Творения рук человеческих (Естественная история машин)

Особенное развитие получили кулачковые механизмы, когда появились технологические мельницы. Если в случае обычных мукомольных мельниц вращательное движение водяного колеса при помощи несложной передачи преобразовывалось во вращательное движение жернова, то теперь задача усложняется, поскольку вращательное движение надо преобразовать в поступательное. Это достигается следующим образом: к вращаемуся деревянному валу крепится деревянный же кулак, который на протяжении части своего оборота входит в зацепление с другим кулаком, прикрепленным к вертикально движущемуся штоку. Когда оба кулака входят в зацепление, шток поднимается на определенную высоту, а затем при разрыве зацепления падает, а прикрепленный к нему боек производит технологическую операцию. Так работает мельница-толчея для производства пороха, бумаги, крупы. Несколько по-другому работает кузнечный молот, «рукоятка» которого посажена на ось, закрепленную в подшипниках, и опускается кулаком. При этом боек, посаженный на противоположный конец рукоятки, поднимается на определенную высоту и падает, когда кулак выходит из зацепления с рукояткой.

Существовало еще несколько схем кулачковых механизмов, соответствующих технологическим операциям, для производства которых были устроены разного типа мельницы. В некоторых случаях от одного водяного или ветряного двигателя колеса приводилось в движение несколько технологических установок. В этом случае вводились промежуточные механизмы распределения.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания и необходимость обеспечить точную последовательность тактов работы двигателя вызвали необходимость решить задачу газораспределения с помощью кулачкового механизма. Кулачковый механизм прошлого века уже лишь отдаленно напоминает своего многовекового предшественника: большие скорости двигателя требуют точности от всех составляющих его звеньев, в особенности от формы рабочей поверхности кулачка, его профиля. В дальнейшем такой механизм становится одним из ведущих при создании машин автоматического действия: отдельные операции выполняются при помощи кулачковых механизмов, действующих в соответствии с так называемой циклограммой, т. е. законом движения ведомого звена.

Несмотря на различия в применении кулачковых механизмов, их схема, в сущности, остается все той же, которая была выработана на протяжении веков: ведущее звено — кулачок, вращающийся около своей оси, приводит в движение ведомое звено, или движущееся по прямой линии, или качающееся около некоторой оси. Теоретически можно при помощи кулачкового механизма осуществить самые различные законы движения, однако на практике не все они оказываются одинаково приемлемыми: пользуются лишь теми из них, которые обеспечивают более простую технологию обработки профиля кулачка и удовлетворяют всем требованиям к построению механизма.

Как правило, движение ведомого звена механизма (толкателя или коромысла) соответствует четырем фазам: его подъему, так называемому выстою в верхнем положении, спуску, выстою в нижнем положении (оба выстоя или один из них могут и отсутствовать). Профиль кулачка выполняется в соответствии с этими фазами. При выстоях ведущее звено в течение некоторого угла поворота кулачка остается неподвижным. Следовательно, соответствующий участок профиля описывается дугой окружности. Профили же подъема и спуска выполняются по некоторым кривым, которые должны плавно переходить в участки выстоев. В противном случае ведомое звено, а следовательно, и выполняемая им технологическая операция будут испытывать удары, что, вообще говоря, недопустимо.

Иногда технологическая операция предполагает выстой некоторой длительности в одном положении, а затем передвижение с большой скоростью в следующее положение. Для этого был изобретен простейший механизм, так называемый мальтийский крест, который состоит из крестообразной основы с равномерно расположенными радикальными пазами, кривошипа с пальцем и неподвижного звена, обязательного для каждого механизма. При вращении кривошипа палец входит в паз креста и поворачивает его на угол, обусловленный заданной схемой. После выхода пальца из паза крест останавливается до тех пор, пока палец не начнет входить в следующий паз, тогда движение возобновляется. Тем самым обеспечивается прерывистый характер движения ведомого звена.

В качестве примера можно привести обработку деталей на многошпиндельных автоматах одновременно в нескольких позициях, число которых равно числу шпинделей. Все это дает возможность обрабатывать сложные детали путем совмещения переходов операций, при этом обеспечивается высокая производительность обработки. Естественно, что все это можно было сделать и с помощью кулачкового механизма, однако механизм мальтийского креста оказывается более простым, более надежным и долговечным в работе. Поэтому в некоторых случаях такой механизм просто незаменим.