость в пружине или другом приспособлении, удерживающем толкатель в контакте с поверхностью управления.
Приложения включают приводы станков, таких как сабельные пилы, и барабаны управления переключением передач в последовательных трансмиссиях , например, на большинстве современных мотоциклов .
Особым случаем этого кулачка является постоянный ход , при котором положение ведомого устройства линейно зависит от вращения, как в ходовом винте. Цель и детали реализации влияют на то, будет ли это приложение называться кулачком или винтовой резьбой, но в некоторых случаях номенклатура может быть неоднозначной.
Цилиндрические кулачки также можно использовать для передачи выходного сигнала на два входа, где один вход — это вращение цилиндра, а другой — положение толкателя вдоль кулачка. Выход радиален к цилиндру. Когда-то они были обычными для специальных функций в системах управления, таких как механизмы управления огнем орудий на военных кораблях [10] и механические аналоговые компьютеры. [11]
Примером цилиндрического кулачка с двумя входами может служить токарно -дублирующий станок , примером которого является токарный станок с рукояткой топора Клотца [12] , который вырезает рукоятку топора по форме, контролируемой шаблоном, действующим как кулачок для механизма токарного станка. .
Лицевой кулачок создает движение с помощью толкателя, движущегося по поверхности диска. В наиболее распространенном типе ведомый механизм перемещается в пазу, так что невыпадающий ведомый механизм осуществляет радиальное движение с положительным позиционированием без необходимости использования пружины или другого механизма для удержания ведомого механизма в контакте с поверхностью управления. Лицевой кулачок этого типа обычно имеет только один паз для толкателя на каждой стороне. В некоторых приложениях отдельный элемент, такой как шестерня, цилиндрический кулачок или другой вращающийся элемент с плоской поверхностью, может выполнять функцию торцового кулачка в дополнение к другим целям.
Лицевые кулачки могут обеспечивать повторяющееся движение с канавкой, образующей замкнутую кривую, или могут обеспечивать создание функций с помощью остановленной канавки. Кулачки, используемые для генерации функции, могут иметь канавки, для выполнения полной функции которых требуется несколько оборотов, и в этом случае функция обычно должна быть обратимой , чтобы канавка не пересекалась сама с собой, а выходное значение функции должно достаточно различаться при соответствующих вращениях. что имеется достаточно материала, разделяющего соседние сегменты канавок. Распространенной формой является кулачок с постоянным шагом, в котором смещение толкателя линейно зависит от вращения, например, спиральная пластина в спиральном патроне . Необратимые функции, требующие самопересечения канавок, могут быть реализованы с использованием толкателей специальной конструкции.
Вариант торцового кулачка обеспечивает движение параллельно оси вращения кулачка. Типичным примером является традиционный замок створки окна , в котором кулачок крепится к верхней части нижней створки, а толкатель является крючком на верхней створке. В этом приложении кулачок используется для обеспечения механического преимущества при принудительном закрытии окна, а также обеспечивает самоблокирующееся действие, как в некоторых червячных передачах , из-за трения.
Торцевые кулачки также могут использоваться для привязки одного выхода к двум входам, обычно когда один вход представляет собой вращение кулачка, а другой — радиальное положение ведомого устройства. Выход параллелен оси кулачка. Когда-то это были обычные механические аналоговые вычисления и специальные функции в системах управления. [13]
Лицевой кулачок, реализующий три выхода для одного вращательного входа, представляет собой стереофонограф , в котором относительно постоянная направляющая канавка направляет блок иглы и тонарма, действуя либо как кулисный (тонарм), либо линейный (проигрыватель с линейным отслеживанием) повторитель, и только стилус действует как повторитель для двух ортогональных выходов для представления аудиосигналов. Эти движения происходят в плоскости, радиальной к вращению пластинки и под углом 45 градусов к плоскости диска (нормально к граням канавок). Положение тонарма использовалось некоторыми проигрывателями в качестве управляющего входа, например, для выключения устройства или загрузки следующего диска в стопку, но игнорировалось в простых устройствах.
Этот тип кулачка в форме симметричного сердца используется для возврата вала, удерживающего кулачок, в заданное положение под давлением ролика. Они использовались в ранних моделях главных часов почтового отделения для синхронизации времени на часах со средним временем по Гринвичу, когда активирующий толкатель автоматически нажимался на кулачок с помощью сигнала от источника точного времени. [14]
Этот тип кулачка использовался, например, в механических часах для отсчета времени для приведения в движение механизма опережения дня ровно в полночь и состоял из толкателя, который в течение 24 часов поднимался кулачком по спиральной траектории, которая заканчивалась резким отсечкой, на которой последователь упадет и активирует дневное продвижение. Там, где требуется точность синхронизации, как в часах с синхронизацией, они обычно были изобретательно устроены так, чтобы иметь толкатель с роликовым кулачком, который поднимал падающий груз на протяжении большей части его пути почти до полной высоты и только на последней части его пути для веса. быть перехваченным и поддержанным твердым последователем с острым краем. Это гарантировало, что вес упал в определенный момент, что позволило точно рассчитать время. [15] Это было достигнуто за счет использования двух кулачков, установленных коаксиально, при этом ролик первоначально опирался на один кулачок, а последний твердый толкатель - на другой, но не контактировал с его профилем кулачка. Таким образом, роликовый кулачок первоначально нес на себе вес, пока на заключительном участке пробега профиль нероликового кулачка не поднялся больше, чем другой, в результате чего твердый толкатель принял на себя вес.
Линейный кулачок — это кулачок, в котором кулачковый элемент движется по прямой, а не вращается. Кулачковый элемент часто представляет собой пластину или блок, но может иметь любое поперечное сечение. [16] Ключевой особенностью является то, что входные данные представляют собой линейное движение, а не вращательное. Профиль кулачка может быть вырезан на одном или нескольких краях пластины или блока, может представлять собой одну или несколько прорезей или канавок на лицевой стороне элемента или даже может быть профилем поверхности для кулачка с более чем одним входом. Разработка линейного кулачка аналогична, но не идентична разработке вращающегося кулачка. [17]
Типичным примером линейного кулачка является ключ для тумблерного замка . Штифты действуют как последователи. Такое поведение иллюстрируется, когда ключ дублируется на машине для изготовления дубликатов ключей, где исходный ключ действует как управляющий кулачок для вырезания нового ключа.
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, а в традиционной китайской технологии, как правило, мало использовались непрерывно вращающиеся кулачки. [19] Тем не менее, более поздние исследования показали, что такие кулачковые механизмы действительно вращаются вокруг своей оси. [20] Аналогичным образом, более поздние исследования показывают, что кулачки использовались в молотах с водяным приводом 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 Цзинь Чжу Гун Зань и Тянь Гун Кай Ву, среди многих других записей о пестиках, приводимых в движение водой. [21] Во времена династии Тан деревянные часы внутри астрономического устройства с водяным приводом, шпоры внутри армиллярной сферы с водяным приводом, автоматический сигнал тревоги в пятиколесных часах с песочным приводом, фигурки из искусственной бумаги во вращающемся фонаре, все используемые кулачковые механизмы. [22] Китайский одометр, в котором использовался механизм колокола и гонга, также является кулачком, как описано в «Сун Ши». В книге Нонгшу вертикальное колесо ветровой коробки с водяным приводом также является кулачком. [23] Из этих примеров пестик с водяным приводом и ветровая камера с водяным приводом имеют внутри два кулачковых механизма. [24] Кулачки, которые непрерывно вращались и функционировали как неотъемлемые элементы машин, были встроены в эллинистические водные автоматы III века до нашей эры. [25] Кулачок и распределительный вал позже появились в механизмах Аль-Джазари и Шуштари, которые использовали их в своих автоматах, описанных в 1206 году. [26] Кулачок и распределительный вал появились в европейских механизмах с 14 века. [27] Уолдо Дж. Келли из компании Electrical Apparatus Company запатентовал регулируемый кулачок [28] в США в 1956 году для его использования в машиностроении и вооружении.
Вращающаяся или скользящая деталь (например, эксцентриковое колесо или цилиндр неправильной формы) в механическом соединении, используемом, в частности, для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение или наоборот.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )