Министерствообщего и профессиональногообразования
РоссийскойФедерации
Московскийгосударственныйтехнический
университетим. Н.Э. Баумана
Утверждено
редсоветомМГТУ
как учебноепособие
ПРОЕКТИРОВАНИЕКУЛАЧКОВЫХМЕХАНИЗМОВ
Учебноепособие длякурсовогопроектированияпо теории механизмов и механикемашин
Москва 1998
Министерствообщего и профессиональногообразования
РоссийскойФедерации
Московскийгосударственныйтехнический
университетим. Н.Э. Баумана
Утверждено
редсоветомМГТУ
как учебноепособие
ПРОЕКТИРОВАНИЕКУЛАЧКОВЫХМЕХАНИЗМОВ
Учебноепособие длякурсовогопроектированияпо теории механизмов и механикемашин
Под редакциейС.А. Попова
_________________________________________________________________
Москва 1998
Настоящееучебное пособиеиздается всоответствиис заказомиздательстваМГТУ им. Н.Э.Баумана. Рассмотренои одобренокафедрой «Теориямеханизмови машин», методическойкомиссиейфакультета«РК» и учебно-методическимобъединением.
Рецензентд.т.н., проф. ПлахтинВ.Д.
Авторы: Г.А.Тимофеев, М.В.Самойлова
г Московскийгосударственныйтехническийуниверситет
им. Н. Э. Баумана
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.......................................................................................................3
Исходныеданные, основныетребованияи
этапы проектирования...............................................................................4
2. Выбор законадвижения толкателя..........................................................7
3. Определениекинематическихпередаточныхфункций
кулачковогомеханизма...........................................................................13
4. Определениеосновных размеровкулачковогомеханизма
из условияограниченияугла давления..................................................20
5. Определениекоординатпрофиля кулачка.............................................29
6. Описаниепрограммырасчета кулачковогомеханизма
на ЭВМ.....................................................................................................32
7. Проектированиекулачковыхмеханизмовграфическим
методом.....................................................................................................36
8.Рекомендуемаяпоследовательностьпроектирования
кулачковогомеханизма............................................................................46
Литература...................................................................................................47
Введение
Кулачковыемеханизмы -плоские илипространственныемеханизмы содной высшейкинематическойпарой, выполняющиесамые разныефункции, получившиеширокое распространениев механизмахперемещениярабочих органовразличныхмашин-автоматов,в устройствахподачи станков,механизмахгазораспределениядвигателейвнутреннегосгорания и вомногих другихслучаях, когдатребуетсяполучить возвратно-вращательноеили возвратно-поступательноедвижение ведомогозвена по заданномузакону. Воспроизведениедвижения ведомогозвена (толкателя)кулачковыемеханизмыосуществляюттеоретическиточно. Их ведущеезвено называетсякулачком.
Кулачковыймеханизм, вбольшинствеслучаев, являетсясоставнойчастью проектируемоймашины. Он можетиспользоватьсякак основной,но чаще являетсявспомогательныммеханизмомдля выполнениятехнологическойоперации,последовательностьи продолжительностькоторой согласуетсяс движениемзвеньев основногомеханизма.
Поэтомупроектированиекулачковыхмеханизмоввыполняетсяпосле того, какпредварительнонамечена общаякомпоновкамашины, спроектированыее рабочиеорганы, установленапродолжительностьи последовательностьвыполненияэлементовдвижения ведомогозвена кулачковогомеханизма,выбран закондвижения.
Проектированиекулачковогомеханизмазаключаетсяв определениивзаимногорасположенияведущего звена(кулачка), ведомогозвена (толкателя)и координатпрофиля кулачка,обеспечивающихзаданный закондвижения толкателя.При этом должныбыть удовлетвореннытребования,определяющиесятехнологическимпроцессом иэксплуатационнымипоказателямимеханизма. Этитребованияотражаютсяв исходныхданных дляпроектирования.
Проектноерешение оцениваетсякомплексомпоказателей,таких как, размеры,взаимозаменяемостьдеталей, ихпрочность,долговечность,стоимость ит.д. Получитьрешение, в которомвсе эти показателиявляютсяоптимальными,невозможно.Поэтому оптимизируютодин или несколькопоказателейс обеспечениемвыполненияограниченийпо остальнымпоказателям.Применениесистемы автоматизированныхрасчетов курсовогопроектирования[1]позволяетрассматриватьпри проектированиимноговариантныерешения и выбиратьнаилучшийвариант конструкции.
В данномучебном пособиирассмотренаметодикапроектированиякулачковыхмеханизмовс оптимизациейпо габаритам.Дополнительноеусловие синтеза- обеспечениедопустимыхуглов давленияна входноезвено во всехположенияхмеханизма, т.е.обеспечениеотсутствиязаклиниваниякулачковогомеханизма.Наряду с аналитическимметодом, реализованнымна ЭВМ в диалоговомрежиме, даетсяи графический.
1. Исходныеданные, основныетребованияи этапы проектирования
В комплексныхзаданиях накурсовой проект(работу) содержатсяследующиеисходные данные:
Структурнаясхема кулачковогомеханизма,показывающаяхарактервзаимосвязейзвеньев и ихотносительноерасположение,тип кулачка,вид толкателяи характер егодвижения.Ведущимзвеном в кулачковоммеханизме(рис. 1, 2) является дисковый кулачок1, ведомым - толкатель2, снабженныйроликом 3. Толкательможет совершатьпоступательное(рис. 1) или вращательное(рис. 2) движение.
Максимальноеперемещениетолкателя -ход толкателяh(рис. 1, 2) или уголповорота толкателяb (рис.2)
Рис.1Рис.2
Длина толкателя
Фазовые углы:уголрабочего профилякулачка
Закон движениятолкателя ввиде графикаизмененияускорениятолкателя взависимостиот угла поворотакулачка. Закондвиженияопределяетсяконкретнойтехнологическойоперацией, длявыполнениякоторой предназначенпроектируемыймеханизм.
Допустимыйугол давления[J].
Направлениевращения кулачкаи частота еговращения вс-1.
При проектированиикулачковыхмеханизмовнеобходимособлюдатьследующиеосновные требования:
проектируемыймеханизм долженобеспечиватьзаданный закондвижения;
механизмдолжен иметьнаименьшиегабариты придостаточнойнадежностиработы;
детали,составляющиемеханизм, должныбыть технологичными,а их сборка -простой.
Проектированиекулачковогомеханизмаделится на триосновных этапа:
Определениекинематическихпередаточныхфункций, характеризующихизменениеускорения,скорости иперемещениятолкателя, вфункции времениили угла поворотакулачка.
Определениеосновных размеровкулачковогомеханизма -минимальногорадиуса кулачка
Определениекоординатпрофиля кулачка.
Проектирование кулачковогомеханизма можетбыть выполненографическимметодом либопо аналитическимзависимостямс применениемЭВМ. В учебныхцелях при выполнениикурсовогопроекта используютсочетаниеграфическихметодов определенияпараметровкулачковогомеханизма санализомматематическихмоделей и выполнениемрасчетов наЭВМ.
Применениеграфическогометода позволяетпредварительноизучить алгоритмреализациипоставленнойзадачи, выявитьсвязи междуотдельнымипараметрамии сформироватьматематическуюмодель длясоставленияпрограммырасчета на ЭВМ.В итоге расчетовна ЭВМ студентполучает таблицурезультатов,которые емуследует проанализироватьи сравнить срезультатамиграфическихпостроенийи вычислений.
Выбор законадвижения толкателя
При проектированиипрофиля кулачкаобычно задаютсязаконом движениятолкателя.Выбор законадвиженияопределяетсяглавным образомтеми требованиями,которые предъявляеттехнологическийпроцесс к движениютолкателя. Вкачестве требуемогозакона движенияможно принятьопределенныйтип кривойперемещения,скорости илиускорения.Динамика кулачковыхмеханизмовв основномопределяетсязаконами измененияускорений (таккак с ускорениямитолкателясвязаны пропорциональныеим и массе толкателясилы инерции,учитыватькоторые приходитьсяпри расчетезамыкающихпружин, приопределениинапряженийв деталях механизмаи т.д.), поэтомуобычно в качествазакона движениятолкателязадаются кривой(или уравнением)относительныхускоренийтолкателя.Технологическиесоображенияв большинствеслучаев заставляютобращатьсяк сложным законамдвижения.
В табл. 1...5 приведенынекоторыезаконы движениятолкателя,представленныев виде безразмерныхкоэффициентовотносительныхзначений ускорений
Кинематическиехарактеристикикулачковогомеханизма призадании функцийчерез безразмерныекоэффициентымогут бытьпредставленына фазе удаленияв следующемвиде:
перемещениетолкателя -
кинематическаяпередаточнаяфункция скороститолкателя -
кинематическаяпередаточнаяфункция ускорениятолкателя
Связь междукинематическимипараметрамитолкателя -ускорением
где Т -время одногооборота кулачка.
Так как законизмененияскорости кулачканеизвестен,приведенныезависимостинельзя использоватьнепосредственно,но их можновыразить черезкинематическиепередаточныефункции, которыене зависят отвремени:
При расчетеразмеров икоординатпрофиля кулачкакулачковогомеханизмаопределяющимиявляются ходтолкателя, уголрабочего профилякулачка ифункциональнаязависимостьускорения(относительногоускорения)толкателя отугла поворотакулачка. Еслизадать этузависимостьв аналитическойформе, то последующиминтегрированиеммогут бытьполучены зависимостикинематическойпередаточнойфункции скоростии перемещениятолкателя.
Любую непрерывнуюдифференцируемуюфункцию вида
(1)- полиномиальноеразложение;
(2)- разложениев тригонометрическийряд;
Двойноеинтегрированиевыражений (1) и(2) позволяетполучить
где С1, С2 -константыинтегрирования.
Если предположитьчто
В программеQULреализованалгоритм, вычисляющийзначения первогои второго интегралаотносительногоускорениятолкателя дляопределенияуглов поворотакулачка. Следуетзаметить что
где
Так что функция
Чтобы избежатьнеопределенностив задании функции
Точностьинтегрированияопределяетсяне шагом поуглу поворота,а точностьюзадания функциина участке,т.е. величиной
Если исходнаяфункция заданнав виде графикаили таблицызначений, торешение получаютпри помощичисленных илиграфическихметодов. Дляопределенияпередаточнойфункции скороститолкателяинтегрируютзаданную функциюускорениятолкателя,интегрируяполученнуюфункцию скорости,находят функциюперемещениятолкателя.Обычно применяетсячисленноеинтегрированиеметодом трапецийпо формулам:
где -
N- числоравноотстоящихточек, в которыхзаданны значенияпеременной.
Примечание:
В течениецикла движениятолкателькулачковогомеханизмадолжен переместитьсяиз начальногоположения навеличину ходаh, а затемвозвратитьсяв исходноеположение, тоесть перемещениетолкателя нафазе удаленияравно перемещениюна фазе сближения.Следовательно,график кинематическойпередаточнойфункции скоростидолжен удовлетворятьусловию:
где jсо-угловаякоординатаначальной точкифазы сближения.
Скоростьи кинематическаяпередаточнаяфункция скороститолкателя нафазах ближнегои дальнеговыстоя равнынулю. Чтобы этиусловия выполнялисьнеобходимовыполнитьсоотношения
где jyp- угловоеперемещениепри разгонена фазе удаления;
jср- угловоеперемещениепри разгонена фазе сближения;
jст= jраб- (jсо+ jср)- угловоеперемещениепри торможениина фазе сближения.
Эти условиянеобходимоучитывать припостроениибезразмерныхграфиков передаточнойфункции скоростии передаточнойфункции ускорения,выравниваясоответствующиеуказанныминтеграламплощади надосью абсцисси под ней.
При работенад листомпроекта сиспользованиемграфическогоинтегрирования(рис. 3) все триграфика располагаютодин под другимна одинаковойбазе по осиабсцисс, которуюудобно выбиратьв пределах150...240 мм. Графикскорости
Масштабвремени, мм/ c
Масштабперемещений,мм/ м
Масштабскорости, мм/ мс-1
Масштабускорений, мм/ мс-2
где
Рис.3
Если в заданиина проект значениеугловой скоростиили частотывращения кулачкане заданы , томожно интегрироватьзаданный графикпо углу поворотакулачка
Масштаб углаповорота, мм/ рад
Масштабпередаточнойфункции
скорости,мм/ м рад-1,
Масштабпередаточнойфункции
ускорения,мм/ м рад-2,
где
К1,К2 -отрезки интегрирования,мм.
В массиве
4. Определениеосновных размеровкулачковогомеханизма изусловия ограниченияугла давления
При выбореосновных размеровкулачковогомеханизма -минимальногорадиуса кулачка
Рис. 4
Углом давленияназываетсяугол междувектором силы,действующимна ведомоезвено со стороныведущего звена,и векторомскорости точкиприложенияэтой силы. Связьугла давленияс характеромдвижения звеньеввысшей кинематическойпары и основнымиразмерамимеханизма можетбыть установленас использованиемрис. 4 . Угол давлениязаключен междунаправлениемвектора силыF,действующейсо стороныкулачка натолкатель понормали nn,проведеннойв точке касаниязвеньев, инаправлениемвектора скороститочки В-VB,принадлежащейтолкателю,перпендикулярноготолкателю. УголCO1Dравенуглу давления , и
Из подобиятреугольникаплана скоростейи треугольникаBO1D
После подстановкизначений отрезковзависимостьмежду угломдавления икинематическимипараметрамимеханизмаприобрететвид:
где
В случае,когда толкательсовершаетпрямолинейно-поступательноедвижение, выражениедля определенияугла давленияимеет вид [2]:
где
Величины
Ji [J].
Ранее былопоказано, чтоотрезокBD(рис. 4)изображаетв масштабе mSпередаточнуюфункцию скороститочкиВ .ПерпендикуляркBD,проведенныйчерез конецэтого отрезка(точкаD),составляетс прямой, проходящейчерез точкуDи центр вращениякулачка О1,угол давленияJ.Следовательно,если известноположение осивращения кулачка,не имея профилякулачка, можноопределитьугол давленияв различныхточкахi,построив дляних отрезки,изображающие
При проектированиимеханизма,когда положениеоси вращениянеизвестно,требуетсявыбрать еготаким образом,чтобы любоеиз текущихзначенийJiне превышалодопустимыхзначений[J].Для этого следуетпостроитьзависимость
Очевидно,что для механизмас поступательноперемещающимсятолкателем,максимальныеуглы давления,как правилосоответствуютхарактернымточкам фазовогопортрета
Рис 5
Для механизмас качающимсятолкателемцелесообразносделать аналогичныепостроения.
Такая геометрическаяинтерпретацияограниченияпо углу давленияпозволяетполучитьаналитическиевыражения дляопределенияосновных размеровмеханизма-
Для механизмас качающимсятолкателемперемещениям
Из треугольникаO2knв которомизвестны длиныдвух сторон:
Рис. 6
В треугольникеО1knопределяютсяуглы и сторонаО1kпо теоремесинусов:
Межосевоерасстояниеопределяетсяиз треугольникаO1kO2по теоремекосинусов:
Угол междумежосевойлинией и ближнимположениемтолкателяопределяетсяиз треугольникаO1kO2по теоремесинусов:
Радиус начальнойокружностикулачка определяетсяиз треугольникаO1B0O2по теоремекосинусов:
Расчетныесоотношениядля определенияразмеров кулачковогомеханизма споступательноперемещающимсятолкателем,получаемыес использованиемрис. 6бимеют вид:
Смещениеоси толкателяотносительнооси вращениякулачка
Координатаближней точкитолкателя
Радиус начальнойокружностикулачка
При жесткихограниченияхна габаритныеразмеры механизмапринимают вовнимание, чтоопасностьзаклиниваниятолкателя присиловом замыканиикинематическойпары характернатолько для фазыудаления, таккак на фазесближениятолкательдвижется поддействием силыупругостипружины. Этопозволяетрасширитьграницы ОДРдля положенияоси вращениякулачка O1с учетомдопустимогоугла давления,когда при работемеханизмареверсивноедвижение кулачкане предусмотрено(кулачоквращаетсятолько по часовойстрелке либотолькопротив).В таком случаена фазе сближенияограничениепо углу давленияне вводитсяили допустимыйугол давленияна фазе сближенияпринимаетсязначительнобольшим, чемна фазе удаления.
На рис.7показано несколькоОДР для механизмас поступательнодвижущимсятолкателем:
ОДР- направлениевращения кулачкареверсивное,допустимыеуглы давленияпри удалениии сближенииодинаковы;
Рис. 7
ОДР1- направлениевращения кулачкареверсивное,значения допустимыхуглов давленияна фазе удаленияи сближенияразличны;
ОДР2- кулачоквращаетсятолько противчасовой стрелки,предельноезначение угладавления присближении нерегламентировано;
ОДР3- кулачоквращаетсятолько по часовойстрелке, предельноезначение угладавления присближении нерегламентировано;
ОДР4- вращениекулачка реверсивное,смещение направляющейотносительнооси вращениякулачка недопускается(
Требования,предъявляемыек работе кулачковогомеханизма,определяютсоответствующуюОДР, а следовательно,габаритныеразмеры,
5.Определениекоординатпрофиля кулачка
Координатыточек профилякулачка в программедля ЭВМ рассчитываютсяв полярной rO1yи декартовойХO1Yсистемах координат.Начало координатсовпадаетс центром вращениякулачка, полярнаяось или осьабсцисс проходитчерез начальнуюточку В0на профилекулачка.
Расчетныеформулы дляопределенияпараметровкулачка с вращающимсятолкателемполучаютсяиз схемы, изображеннойна рис. 8.Полярные координаты- текущеезначение радиусацентровогопрофиля кулачка
где
Рис.8
Координатыточки Впрофиля кулачкав декартовойсистеме
Текущиезначения угловдавления
Координатыцентровогопрофиля кулачкас поступательноперемещающимсятолкателемопределяютсяпо формулам,выведеннымпо расчетнойсхеме, показаннойна рис. 9.
Рис.9
Текущеезначение радиусацентровогопрофиля
где
Наибольшийрадиус кулачка
где h- максимальноезначение перемещениятолкателя.
Координатыцентровогопрофиля кулачкав декартовойсистеме координат
Текущиезначения угладавления
6. Описаниепрограммырасчета кулачковогомеханизма наЭВМ
В соответствиис изложеннойвыше методикойсоставленапрограмма QULдля расчетаразмеров кулачковогомеханизма икоординатпрофиля кулачкана ЭВМ Программапозволяетвыполнятьпроектированиемеханизмовс вращающимсяипоступательноперемещающимсятолкателемпри любом направлениивращения кулачка.Блок-схемапрограммыпоказана нарис. 10.
Переченьисходных данныхв порядке ихввода, обозначенияи идентификаторыприводятсяниже:
1. Вариантзадания напроект - ВАР
2. Ходтолкателя, м h Н
3. Уголрабочего профилякулачка, град j1P FIR
Число точек,задаваемыхдля описанияграфика
передаточнойфункции ускорениятолкателя - N
5. Допустимыйугол давления,град [J] UTD
Число точекразрыва передаточнойфункции
ускорениятолкателя - NR
Длина коромысловоготолкателя, м
или внеосностьтолкателя , м
Идентификаторнаправлениявращения кулачка - WR
Массив значений,описывающихграфик
передаточнойфункции ускорения
10. Массив,содержащийномера точекразрыва - NAQ
и значенияфункции справаот точек разрыва
Если в исходныхданных заданадлина коромысловоготолкателя, торассчитываютсямежосевоерасстояние,минимальныйрадиус и координатыцентра вращениякулачка, координатыцентровогопрофиля кулачкав декартовыхи полярныхкоординатах,углы давления.
Если в исходныхданных не заданадлина толкателя(
Направлениевращения кулачказадаетсяидентификаторомWR: при вращениипо часовойстрелке WR=1, против- WR=-1, при реверсивномдвижении WR=0.
При вводеисходных данныхзаданный графикускоренийдолжен бытьдостаточноточно описанмассивом переменных
Если графикфункции ускоренияимеет точкиразрыва, тофункция в этихточках должнабыть описанаособо: кромезначения функциислева от точкиразрыва
АQ(i): 35.0;30.0; 25,0; -12,5; -15.0; -17.5; -20,0; 0,0; -17,5; -15,0:
-12,5; -10,0; 30,0; 35,0.
NAQ(J), AQR(J): 2;-10,0; 6; 0,0; 7; -20,0: 11; 25,0.
В таблицерезультатоввначале печатаютсяисходные данные,характерныепараметрыфазового портрета
Проектирование ведется впоследовательности,которая указанав разделе 1.
1.Построениекинематическихдиаграмм методомграфическогоинтегрирования.
Построениеначинают сзаданногографика кинематическойпередаточнойфункции ускорения(рис. 3а,11а). По оси абсциссоткладываютфазовые углы j1У+ j1Д+ j1С= jР
Масштаб пооси jвычисляют поформуле
где j1P- угол рабочегопрофиля, град.,
b- база графиков,мм.
Максимальноезначение ординатыграфика на фазеудаления
Методомграфическогоинтегрированиястроят графиккинематическойпередаточнойфункции скороститолкателя. Дляэтого на продолженииоси j1графика
Таблица 6.
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА КУЛАЧКОВОГОМЕХАНИЗМА СКАЧАЮЩИМСЯТОЛКАТЕЛЕМ
ВАРИАНТ А
ИСХОДНЫЕДАННЫЕ:Н=.020 FIR=130.0 WR=0 UTD=30.0 L2=.030
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА: RO=.0533 A=.0716
FIK=30.0 VQK=.026 SK=.008
FIN=100 VQN=-.036 SN=.013
I | FI1 | AQ | VQ | S |
0 | .0 | 15.000 | .000 | .000 |
1 | 10.0 | 13.000 | .011 | .000 |
2 | 20.0 | 10.000 | .020 | .004 |
3 | 30.0 | 3.000 | .026 | .008 |
4 | 40.0 | -3.000 | .026 | .012 |
5 | 50.0 | -10.000 | .020 | .016 |
6 | 60.0 | -13.000 | .011 | .019 |
7 | 70.0 | -15.000 | .000 | .020 |
8 | 80.0 | .000 | .000 | .020 |
9 | 90.0 | -25.000 | -.022 | .018 |
10 | 100.0 | -10.000 | -.036 | .013 |
11 | 110.0 | 10.000 | -.036 | .007 |
12 | 120.0 | 25.000 | -.022 | .002 |
13 | 130.0 | 30.000 | .000 | .000 |
I | PSI | R | XB | YB | TET |
0 | 0. | .0533 | .0533 | .0000 | 25.6664 |
1 | 10.4 | .0542 | .0533 | -.0098 | 33.3188 |
2 | 21.4 | .0568 | .0529 | -.0207 | 34.3708 |
3 | 32.3 | .0607 | .0513 | -.0324 | 30.0000 |
4 | 42.6 | .0652 | .0480 | -.0441 | 21.2215 |
5 | 52.3 | .0692 | .0423 | -.0548 | 9.2179 |
6 | 61.9 | .0719 | .0338 | -.0635 | -3.6515 |
7 | 71.8 | .0729 | .0228 | -.0692 | -14.2965 |
8 | 81.8 | .0729 | .0104 | -.0721 | -14.2963 |
9 | 92.1 | .0710 | -.0026 | -.0710 | -27.0112 |
10 | 102.6 | .0660 | -.0144 | -.0644 | -30.0000 |
11 | 112.1 | .0597 | -.0225 | -.0553 | -23.0417 |
12 | 120.7 | .0548 | -.0280 | -.0472 | -1.8520 |
13 | 129.7 | .0531 | -.0340 | -.0407 | 26.3327 |
средниезначения ординатна каждомшаге проецируютна ось ординати полученныеточки соединяютс концом выбранногоотрезка интегрирования.
Лучи, выходящиеиз точки концаотрезка интегрированияK1,характеризуютсяуглами наклона,которые равныуглам наклонакасательных,проведенныхв соответствующихточках к искомойинтегральнойкривойVqB(j1).КривуюVqB(j1)строят, проводяна каждом интервалеотрезок, параллельныйсоответствующемулучу исходногографика
Вычисляютмасштабы поосям ординатпостроенныхграфиков
2.Определениеосновных размеровкулачковогомеханизма.
Основныеразмеры механизмаопределяютс помощью фазовогопортрета,представляющегособой зависимостьSB(VqB).Масштабы, выбранныепо оси
От полученныхточек откладываютотрезки кинематическихпередаточныхфункций выбранноммасштабе,соответственноперпендикулярнолинии перемещениятолкателя ивдоль толкателя.
Длины отрезков,изображающихкинематическиепередаточныефункции скороститолкателя ,вычисляют поформуле
Для определениянаправлениявектора передаточнойфункции скоростиследует векторскорости толкателяповернуть на90° в сторонувращения кулачка.При этом значениепередаточнойфункции считаетсяположительнымпри удалениитолкателя иотрицательнымпри сближении.
Для удобствапостроенияфазового портретазначения следуетсвести в таблицу7.
Таблица 7
Номер позиции | ||||
Величина | 1 | 2 | 3 | ... |
YV,мм | ||||
m’s/ mVЧw1=KVq величинапостоянная | ||||
XVq= KVqYV,мм |
Фазовыйпортрет длямеханизма споступательнодвижущимсятолкателемможно построитьи методомграфическогоисключенияпараметраj1из диаграммSB(j1),VqB(j1).Для этого проводятвертикальнуюпрямую- ось SBграфика SB(VqB)(рис. 11б), продолжаютось j1графикаVqB(j1)до пересеченияс осьюSB,через полученнуюточку пересеченияпроводят прямуюпод угломq= arctg(mqv/ ms)к горизонталитаким образом,чтобы при дальнейшемпостроениинаправлениевектора передаточнойфункции соответствовалонаправлениювращения кулачка.Фазовый портретстроят по точкам.Для выбраннойпозиции проводятчерез точкуграфика VqB(j1)горизонтальдо пересеченияс прямой, проведеннойпод угломq,и через полученнуюточку- вертикаль.Через точкуграфика SB(j1)в той же позициипроводятгоризонтальнуюпрямую до пересеченияс построеннойвертикалью.Точка пересечения- точкаграфикаSB(VqB)в выбраннойпозиции. Аналогичнополучают всеостальные точкиграфика, которыесоединяютплавной кривой.
.
Рис.12
Если реверсивноедвижение кулачкане предусмотренои значенияуглов давленияна фазе сближенияне заданы, достаточнопостроитьтолько однуветвь фазовогопортрета,соответствующуюудалению толкателя.
Фазовыйпортрет длямеханизма споступательноперемещающимсятолкателемограничиваютв характерныхточках лучами,которые проводятпод заданнымидопустимымиуглами давленияк перпендикулярам,восстановленнымв этих точкахк векторамкинематическихпередаточныхотношений.
На фазовомпортрете механизмас качающимсятолкателемлучи проводятв каждомположении.Внутриограниченнойлучами областидопустимыхрешений выбираютположение осивращения кулачкаO1и определяютискомые размерыкулачковогомеханизма
3. Построениепрофиля кулачка.
При графическомпостроениипрофиля кулачкаприменяют методобращениядвижения: всемзвеньям механизмаусловно сообщаютугловую скорость,равную- w1.При этомкулачок становитсянеподвижным,а остальныезвенья вращаютсяс угловой скоростью,равной, нопротивоположнойпо направлениюугловой скоростикулачка.
При построениипрофиля кулачкас внеоснымпоступательнодвижущимсятолкателем(рис.13),из центраO1проводят окружностирадиусами
Рис. 13
При построениипрофиля кулачкас качающимсятолкателем(рис.14) из центраO1проводятв масштабе mlокружностирадиусами
Рис. 14
Дугу, соответствующуюуглу j1Pделят на частив соответствиис делением осиj1на графикеSB(j1).Из точек O20,O21,O22,...проводят дугирадиусом
RP= (0,25-0,4) r0;или RP 0,8rmin,
где rmin- минимальныйрадиус кривизныцентровогопрофиля кулачка.
Для полученияконструктивного(рабочего) профилякулачка строятэквидистантныйпрофиль, отстоящийот центровогона величинурадиуса ролика.Он получаетсякак огибающаяк дугам, проведеннымиз произвольныхточек центровогопрофиля радиусомролика (рис 15,16).
Если технологияизготовлениякулачка предусматриваетиспользованиедуг окружностей,то найденныйконструктивныйпрофиль следуетзаменить профилем,составленнымиз дуг окружностей.Дуги окружностейдолжны соответствоватьполученномупрофилю в пределахтребуемойточности построений.
При такойзамене следуетпомнить, чтокулачок с профилем,составленнымиз дуг окружностей,всегда даетступенчатыйграфик ускорений,а график скоростивсегда получаетсяс изломом итолько графикперемещенийможет бытьплавным. Этоследует учитыватьпри выборечисла заменяющихдуг окружностей.
Иногда вкулачковыхмеханизмахпо технологическимсоображениямрабочая поверхностьведомого звена(толкателя)выполняетсяплоской. Привращательномдвижении кулачкаиспользованиеплоских толкателейвозможно лишьв тех случаях,когда радиускривизнытеоретическогопрофиля неменяет своегознака, т.е. неимеет вогнутыхучастков [5].
Кроме плоскихкулачковыхмеханизмов,в практикемашиностроенияи приборостроения,используютсяи пространственныекулачковыемеханизмы.Примеромпространственныхкулачков могутслужить кулачкибарабанноготипа, широкоприменяемыев автоматах.На поверхностикулачка, выполненногов виде цилиндра,конуса илигиперболоидавращения, имеетсяпаз для роликатолкателя. Всчетно-решающихустройствахупотребляютсяпространственныекулачки-коноидыс двумя независимымиперемещениями[4].Соответствующаярабочая поверхностьтакого коноидапозволяетмеханическиосуществлятьтребуемуюзависимостьугла поворотатолкателя какфункцию двухаргументов.Алгоритмырасчетов методыпроектированиятаких кулачковыхмеханизмовприводятсяв [2,3,5].
8 Рекомендуемаяпоследовательностьпроектированиякулачковогомеханизма
1. После ознакомленияс заданием накурсовой проекти условиямиработы машинногоагрегата необходимоподготовитьисходные данные,ознакомитьсяс программойрасчета кулачковыхмеханизмовQUL*и выполнитьрасчет кулачковогомеханизма наЭВМ.
2. Вычертитьна листе графикизмененияускорениятолкателя.Методомграфическогоинтегрированияпостроитьграфики кинематическойпередаточнойфункции скоростии перемещениятолкателя.Результатысопоставитьс результатамирасчета на ЭВМ.
3. На фазовойплоскостипостроитьфазовый портретдля рассматриваемойсхемы механизма.ОпределитьОДР для заданныхусловий работыкулачковогомеханизма ивыбрать в этойобласти положениеоси вращениякулачка. Сопоставитьвыбранныеразмеры с полученнымив результатерасчета на ЭВМ.
4. Построитьпрофиль кулачкапо результатамрасчетов наЭВМ и показатьметодику определениякоординатнесколькихточек графическимипостроениями(рис 15,16).
5. Построитьграфик измененияугла давленияв функции углаповорота кулачка.На профилекулачка показатьположения смаксимальными минимальнымуглами давленияи сравнить ихс допустимымиуглами давления(рис 15,16).
Оформитьрасчетно-пояснительнуюзаписку поразделу «Проектированиекулачковогомеханизма,отразив в нейалгоритм расчета,последовательностьпостроенийи приложивтаблицу результатоврасчетов наЭВМ.
*ПрограммаQULразработанаи отлаженаТимофеевымГ.А. и СиницынымВ.В. совместно,но из-за ограниченностиобъема в пособиине приводится.
ЛИТЕРАТУРА
Теория механизмови механикамашин,- М.:Высшая школа,
1998. - 496 с.
Попов С.А.Курсовоепроектированиепо теории механизмови механикемашин. - М.:Высшая школа,1986. - 294 с.
3. Элементыприборныхустройств.Курсовоепроектирование.
Часть 1. Расчеты/ под ред.О.Ф. Тищенко. -М.:Высшая школа,
- 327 с.
4.КожевниковС.Н., ЕсиненкоЯ. И., Раскин Я.М. Механизмы.
Справочноепособие /Под ред.С. Н. Кожевникова.- М.:
Машиностроение,1976. - 784 с.
ЛитвинФ.Л. Проектированиемеханизмови деталей приборов.
Л.:Машиностроение,1973. - 696 с.
ПоповС.А., ТимофеевГ.А. Проектированиекулачковых
механизмовс использованиемЭЦВМ. - М.:МВТУ, 1982. - 47 с.
Таблица1
Движениетолкателя смягкимиударами и постояннымускорением
№ вариантаи наименование | График ускоренияна фазе удалениятолкателя | Числовыезначениякоэффициента¦І(К) | |
графика | Ку | ¦І(К)= | |
прямоугольный симметричный | n n 0 n | 0 ... 5 0.5 ... | |
прямоугольный несимметричный | n n Ky1 0.5 1 Ky 0 n | 0 ... Ку1 Ку1... 1 | |
прямоугольныйсимметричный снулевым участком | n n 0 n | 0 ... Ку1 Ку1..0.5
Ку2..1 | 0 0 |
прямоугольный несимметричный с нулевым участком | n n Ку1 0.5 1 Ку 0 Ку2 n | 0 ... Ку1 Ку1..Ку2 Ку2..1 | 0 |
Таблица2
Движениетолкателя смягкимиударами икосинусоидальнымускорением
№ вариантаи наименование | График ускоренияна фазе удалениятолкателя | Числовыезначениякоэффициента¦І(К) | |
графика | Ку | ¦І(К)= | |
5 косинусоидаль-ный симметричный | | 0 0 ... 1 | |
косинусоидаль- ный несимметричный | | 0 0...Ky1 Ку1... 1 | |
косинусоидаль- ный с нулевымучастком | n n Ку1 0.5 Ку2 1 Ky 0 n | 0 0 ... Ку1 Ку1... Ку2 Ку2..1 | 0 |
Таблица3
Движениетолкателя смягкимиударами иравноубывающимускорением
№ вариантаи наименование | Графикускоренияна фазе удалениятолкателя | Числовыезначениякоэффициента¦І(К) | |
графика | Ку | ¦І(К)= | |
равноубывающий симметричный | n n 0 n | 0 0 ... 1 1 | |
равноубывающий несимметричный | n n Ky1 0.5 1 Ky 0 n | 0 0 ... Ку1 Ку1 Ку1... 1 1 | 0 |
прямоугольнаятрапеция | n n 0 n | 0 0 ... Ку1 Ку1..0.5
Ку2..1 | ѕ«ѕ |
прямоугольник с косинусоидой | n n Ку1 0.5 Ку2 1 Ky 0 n | 0 0 ... Ку1 Ку1...Ку2 Ку2... 1 | |
Таблица4
Безударноедвижение толкателяс синусоидальнымускорением
№ вариантаи наименование | График ускоренияна фазе удалениятолкателя | Числовыезначениякоэффициента¦І(К) | |
графика | Ку | ¦І(К)= | |
синусоидальный симметричный | n n 0.5 1 Ky 0 n | 0 0.25 0 ... 1 | 0 |
синусоидальный несимметричный | n n Ку1 0.5 n 0 | 0.5Ky1 0...Ky1 Ку1... 1 0 | |
синусоидальный с нулевымучастком | n n Ку1 0.5 Ку2 1 Ky 0 n | 0.5Ky1 0 ... Ку1 Ку1... 0.5 0.5. 1 | 0 аналогично |
Таблица5
Безударноедвижение толкателясо степеннымзаконом ускорения
№ вариантаи наименование | График ускоренияна фазе удалениятолкателя | Числовыезначениякоэффициента¦І(К) | |
графика | Ку | ¦І(К)= | |
степенной (3 - 4 - 5) | n n 0.5 1 Ky 0 n | 0 ... 1 | |
16 степенной (4 - 5 - 6 - 7) | | 0 ... 1 | |
трапецеидальный | n n 0.5 1 Ку 0 Ку1 Ky2 C=0.5-0.5K1+(K2-K1)-2K1(K2-K1)-(K2-K1)2 | 0 ... К1 К1... К2 К2 ... 0.5 | |
Вариант,Н,j1p, N,[J],NR, L2,WR
точекразрыва NR,
Интегрированиеграфика ускорений
фазовогопортрета
Vqkmax,Vqnmax,jk,jn,Sk,Sn
Да Выбор Нет
L2= 0
Расчетмеханизма Расчет механизма
с поступательно с коромысловым
перемещающимся толкателем,
толкателем, идентификацияWR
идентификацияWR
Вычислениеразмеров Вычислениеразмеров
g,d,ak,an, bk,bn,LVqk,LVqn,
Lkn,Lo1k,e, S0,r0d,dk,dn,g,Lkn
профилякулачка профилякулачка
и угловдавления иуглов давления
bi,yi,ri,XBi,YBi,Ji bi,y0,ri,j2i,di,yi,
и результатоврасчета и результатоврасчета
Рис. 10