Vačkový mechanismus se používá k převodu rotačního pohybu na lineární pohyb s malou amplitudou. Jeho rotující částí je disk s výstupkem, upevněným na hnací hřídeli, nazývaný vačka. Při otáčení výstupek tlačí buď na tlačnou kolíčku, je-li nutné dosáhnout translačního pohybu, nebo na kolébku, je-li vyžadován kývavý pohyb.
Takové mechanismy se široce používají ve spalovacích motorech, měřicích přístrojích, šicích strojích, různých regulátorech a mnoha dalších zařízeních.
Vačkové mechanismy
Zařízení se používají tam, kde je potřeba převést rotaci hnacího hřídele na lineární pohyb o malé amplitudě. Hlavní prvky mechanismu jsou následující:
- hnací hřídel;
- je k němu připojen (nebo je jeho součástí);
- tvarovaný kotouč s výstupkem;
- posunovač pohybující se ve vodítkách, které zajišťují linearitu jeho pohybu.
Tvarovaný kotouč (nazývaný také vačka) je aktivním prvkem kinematického páru. Pohonem je tlačný mechanismus. Někdy je pohyb přenášen vahadlem kývajícím se na rovnoběžném hřídeli.
Jedním z hlavních parametrů mechanismů tlačného mechanismu je excentricita – osa tlačného mechanismu je posunuta vzhledem k ose vačky.
Princip činnosti vačkového mechanismu je jednoduchý: když se vačka otáčí v rovině tlačného elementu, otáčí se svým průřezem s velkým poloměrem, čímž vyvíjí tlak na tlačný element a nutí ho k lineárnímu pohybu. K tomuto pohybu dochází, dokud není dosaženo vrcholu vačky. Po jeho průchodu tlak na tyč začne slábnout, dokud není dosaženo minimálního poloměru disku. Tyč se působením pružiny vrací zpět. Cyklus se opakuje.
Zvláštností vačkové dvojice je její nevratnost. Klikový mechanismus může převádět pohyb v obou směrech. U benzinového nebo vznětového motoru se tedy během silového zdvihu podélný zdvih pístu přemění na rotaci klikového hřídele. Během výfukového zdvihu nahromaděná setrvačnost rotace setrvačníku otáčí klikovým hřídelem a klikový mechanismus jej převádí na zpětný zdvih pístu, čímž vytlačuje zbývající produkty spalování pracovní směsi z válce.
Dvojice vaček nemá takovou reverzibilitu, protože mezi prvky neexistuje pevné spojení. Posunovač se působením vratné pružiny pohybuje dozadu.
Nejběžnějším příkladem vačkového mechanismu je mechanismus rozdělovače ve spalovacím motoru. Vačky vačkového hřídele přímo nebo prostřednictvím vahadel otevírají ventily válců v určitém pořadí. Jsou uzavřeny vratnými pružinami.
Pro návrh ovládacího zařízení je nutné provést řadu výpočtů a sestavit přenosový diagram pro syntézu vačkového mechanismu.
Typy dvojic vaček
Bylo vyvinuto mnoho různých typů vačkových mechanismů. Jsou sjednoceni podle různých kritérií.
Podle hlavní funkce:
- řízení výkonného orgánu po určité trajektorii;
- zajišťující jednoduchý pohyb (lineární nebo kývavý) tlačníku na danou vzdálenost.
Podle prostorové konfigurace:
- ploché, všechny trajektorie leží ve stejné rovině;
- prostorový vačkový mechanismus, pohybuje se po složitých trajektoriích.
Podle typu tlačného mechanismu existují:
Podle trajektorie jeho pohybu:
- lineární
- houpání;
- rotace (pohyb šroubu).
Vačkový mechanismus s kladkou válečku se dělí na:
- axiální (osa otáčení disku je v rovině tlačníku)
- disaxiální osy otáčení a linie pohybu tlačníku jsou od sebe v prostoru.
Vzdálenost takového oddělení se nazývá disaxiální (e).
Mechanismy nastavení vaček jsou často konstruovány pomocí disaxiální konstrukce.
Výhody vačkových mechanismů
Hlavní výhodou zařízení je jeho schopnost realizovat velmi složité prostorové trajektorie pohybu tlačníku. Navíc lze pohyb přísně řídit podle časových fází v závislosti na úhlu natočení hnací hřídele. Jeho konstrukce je navíc velmi jednoduchá na obsluhu a údržbu.
Taková funkčnost je velmi obtížná a v některých případech jednoduše nemožné dosáhnout pomocí jiných typů mechanických struktur.
Další důležitou výhodou konstrukce oproti, řekněme, elektricky nebo hydraulicky poháněným elektronickým řídicím systémům je její mimořádná spolehlivost. To je velmi důležité u těch konstrukcí, kde je potřeba dosáhnout přesného opakovaného opakování stejných pohybů, jako je motor nebo šicí stroj.
Nevýhody vačkových mechanismů
Nejvýraznější nevýhodou je složitost a vysoká cena výroby částí mechanismu. Nejnáročnější částí je výroba řídicího profilu. Technologický proces začíná odléváním obrobku z vysokopevnostních ocelových slitin, které jsou zvláště odolné proti proměnlivému mechanickému namáhání, otěru a teplotním změnám. Dále je vyžadováno vysoce přesné obrábění a následně broušení a leštění povrchů. Kalení pracovní plochy se dosahuje tepelným zpracováním a nauhličováním. Takové vačkové hřídele nebo vačky pohonu olejových čerpadel jsou drahé, ale vydrží stovky tisíc kilometrů.
Další nevýhodou je malá zátěž, kterou posunovač může tlačit. K tomu dochází v důsledku vysokého tření v páru, navíc na tyči vzniká značné boční zatížení. Tato nevýhoda omezuje výkonové možnosti výkonného orgánu zařízení.
K odstranění tohoto nedostatku se používá válečkový posunovač umístěný na kuličkovém nebo jehlovém ložisku. U velkých motorů s velkými průměry ventilů a výkonnými vratnými pružinami se používá konstrukce vahadla. Různé délky vahadel fungují jako pákový systém, který přeměňuje větší zdvih na jednom rameni na větší sílu na druhém.
Hlavní parametry vačkového mechanismu
Nejdůležitější parametry zařízení, které určují jeho výkon, jsou:
- maximální zdvih tlačníku (zdvih vahadla);
- nejvyšší rychlost translačního pohybu;
- trajektorie výkonného orgánu.
Kromě toho jsou do výpočtu zahrnuty také následující charakteristiky:
- rychlost otáčení hnacího hřídele;
- specifikovaná síla na výkonný orgán;
- provozní doba, u většiny obvodů se bere jako rovna celé otáčce hřídele (2π);
- fázové úhly Θ
Fázové úhly se liší takto:
- fáze vytahování Θу – úhel, při kterém dochází k maximálnímu pohybu tlačného zařízení mezi jeho krajními polohami při otáčení hřídele;
- horní fáze stoje Θв.в – úhel maximálního oddálení tlačného prvku od osy vačky;
- fáze přiblížení Θс odpovídá pohybu tlačného zařízení z daleké do blízké polohy, má opačný význam než fáze oddálení, ale nemusí jí být nutně rovna co do velikosti;
- fáze nižšího stání Θ n.v. — odpovídá minimální vzdálenosti a má opačný význam než Θ v.v.
Pokud sečtete všechny fázové úhly, měli byste dostat úplný kruh
Θ = Θу + Θв.в + Θс + Θн.в =2π.
Pracovní zdvih se skládá z prvních tří fází:
Volnoběh se tvoří z fáze nízkého klidu:
Každé fázi práce je přiřazen jeden z úhlů profilu Σ: Σу; Σв.в; Σс; Σн.в.
Typicky se fázové a profilové úhly pro každý stav navzájem nerovnají
Výpočet kinematiky vačkového zařízení je založen na lineárních a úhlových rozměrech jeho součástí. Vztah mezi nimi se nazývá zákon výstupního článku kinematického diagramu.
Vyjadřuje se jako funkce aktuálního úhlu natočení hřídele, bere v úvahu všechny vlastnosti struktury systému a jeho konstrukční vlastnosti: S =f(Θ), kde Θ je úhel natočení hnací hřídele. Zákon výstupního článku lze získat dvěma metodami:
- výpočetní a analytické;
- graficko-analytické.
Výpočtová a analytická metoda je výrazně přesnější, ale vyžaduje složité výpočty. Používá se jako hlavní při navrhování kritických mechanismů.
Graficko-analytický způsob výpočtu zákona je jednodušší na implementaci a mnohem názornější. Používá se pro jednoduchá zařízení a jako metoda předběžného posouzení před prováděním výpočtových a analytických výpočtů.
S rozvojem výpočetní techniky a softwaru se složitost výpočtu a analytické metody stala minulostí. Nástroje pro trojrozměrné parametrické modelování a kinematické simulace, nabízené všemi předními výrobci softwarových produktů řady CAD-CAE, umožňují současně provádět grafické modelování a analytické výpočty, což výrazně usnadňuje práci designéra.
Je implementována klasická graficko-analytická metoda:
- konstrukce kinematických diagramů;
- tvorba kinematických plánů pomocí náhradního mechanismu.
Jeho kresba je zjednodušeným modelem obsahujícím pouze nižší páry. Jejich charakteristickou vlastností je, že v pevných pozicích vedoucího článku mají stejné hodnoty souřadnic, rychlosti a zrychlení jako komponenty vyšší dvojice, kterou modelují.
Při konstrukci zjednodušeného modelu je třeba dbát na to, aby byly zachovány zákonitosti pohybu hnacích a hnaných prvků vačkového zařízení a také vzájemná poloha jejich os.
Pár vyššího řádu je modelován spojeným párem párů nižšího řádu. V důsledku toho se ve schématu objeví fiktivní třetí článek a místo schématu vačkových mechanismů je nahrazeno ekvivalentní schéma pákového systému.
Typicky má funkce pohybu výstupního článku tvar druhé derivace vzdálenosti s ohledem na úhel polohy hřídele nebo s časem. Pak má fyzikální význam zrychlení a pro grafické modelování se používá metoda konstrukce kinematických diagramů.
Účel a rozsah
Vačkový mechanismus převádí rotaci na lineární pohyb s malou amplitudou. V praxi se tento krátký lineární pohyb používá k provádění následujících operací:
- spojování nebo odpojování částí mechanismu;
- otevření nebo zavření ventilu;
- vratný pohyb jakéhokoli výkonného orgánu produktu;
- opakování složité prostorové trajektorie předem specifikované v konfiguraci vačkového povrchu výkonným orgánem.
Tyto operace se používají v následujících zařízeních a systémech:
- ovládání ventilů spalovacích motorů;
- palivová a olejová čerpadla;
- pohony hydraulických a pneumatických brzdových systémů;
- rozdělovač zapalování v zastaralém karburátorovém motoru;
- pohon řazení v převodovkách motocyklů a jiných dvoutaktních vozidel;
- šicí stroje;
- hudební mechanismy: mechanické varhany, varhany, bedna atd.;
- dopravní a technologické stroje;
- mechanicky poháněné časovače;
- zemědělské stroje, kombajny, které sklízejí a třídí okopaniny nebo obilí;
Navíc nejširší oblast použití vačkových párů leží tam, kde je potřeba nezhasínat, ale naopak vytvářet vibrace. Používají se ve vibračních strojích používaných ke zhutňování zeminy nebo betonových podlah ve stavebnictví. Důlní zařízení používaná při těžbě rudných materiálů také třídí jemné frakce na vibračních stolech poháněných dvojicí vaček.
Další důležitou oblastí použití jsou přesné měřicí přístroje a prostředky mechanické a elektromechanické automatizace. Kontaktní tlakoměr a mnoho dalších přesných přístrojů široce používají vačkové páry k přenosu rotace ukazatele na tyč, která uzavírá kontaktní skupiny.
Vačková zařízení se používají v malých a středních kovoobráběcích strojích pro změnu převodů a periodický pohyb pracovních částí.
Ve výrobních provozech v chemickém, potravinářském a farmaceutickém průmyslu se používají zařízení pro dávkovaný přísun sypkých surovin na místo dalšího zpracování.
Navzdory rychlému zlepšení elektronického ovládání stará osvědčená dvojice vaček s jistotou drží svou pozici tam, kde je nutné opakovaně opakovat stejné pohyby s vysokou přesností.
