Вращение и кулачковый механизм

Работа большинства созданных человеком механизмов основана на энергии вращения. Иногда, наблюдая со стороны за функционированием какой-либо машины (в данном случае имеется ввиду не автомобиль, а механизм), может показаться, что никакого вращения нет, однако часто первое впечатление обманчиво. Дело в том, что многие машины используют различные технические решения, позволяющие преобразовывать исходный характер движения в другой его вид. Один из наиболее ярких примеров – это кулачковый механизм. С его помощью становится возможным «получить» из вращательного движения поступательное или качательное. Где именно нам может встретиться кулачковый механизм?

Неочевидные факты

Наверняка, в каждой семье среди необходимых инструментов есть электрическая дрель ударного действия: на ее корпусе есть специальный переключатель, позволяющий выбирать режим работы – только вращение сверла или поступательно-возвратное смещение вместе с вращением. В первом случае вопросов не возникает: электродвигатель через вал и редуктор передает часть своих оборотов сверлу. Но что происходит, когда включается режим перфорирования? Ничего сложного нет – просто вступает в действие кулачковый механизм, преобразующий часть вращательного момента в горизонтальное смещение. Подобное решение используется во многих инструментах и бытовых приборах. Также без подобных механизмов было бы невозможно существование двигателей внутреннего сгорания в их классическом виде.

Простота конструкции и низкая стоимость – вот основные преимущества подобных механических преобразователей. При этом есть и недостаток – если на исполнительный механизм оказывается чрезмерное давление (сопротивление движению), то возможно повреждение элементов. Например, чтобы поломать дрель ударного действия, достаточно при сверлении отверстия слишком сильно прижимать сверло к поверхности, фактически, блокируя поступательное его движение.

От примеров к практике

Кулачковый механизм представляет собой одну из разновидностей кинематической пары, состоящей всего из двух звеньев (наличие стойки подразумевается) – толкателя и кулачка. Поверхность последнего, по которой происходит скольжение, выполнена профилированной, что позволяет передавать импульс движения сопряженному с ним толкателю. Кулачки могут быть самой разнообразной формы: плоской, сферической, цилиндрической, сложной пространственной конфигурации и пр. Таким образом, возможно разделение всего на две обобщающие группы – пространственные и плоские.

Рассмотрим, как устроены простейшие кулачковые механизмы плоского типа. Выходное звено может двигаться как поступательно (ползун), так и поворачиваться (коромысло). Сторона звена, соприкасающаяся с кулачком, для снижения износа может быть выполнена в виде плоскости, полусферы, острия или снабжена роликом.

В случае ползуна кулачок с сечением яйцеобразной формы вращается вокруг своей оси. Так как форма отлична от круга, то в вершинах толкатель с роликом приподнимаются, совершая поступательное движение по направляющим. Спад вершины – и ролик идет вниз, возвращая звено назад. Конструкция с коромыслом лишена направляющего устройства, поэтому ролик полностью «прокатывается» по кулачку, что заставляет звено смещаться в соответствии с осью вращения.

Надежная работа кулачковых механизмов возможна только при надежном соприкосновении толкателя и самого кулачка. Для решения этого вопроса используют несколько подходов: выходное звено выполняют подпружиненным; в самом теле вращающейся части делают паз, в котором фиксируют ролик толкателя. Сама выемка может позволять ролику прокатываться, а не фиксировать его в одной точке.

Синтез кулачкового механизма необходим для точного подбора требуемых техпроцессом параметров. Вначале создается структурная часть схемы, где учитывается количество кинематических пар, звеньев, их степени свободы, виды связей. Следующий этап – метрика. В зависимости от требуемых параметров подбираются размеры всех основных элементов. При этом учитывается наиболее рациональная форма кулачка, усилие в вершинах, расход материала на создание конструкции.