КУЛАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2003 года по МПК F16H25/14 F16H21/16 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может быть применено для выполнения функций преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот.

Известны механизма, преобразующие поступательное движение во вращательное и наоборот, например механизмы с применением коленчатых валов и кулачков.

Недостаток первых - большие габариты и вес: для каждого шатуна-толкателя требуется отдельное колено, а при одноколенном исполнении возникает дисбаланс. Шатуны в своих направляющих, в данном случае - в цилиндрах и поршнях, создают боковые усилия, что вызывает неравномерный износ сопрягающихся поверхностей, и в определенных условиях возникает эффект заклинивания. Закон колебаний поршня неоптимален со многих точек рения. Скорость вращения коленвала значительна, и в нем, и в подшипниках возникают большие усилия из-за несимметричности расположения шатунов и коленвала.

Механизм с обычным кулачком, принятый за прототип, описан в книге авторов Г.Н. Андреева и др. "Теория механизмов и детали точных приборов", М., Машиностроение, 1987, с. 67-72 (Л.1).

Недостаток данного механизма связан с узлом замыкания толкателя и кулачка, а также с эффектом заклинивания толкателя-штанги в его направляющих. Силовое замыкание с применение пружин, когда ролик толкателя-штанги катится по наружной поверхности кулачка, в условиях большой амплитуды колебаний и относительно больших колеблющихся масс при большой частоте колебаний снижает надежность и кпд механизма из-за наличия пружины.

Кинематическое, или геометрическое, замыкание, выполненное в форме паза-канавки в теле кулачка, в котором перемещается ролик толкателя, лишено этих недостатков, но возникает другая проблема, связанная со скольжением ролика толкателя в пазу кулачка при ширине канавки, равной диаметру ролика, что вызывает усиленный износ и затем возникновение ударов о стенки паза.

Основное преимущество кулачкового механизма - это возможность получения любого закона колебаний толкателя.

Эффект заклинивания толкателя-штанги в его направляющих связан с тем, что направляющие толкателя, в которых возникают реакции опор, расположены по одну сторону от точки приложения силы - точки соприкосновения кулачка с толкателем, и при малом расстоянии между направляющими по сравнению с расстоянием между точкой приложения силы и направляющими уменьшается так называемый критический угол α_кр, а также кпд механизма (Л.1., с. 70-71). Увеличение этого расстояния приводит к увеличению габаритов и веса механизма.

Для гарантированного прилегания по всей длине контакта поверхностей ролика и кулачка предъявляется повышенное требование к точности сборки кулачкового механизма.

Цель изобретения - повышение кпд механизма, его надежности при малых габаритах и весе, исключение заклинивания, гарантированное прилегание по всей длине контакта поверхностей ролика и кулачка, облегчение вала и редуктора путем выполнения дискового кулачка многолепестковым с числом лепестков, кратным трем, а толкателя - в виде скобы-хомута, охватывающей кулачок валами-роликами от цилиндрической до веретенообразной форм, установленными между двумя пластинами скобы-хомута, скрепленными между собой штифтами с жестко закрепленной на них штангой, удерживаемой направляющими, расположенными по разные стороны от оси вращения кулачка симметрично и движущейся по ним поступательно
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен, для примера, трехлепестковый кулачок в двух проекциях, а на фиг.2 - также в двух проекциях, толкатель-штанга в форме скобы-хомута.

1 - скоба-хомут толкатель 1; 2 - кулачок; 3 - вал-ролик; 4 - штифт 1; 5 - штанга; 6 - направляющая; 7 - направляющая; 8 - вал кулачка; 9 - толкатель 2; 10 - толкатель 3; 11 - штифт 2.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Дисковый кулачок (фиг.1) построен по заданным исходным данным r_б и r_min и заданному закону колебаний толкателя, а толкатель (фиг.2) - в форме скобы-хомута 1, охватывающей кулачок 2 в двух диаметрально противоположных точках от оси вращения кулачка валами-роликами 3, установленными между пластинами скобы-хомута 1, скрепленными между собой штифтами 4 с жестко закрепленной на них штангой 5, удерживаемой направляющими 6 и 7, расположенными по разные стороны от оси вращения кулачка. Тем самым исключается эффект заклинивания, т.к. точка приложения действующей силы - контакт ролика толкателя и кулачка - находится между точками опоры - направляющими, причем профиль кулачка, изображенного на фиг. 1, очерчен по кривой таким образом, что обеспечивается равное расстояние между диаметрально противоположными точками на его поверхности.

Скоба-хомут 1 состоит из двух пластин с прорезью, длиной не меньше хода толкателя, через которую проходит вал кулачка 8. Соединение пластин между собой и со штангой 5 с помощью штифтов 4, расположенных на противоположных концах скобы, образует жестко скрепленный единый толкатель с пластинами скобы. Валы-ролики 3, касающиеся и перекатывающиеся по наружной поверхности кулачка в двух диаметрально противоположных точках, осуществляют геометрическое замыкание толкателя и кулачка.

При числе толкателей больше одного, взаимодействующих с одним и тем же кулачком (например, 3), каждый последующий толкатель 9 и 10 располагается со смещением по углу симметрично вокруг оси вращения кулачка, и скрепление двух пластин скобы осуществляется штифтами 11 большей длины, чем предыдущие 4. При числе толкателей, равном 3, расположенным симметрично вокруг оси вращения кулачка, возникает полная компенсация усилий от толкателей на вал и подшипники кулачка.

Для реализации какого-либо закона движения толкателя, например синусоидального, для построения профиля кулачка фиг.1 задаются отрезки r_б - половина отрезка между роликами толкателя-штанги и r_min - минимальный радиус от оси вращения кулачка до его впадины, тогда в полярных координатах профиль кулачка очерчивается по уравнению: R=r_б+ (r_б-r_min)•Sin Kα
где К - коэффициент, определяющий число лепестков кулачка, в данном случае он равен 3;
α - угол поворота радиус-вектора R.

Амплитуда колебаний, т.е. длина хода толкателя:
А=(R_max-R_min)2=2 (r_б-r_min).

С увеличением числа лепестков кулачка уменьшается скорость вращения вала при постоянстве частоты колебаний толкателей и передаваемой мощности, что способствует облегчению редуктора.

Симметричное расположение толкателей вокруг кулачка способствует взаимокомпенсации усилий от толкателей на вал кулачка и его подшипники, а при числе толкателей, равном трем, результирующее усилие на вал кулачка равно нулю.

Для гарантированного прилегания по всей длине контакта поверхностей ролика толкателя и кулачка и уменьшений требований по точности сборки кулачкового механизма профиль вала-ролика в сечении - от цилиндрической до веретенообразной, и сопряжение их поверхностей при сборке осуществляется с натягом в пределах упругой деформации вала-ролика из конструктивных соображений с учетом диаметра и длины вала-ролика. Сопряжение, т.е. прилегание поверхностей вала-ролика и кулачка, при таком исполнении, сохраняется и при некотором износе их поверхностей.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано для выполнения функций преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот. Механизм содержит дисковый многолепестковый кулачок с числом лепестков, кратным трем, толкатель в форме скобы-хомута, схватывающей кулачок в двух диаметрально противоположных точках валами-роликами, установленными между пластинами скобы-хомута, скрепленными между собой штифтами с жестко закрепленной на них штангой, удерживаемые и движущиеся по направляющим, расположенным симметрично по разные стороны от оси вращения кулачка. Профилированная наружная поверхность кулачка обеспечивает равное расстояние между диаметрально противоположными точками на поверхности кулачка при его вращении и сообщает поступательное движение толкателю. Технический результат - повышение кпд механизма, его надежности при малых габаритах и весе, исключение заклинивания, гарантированное прилегание по всей длине контакта поверхностей ролика и кулачка, облегчение вала и редуктора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кулачковый механизм, преобразующий поступательное движение во вращательное, и наоборот, содержащий дисковый кулачок с профилированной наружной поверхностью, толкатель-штангу с роликом, движущимся по направляющей поступательно по заданному закону, отличающийся тем, что профилированная наружная поверхность кулачка выполнена многолепестковой с числом лепестков, кратным трем, и с равным расстоянием между диаметрально противоположными точками на поверхности, а толкатель имеет форму скобы-хомута, состоящей из двух пластин, охватывающей кулачок в двух диаметрально противоположных точках валами-роликами, установленными между пластинами скобы-хомута, скрепленными между собой штифтами с закрепленной на них штангой, удерживаемой и движущейся по направляющим, расположенным по разные стороны от оси вращения кулачка, с образованием единого жестко скрепленного толкателя. 2. Кулачковый механизм по п.1, отличающийся тем, что пластины скобы-хомута имеют прорезь длиной не менее хода толкателя, через которую проходит вал кулачка для осуществления геометрического замыкания толкателя и кулачка. 3. Кулачковый механизм по п.1, отличающийся тем, что при числе толкателей, большем одного, взаимодействующих с одним и тем же кулачком, например трех, каждый последующий толкатель расположен со смещением по углу и симметрично вокруг оси вращения кулачка, а скрепление двух пластин, скобы-хомута осуществлено штифтами большей длины, чем предыдущие. 4. Кулачковый механизм по п.1, отличающийся тем, что профильная наружная поверхность многолепесткового кулачка очерчена по кривой, выполненной по уравнению в полярных координатах:
R = rδ+(rδ-r_min)•sinKα,
где К - коэффициент, определяющий число лепестков кулачка;
rδ - половина отрезка между валами-роликами скобы-хомута;
r_min - минимальный радиус от оси вращения кулачка до его впадины;
α - угол поворота радиус-вектора R. 5. Кулачковый механизм по п.1, отличающийся тем, что вал-ролик в сечении имеет форму от цилиндрической до веретенообразной, причем при сборке кулачкового механизма сопряжение поверхностей вала-ролика и кулачка осуществлено с натягом в пределах упругой деформации вала-ролика.