PARTEA A DOUA

 

MECANISME UZUALE ÎN CONSTRUCŢIA DE MAŞINI

 

MECANISME CU CAME

  7.1.- Generalităţi.

  Mecanismele cu came se întâlnesc în construcţia diferitelor maşini şi aparate din majoritatea ramurilor industriei şi în special în construcţia maşinilor automate.

Ele fac parte din categoria mecanismelor cu cuple superioare.

În comparaţie cu mecanismele cu cuple inferioare, mecanismele cu came prezintă următoarele avantaje:

- pot realiza o sinteză exactă, deci se poate reproduce întocmai orice lege impusă;

- numărul de elemente este redus, iar erorile care apar sunt neglijabile;

- au gabarit redus;

- permit oprirea mişcării elementului condus, în timp ce mişcarea elementului conducător continuă;

- prin înlocuirea camei se înlocuieşte şi legea de mişcare conform cerinţelor.

Mecanismele cu came prezintă următoarele dezavantaje:

- se uzează rapid atât cama cât şi tachetul, deoarece contactul dintre ele este după o linie sau un punct, deci preiau presiuni specifice mari;

- la execuţie se impun materiale specifice la uzură, cu tratamente termice şi termochimice adecvate;

- se execută greu, necesitând maşini şi dispozitive speciale;

Un mecanism cu camă se compune din următoarele elemente (figura 7.1.):

- cama 1, care execută o mişcare de rotaţie în jurul articulaţiei A;

- tachetul 2, care în cazul din figură execută o mişcare de translaţie fiind ghidat de cupla B;

- baza 3;

- element elastic care menţine în contact cama şi tachetul.

Figura 7.1.

7.2. Clasificarea mecanismelor cu came.

  Mecanismele cu came se clasifică luând în considerare mai întâi, caracteristicile constructive şi cinematice ale tacheţilor, apoi ale camelor şi în final ale mecanismelor obţinute prin combinarea celor două elemente. Ţinînd cont de aceste caracteristici, atât camele cât şi tacheţii se clasifică ţinând cont de mai multe criterii.

a) - după forma constructivă a suprafeţei de contact a tachetului se disting următoarele tipuri de tacheţi:

- cu vârf (tabelul 7.1.a), la care contactul între tachet şi profilul camei are loc, teoretic, într-un punct;

- cu rolă (tabelul 7.1.b.), - între tachetul propriu-zis şi profilul camei se interpune o rolă ce are ca scop înlocuirea frecării de alunecare prin frecare de rostogolire, ducând la mărirea randamentului mecanismului;

- cu disc plan (tabelul 7.1.c) sau curb (tabelul (7.1.d), - are ca avantaj, micşorarea pericolului de autoblocare;

Tabelul 7.1.

b) - după mişcarea pe care o execută tachetul se disting următoarele tipuri de tacheţi:

- cu mişcare de translaţie rectilinie alternativă (tabelul 7.1.e) ;

- cu mişcare oscilatorie (tabelul 7.1.f);

- cu mişcare plan paralelă (tabelul 7.1.g);

c) - după forma curbelor care definesc profilul se disting următoarele tipuri de came:

- came plane (tabelul 7.2. a şi b), - la care curba de profil este plană;

- came spaţiale, - la care curba de profil este spaţială; camele spaţiale pot fi:

- cilindrice (tabelul 7.2. c);

- conice (tabelul 7.2.d);

- hiperboloidale, etc;

Tabelul 7.2.

d) - după modul de dispunere a profilului se disting următoarele tipuri de came:

- came exterioare (tabelul 7.2.e şi f), - la care profilul este dispus în exterior;

- came interioare (tabelul 7.2.g şi h), - la care profilul se realizează sub forma unei caneluri, iar tachetul este prevăzut cu rolă;

e) - după forma curbei deplasării tachetului în funcţie de unghiul de rotaţie al camei pot exista:

- came cu profil liniar (tabelul 7.2.i), - la care deplasarea tachetului S = A, unde A = constant, iar = unghiul de rotaţie al camei;

- came cu profil parabolic (tabelul 7.2.j), - la care legea de mişcare a tachetului este s = A2;

- came cu profil cosinusoidal (tabelul 7.2. k), - comandă o deplasare a tachetului de forma S = A + B cosC , unde A, B şi C sunt constante;

- came cu profil sinusoidal (tabelul 7.2.l), - cu legea de mişcare s = A+BsinC, unde A, B şi C sunt constante;

- came cu alte legi de mişcare (polinoame de puteri, polinoame trigonometrice, legi formate din diferite curbe racordate, etc.);

f) - după fazele de mişcare comandate de profil , camele se clasifică astfel:

- came de tip RPCP (tabelul 7.2.m), - la care fazele R = ridicare, P = pauză, C = coborâre se repetă la fiecare rotaţie;

- came de tip RPC (tabelul 7.2.n), - la care lipseşte pauza P în poziţie inferioară;

- came de tip RCP (tabelul 7.2 o), - la care lipseşte pauza P în poziţie superioară;

- came de tip RC (tabelul 7.2. p), - la care lipsesc ambele pauze P;

g) - după numărul de curse complete ale tachetului corespunzătoare unei rotaţii a camei, se deosebesc:

- came simple (tabelul 7.2.q), - la care pentru o rotaţie a camei, se realizează o singură cursă completă a tachetului;

- came multiple, - la care tachetul realizează două, (tabelul 7.2.r), trei (tabelul7.2.s), patru (tabelul 7.2.ş) sau mai multe curse complete pentru o rotaţie a camei.

h) - din punct de vedere al realizării constructive, camele pot fi :

- întregi (tabelul 7.2.t şi ţ), - în cazul în care sânt realizate dintr-o singură bucată;

- compuse (tabelul 7.2.u), - la care porţiunile supuse la uzură intensivă sânt executate separat, astfel încât există posibilitatea reglării profilului în anumite limite;

- secţionate (tabelul 7.2.v), - ca un caz particular al camelor compuse, uşurându-se montajul şi înlocuirea camei;

i) - după felul mişcării, se deosebesc:

- came de rotaţie (tabelul 7.2.w), -caracterizate printr-o mişcare de rotaţie continuă cu 1 = const;

- came de translaţie (tabelul 7.2.x), - a căror mişcare este în general rectilinie alternativă ;

- came oscilante (tabelul 7.2.y), - se caracterizează printr-o mişcare circulară alternativă;

- came fixe (tabelul 7.2.z), - se caracterizează prin aceea că tachetul fiind condus, se sprijină pe profilul camei;

Ţinând cont de mişcarea camei şi tachetului se pot obţine diferite mecanisme cu came, care la rândul lor pot să fie plane sau spaţiale.

Datorită numărului mare de variante care ar rezulta, în continuare se vor prezenta doar criteriile de clasificare proprii mecanismului în ansamblu şi care nu rezultă din combinarea criteriilor de clasificare din tabelele 7.1. şi 7.2, după cum urmează:

7.3. Elementele geometrice ale camelor.

În figura 7.2. se prezintă un mecanism cu camă plană, al cărui tachet este cu rolă şi are o mişcare de translaţie .

Se constată că în timp ce rola se deplasează pe profilul camei, centrul acesteia descrie o curbă echidistantă faţă de profilul camei, reprezentată în desen prin linie întreruptă.

Se defineşte noţiunea de profil real, ca fiind profilul camei pe care se mişcă rola.

Se defineşte noţiunea de profil teoretic, ca fiind profilul echidistant profilului camei pe care se mişcă centrul rolei.

Totdeauna, la proiectarea camelor se ia în considerare profilul real, iar la analiza cinematică se ia în considerare profilul teoretic.

În conformitate cu figura 7.2. principalele elemente geometrice ale unei came sunt:

- R - raza rolei tachetului ;

- rmax - raza maximă a profilului camei;

-ro - raza cercului de bază al camei (echivalent cu cercul minim al profilului camei);

- Rm - raza alezajului de montaj a camei;

- r - raza vectoare a camei, corespunzătoare poziţiei date a mecanismului;

- - raza de curbură a profilului camei în punctul de contact al acesteia cu tachetul; totdeauna se află pe normala NN la profil în punctul considerat.

Pentru raza rolei se recomandă valoarea : R = (0,4 ~ 0,5) ro ; (7.1.)

Figura 7.2.

Observaţii:

- Raza rolei trebuie să fie mai mică decât raza de curbură minimă a profilului camei pentru a se evita schimbarea legii de mişcare a tachetului.

În figura 7.3. se observă cum rola nu poate pătrunde în porţiunile de pe camă cu razele de curbură 1 şi 2, modificându-se legea de mişcare a tachetului. Deci se impune condiţia ca R 0,8 min .

- În proiectare din cele două valori calculate pentru R, se alege cea mai mică.

Figura 7.3.

7.5. Proiectarea mecanismelor cu came.

  7.5.1. Generalităţi.

  Proiectarea mecanismelor cu came este condiţionată de cerinţele unui anumit proces tehnologic.

Ca urmare, prin tema de proiectare se impune legea de mişcare a tachetului şi se cere determinarea mecanismului respectiv pentru procesul tehnologic ce a impus lansarea temei.

Procesul tehnologic impune doar legea de mişcare pentru cursa de lucru a tachetului. Cursa în gol este impusă doar din considerente economice şi anume să fie realizată într-un timp minim.

Totodată se are în vedere ca la stabilirea curbelor de retragere, respectiv la stabilirea cursei de mers în gol a tachetului, timpul să fie mic, dar este necesar ca acesta să nu fie sub o valoare minimă care ar provoca suprasolicitări ale mecanismului.

De asemenea, la proiectarea mecanismelor cu came se iau în considerare şi condiţiile de gabarit impuse, precum şi posibilităţile tehnologice de execuţie a camelor respective.

Dupa stabilirea acestor condiţii şi după poziţionarea mecanismului cu came în cadrul întregului ansamblu sculă, dispozitiv, maşină, instalaţie se trece la proiectarea propriuzisă a mecanismului cu came.

Aceasta constă în:

- determinarea unghiului de presiune al mecanismului cu came;

- determinarea razei cercului de bază;

- proiectarea camei pentru legi liniare impuse tachetului;

- proiectarea camei pentru alte legi de mişcare impuse tachetului;

- alte date de proiectare;

Figura 7.11.

7.5.2. Determinarea unghiului de presiune.

Se numeste unghi de presiune, unghiul format între normala la profilul camei în punctul de contact cu tachetul şi direcţia vitezei absolute a tachetului (figura 7.11.).

Întrucât forţa transmisă de către camă, tachetului are direcţia normalei, ea se descompune într-o componentă F1 şi una F2, unde:

(7.17.)

  (7.18.)

 

(7.19.)

α FcosF1

FsinαF2

1

2

F

Ftgα

Unghiul este unghiul care determină mărimea componentei utile pe direcţia tachetului. Forţa transmisă de camă, tachetului ţinând cont de mărimea momentului motor transmis de la aceasta la tachet, se poate determina astfel:

(7.20.)

 

(7.21.)

unde.

MM - momentul motor transmis de la camă spre tachet;

F1 - componenta utilă a forţei, transmisă efectiv pe direcţia tachetului, atunci când cama este acţionată cu momentul motor MM;

cosα

F

h

MF 1M

h

cosαMF M

1

Din relaţia rezultă că:

- Dacă unghiul de presiune este mic, componenta utilă F1 a forţei este mare.

Dacă = 0 , întreaga forţă F se transmite tachetului.

Dacă este mare, atunci componenta F2 este mare şi în acest caz, aceasta contribuie la deformarea vârfului tachetului.

Deci este o forţă defavorabilă ce acţionează asupra tachetului.

De asemenea, dacă este mare, atunci gabaritul mecanismului este mai mic.

Deoarece normala este variabilă pe conturul camei, rezultă că pentru un profil oarecare, este variabil.

Dacă este prea mare, se ajunge la blocarea mecanismului, unghiul respectiv numindu-se critic; ( critic 60o).

h

cosαMF M

1

În timpul mişcării mecanismului, datorită forţei transmise de la camă, tachetul se înclină ca în figura 7.12.a, din cauza jocului în ghidaj. Asupra ghidajului (figura 7.12.b.) acţionează următoarele forţe:

Q - forţa tehnologică ce trebuie învinsă de mecanism;

NE , NG - reacţiunile ghidajului asupra tachetului;

FE , FG - forţele de frecare dintre tachet şi ghidaj;

Proiectând aceste forţe în direcţia axei tachetului, rezultă:

Figura 7.12.

(7.22.)

 

Întrucât FE = NE şi FG = NG , unde este coeficientul de frecare între tachet şi ghidaj, ecuaţia (7.22.) devine:

 

(7.23.)

 

Scriind şi ecuaţiile de momente în raport cu punctele E şi G, în final se obţine:

 

(7.24.)

0FFQFcosα GE

0μNμNQFcosα GE

μd,b,a,α,f

QF

Observaţii:

- Relaţia precedentă , exprimă legătura dintre forţa transmisă de camă, tachetului şi forţa determinată de elementele constructive ale mecanismului.

- Din această relaţie se poate determina unghiul de presiune critic ( critic) punând condiţia ca numitorul acesteia să fie f (,a,b,d,) = 0 ; critic.

- În acest caz , forţa F = , deci tachetul este blocat.

- La proiectare această condiţie este restrictivă; ea trebuie verificată pentru fiecare valoare a parametrului b variabil, întrucât şi este variabil pe contur.

Figura 7.13.

7.5.3. Determinarea razei cercului de bază.

  Se consideră mecanismul cu camă din figura 7.13. la care tachetul este amplasat cu o excentricitate e faţă de articulaţia din A.

Pentru determinarea razei cercului de bază ro se construieşte triunghiul vitezelor în punctul C şi astfel se poate scrie:

(7.25.)

(7.26.)

Perpendicularele pe vectorii viteză formează triunghiul ACH asemenea cu triunghiul vitezelor.

rv r;ωv C1C1 1

yy||v ;NNv

vvv

C2C21

C21C1C2

Notând cu unghiul EAG şi cu s = EC = supraânălţarea tachetului pentru poziţia din figura 7.13. a mecanismului se pot scrie relaţiile:

(7.27.)

Dar

 

(7.28.)

1

C21C2

1C2C1

ω

vAHAHωv

ωAH

v

r

v

tgsin

tgαseωv

rω

vetgα

ssinβretgαECGEetgαGCeGHAH

1

C2

o1

C2

o

Observaţii:

- Se consideră ± e după cum tachetul este în cursa de coborâre sau de urcare; (+) la urcare şi (-) la coborâre.

- La proiectare se va lua totdeauna ro = minim.

- Prin tema de proiectare se va preciza curba în funcţie de (legea de mişcare a tachetului în funcţie de unghiul de rotaţie al camei).

7.5.4. Proiectarea camei pentru legi liniare impuse tachetului.

  Cea mai utilizată lege de deplasare a tachetului este legea liniară adică la deplasări uniforme ale camei corespund deplasări constante ale tachetului (v = vo = = constant).

Utilizarea acestei legi se bazează pe considerente tehnologice; la majoritatea proceselor este necesar ca deplasarea piesei acţionate de tachet să se facă cu o viteză constantă.

Astfel, la strungurile automate se impune ca avansul sculei să fie constant, de asemenea la maşinile de bobinat, suportul mobil trebuie să aibă un avans constant.

Aceste considerente sunt avantajoase şi din punct de vedere al consumului uniform de energie.

Conform figurii 7.14. se cunoaşte legea de mişcare a tachetului sub forma unor porţiuni de drepte din diagrama S().

Se cere desenarea camei care asigură generarea acestei legi.

Pentru trasarea camei (figura 7.15.) se execută următoarele operaţii:

Figura 7.14.

- Se trasează pe hârtie la scara (1:1) legea de mişcare a tachetului;

- Se trasează pe hârtie la scara (1:1) un cerc cu raza rm de montaj pe arbore; (gabaritul camei se determină în funcţie de locul de montaj pe maşină);

- Se trasează cu acelaşi centru, cercul de bază al camei de rază ro;

- Se trasează cu acelaşi centru, cercul de rază maximă a camei (h4+ro);

- Se împarte cercu de rază maximă a camei în opt sectoare circulare proporţionale cu intervalele 1, 2, ..... 8 ;

- Se trasează cu acelaşi centru şi de rază (ro + h1) un arc de cerc ce străbate primele trei sectoare circulare;

- Se trasează cu acelaşi centru şi de rază (ro + h6) un arc de cerc ce străbate sectoarele proporţionale cu 5, 6, 7;

- Se împarte distanţa h1 într-un număr de părţi egale şi se duc arce de cerc.

Figura 7.15.