CHƯƠNG IV co cau cam

Nguyên lý máy

Cơ cấu cam
CHƯƠNG IV: CƠ CẤU CAM

4.1. Định nghĩa, phân loại, nội dung nghiên cứu
4.1.1. Định nghĩa
- Cơ cấu cam là cơ cấu có khớp loại cao, thực hiện chuyển động qua lại của khâu
dẫn nhờ vào đặc tính hình học của thành phần khớp cao trên khâu dẫn

4.1.2. Phân loại
* Cơ cấu cam phẳng: các khâu chuyển động trong 1 mặt phẳng hay trong các mặt
phẳng song song nhau
- Theo chuyển động của cam: cam quay, cam tịnh tiến
- Theo chuyển động của cần: lắc, tịnh tiến, chuyển động song phẳng
- Theo dạng đáy của cần: bằng, nhọn, con lăn, biên dạng bất kỳ

* Cơ cấu cam không gian: Các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không
song song nhau

Học viện KTQS

1

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

4.1.3. Nội dung nghiên cứu
Hai bài toán cơ bản khi nghiên cứu về cơ cấu cam là
- Bài toán phân tích: cho trước cơ cấu cam, xác định quy luật chuyển động của
cần
- Bài toán tổng hợp: cho trước quy luật chuyển động của cần, xác định hình
dạng, kích thước,…của cam
4.2. Phân tích động học cơ cấu cam
Có 2 phương pháp cơ bản: Phương pháp chuyển động thực và Phương pháp đổi
giá. Chúng ta lần lượt đi vào 2 loại cam đặc trưng và 2 phương pháp đó.
4.2.1. Cơ cấu cam cần đẩy đáy nhọn
* Đồ thị chuyển vị
- Phương pháp chuyển động thực

Học viện KTQS

2

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

- Phương pháp đổi giá

- Các giai đoạn chuyển động

* Vận tốc
 s  s ( )


   (t )
* Gia tốc

Học viện KTQS



v

ds d ds
ds

1
dt
dt d
d

a

dv
d 2s
12
dt
d 2

3

Trần Ngọc Châu

Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

4.2.2. Cơ cấu cam cần lắc đáy nhọn
- Phương pháp chuyển động thực

Học viện KTQS

4

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

- Phương pháp đổi giá

4.3. Phân tích lực cơ cấu cam
Mục đích xác định khả năng làm việc của cơ cấu cam dưới tác dụng của tải trọng
Các lực tác dụng lên cần cam
- Tải trọng Q theo phương chuyển vị của cần
  
- Phản lực P từ cam tác dụng lên cần P  N  F
  
- Phản lực R từ giá tác dụng lên cần R  N ' F '
  

Điều kiện cân bằng lực
Q  R  P 0
Q
P



Từ hình vẽ, ta có
sin[  (     ' )] sin(   ' )
2
2
P
cos  '

Suy ra
Q cos(     ' )

Với là góc ma sát giữa cam và cần,  ' là góc ma sát giữa giá và cần

Học viện KTQS

5

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

Góc áp lực  : là góc giữa phương tác dụng lực và vận tốc điểm đặt lực. Khi 
 P
  , đây là trường hợp tự hãm của cơ cấu cam.
đạt giá trị sao cho      '  ,
2 Q
Do vậy, góc áp lực  không được lớn quá một giá trị gới hạn cho phép  [ max ] . Góc
áp lực tỉ lệ nghịch với kích thước của cam, nhưng ta không chọn góc áp lực quá nhỏ để
đảm bảo kích thước cam nhỏ gọn, (cũng như khả năng truyền động???).
0
Với cam cần đẩy [ max ] 30
0
Với cam cần lắc [ max ] 35

4.4 Tổng hợp cơ cấu cam
Tổng hợp cơ cấu cam là thiết kế cơ cấu cam theo điều kiện đặt ra của bài toán.
Khi tổng hợp cơ cấu cam, ta phải thiết kế cơ cấu cam thỏa mãn các điều kiện:
- Làm việc được, tức là  [ max ]
- Đảm bảo quy luật chuyển động cho trước của cần
- Kích thước cam nhỏ gọn nhất có thể
Bài toán tổng hợp cơ cấu cam bao gồm 2 phần
- Xác định vị trí tâm cam
- Xác định biên dạng cam

Học viện KTQS

6

Trần Ngọc Châu

Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

4.4.1. Xác định tâm quay của cơ cấu cam ( Bài toán tổng hợp động lực học cơ cấu cam)
a. Cam cần lắc đáy nhọn
* Bài toán 1: Cho:
- góc áp lực  [ max ]
- chiều quay 1 của cam 1, chiều dài cần l BC
i
- vị trí CBi của cần lắc 2 và vận tốc v B2 của đầu cần tại thời điểm đang xét
Yêu cầu: Tìm điểm đặt tâm cam A thỏa mãn các điều kiện trên

Xét cơ cấu cam thỏa mãn  [ max ] . Ta có quan hệ vận tốc:

Ứng với mỗi vị trí của b1i trên tt, ta có 1 họa đồ vận tốc và 1 vị trí của tâm cam mà
 AB i  B i b1i

 i v B1i  v B i b1i

 AB 




Học viện KTQS

7

Trần Ngọc Châu

Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

Khi b1i chạy trên tt, A chạy trên i // nn và cách B i một đoạn x i ( B i AA* 
B i b1i b1i* vì có 2 cạnh bên tỉ lệ nhau, góc kẹp giữa bằng nhau)

i
i
Gọi X i i  CB i , ta tính xi  B X . Tam giác đồng dạng: B i b1i b2i  B i AX i



xi
r
 i
i
v B2 v B1

Bi X i Bi A
 i i hay
B i b2i
B b1

 d
v  l  
 d

i
Chú ý v B1 r ,

i
B2

i

i


 l


i

 d 
x  B X 
 l
 d 
Vậy, quỹ tích i của tâm cam A song song với nn và cắt cần cam tại điểm X i
i
cách đầu cần một đoạn x i như trên, chiều B i X i là chiều véctơ v B2 xoay 900 theo chiều
1 .
i
Góc áp lực có thể đặt bên phải, hoặc bên trái của v B2 . Nếu góc áp lực đặt bên trái

v Bi 2 , quỹ tích của tâm cam A là đường 'i // n' n' và cũng đi qua điểm X i như đã xác định.
Như vậy, tâm cam có thể đặt tùy ý trên i và 'i .


Học viện KTQS

i

i

i

8

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

Nếu thay điều kiện  [ max ] bằng điều kiện  [ max ] và cho biết cam đang ở
i
i
giai đoạn đi xa hay về gần, tâm cam A có thể đặt tùy ý trong 2 miền  d hoặc  v giới hạn
bởi i và 'i
* Bài toán 2: Cho
- góc áp lực  [ max ]
- quy luật chuyển động của cần
Yêu cầu: phải đặt tâm cam A ở đâu để thỏa mãn các điều kiện trên?
Khi cho trước quy luật chuyển động của cần, tại mỗi thời điểm bài toán trở về bài
toán 1 như đã xét, ta xác định được miền tâm cam  i tương ứng

Học viện KTQS

9

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy
Trường hợp

Cơ cấu cam
[ max ]d [ max ]v

Để xác định miền tâm cam:
- vẽ các vị trí của cần Cb i ,
- với mỗi vị trí của Cb i , xác định  i ,
- miền tâm cam là phần giao của các  i

b. Cam cần đẩy đáy nhọn
Tương tự như trường hợp cam cần lắc đáy nhọn với các chú ý sau
- Quỹ đạo đầu cần là 1 đoạn thẳng  ta có thể xem là quỹ đạo đầu cần lắc có tâm
ở xa vô cùng
- Các giá trị x i vẫn được tính theo công thức cho cam cần lắc đáy nhọn
- Các đoạn B i X i song song nhau  các id song song với nhau, và các iv song
song với nhau
d
v
Khi [ max ] [ max ] , việc tìm miền tâm cam như sau
- Tìm các điểm X i rồi nối thành đường cong trơn
- Kẻ các tiếp tuyến  d và  v với đường cong trên thỏa điều kiện  [ max ]

- Miền  xác định bởi 2 tiết tuyến trên là miền tâm cam cần tìm

Học viện KTQS

10

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

c. Cam cần đáy con lăn
Cần đáy con lăn có thể là cần lắc hay cần đẩy, việc xác định tâm cam giống như
trường hợp đáy nhọn đã xét
d. Cam cần đẩy đáy bằng

Trong cơ cấu cam cần đẩy đáy bằng,  const , do vậy điều kiện  [ max ] dễ
dàng được thỏa mãn. Để đáy cần luôn tiếp xúc với mọi điểm trên biên dạng của cam, biên
dạng cam phải lồi. Bán kính cong  tại 1 điểm trên biên dạng cam với quy ước  > 0
nếu đi dọc biên dạng cam theo chiều kim đồng hồ mà tâm cong của biên dạng cam nằm
về phía tay phải. Điều kiện lồi của biên dạng cam là tại mọi điểm trên biên dạng cam, ta
phải có  > 0
Bài toán: Cho:
- Quy luật chuyển động của cần
- Vị trí gần tâm cam nhất của cần
Học viện KTQS

11

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

Yêu cầu: Xác định tâm cam sao cho: thỏa mãn quy luật chuyển động của cần,
biên dạng cam lồi, kích thước nhỏ gọn nhất có thể.

Thay thế khớp cao tại B bằng 1 khâu và 2 khớp thấp. Ta có
  DB  s  r0  z
Với: s: chuyển vị so với vị trí thấp nhất của cần
r0: bán kính nhỏ nhất của cam
z: đại lượng biến thiên
Vẽ họa đồ gia tốc tại điểm đang xét

 // AD



a D1 a D3 a D 
2
 l AD
Tam giác đồng dạng bd  DHA 

b DH

d DA

d 2s

d 2s
d 2

l AD  2
l AD 2
d
2



z  DH 

a B2
aD

l AD

Do vậy  s 

d 2s
 r0  0
d 2

Hay


d 2s 

 
r0    s 
d 2 


Học viện KTQS


d 2s 

 r0    s 
d 2 


12

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cơ cấu cam

4.4.2. Xác định biên dạng cam (Bài toán tổng hợp động học cơ cấu cam)
Là bài toán vẽ biên dạng cam theo quy luật chuyển vị cho trước của cần sau khi
đã xác định tâm quay theo các điều kiện động học, động lực học đã cho

Đây là bài toán ngược với việc phân tích động học cơ cấu cam đã xét. Nếu là cơ
cấu cam đáy con lăn, biên dạng cam tìm được là biên dạng lý thuyết, ta cần xác định biên
dạng cam thật.

- Lấy các điểm trên biên dạng lý thuyết làm tâm, vẽ các cung tròn bán kính bằng
bán kính con lăn
- Hình bao của họ đường tròn này là biên dạng thật của cam cần tìm
Khi chọn bán kính con lăn rL phải chú ý:
- rL càng lớn, tổn thất ma sát càng ít
- rL quá lớn sẽ xảy hiện tượng tự giao của biên dạng
cam
- rL   min , biên dạng cam có điểm nhọn, sẽ mòn nhanh
- rL   min , biên dạng cam thật giao nhau, không dùng
được
- phải chọn rL   min , thông thường rL 0,7  min

4.4.3. Trình tự thiết kế cơ cấu cam
1. Lập đồ thị chuyển vị, đồ thị vận tốc và đồ thị gia tốc của cần
2. Xác định tâm quay của cam (tổng hợp động lực học)
3. Xác định biên dạng cam (tổng hợp động học)
Nếu là cam đáy con lăn,
- Vẽ biên dạng cam lý thuyết
Học viện KTQS

13

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy
-

Cơ cấu cam

Xác định bán kính con lăn
Xác định biên dạng cam thực tế

Học viện KTQS

14

Trần Ngọc Châu