Bilim.techО проекте

Кулачковый механизм

Как кулачок открывает клапан двигателя в нужный момент и на нужную высоту? Профиль кулачка, закон движения толкателя и удар.

01 Что это такое

Кулачок превращает равномерное вращение вала в движение толкателя по заранее заданному закону: когда подняться, сколько постоять и как опуститься.

Кулачок это диск с профилем переменного радиуса. Толкатель прижат к нему пружиной. Пока под толкателем проходит участок, где радиус растет, толкатель поднимается; где радиус постоянный, стоит (выстой); где уменьшается, опускается. Поэтому профиль строят прямо из закона движения: радиус профиля равен начальному радиусу r₀ плюс подъем s в этой точке.

Закон движения решает, будет ли удар. Если скорость толкателя меняется скачком, ускорение бесконечно: это жесткий удар. Если скачком меняется только ускорение, это мягкий удар. А угол давления α говорит, не заклинит ли толкатель: больше 30° сила от кулачка слишком сильно давит вбок.

r₀ωтолкательsкулачокподъем120°выстой60°опускание120°выстой60°hsφ0360°svaРавномерный∞жесткий ударПараболическиймягкий ударКосинусоидальныймягкий ударСинусоидальныйбез ударов
Цвет профиля совпадает с фазой на диаграмме: оранжевый участок поднимает толкатель, зеленый опускает, на дугах постоянного радиуса толкатель стоит. Внизу один и тот же подъем по четырем законам; оранжевый пунктир отмечает скачок, стрелки ∞ отмечают бесконечное ускорение.
h
Ход толкателя, мм. Насколько толкатель поднимается от самой низкой точки до самой высокой. У клапана легкового двигателя около 8-12 мм.
r₀
Начальный радиус, мм. Радиус самой низкой части профиля, на которой толкатель стоит внизу (ближний выстой). Чем он больше, тем меньше угол давления, но тем крупнее и тяжелее кулачок.
α
Угол давления, градусы. Угол между силой, с которой кулачок давит на толкатель, и направлением движения толкателя. Обычно его держат не больше 30°, иначе толкатель перекашивает и заклинивает в направляющей.
02 Опыт
Выбери закон. Построй профиль. Найди удар и заклинивание. ПРОФИЛЬ СТРОИТСЯ ИЗ ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ
ТММ

Какой профиль нужен кулачку, чтобы толкатель шел без ударов и не заклинивал?

Рис. 6.5
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Наибольшее ускорение толкателя
Наибольший угол давления
Удары за оборот

ⓘ Толкатель центральный: его ось проходит через ось кулачка. Кулачок крутится с постоянной скоростью против часовой стрелки, толкатель всегда прижат к профилю (пружина достаточно сильная). Профиль выложен в сторону, обратную вращению. Ролик взят радиусом 0,3 r₀, тарелка шире, чем нужно для любой точки касания. Трение, зазоры и упругость деталей не учтены. Размеры на рисунке в своем масштабе: кулачок всегда одного размера, настоящие миллиметры подписаны.

03 Формулы по буквам

Профиль, скорость и угол давления

Во всех карточках числа из опыта для текущего угла поворота. Крути кулачок и меняй закон: числа пересчитываются сразу.

Какой радиус у профиля в этой точке?

r(φ) = r₀ + s(φ)
s = h (x − sin 2πx / 2π)

Радиус профиля равен начальному радиусу плюс подъем толкателя при этом угле. Вторая строка это синусоидальный закон на подъеме, где x = φ / φп пробегает от 0 до 1. Подставь закон, и профиль готов: так кулачок «записывает» движение толкателя.

r
расстояние от оси кулачка до точки профиля, мм
r₀
начальный радиус, мм
s
подъем толкателя от нижнего положения, мм
h
полный ход толкателя, мм
φ, φп
угол поворота кулачка и угол подъема, рад или градусы

Как быстро движется толкатель?

v = ω · ds/dφ
a = ω² · d²s/dφ²

Наклон кривой s(φ) показывает, на сколько миллиметров толкатель поднимается за радиан поворота. Умножь на угловую скорость, получишь скорость. Ускорение растет с квадратом оборотов: удвоишь обороты, и сила инерции станет вчетверо больше.

v, a
скорость, м/с, и ускорение толкателя, м/с²
ω
угловая скорость кулачка, рад/с; ω = π n / 30 при n в об/мин (тема 1.4)
ds/dφ
аналог скорости: мм подъема на радиан поворота
d²s/dφ²
аналог ускорения, мм/рад²

Не заклинит ли толкатель?

tg α = (ds/dφ) / (r₀ + s)

Чем круче профиль поднимается и чем ближе он к оси, тем сильнее кулачок давит на толкатель вбок. Боковая сила прижимает толкатель к направляющей, трение растет, и при большом α толкатель встает. Лечение одно: больше r₀ или длиннее угол подъема.

α
угол давления, градусы; обычно не больше 30° на подъеме
ds/dφ
аналог скорости, мм/рад
r₀ + s
расстояние от оси кулачка до острия или центра ролика, мм

Откуда берутся эти формулы

Подъем толкателя зависит только от угла поворота кулачка: s = s(φ). Кулачок крутится равномерно, значит φ = ω t. Скорость это изменение s за время: v = ds/dt = (ds/dφ) · (dφ/dt) = ω · ds/dφ. Еще раз так же: a = ω² · d²s/dφ². Форма закона задает ds/dφ и d²s/dφ², а обороты только умножают их на ω и ω².

Почему скачок скорости дает удар. При равномерном законе толкатель стоит, а в начале подъема сразу должен идти со скоростью ω h / φп. Скорость меняется за время, стремящееся к нулю, поэтому a = Δv / Δt стремится к бесконечности, и сила m a тоже. На деле детали упруго сминаются, но удар все равно бьет по профилю и подшипникам. У параболического и косинусоидального законов скорость непрерывна, а скачком меняется ускорение: сила инерции прыгает на конечную величину, это мягкий удар. У синусоидального закона непрерывно и ускорение.

Угол давления. Сила от кулачка идет по нормали к профилю в точке касания. Разложи движение точки профиля под толкателем: вдоль толкателя она уходит со скоростью ω · ds/dφ, а поперек со скоростью ω (r₀ + s). Нормаль отклонена от оси толкателя на угол, у которого тангенс равен отношению этих скоростей: tg α = (ds/dφ) / (r₀ + s). У тарельчатого толкателя нормаль всегда перпендикулярна тарелке, поэтому α = 0, зато профиль должен быть выпуклым.

ЗАКОН И УДАРНАИБОЛЬШАЯ vНАИБОЛЬШАЯ a
Равномерныйжесткий удар1 · ω h / φп∞
Параболическиймягкий удар2 · ω h / φп4 · ω² h / φп²
Косинусоидальныймягкий удар1,57 · ω h / φп4,93 · ω² h / φп²
Синусоидальныйбез ударов2 · ω h / φп6,28 · ω² h / φп²
Подъем на h за угол φп, угол в радианах. Плавность не бесплатна: у синусоидального закона наибольшее ускорение в 1,57 раза больше, чем у параболического, зато нет скачков. Для быстрых машин важнее отсутствие скачков, для медленных годится и параболический закон.
04 Где и зачем это применяют

От распредвала до тормоза самосвала

Допущения модели+

Толкатель поступательный и центральный (без смещения оси), кулачок дисковый и вращается с постоянной угловой скоростью. Толкатель всегда касается профиля: отрыв, зазоры, упругость деталей и трение не учтены. Угол давления посчитан по центровому профилю: для острия это сам профиль, для ролика траектория его центра. Предел 30° взят для подъема; на опускании толкатель гонит пружина, и там часто допускают 45°, но в опыте для простоты подсвечивается любой угол больше 30°. Радиус ролика 0,3 r₀, но не меньше 2 и не больше 25 мм. Настоящие кулачки клапанов строят по сложным многочленным законам с пологими участками выбора зазора в начале и конце подъема; синусоидальный закон здесь их упрощенная замена. Числа в готовых случаях примерные: ход клапана 10 мм, начальный радиус 25 мм, распредвал 3 000 об/мин (двигатель 6 000 об/мин), масса движущихся частей 120 г. Вращение и угловая скорость разобраны в теме 1.4.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →