Как работает кулачковый механизм: принцип действия, устройство и типы

Как работает кулачковый механизм: вращающийся кулачок специального профиля воздействует на толкатель или коромысло и заставляет их перемещаться по строго заданному закону, заранее заложенному в форму рабочего контура кулачка. Это позволяет получить сложный закон движения выходного звена при простой и надёжной конструкции из двух-трёх деталей.

Устройство механизма

В состав кулачкового механизма входят три основных звена. Кулачок, как правило, стальной диск или цилиндр с криволинейным рабочим профилем, жёстко закреплён на приводном валу. Толкатель, движущееся звено, опирается на профиль кулачка через плоский башмак, ролик или закруглённый торец. Ролик на подшипнике качения снижает трение и даёт возможность применять более крутые участки профиля. Возвратная пружина или принудительное замыкание второй кулачковой поверхностью обеспечивают постоянный контакт толкателя с кулачком. Профиль строят по заданному закону движения: гармоническому, циклоидальному или полиномиальному. Циклоидальный закон, к примеру, полностью исключает скачки ускорения, что важно для высоких частот вращения свыше 500 об/мин.

Принцип работы по этапам

Первый этап: вал вращает кулачок с постоянной угловой скоростью. Толкатель находится в нижнем положении, опираясь на участок профиля с минимальным радиусом. Второй этап: рабочий выступ кулачка набегает под толкатель. По мере того как радиус профиля увеличивается, толкатель поднимается вверх по закону, заложенному в форму подъёмного участка. Скорость подъёма в любой момент равна произведению угловой скорости вала на первую производную закона подъёма по углу поворота. Третий этап: при достижении максимального радиуса толкатель останавливается на выстое, если профиль имеет участок постоянного радиуса. Выстой необходим, например, для удержания клапана в открытом положении или фиксации захвата. Четвёртый этап: участок спуска возвращает толкатель в исходное положение под действием пружины. Жёсткость пружины рассчитывается так, чтобы толкатель не отрывался от кулачка даже при максимальном ускорении, которое для быстроходных механизмов достигает нескольких тысяч м/с².

Типы кулачковых механизмов

Дисковый кулачок является наиболее распространённым: кулачок представляет собой плоский диск с профилированным контуром, толкатель движется поступательно или коромысло качается в плоскости диска. Цилиндрический (барабанный) кулачок несёт паз на боковой поверхности цилиндра; ролик толкателя движется по пазу, что создаёт принудительное замыкание и позволяет обойтись без возвратной пружины. Торцевой кулачок выполнен в виде диска с профилированным торцом; применяется при необходимости малых осевых габаритов. Пространственные кулачки позволяют получать движение в нескольких плоскостях, но сложны в изготовлении и требуют высокоточной обработки на многоосевых фрезерных центрах.

Применение и точность изготовления

Кулачковые механизмы широко используются в автоматических линиях отечественного производства. В токарных автоматах типа 1Б140, выпускавшихся на Московском станкостроительном заводе, кулачки распределительного вала управляют движением всех суппортов с точностью подачи до 0,01 мм. В двигателях внутреннего сгорания кулачок распределительного вала открывает клапан на высоту 8-12 мм за 230-260 градусов поворота коленчатого вала, обеспечивая нужный газообмен. В швейных машинах кулачковые механизмы задают закон движения нитеводителя. Допуск на профиль кулачка для прецизионных механизмов составляет от 5 до 15 мкм; достигается шлифованием с числовым программным управлением и последующим контролем на координатно-измерительной машине.