Mechanismus vačky – Ruwiki: Internetová encyklopedie

Vačkový mechanismus je mechanické zařízení, které převádí rotační nebo kývavý pohyb vačky na požadovaný, často nelineární, vratný nebo kývavý pohyb kladičky (nebo hnaného článku). Vačkové mechanismy se používají v různých strojích a mechanismech k provádění složitých a přesných pohybů.

Hlavní prvky vačkového mechanismu

• Vačka: Část, která se otáčí nebo houpe a má speciální profil pro nastavení pohybu tlačníku.
• Posunovač (řízený odkaz): Část, která vykonává vratný nebo kývavý pohyb působením vačky.
• Podpora tlačníku: Prvek, který řídí pohyb posunovače a podporuje jej.

Profil vačky určuje povahu pohybu zdvihátka.

Typy vačkových mechanismů

Vačkové mechanismy jsou klasifikovány podle různých charakteristik:

Podle typu pohybu tlačníku:

• Vačkové mechanismy s vratným pohybem tlačníku: Posunovač se pohybuje po přímce.
• Vačkové mechanismy s kývavým pohybem tlačníku: Posunovač vykonává rotační pohyb kolem osy.

Podle tvaru vačky:

• Diskové vačky: Vačka má tvar disku.
• Válcové vačky: Vačka má válcový tvar.
• Globoidní vačky: Vačka má tvar rotačního tělesa blízkého kouli.

Podle typu kontaktu mezi vačkou a zdvihátkem:

• Vačkové mechanismy plochých zdvihátek: Píst má rovnou kontaktní plochu.
• Vačkové mechanismy kladek: Posunovač je vybaven válečkem pro snížení tření a opotřebení.
• Vačkové mechanismy s ostrým sledovačem: Posunovač má špičatou špičku.

Pohyb vačkového mechanismu

Pohyb zdvihátka je dán tvarem profilu vačky. Základní typy pohybů:

• Jednotný pohyb: Posunovač se pohybuje konstantní rychlostí.
• Rovnoměrně zrychlený pohyb: Posunovač se pohybuje konstantním zrychlením.
• Harmonický pohyb: Posunovač vykonává kmitavý pohyb popsaný sinusoidou.
• Cykloidní pohyb: Tlačník se pohybuje podél cykloidy a zajišťuje plynulé zrychlení a zpomalení.

Vlastní pohyb může být kombinací těchto základních pohybů.

Pohybové zákony vačkového mechanismu

Pohybové zákony popisují závislost pohybu tlačníku na úhlu natočení vačky. Základní pohybové zákony:

• Jednotný pohyb: s(φ) = h * φ / φ , kde s(φ) je posunutí, h je plný zdvih, φ je aktuální úhel, φ — plný úhel stoupání.
• Rovnoměrně zrychlený pohyb: s(φ) = (h/φ 2 ) * φ 2 , kde h,φ,φ jsou analogické s rovnoměrným pohybem.
• Harmonický pohyb: s(φ) = (h/2) * (1 — cos(πφ / φ))
• Cykloidní pohyb: s(φ) = (h/φ) * (φ — (φ / (2π)) * sin(2πφ / φ))

Tyto zákony umožňují, aby byl profil vačky navržen pro požadovaný pohyb kladičky.

Úhly vačky

U vačkových mechanismů se rozlišují následující úhly:

• Úhel stoupání (φ_п): Úhel natočení vačky, během kterého se kladička pohybuje jedním směrem.
• Úhel sestupu (φ_о): Úhel natočení vačky, během kterého se kladička pohybuje v opačném směru.
• Úhel stojanu (φ_в): Úhel natočení vačky, během kterého je zdvihátko v klidu.

Tyto úhly určují pracovní cyklus vačkového mechanismu.

Úhel tlaku ve vačkovém mechanismu

Úhel tlaku (α) je úhel mezi směrem pohybu zdvihátka a přímkou ​​kolmou k profilu vačky v místě kontaktu. Vysoký úhel tlaku může způsobit zadření a zvýšené zatížení.

Pro zajištění normální činnosti vačkového mechanismu musí být úhel tlaku minimalizován a v rámci přijatelných hodnot, obvykle ne více než 30-45 stupňů.

Syntéza vačkového mechanismu

Syntéza vačkového mechanismu je proces určování profilu vačky podle daného zákona pohybu tlačníku. Fáze syntézy:

• Definice pohybového zákona: Volba zákona pohybu tlačníku (rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený, harmonický, cykloidní).
• Grafická konstrukce: Vynesení grafu pohybu tlačníku v závislosti na úhlu natočení vačky.
• Definice profilu vačky: Konstrukce profilu vačky zohledňující rozměry zdvihátka, poloměr vačky, úhel přítlaku a další parametry.
• Ověření profilu: Kontrola profilu vačky z hlediska souladu s požadavky a absence zadření.

Software se často používá k syntéze složitých vačkových mechanismů.

Komplexní vačkový mechanismus

Složité vačkové mechanismy jsou mechanismy, které používají více vaček a kladek k provádění složitých pohybů. Mohou zajistit současný pohyb několika tlačných zařízení s různými zákony pohybu.

Příklady: mechanismy s proměnnou rychlostí, vícepolohové mechanismy, složité mechanismy pro automatické stroje.

Příklady vačkového mechanismu

Příklad 1: Vačkový mechanismus ve spalovacím motoru pro ovládání ventilů. Vačkový hřídel s vačkovými laloky ovládá otevírání a zavírání sacích a výfukových ventilů.

Příklad 2: Vačkový mechanismus v šicím stroji pro ovládání pohybu jehly a podávání látky.

Příklad 3: Vačkový mechanismus ve stroji na dávkování kapaliny pro ovládání otevírání a zavírání ventilu pro dávkování kapaliny.

Závěr

Vačkový mechanismus je všestranné zařízení používané k přeměně rotačního nebo kývavého pohybu na požadovaný tlačný pohyb. Pochopení základů vačkových mechanismů, zákonů pohybu, úhlů a metod syntézy vám umožní navrhnout účinné a spolehlivé mechanismy pro různé oblasti technologie. Různorodost typů vačkových mechanismů a jejich schopnost poskytovat složité pohyby je činí nepostradatelnými v mnoha průmyslových odvětvích.

Poznámka: Tento článek poskytuje obecné informace o vačkových mechanismech. Pro přesný návrh a výpočet je nutné zohlednit konkrétní provozní podmínky a odkázat na odbornou literaturu a software.

Mechanismus vačky: Pokročilé aspekty

Dynamika vačkového mechanismu

Kromě statických parametrů je důležité vzít v úvahu dynamická zatížení, která se vyskytují ve vačkovém mechanismu. Tato zatížení závisí na rychlosti, zrychlení a hmotnosti prvků mechanismu.

• Setrvačné síly: Síly vznikající při zrychlování a zpomalování tlačníku.
• Vibrace: Vačkový mechanismus může vytvářet vibrace, zejména při náhlých změnách zrychlení.
• Rázová zatížení: Pokud profil vačky není hladký, může dojít k rázovému zatížení.

Dynamická analýza umožňuje optimalizovat konstrukci mechanismu pro snížení vibrací a zatížení.

Profil vačky a jeho vliv na dynamiku

Tvar profilu vačky přímo ovlivňuje dynamické vlastnosti mechanismu. Různé tvary profilu mohou vést k různým hodnotám rychlosti, zrychlení a v důsledku toho k různým setrvačným silám.

• Hladké profily: Použití cykloidních, modifikovaných lichoběžníkových nebo polynomických profilů zajišťuje plynulé zrychlení a zpomalení, snižuje vibrace a napětí.
• Nehladké profily: Náhlé změny profilu vačky mohou způsobit rázové zatížení a zvýšené vibrace.
• Ořezání vačky: Použití podříznutých vaček snižuje úhel přítlaku, ale může zvýšit tření a opotřebení.

Optimalizace profilu vačky je důležitým konstrukčním krokem.

Vačky se zákonem proměnného pohybu

Vačky s proměnným pohybem jsou mechanismy, kde se zákon pohybu kladičky mění v závislosti na poloze vačky. Používají se ve složitých systémech, kde je vyžadováno několik různých pohybů.

• Kamery s více profily: Několik profilů na jedné vačce, které se přepínají v závislosti na poloze.
• Vačky s proměnným poloměrem: Poloměr vačky se může měnit, což má za následek různé pohyby zdvihátka.
• 3D kamery: Mají prostorový profil a umožňují nastavit složité trajektorie pohybu tlačníku.

Syntéza takových mechanismů je složitější a vyžaduje použití specializovaného softwaru.

Materiály vaček a zdvihátek

Materiály pro výrobu vaček a zdvihátek musí mít vysokou odolnost proti opotřebení, pevnost a odolnost vůči dynamickému zatížení.

• Kalená ocel: Nejběžnější materiál pro vačky a zdvihátka.
• Nástrojová ocel: Používá se pro vačky pracující za podmínek vysokého zatížení.
• Litina: Používá se pro vačky v méně kritických mechanismech.
• Bronz: Používá se pro zdvihátka v kombinaci s ocelovými vačkami, poskytuje nízký koeficient tření.
• Polymery: Používají se pro vačky a zdvihátka v mechanismech s nízkou zátěží, poskytují nízkou hladinu hluku a tření.

Výběr materiálu závisí na provozních podmínkách a požadavcích na životnost mechanismu.

Mazání vačkových mechanismů

Mazání vačkových mechanismů je důležité pro snížení tření, opotřebení a hluku. Používají se různé typy maziv:

• Oleje: Používají se pro mazání vačkových mechanismů pracujících při vysokých rychlostech.
• tuky: Používá se pro mechanismy, které vyžadují dlouhodobé mazání.
• Tuhá maziva: Grafit, sirník molybdeničitý (MoS2), se používají v podmínkách vysokých teplot nebo tam, kde není možné pravidelné mazání.

Správná volba maziva ovlivňuje životnost mechanismu.

Výpočet úhlu tlaku

Úhel tlaku (α) je úhel mezi vektorem rychlosti zdvihátka a normálou k profilu vačky v bodě kontaktu. Pro určení úhlu přítlaku je nutné znát profil vačky a polohu zdvihátka.

Uvažujme případ kotoučové vačky se zdvihátkem s plochým dnem:

• α — úhel tlaku
• ds/dφ — derivace posunu tlačníku s ohledem na úhel natočení vačky (rychlost tlačníku)
• r — poloměr kontaktního bodu na vačce

Pro jiné typy mechanismů bude výpočet odlišný.

Syntéza vačkového mechanismu s daným úhlem přítlaku

Při syntéze vačkového mechanismu je důležité vzít v úvahu úhel přítlaku. Pro minimalizaci úhlu tlaku pro danou trajektorii tlačníku lze použít následující přístupy:

• Výběr optimálního zákona pohybu: Některé zákony pohybu, jako je cykloidní, vytvářejí menší tlakový úhel než jiné.
• Ořezání vačky: Umožňuje snížení úhlu tlaku, ale může vést ke zvýšenému tření.
• Změna základního poloměru vačky: Zvětšením poloměru základny lze snížit úhel tlaku.

Proces syntézy s daným úhlem tlaku je obvykle iterativní a vyžaduje numerickou analýzu.

Příklady použití složitých vačkových mechanismů

Příklad 1: V automatických výrobních linkách se vačkové mechanismy s proměnným pohybovým zákonem používají k řízení několika operací, kde jsou vyžadovány různé rychlosti a sekvence pohybů (například v montážních nebo balicích strojích).

Příklad 2: U programovatelných strojů lze pro přesné řízení pohybů nástroje použít složité vačkové mechanismy, které zajistí požadovanou dráhu obrábění.

Závěr

Vačkové mechanismy jsou důležitým prvkem mnoha technických systémů. Hluboké porozumění dynamickým charakteristikám, výběru materiálu, mazání, výpočtu úhlu tlaku a použití složitých profilů umožňuje vytvářet účinné, odolné a spolehlivé mechanismy. Při návrhu vačkových mechanismů je třeba vždy zohlednit specifické požadavky na přesnost, rychlost, zatížení a životnost.

Poznámka: Tento článek je doplňkem k předchozímu a prohlubuje znalosti o vačkových mechanismech. Pro podrobný návrh a výpočty se vždy doporučuje použít specializované učebnice, příručky a software.

Vačkový mechanismus – mechanismus, který tvoří vyšší kinematickou dvojici, mající pohyblivý článek, který vykonává rotační pohyb, – pěst (pěst), s povrchem proměnlivého zakřivení nebo excentrického tvaru, interagujícím s jiným pohyblivým článkem – posunovač, jestliže pohyblivý článek vykonává přímočarý pohyb, popř rocker, pokud se pohyblivý článek houpe. Pěst pohybující se v přímé linii se nazývá kopírka.

Klasifikace [upravit | upravit kód]

Vačkové mechanismy jsou rozděleny do 4 skupin:

1. Podle typu posunovače:
   • s plochým posunovačem,
   • s diskem,
   • s válečkem (na obrázku),
   • s jehlovitým
   • se špičatými
2. Podle povahy pohybu tlačníku:
   • vratné (na obrázku),
   • houpání.
3. Podle povahy pohybu vačky:
   • vratný,
   • houpání,
   • otočný (na obrázku).
4. Vačkové mechanismy kladek jsou:
   • disaxiální (osa vačky není pod tlačníkem),
   • centrální (osa vačky pod tlačníkem) (na obrázku).

Funkce [ upravit | upravit kód]

Dvojitý vačkový mechanismus

Hlavní charakteristiky vačkového mechanismu jsou maximální pohyb kladičky (úhel výkyvu vahadla), maximální rychlost nebo zrychlení pohonu a zákon pohybu pohonu.

Zákon pohybu různých typů a velikostí tlačníku na stejné vačce je odlišný, proto se výpočet profilu vačky provádí pro konkrétní tlačník.

Vačkový mechanismus má podobné vlastnosti jako mechanismus čelní deska-tyč

Hlavní výhodou a výhradní vlastností vačkového mechanismu je schopnost implementovat libovolný (ve velmi širokých mezích) zákon pohybu aktuátoru.

Druhou výhodou je jednoduchost konstrukce, díky které se vačkový mechanismus někdy používá jako nejjednodušší převodník otáčivého pohybu na pohyb vratný, např. u pohonu palivového čerpadla karburátorových spalovacích motorů.

Hlavní nevýhodou jsou vysoké náklady na výrobu profilů. Tento problém se řeší odléváním, respektive pohybem obráběcího prvku podle šablony, tedy vlastně i použitím vačkového mechanismu (ve stroji).

Druhou nevýhodou je relativně malá nosnost, a to jak v důsledku kluzného tření vačky a tlačníku po vlasci, tak v důsledku značných bočních sil na tlačník při prudkých pohybech. Pro zvýšení životnosti se používá válečkový tlačník (většinou na jehlovém ložisku) a translační tlačník je nahrazen vahadlem např. u rozvodu plynu u dieselových motorů traktorů.

Aplikace [ upravit | upravit kód]

Vačkový mechanismus se používá:

• v mechanismu distribuce plynu spalovacího motoru;
• ve vysokotlakých palivových čerpadlech dieselových motorů;
• v palivových čerpadlech automobilových karburátorových motorů;
• v mechanickém (pneumatickém) pohonu čelisťových brzd (nákladní automobily, traktory);
• v přerušovači kontaktního zapalovacího systému benzinových spalovacích motorů;
• v pohonu vzduchových klapek karburátorů (auto Oka);
• v mechanismech řazení převodovek motocyklů;
• v šicích strojích (přepínače mechanických režimů, možnosti pohybu pracovních částí);
• v sudových varhanách a hracích skříňkách (degenerovaná vačka – hrot – zapíná zvuk pouze v určitém okamžiku);
• v mechanických (hodinových) časovačích a časových relé;
• ve strojích na řezání kovů;
• ve zbraních pro režim střelby mechanismy s přerušením několika (obvykle tří) nábojů;
• a mnoho dalších strojů pro reprodukci složité trajektorie pohybu pracovních orgánů a provádění kontrolních funkcí, jako je zapínání a vypínání pracovních orgánů podle určitého vzoru.

Viz také [upravit | upravit kód]

Literatura [upravit | upravit kód]

• Ed. A. Yu Ishlinský. Nový polytechnický slovník. — M.: Velká ruská encyklopedie, 2003. — S. 671. — ISBN 5-7107-7316-6 .