Введение
Вращающийся или скользящий компонент, передающий переменное движение ведомому механизму.
Кулачок – это вращающийся или скользящий элемент в механической передаче, используемый, в частности, для преобразования вращательного движения в поступательное. Он часто является частью вращающегося колеса (например, эксцентрического колеса) или вала (например, цилиндра неправильной формы), который воздействует на рычаг в одной или нескольких точках по его окружной траектории. Кулачок может быть простым выступом, как, например, в паровом молоте для передачи импульсов энергии, или эксцентрическим диском или другой формой, создающей плавное возвратно-поступательное движение в ведомом механизме – рычаге, контактирующем с кулачком. Кулачковый механизм времени аналогичен и широко использовался для управления электромашинами (электромеханический таймер в стиральной машине является распространенным примером) до появления недорогой электроники, микроконтроллеров, интегральных схем, программируемых логических контроллеров и цифрового управления.
Крамсовая ось
Кам можно рассматривать как устройство, преобразующее вращательное движение в возвратно-поступательное (или иногда колебательное) движение. Типичным примером является распределительный вал автомобиля, который преобразует вращательное движение двигателя в возвратно-поступательное движение, необходимое для работы впускных и выпускных клапанов цилиндров.
Цилиндрическая ровная
Цилиндрический или бочкообразный кулачок – это кулачок, в котором ролик (приводной элемент) перемещается по поверхности цилиндра. В наиболее распространенном типе ролик перемещается в канавке, вырезанной на поверхности цилиндра. Эти кулачки в основном используются для преобразования вращательного движения в линейное движение, перпендикулярное оси вращения цилиндра. Цилиндр может иметь несколько канавок, вырезанных на поверхности, и приводить в движение несколько роликов. Цилиндрические кулачки могут обеспечивать движения, включающие более одного оборота цилиндра и, как правило, обеспечивают точное позиционирование, устраняя необходимость в пружине или другом устройстве для поддержания контакта ролика с управляющей поверхностью. Области применения включают приводы станков, такие как возвратно-поступающие пилы, и барабаны управления переключением передач в последовательных коробках передач, например, на большинстве современных мотоциклов. Особым случаем является постоянный шаг, когда положение ролика линейно зависит от вращения, как в трапецеидальной резьбе. Цель и детали реализации влияют на то, как это устройство называется – кулачком или резьбой, но в некоторых случаях терминология может быть неоднозначной. Цилиндрические кулачки также могут использоваться для сопоставления выходного сигнала с двумя входными сигналами, где один вход – это вращение цилиндра, а другой – положение ролика вдоль кулачка. Выходной сигнал направлен радиально по отношению к цилиндру. Ранее они часто использовались для специальных функций в системах управления, таких как механизмы управления стрельбой для орудий на военно-морских судах и механические аналоговые компьютеры. Примером цилиндрического кулачка с двумя входами является копировальный токарный станок, например, токарный станок для топорищ Клотца, который вырезает топорище в форму, задаваемую шаблоном, действующим как кулачок для механизма токарного станка.
Камера для лица
Лицевая кулачковая передача создает движение, используя ведомый элемент, скользящий по поверхности диска. Наиболее распространенный тип предполагает, что ведомый элемент перемещается в пазу, благодаря чему он обеспечивает радиальное движение с точным позиционированием без необходимости использования пружины или другого механизма для поддержания контакта ведомого элемента с управляющей поверхностью. Лицевая кулачковая передача этого типа обычно имеет только один паз для ведомого элемента на каждой стороне. В некоторых применениях отдельный элемент, такой как шестерня, барабанный кулачок или другой вращающийся элемент с плоской поверхностью, может выполнять функции лицевой кулачковой передачи в дополнение к другим задачам. Лицевые кулачковые передачи могут обеспечивать повторяющееся движение с канавкой, образующей замкнутую кривую, или генерировать функцию с остановленной канавкой. Кулачки, используемые для генерации функции, могут иметь канавки, требующие нескольких оборотов для охвата всей функции, и в этом случае функция обычно должна быть обратимой, чтобы канавка не самопересекалась, а значение выходного сигнала функции должно достаточно отличаться при соответствующих оборотах, чтобы между соседними сегментами канавки было достаточно материала. Распространенной формой является кулачок с постоянным шагом, где перемещение ведомого элемента линейно зависит от вращения, например, спиральная пластина в спиральном патроне. Необратимые функции, требующие самопересечения канавки, могут быть реализованы с использованием специальных конструкций ведомых элементов. Вариант лицевой кулачковой передачи обеспечивает движение параллельно оси вращения кулачка. Типичным примером является традиционный замок для раздвижных окон, где кулачок крепится к верхней части нижней створки, а ведомым элементом является крючок на верхней створке. В этом применении кулачок используется для создания механического преимущества при закрытии окна, а также обеспечивает самоблокировку, как в некоторых червячных передачах, благодаря трению. Лицевые кулачковые передачи также могут использоваться для преобразования одного входного сигнала в два выходных, обычно когда один входной сигнал – это вращение кулачка, а другой – радиальное положение ведомого элемента. Выходной сигнал параллелен оси кулачка. Раньше они часто использовались в механических аналоговых вычислениях и специальных функциях в системах управления. Лицевой кулачок, реализующий три выходных сигнала для одного вращающегося входного сигнала, – это стереофонический проигрыватель, где относительно постоянная канавка направляет иглу и тонарм, действуя либо как качающийся (тонарм), либо как линейный (проигрыватель с линейным трекингом) ведомый элемент, а сама игла действует как ведомый элемент для двух ортогональных выходных сигналов, представляющих аудиосигналы. Эти движения находятся в плоскости, радиально ориентированной относительно вращения пластинки, и под углом 45 градусов к плоскости диска (нормально к граням канавки). Положение тонарма в некоторых проигрывателях использовалось в качестве управляющего входного сигнала, например, для выключения устройства или загрузки следующего диска из стопки, но в простых устройствах игнорировалось.
Стержень в форме сердца
Этот тип кулачка, имеющего форму симметричного сердца, используется для возврата вала, на котором он установлен, в заданное положение под давлением от ролика. Они применялись в ранних моделях главных часов почты для синхронизации времени с гринвичским временем, когда включающий рычаг автоматически прижимался к кулачку посредством сигнала от точного источника времени.
Снегурочка
Этот тип кулачка использовался, например, в механических часах для управления механизмом перевода даты ровно в полночь и состоял из толкателя, который поднимался кулачком по спирали в течение 24 часов, заканчиваясь резким обрывом, при котором толкатель опускался и активировал механизм перевода даты. В часах, где требуется высокая точность хода, такие кулачки обычно искусно проектировались с роликовым толкателем для подъема груза на большую часть пути, почти до максимальной высоты, и только на последнем участке пути груз переходил и поддерживался твердым толкателем с острым краем. Это обеспечивало падение груза в точно определенный момент, что позволяло добиться точного хода. Это достигалось использованием двух спиральных кулачков, установленных коаксиально, при этом ролик первоначально опирался на один кулачок, а окончательный твердый толкатель – на другой, но не касался его профиля. Таким образом, ролик первоначально нес груз, пока на последнем участке хода профиль кулачка без ролика не поднимался выше, чем другой, в результате чего груз переходил на твердый толкатель.
Линейная камера
Линейная камера – это камера, в которой рабочий элемент движется по прямой линии, а не вращается. Рабочий элемент часто представляет собой пластину или блок, но может иметь любое поперечное сечение. Ключевая особенность заключается в том, что входным сигналом является линейное движение, а не вращательное. Профиль камеры может быть вырезан на одном или нескольких краях пластины или блока, может представлять собой один или несколько прорезей или канавок на поверхности элемента, или даже профиль поверхности для камеры с более чем одним входом. Разработка линейной камеры аналогична, но не идентична разработке вращающейся камеры. Распространенным примером линейной камеры является ключ для замка с цилиндрическим механизмом. Цилиндры выступают в роли толкателей. Это поведение проявляется при дублировании ключа в дублирующем аппарате, где исходный ключ служит управляющей камерой для вырезания нового ключа.
История
Механизмы с кулачком появились в Китае примерно в 600 г. до н.э. в виде спускового механизма арбалета с кулачковым рычагом. Однако этот спусковой механизм не вращался вокруг своей оси, и традиционные китайские технологии обычно мало использовали непрерывно вращающиеся кулачки. Тем не менее, более поздние исследования показали, что такие механизмы на самом деле вращались вокруг своей оси. Аналогично, недавние исследования указывают на то, что кулачки использовались в водяных молотах во второй половине династии Западных Хань (206 г. до н.э. – 8 г. н.э.), как зафиксировано в «Хуань Цзи Синь Лунь». Сложные песты также упоминаются в более поздних записях, таких как «Цзинь Чжу Гун Цзань» и «Тянь Гун Кай У», среди множества других упоминаний о водяных пестах. Во времена династии Тан кулачковые механизмы использовались в деревянных часах внутри водяного астрономического устройства, в шпорах внутри водяной армиллярной сферы, в автоматической сигнализации внутри пятиколесных песочных часов, в искусственных бумажных фигурках внутри вращающегося фонаря. Китайский годометр, использующий механизм колокола и гонга, также является кулачком, как описано в «Сун Ши». В книге «Нонгшу» вертикальное колесо водяного воздуходува также является кулачком. В этих примерах водяной пест и водяной воздуходув имеют по два кулачковых механизма внутри. Кулачки, которые вращались непрерывно и функционировали как неотъемлемые элементы машин, были встроены в эллинистические водяные автоматы начиная с III века до н.э. Кулачок и кулачковый вал позже появились в механизмах Аль-Джазари и Шуштари, которые использовали их в своих автоматах, описанных в 1206 году. Кулачки и кулачковые валы стали использоваться в европейских механизмах с XIV века. Уолдо Дж. Келли из компании Electrical Apparatus Company запатентовал регулируемый кулачок в Соединенных Штатах в 1956 году для использования в машиностроении и вооружении.