8.2 Kam Tasarımı

Kinematik olarak kam tasarımı, istenilen bir hareket için gerekli kam profilinin belirlenmesidir. Tasarım açısından kamlar iki değişik guruba ayrılırlar:

1. Düşük hız kamlar: Bu kamlar için kinematik tasarım düşünülecek olan tek kriter olabilir. Atalet kuvvetleri ihmal edilebilir. Yüzey kalitesi pek önemli olmadığından bu tür kamlar çok ucuza üretilebilir (örneğin bir saç presinde basılarak pul gibi veya plastik enjeksiyon yöntemi ile imal edilmeleri mümkündür). Bu tür uygulamalarda, kamlar döner ve kayar mafsallı mekanizmaların yerine kullanılarak hareketli parça sayısı azaltılabilir. Kam profili sadece kinematik açıdan tasarlanabilirse de yüzey profilinin sürekli olması sağlanmalı ve bağlama açısı tasarım sırasında göz önüne alınmalıdır. Bu tür kam tasarımına örnek olarak oyuncaklar, ölçüm aletleri, göstergeler ve evlerde kullanılan dikiş makinaları kamları gösterilebilir.
2. Yüksek hız kamlar: Yüksek hızda, büyük kütlelerin bulunduğu durumlarda ve esnek sistemlerde kullanılan kam mekanizmaları (tüm bu sistemlere yüksek hız kam diyeceğiz), sadece kinematik tasarım yapılması ve istenilen her hareketin elde edilebilmesi mümkün değildir. Sistemin dinamiği kinematiğinden çok daha önemlidir. Örneğin içten yanmalı motorlarda motor hızı 6000 devir/dakikaya kadar çıkabildiği düşünülür ise, sipobun 0.05 saniye içinde açılması gerekecek ve çıkış uzvunda gereken ivme yerçekimi ivmesinin çok üstünde değerler alacaktır.

Burada kam mekanizmalarının dinamiği incelenmeyecektir. Ancak bu tür kamların kinematik tasarımında göz önüne alınması gerekli hususlar irdelenecektir. Çünkü yüksek hızda kamlar kullanılırken hareket eğrisi üzerinde belirli sınırlamalar getirilmesi gereklidir.

Düşük hızda kamlar için hareket diyagramı istenilen herhangi bir eğri olabilir. Buna tipik bir örnekler otomat kamları, dikiş makinası kamları veya oyuncaklarda kullanılan kamlardır. Genel olarak kamın bir tam dönmesi ile hareket tekrarlanır. Tipik bir örnek vida gibi küçük paraçaların seri işlenmesinde kullanılan otomat kamlarıdır. Hareket diyagramları yukarıda gösterildiği gibi çizilebilir.

Kam hareket diyagramının s = f(θ) (0 < θ < 2π) fonksiyonu verilmiş olabilir. Düşük hızlarda bile bu eğrilerin kamlarla elde edilmesinde sorunlar çıkabilir (sürekli olmayan hareket ve eğimin belirli bir değerden fazla olması sorun yaratabilir).

Kamların çoğunlukla kullanıldığı alanlarda çıkış uzvu için beklemeli hareket istenir. Örneğin içten yanmalı motorlarda motor sipoplarının kapalı durması, belirli bir konumdan sonra süratle açılmasını ve bir süre açık kalmasını, bu beklemeden sonra ise süratle kapanması istenilir. Bu gereksinim yukarıda gösterildiği gibi olabilir.

Bu tip bir uygulamada genellikle (β₂, β₃) aralığı ile (0, β₁) aralığının oldukca geniş olması, sipopun açılıp kapanması için geçen sürelerin ise mümkün olduğunca az olması istenilir. Ancak, örneğin (β₁, β₂) aralığı daraltılır ise, bu kısımda eğimin artması ve dolayısı ile izleyicide hız ve ivmenin artmasını gerekir. Hareketin tümü için baktığımızda, genel olarak üç çeşit hareket şekli belirleyebiliriz.

1.     Bekleme-Hareket-Bekleme (BHB): İzleyici uzuv durağan bir konumdan başlayarak hareket eder tekrar beklemeye girer. Benzer bir BHB geri dönüş içinde olacaktır.

      2.      Bekleme-Hareket (BH): Bekleme durumundan başlayan hareket salınım yaparak tekrar bekleme konumuna gelir. İzleyici uzvun hareketi yön değiştirecektir.

      3.    Hareket (H): Hiç bir bekleme olmayan kam hareketidir. Bu kam hareketleri arasında en az istenilen tiptir. Kolaylıkla bu tür kamların yerine bir krank-biyel veya dört çubuk mekanizmaları kullanılabilecetir (Bu tür harekete sahip kamlar genellikle eksantrik olan dönen bir dairedir).

İstenilen hareket eğrisini verecek olan kam profilinin grafik olarak belirlenmesi aşağıda gösterilmekte olan santrik toparlaklı radyal kam için açıklanacaktır. Kam profilini belirlemek için ilk olarak belirli bir toparlak çapı ve temel dairesi çapı belirlenmelidir. Temel dairesi yarı çapı (r_t) değeri kinematik olarak bağlama açısına göre bulunur. Toparlak çapı (r_r) ise genel olarak kama gelen yükler belirlendikten sonra Hertz temas gerilimi göz önüne alınarak belirlenir. Burada her iki değerin bilindiği var sayılacaktır. Yarı çapı r_t + r_r olan bölüm dairesini çizelim. Hareket eğrisini ve bölüm dairesini aynı sayıda eşit aralıklarda bölelim (şekilde 30° aralıklar ele alınmıştır. Uygulamada, bilhassa yükseliş ve geri dönüş kısımlarında, bu aralığın istenilen hassasiyetin elde edilebilmesi için çok küçük seçilmesi gereklidir). Kam profilinin belirlenmesinde kinematik yer değişim uygulanır. Bunun için kam sabit olarak kabul edilecek ve sabit uzuv kamın dönme yönünün tersine bağıl konumlar aynı kalacak şekilde döndürülecektir. Örneğin şekilde, kamın 30° saat yelkovanına ters yönde dönmesi bu kinematik yer değişim ile, sabit uzvun 30° saat yelkovanı yönünde dönmesidir ve izleyici ekseni bu durumda dikey ile 30° açı yapmaktadır. Kam ile izleyici arasında aynı bağıl konumun korunabilmesi için bu arada izleyicinin bu yeni eksen yönünde hareket eğrisinde gösterilen s₁ kadar yukarıya öteleme yapması gerekir (İlk konumda toparlak merkezi kam merkezinden r_t + r_r kadar uzakta olduğundan 1 numaralı konumda toparlak merkezi kam merkezinden r_t + r_r + s₁ kadar uzakta olacaktır). Bu durumda, kinematik yer değişime göre, izleyicinin yeni konumu belirlenmiş olur (kesik çizgi ile izleyicinin konumu gösterilmiştir). Benzer işlem diğer konumlar için yapıldığında, kamın her dönme açısı için toparlağın kama göre bağıl konumu belirlenir. Kam profili toparlağın tüm bağıl konumlarına teğet olan düzgün eğridir.