クランクとカムのしくみと特徴とは?

リンク装置

4本の棒を、①図のようにつなぎあわせ、それぞれの棒が
つなぎあわせた点のまわりを、自由にまわれるようにしておきます。
このようなしくみを、リンク装置と言います。

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このリンク装置で、aの棒を動かさないでおいて
bの棒をOのまわりにまわすと、Cの棒はQのまわりをまわれないで
その先のRの点が、MとNのあいだを行ったり来たりします。

反対に、Cの棒をMとNのあいだで往復させると
bの棒は、Oのまわりをぐるぐるまわります。

リンク装置は、このように回転運動を往復運動にかえたり
往復運動を回転運動にかえたりするはたらきをします。

このようなリンク装置を実際に使うには
②図のようにOとQの点にb・cの軸をつけて回転運動や往復運動をさせます。

また、①図で、dの棒の途中の点、たとえばSの点の運動を調べると
Pの点が円運動をするとき、Sは楕円形の運動をします。

dの棒のかわりに、曲がった棒や板をつけて
その上の1点を選んで運動させると8の字の形や
いろいろ複雑な運動をさせることができます。




クランク仕掛け

まえのリンク装置の図で、Oを通る棒の回転軸と
bの棒をいっしょにすると、つぎの③図のように
一部分が曲がった回転軸になります。

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このようなものを、曲軸、またはクランクと言います。

このクランクに、dの棒をつなぐ点Pの回転軸を
クランクピンと言い、dの棒のことを、連接棒と言います。

いま、クランクを図のようにまわすとリンク装置のときと同じように
連接棒のはしのRの点とぼうcは矢印のような首振りの往復運動をします。

これと反対に、Rに首振りの往復運動をさせて
クランクに回転運動をさせることもできます。

④図は、連接棒の先のRをaの棒につけ
dの棒を、aの棒にそってだけ滑らせるようにしたものです。
この場合は、クランクを回転させるとRが棒aの直線上を往復運動します。

このように、クランク、またはその原理を使って
回転運動を往復運動にかえたり往復運動を回転運動に
かえたりするしくみをクランク仕掛けと言います。

クランク仕掛けで、aの棒の両はしの位置
OとQが決まっていて動かなければ、aの棒はなくてもよいわけです。
そのため、実際のクランク仕掛けには、aの棒はあまり見られません。

クランク仕掛けの利用

クランク仕掛けは、蒸気機関や自動車のエンジンなどで
大切なはたらきをしています。

また、私たちの生活に使われている機械にも、いろいろと利用されています。

下の図の①は、ミシンのはずみ車をまわすベルト車と
足踏み板とのあいだのクランク仕掛けです。

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②図は、足踏み脱穀機に使われている
足踏み板と車とのあいだのクランク仕掛けです。
これらは、足踏み板の往復運動を、回転運動にかえるためのものです。

③図は、こうもりがさの骨のはたらきをしめしたものです。
Oとbはクランクではありませんがクランクと同じはたらきをしています。

Rが、かさのえを上下に滑ると、クランクピンにあたるPの点が
Oのまわりに円を描いて、かさを広げたり、つぼめたりします。

上の図の右は、自動車のエンジンに使われているクランク仕掛けです。
連接棒の先についているピストンは、ガスの爆発で押されて
クランクを回転させます。

上の図の左は、飛行機に使われている、7シリンダの星型エンジンです。
これは、それぞれの連接棒が、共通のクランクピンにつながれています。



クランクの死点

蒸気機関車のクランク仕掛けで一定の力でピストンを押しているとすると、
連接棒にはたらく力も一定です。
しかし、クランクをまわす力はクランクピンのまわる位置によって違います。

下の図のように、連接棒がクランクの回転軸を通るときと
連接棒を延長した先が、クランクの回転軸を通るとき
クランクの回転力はゼロになります。

クランクピンが、このような位置にきたときをクランクの死点と言います。

クランクが死点にあるときは
いくら連接棒に力を加えても、クランクはまわりません。

そこで、蒸気機関車の両側の動輪は
クランクピンの位置を90度だけずらして、一方が死点にあっても
他方が死点にならないようにしてあります。

また、動輪の一部が、とくに重くつくられているのは
その慣性によって死点で止まらないようにするとともに
回転を滑らかにするためです。

自動車のエンジンでも、ピストンが1つだけでは
ちょうど死点の位置にくると、クランクがまわりません。

このために、ピストンをいくつもつけて
しかも、クランク軸へ取り付ける角度をかえて
滑らかな回転ができるようにしてあります。

また、クランク軸についているはずみ車も、死点で止まるのをふせぎ
回転を滑らかにするはたらきをしています。

カム

軸といっしょにまわる物の外側のふちに
棒を、いつも触れ合うようにしておきます。

このとき、軸といっしょにまわる物が不規則な形をしていると
これに触れている棒は、そのふちのでこぼこに応じて
出たり入ったり、直線運動をします。

このようなしかけを、カムと言います。

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図のようなカムでは、棒が円形の部分に触れているときは動きません。
回転する板がつきでているところに、棒が触れるときだけ上にあがります。

自動車のエンジンについている、吸気弁や排気弁は
このようなカムで、開けたり閉めたりしています。

ミシンについているてんびんは、針の動きにつれて上下運動をし
上糸をくりだしたり、たぐりあげたりするはたらきをします。
てんびんに、このような動きをさせているのは、てんびんカムです。

てんびんカムは、円筒の外側に、曲がった溝をつけたものです。
てんびんの曲がった部分には、小さなでっぱりがついていて
この溝にはまっています。

このため、てんびんカムが回転すると
てんびんは溝の曲がり方にしたがって、上下に動くのです。

このように、カムは、回転運動を往復運動にかえるはたらきをします。
この方法によると、クランク仕掛けよりかんたんになるし
カムの形をかえて、往復運動のしかたを、いろいろにかえることができます。

たとえば、止まっている時間を長くしたり、動く速さをかえたり
特別な運動をさせたりすることができるので、複雑な機械には
なくてはならないものの1つです。







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