Кулачковый коммутационный элемент представляет собой кулачковый механизм, снабженный контактами.
Рис. 15.4. Конструкция кулачковых коммутационных элементов:
а — кулачковый элемент с дугогасительным устройством; б — кулачковый элемент без дугогасительного устройства; в — кулачковый элемент цепи управления
Примерные конструкции кулачковых коммутационных элементов приведены на рис. 15.4. Контакты выполняются в большинстве случаев с притиранием; при отсутствии мощной разрываемой дуги могут выполняться и без притирания. Конструкция контактов кулачковых элементов на большие токи пальцевого типа (рис. 15.4, а, б); в кулачковых элементах на небольшие токи нашли широкое применение мостиковые контакты (рис. 15.4, в). Материал контактов — медь; напайки — из серебряной металлокерамики.
Кулачковые элементы могут снабжаться надежным дугогасительным устройством с электромагнитным дутьем (рис. 15.4, а); катушка дутья обычно включается последовательно с контактами.
Кулачковый элемент имеет очень большую износоустойчивость и дает сравнительно небольшие моменты на барабане. Благодаря своим преимуществам кулачковые элементы в настоящее время являются основными коммутационными элементами контроллеров и переключателей.
При расчете кулачкового коммутационного элемента прежде всего рассчитываются контакты и определяются их параметры (см. гл. IV), после чего рассчитывается контактная и включающая пружины (см. § 11.2). При расчете (рис. 15.5) включающей пружины необходимо иметь в виду, чтобы создаваемый ею момент относительно оси вращения рычага был всегда на 20-30% больше момента от контактного нажатия относительно той же оси, поскольку при включении контактов появляется сила грения между контактами, препятствующая их включению, т. е.
(15.6)
После расчета контактов выбираются размеры кинематических элементов кулачкового механизма и профиль кулачковой шайбы, а затем рассчитывается механическая характеристика.
Рис. 15.5. К расчету механической характеристики кулачкового элемента
Поскольку в процессе включения и выключения контактов направления сил меняются очень сильно, расчет проводится графическим методом; силы трения в осях, ролике, контактах при расчете можно не учитывать. Перед началом расчета механической характеристики определяются угол φ поворота барабана — от первого касания ролика кулачкового элемента с кулачковой шайбой до выхода ролика на наружную поверхность шайбы (т. е. до полного отключения кулачкового элемента) и угол φ1 притирания контактов — от первого касания ролика кулачкового элемента с кулачковой шайбой до момента начала расхождения контактов.
Угол φο разбивается на ряд промежуточных положений, обычно через 1 — 2°, одним из которых обязательно должно быть значение угла φ1, так как при нем действующие усилия меняются скачком. Для каждого положения определяются: усилия контактной пружины Рпр и включающей пружины Р0; плечо усилия контактной пружины lПР относительно оси вращения держателя подвижного контакта; плечо усилия включающей пружины l0 относительно оси вращения рычага; плечо контактного усилия относительно оси вращения держателя подвижного контакта lк' и относительно оси вращения рычага lк; плечо силы воздействия кулачковой шайбы на ролик Рр относительно оси вращения рычага lр и относительно оси вращения кулачковой шайбы 1Ш.
До того момента, пока ролик не коснулся профиля кулачковой шайбы, момент на кулачковой шайбе равен нулю. Как только ролик коснулся профиля кулачковой шайбы, момент изменяется скачком до некоторой величины, поскольку пружины кулачкового элемента имеют предварительный натяг:
(15.7)
Усилие воздействия ролика на кулачковую шайбу определится из уравнения равновесия рычага кулачкового элемента:
(15.8)
В свою очередь контактное усилие определится из уравнения равновесия держателя подвижного контакта
(15.9)
Подставляя поочередно (15.9) в (15.8), а (15.8) в (15.7), получим
(15.10)
Расчетная формула (15.10) справедлива до тех пор, пока контакты не начнут расходиться, т. е. пока барабан не повернется на угол φ'. Как только между контактами появится минимальный зазор и Рк=0, то момент на барабане увеличится скачком за счет того, что контактная пружина имеет предварительный натяг, обеспечивающий как фиксацию держателя подвижного контакта при разомкнутых контактах, так и начальное контактное нажатие, т. е. в момент размыкания контактов Рпр≠0.
Тогда момент на шайбе
(15.11)
Расчет механической характеристики при сбегании ролика с кулачковой шайбы аналогичен предыдущему, только момент от кулачкового элемента меняет знак и помогает вращению барабана. Результаты вычислений целесообразно сводить в таблицу, форма которой аналогична табл. 15.1. Примерный вид механической характеристики и развертки приведен на рис. 15.5.
Фиксированные позиции могут располагаться либо в зоне полного включения, либо в зоне выключенного положения, причем минимальное их приближение к зоне притирания и к зоне расхождения контактов обычно принимается равным 1 — 2°.
Рис. 15.6. К определению правильной установки кулачкового элемента по отношению к кулачковой шайбе
Для одного и того же кулачкового элемента при разных профилях кулачковой шайбы площади, ограниченные кривыми моментов, будут одинаковыми, так как одинакова работа, которая выражается этими площадями. Обычно профили обеспечивают углы φ0=6-12° и φ1=2-4°, т. е. угол поворота барабана для полного включения и выключения кулачкового элемента значительно больше, чем для пальцевого коммутационного элемента. Величины углов φο и φι при включении и выключении или при изменении направления вращения барабана будут равны только при правильном расположении кулачкового элемента относительно кулачковой шайбы. Правильная установка характеризуется тем, что угол между прямой, проведенной через центр шайбы и через центр среднего положения ролика, и прямой, проведенной через центр вращения рычага кулачкового элемента и через центр среднего положения ролика, будет равен 90° (рис. 15.6). Под средним положением ролика понимается положение на половине его хода х/2, т. е. посередине между положением ролика при полностью включенном элементе и положением ролика при полностью выключенном элементе.
