Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CƠ CẤU CAM 1. GIỚI THIỆU Cơ cấu cam được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại máy như sử dụng cho việc đóng mở súp páp của động cơ đốt trong, sử dụng trong nhiều loại máy gia công cơ khí. So sánh với cơ cấu dạng thanh, cơ cấu cam dễ thiết kế khi cho yêu cầu cụ thể của yêu cầu đầu ra; tuy nhiên cơ cấu cam khó chế tạo hơn so với cơ cấu dạng thanh. Chương này sẽ đề cập đến các khái niệm cơ bản về cơ cấu cam.
Các loại cơ cấu cam và những cơ cấu cam thông dụng thường dùng trong các hệ thống cơ khí. Các ký hiệu t Thời gian (s) 𝜃 Góc quay trục cam (° hoặc rad) 𝜔 Vận tốc góc của trục cam (rad/s) 𝛽 Góc quay ở một giai đoạn của cam (đi xa, đứng xa, về gần hoặc đứng gần) L Hành trình của cần (chiều dài) S (y) Chuyển vị của cần (chiều dài) V (y’) Vận tốc của cần (chiều dài/rad) 𝑣 (𝑦̇ ) Vận tốc dài của cần (chiều dài/s) A (y’’) Vận tốc của cần (chiều dài/rad2) 3 a (𝑦̈ ) Gia tốc dài của cần (chiều dài/s2) J (y’’’) Xung (chiều dài/rad3) Rb Bán kính vòng tròn cơ sở thực (chiều dài) Rp Bán kính vòng tròn cơ sở lý thuyết (chiều dài) Rf Bán kính con lăn (chiều dài) Tâm sai (chiều dài) Bán kính cong của bề mặt cam thực (chiều dài) p Bán kính cong của bề mặt cam lý thuyết (chiều dài) 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ CẤU CAM 1. Khái niệm và phân loại Khái niệm cơ cấu cam Cơ cấu cam là một cơ cấu trong đó khâu bị dẫn (được gọi là cần) nối với khâu dẫn (cam) bằng khớp cao và chuyển động qua lại theo quy luật do hình dạng của bề mặt tiếp xúc trên khâu dẫn quyết định.
Cơ cấu cam có thể được phân loại theo nhiều cách như: theo chuyển động của cần, theo hình dạng của cam, phân loại theo dạng đáy cần, cam chính tâm và lệch tâm. Phân loại theo chuyển động của cần Tùy thuộc vào chuyển động của cần: cần chuyển động tịnh tiến (Hình 1.2a, b), cần chuyển động quay hay lắc (Hình 1. Phân loại theo hình dạng của cam 4 Tùy theo hình dạng của cam, trên Hình 1.1 phân ra 4 loại cam như sau: - Cam phẳng hay còn gọi là cam đĩa (Hình 1. - Cam tịnh tiến (Hình 1.
- Cam thùng (Hình 1. - Cam mặt (Hình 1. Trong các loại cam nêu trên hình Hình 1.1a thì cam cam đĩa được dùng phổ biến nhất, còn cam tinh tiến hiếm khi được sử dụng bởi vì đầu vào thường sử dụng dạng chuyển động quay liên tục. Theo hình dạng đáy cần Trên hình Hình 1.2 chỉ ra các loại hình dạng đáy cần như sau: - Cần đáy nhọn (Hình 1.
- Cần đáy bằng (Hình 1. - Cần đáy con lăn (Hình 1. - Cần đáy cong (Hình 1. Loại cam: Cam chính tâm (Hình 1.2b), cam lệch tâm (Hình 1.
Trong quá trình làm việc của cơ cấu cam phải luôn đảm bảo rằng cam và cần luôn tiếp xúc với nhau. Điều này có thể được thực hiện bởi phụ thuộc và trọng lượng, hoặc sử dụng lực lò xo, hoặc là được ràng buộc bởi kết cấu. Chẳng hạn như Hình 1.1c sự tiếp xúc liên tục của cam và cần được thực hiện nhờ vào kết cấu của rãnh cam; hoặc kết 5 cấu của cần như Hình 1. Một cách khác để luôn giữ tiếp xúc giữa cam và cần là sử dụng cam đều cữ như Hình 1.
Cam đĩa với: (a) Cam lệch tâm và cần đáy nhọn; (b) Cam chính tâm và cần đáy bằng; (c) Cam cần lắc đáy con lăn; (d) Cam cần lắc đáy cong. Các kiểu ràng buộc tiếp xúc của cam và cần 1. Các khái niệm cơ bản của cơ cấu cam Hình 1. Cơ cấu cam cần đẩy, đáy con lăn 8 Giả sử xét cơ cấu cam cần đẩy, đáy con lăn như trên Hình 1.4: - Biên dạng cam thực và biên dạng cam lý thuyết (quỹ đạo đường tâm con lăn) được chỉ ra trên Hình 1.
- Vòng tròn cơ sở thực (𝑅𝑏 ): vòng tròn nhỏ nhất tiếp tuyến với cung Rmin của biên dạng cam thực. - Vòng tròn cơ sở lý thuyết (𝑅𝑝 ): vòng tròn nhỏ nhất tiếp tuyến với cung Rmin của biên dạng cam lý thuyết. Một số giai đoạn chuyển động của cần: - Giai đoạn dừng (dwell): là giai đoạn mà không có chuyển động của đầu cần hay cam quay nhưng cần đứng yên. Nếu giai đoạn dừng ở gần tâm cam gọi là giai đoạn đứng gần (đoạn AB trên Hình 1.4); còn nếu giai đoạn dừng ở xa tâm cam gọi là giai đoạn đứng xa (đoạn CD trên Hình 1.
- Giai đoạn đi xa (rise): là giai đoạn cần chuyển động dần dần xa tâm cam (đoạn CB trên Hình 1. - Giai đoạn về gần (return or fall): là giai đoạn cần chuyển động về gần tâm cam (đoạn AD trên Hình 1. Tùy thuộc vào yêu cầu làm việc của hệ thống, chuyển động của cơ cấu cam có thể có hai giai đoạn đi xa - về gần; có thể có ba giai đoạn như đi xa – về gần – dừng; hoặc có bốn giai đoạn như đi xa – đứng xa – về gần – đứng gần; hoặc có nhiều hơn bốn giai đoạn là sự kết hợp của các giai đoạn trên tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế. 9 Chuyển vị của cần (displacement diagram) Thông thường hệ thống sử dụng cơ cấu cam có một bậc tự do.
Thường dẫn động cho trục cam quay với vận tốc góc không đổi để tạo ra chuyển động mong muốn của cần. Khi cam qua hết một vòng thì cần sẽ vạch lên một quỹ đạo là mối quan hệ góc quay của cam 𝜃(𝑡) và chuyển vị của cần 𝑦 và được gọi là chuyển vị của cần.5 chỉ ra chuyển vị của cần cho cơ cấu cam với cần chuyển động tịnh tiến gồm bốn giai đoạn: đi xa – đứng xa – về gần – đứng gần. Giá trị lớn nhất của chuyển vị cần trong giai đoạn đi xa được gọi là hành trình của cần (L) như chỉ ra trên Hình 1. Các góc quay của cam ứng với các giai đoạn chuyển động của cần được gọi là các góc định kỳ, ký hiệu là 𝛽𝑖 .5 các góc định kỳ 𝛽1 , 𝛽2 , 𝛽3 , 𝛽4 tương ứng với 4 giai đoạn chuyển động của cần: đi xa, đứng xa, về gần và đứng gần.
Chuyển vị của cần 10 Chương 2 BÀI TOÁN PHÂN TÍCH 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 2. Nội dung Bài toán phân tích là bài toán cho trước hình dáng, kích thước và quy luật chuyển động của cam (cam quay với vận tốc góc không đổi). Từ đó xác định chuyển vị, vận tốc, gia tốc và xung của cần.
Phương pháp Sử dụng phương pháp vẽ dựa vào việc đổi giá: tưởng tượng rằng cam đứng yên và cần sẽ quay với vận tốc góc của cam và ngược chiều với chiều quay của cam. Xác định chuyển vị của cần của một số loại cơ cấu cam thông dụng Cho cơ cấu cam chính tâm cần đẩy đáy con lăn với các thông số của cam như trên Hình 2. Các bước xác định chuyển vị của cần bằng phương pháp vẽ như sau thể hiện trên Hình. 21 như sau: - Chia vòng tròn cơ sở lý thuyết thành nhiều phần bằng nhau (có thể không bằng nhau) theo ngược chiều quay của cam (0 – 360°); - Chia đồ thị chuyển vị cần thành các đoạn tương ứng với góc quay của cam; 11 - Đo khoảng cách từ điểm trên vòng trong cơ sở lý thuyết đến tâm con lăn (trace point) tại điểm tương ứng; - Đặt khoảng cách đó trên đồ thị chuyển vị tại các điểm tương ứng; - Nối các điểm tương ứng trên đồ thị chuyển vị và được đường cong mô tả chuyển động của đầu cần.
Chuyển vị của cơ cấu cam cần đẩy đáy con lăn chính tâm 12 Hình 2. Chuyển vị của cơ cấu cam cần đẩy đáy con lăn lệch tâm Với cơ cấu cam cần đẩy đáy con lăn lệch tâm Hình 2.2 thì việc xác định đồ thị chuyển vị như sau: - Chia vòng tròn tâm sai thành nhiều phần (có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau) theo ngược chiều quay của cam (0 – 360°). - Vẽ các tiếp tuyến tại các điểm trên vòng tròn tâm sai (tiếp tuyến chính là phương chuyển động của cần khi đổi giá) để xác định các điểm trên vòng tròn cơ sở lý thuyết và tâm con lăn. Chuyển vị của cơ cấu cam cần đẩy đáy bằng chính tâm - Đo khoảng cách từ điểm cắt trên vòng tròn cơ sở lý thuyết đến tâm con lăn tại mỗi vị trí và đặt các khoảng cách đó trên đường tâm chuyển động của cần, ký hiệu các điểm đó lần lượt là 0, 1, 2, …, 12.
Từ đó có thể dễ dàng vẽ đồ thị chuyển vị của đầu cần. Với cam cần đẩy đáy bằng chính tâm chỉ ra trên Hình 2.3, việc xác định chuyển vị của cần cũng tương tự với các bước như sau: 14 - Chia vòng tròn cơ sở (là vòng trong nhỏ nhất khi cần tiếp xúc gần tâm cam nhất) thành nhiều phần (có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau) theo ngược chiều quay của cam (0 – 360°). - Các điểm tương ứng được xác định bởi phương chuyển động của cần và đường thẳng trên mặt phẳng của cần. - Đo khoảng cách từ điểm trên vòng tròn cơ sở đến điểm vừa xác định sẽ xác định được lượng chuyển vị của cần.
Từ đó dễ dàng vẽ được đồ thị chuyển vị của cần. Chuyển vị của cơ cấu cam cần lắc đáy con lăn 15 Với cam cần lắc đáy con lăn trên Hình 2.4, với loại cam này chuyển vị của cần là chuyển vị góc và được xác định như sau: - Xác định đường tròn tâm đáy cần với tâm là tâm quay của cam, bán kính là khoảng cách từ tâm quay của cam và tâm quay của cần và chia vòng tròn này thành các phần (có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau) theo chiều ngược chiều quay của cam (0 – 360°); chẳng hạn chia các phần từ 0, 1, 2, …12 như trên Hình 2. - Từ các điểm chia trên vòng tròn tâm cần quay cung tròn bán kính là khoảng cách từ tâm cần đến tâm con lăn và cắt biên dạng cam lý thuyết ở đâu chính là tâm của con lăn và cắt vòng tròn cơ sở lý thuyết tại một điểm trên mỗi vị trí chia. - Cung chuyển vị của cần được xác đinh là cung giữa điểm tâm con lăn và giao điểm trên vòng tròn cơ sở lý thuyết vừa xác định ở bước trên (nhìn Hình 2.
ĐỒ THỊ SVAJ Đồ thị chuyển vị được xác định ở phần trên.