科目
機構学
章
カムと間欠運動
図番
09 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 9 / 12

同じ高さに上げるのでも、上げ方しだいでガツンと当たる変位線図(等速・単弦・サイクロイド)

同じ高さを同じ角度で上げるとき、最高の速さは等速 1 : 単弦 1.57 : サイクロイド 2。等速は両端で速さが飛んでガツンと当たり、最大の加速度は単弦 4.93・サイクロイド 6.28(× hω²/β²)だが、サイクロイドは両端で加速度が 0 になる。

モータで回る円板カムが棒を押し上げ、棒の上の箱を持ち上げる。横に、等速となめらかな上げ方の2本の変位の曲線
このページの内容
  1. 部品を押し出すカムは、どう上げればいい?
  2. 公式はこれ
  3. エレベーターで考える
  4. 3つの線図を作る
  5. なぜ 1 : 1.57 : 2 なのか
  6. 公式を、2つのかたまりに分けて読む
  7. 線図から、カムの形を作る
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 自動機に戻る
  10. 動かしてみよう
  11. よくある勘違い
  12. この公式が使える条件
  13. 例題

この単元のポイント

  1. 等速の線図は、動き始めと止まる瞬間に速さが飛ぶ。加速度は理論上その瞬間だけ無限大で、従動節はガツンと当たる。
  2. 同じ高さを同じ角度で上げるとき、最高の速さは 等速 1 : 単弦 1.57 : サイクロイド 2。
  3. 最大の加速度は 単弦 4.93 : サイクロイド 6.28(× hω2/β2\scsH\skiOmega^2/\scsBeta^2)。サイクロイドのほうが大きいが、両端で加速度が 0 から始まり、0 で終わる。

部品を押し出すカムは、どう上げればいい?

工場の自動機では、カムがいろいろな部品を動かしています。たとえば、流れてくる部品を、棒で横へ押し出す機械です。カムが1回転するたびに、棒が1回、前へ出て戻ります。

棒が押す高さ(揚程)は 20 mm、カムが 120° 回る間に上げきります。カムは 30 min⁻¹ で回ります。上げきるまでの時間は、どの上げ方でも同じです。

上げ方は、いく通りもあります。一定の速さでまっすぐ上げる(等速)。円を回る点の影のように上げる(単弦)。転がる車輪の上の点のように上げる(サイクロイド)。

カムの角度を横軸に、従動節の変位(上がった高さ)を縦軸にとったグラフを、変位線図といいます。カムの形は、この線図で決まります。

3つの上げ方で、途中の速さがいちばん大きくなるのは、どれでしょうか。

予想してから読む同じ 20 mm を、同じ 120° の間に上げます。途中の最高の速さがいちばん大きいのは?

公式はこれ

カムが角度 β\scsBeta 回る間に、揚程 h\scsH だけ上げます。上がり始めからのカムの角度を ϕ\phi とし、u=ϕ/βu = \phi/\scsBeta(0 から 1)と書きます。

線図 変位 yy 最高の速さ 最大の加速度 両端の加速度
等速 h u\scsH\,u 1×hω/β1 \times \scsH\skiOmega/\scsBeta 両端で無限大 無限大(速さが飛ぶ)
単弦 h2(1−cos⁡πu)\dfrac{\scsH}{2}(1 - \cos \pi u) 1.57×hω/β1.57 \times \scsH\skiOmega/\scsBeta 4.93×hω2/β24.93 \times \scsH\skiOmega^2/\scsBeta^2 0 から 4.93 へ飛ぶ
サイクロイド h(u−sin⁡2πu2π)\scsH\left(u - \dfrac{\sin 2\pi u}{2\pi}\right) 2×hω/β2 \times \scsH\skiOmega/\scsBeta 6.28×hω2/β26.28 \times \scsH\skiOmega^2/\scsBeta^2 0(飛ばない)

1.57 は π/2\pi/2、4.93 は π2/2\pi^2/2、6.28 は 2π2\pi です。

この単元のカム(20 mm・120°・30 min⁻¹)では、最高の速さは 30・47.1・60 mm/s、最大の加速度は 単弦 0.222 m/s²・サイクロイド 0.283 m/s² です。答えは、サイクロイドです。

エレベーターで考える

エレベーターに乗ると、動き出すときに体がぐっと沈み、止まるときにふわっと浮きます。一定の速さで動いている間は、何も感じません。

体が感じるのは、速さそのものではありません。速さが変わるときです。速さが1秒あたりどれだけ変わるかを、加速度といいます。加速度が大きいほど、体(従動節や、押される部品)は強く押されます。

この単元で使う決まりは、1つです。

線図の傾きが速さ。傾きの変わり方が加速度。

変位線図が急な坂のところでは、従動節が速く動いています。坂の傾きが急に変わるところでは、大きな加速度がかかっています。

3つの線図を作る

等速:まっすぐの坂

いちばん簡単なのは、まっすぐな坂です。120° の間、同じ速さで上げます。

y=h u,速さ=hβ ω (一定)y = \scsH\,u, \qquad \text{速さ} = \dfrac{\scsH}{\scsBeta}\,\skiOmega \ (\text{一定})

この単元のカムでは、上げきるのにかかる時間は、120° を 1秒に回る角度で割って、

tβ=βω=2.093.14=0.667 st_{\scsBeta} = \dfrac{\scsBeta}{\skiOmega} = \dfrac{2.09}{3.14} = 0.667\ \mathrm{s}

速さは 20 mm ÷ 0.667 s = 30 mm/s です。この 30 mm/s を、3つの線図を比べる基準の速さ hω/β\scsH\skiOmega/\scsBeta にします。

困るのは、坂の上り口と下り口です。止まっていた従動節が、一瞬で 30 mm/s になります。エレベーターなら、扉が閉まった瞬間に、いきなり全速で動き出すようなものです。速さが一瞬で変わるので、加速度は、理論上その瞬間だけ無限大です。実際の機械では、部品がたわんだり、すき間でぶつかったりして、ガツンと音がし、すり減ります。

単弦:円の影

坂の上り口と下り口を丸めます。前の単元 カムと従動節 で見た、円を回る点の影の動きを使います。直径 h\scsH の円を、カムが β\scsBeta 回る間に半回転させ、その影の高さを変位にします。

y=h2 (1−cos⁡πu)y = \dfrac{\scsH}{2}\,(1 - \cos \pi u)

速さは 0 から始まり、真ん中でいちばん大きくなり、0 で終わります。速さは飛びません。

ただし、加速度は飛びます。影の動きは、動き始めの瞬間から、いちばん大きな加速度で押されます。止まっていたときは加速度 0 なので、そこで 0 から 4.93 に飛びます。エレベーターなら、なめらかに動き出すものの、「ぐっ」と押される感じが、いきなり来ます。

サイクロイド:加速度を 0 から始める

加速度も 0 から始めたいなら、加速度の線図から作ります。加速度を、0 から始まって 0 で終わる、波1つ(sin の1周期)にします。前半で押して速さを増やし、後半で引いて速さを減らします。

加速度∝sin⁡2πu\text{加速度} \propto \sin 2\pi u

この加速度を2回足し合わせる(積分する)と、変位は次の形になります。

y=h(u−sin⁡2πu2π)y = \scsH\left(u - \dfrac{\sin 2\pi u}{2\pi}\right)

まっすぐの坂 hu\scsH u から、小さな波を引いた形です。この曲線は、転がる車輪の縁の1点が描く線(サイクロイド)と同じ形なので、この名前があります。

なぜ 1 : 1.57 : 2 なのか

平均の速さは、どれも同じ

3つとも、同じ 20 mm を、同じ 0.667 s で上げます。だから、平均の速さは、どれも 30 mm/s です。

等速は、ずっと平均の速さのまま動きます。最高の速さも 30 mm/s です。

単弦とサイクロイドは、ゆっくり出て、ゆっくり止まります。出と止まりで遅れた分を、途中で速く動いて取り返します。だから、最高の速さが平均より大きくなります。

速さの線図の面積

速さの線図の面積(速さ × 時間の足し合わせ)は、上がった高さです。3つとも面積は同じです。

  • 等速:高さ 1 の長方形。面積 1 × 1 = 1。
  • 単弦:速さは半分の山の sin。山の面積は「高さ × 2/π」なので、面積を 1 にするには、高さは π/2\pi/2 = 1.57。
  • サイクロイド:速さは 1−cos⁡2πu1 - \cos 2\pi u。平均が 1 で、0 から 2 まで動く山です。高さは 2。

同じ面積なら、裾の広がった山ほど、てっぺんが高くなります。これが 1 : 1.57 : 2 です。

数で確かめる

使う式を先に置いて、この単元のカムの数を入れます。基準の速さは 30 mm/s、基準の加速度は hω2/β2\scsH\skiOmega^2/\scsBeta^2 = 45 mm/s² です。

単弦: vmax⁡=1.57×30=47.1 mm/s,amax⁡=4.93×45=222 mm/s2\text{単弦:}\ \scsVmax = 1.57 \times 30 = 47.1\ \mathrm{mm/s}, \qquad \scsAmax = 4.93 \times 45 = 222\ \mathrm{mm/s^2} サイクロイド: vmax⁡=2×30=60 mm/s,amax⁡=6.28×45=283 mm/s2\text{サイクロイド:}\ \scsVmax = 2 \times 30 = 60\ \mathrm{mm/s}, \qquad \scsAmax = 6.28 \times 45 = 283\ \mathrm{mm/s^2}

最大の加速度は、サイクロイドのほうが 1.27倍大きくなります。それでも、サイクロイドは両端で加速度 0 なので、止まっている状態から、なめらかにつながります。

公式を、2つのかたまりに分けて読む

amax⁡=6.28⏟線図の形で決まる数×h ω2β2⏟高さ ÷ 時間2\scsAmax = \underbrace{6.28}_{\text{線図の形で決まる数}} \times \underbrace{\dfrac{\scsH\,\skiOmega^2}{\scsBeta^2}}_{\text{高さ ÷ 時間}^2}
  1. 線図の形で決まる数 等速は無限大、単弦 4.93、サイクロイド 6.28。どんな大きさのカムでも同じです。
  2. 高さ ÷ 時間² 上げきる時間 tβ=β/ωt_{\scsBeta} = \scsBeta/\skiOmega を使うと h/tβ 2\scsH/t_{\scsBeta}^{\,2} です。同じ高さを半分の時間で上げると、加速度は4倍になります。

線図から、カムの形を作る

従動節の先にはローラ(小さな車)が付いています。カムの形は、ローラの中心が線図どおりに動くように決めます。

カムを回しても動かない、いちばん小さな円を基礎円といいます。カムを角度 ϕ\phi 回したとき、ローラの中心は、カムの中心から「基礎円の半径 + ローラの半径 + 変位 yy」の所にあります。この点をカムの上に1周ぶん並べた線(ピッチ曲線)から、ローラの半径だけ内側に入った線が、カムの輪郭です。

下のシミュレータでは、基礎円の半径 30 mm、ローラの半径 8 mm で、線図からカムの形を作って描いています。等速の線図では、上がり始めと上がり終わりに、輪郭の角が見えます。

どの数字がいちばん効く?

それぞれの数字を1割(10%)だけ変えたとき、最高の速さと最大の加速度がどう変わるかを並べます。線図の種類は、どれでも同じ割合です。

変えるもの 最高の速さ 最大の加速度
揚程 h\scsH を10%大きく +10% +10%
回転数 N\skiN を10%大きく +10% +21%
上げる角度 β\scsBeta を10%大きく −9.1% −17.4%

加速度には、回転数と角度が2乗で効きます。加速度を小さくしたいなら、上げる角度 β\scsBeta を広くとるのが、いちばん効きます。

自動機に戻る

自動機のカムは、もっと速く回ります。数は仮に決めたものです。同じカム(20 mm・120°)を 300 min⁻¹ で回すと、角速度は10倍の 31.4 rad/s です。

amax⁡=6.28×0.020×31.422.092=28.3 m/s2\scsAmax = 6.28 \times \dfrac{0.020 \times 31.4^2}{2.09^2} = 28.3\ \mathrm{m/s^2}

重力加速度(9.81 m/s²)の約3倍です。回転数を10倍にしたので、加速度は 10² = 100倍です。

この速さで、等速の線図を使うと、1回ごとにガツンと当たります。単弦は速さが飛ばないので、ずっと静かです。それでも、加速度の飛ぶ両端で、部品が小さく揺さぶられます。サイクロイドは加速度が飛ばないので、速く回す機械に向いています。

つまり、ものを作るときは

ゆっくり回す機械なら、等速でもかまいません。速く回すほど、両端で速さも加速度も飛ばない線図(サイクロイドなど)を選びます。

加速度は、上げる角度の2乗に反比例します。カムの1回転の中で、上げる角度を広くとれれば、どの線図でも加速度は小さくなります。

動かしてみよう

線図の種類のボタン(等速・単弦・サイクロイド)を切り替えると、カムの形と、下の3つの線図の太い線が変わります。点は、いまのカムの角度です。

速さの線図で、山の高さ 1・1.57・2 を見比べてください。加速度の線図では、単弦が両端で縦に飛び、サイクロイドが 0 から始まるのが分かります。

下の3つの線図の縦軸は、揚程・基準の速さ・基準の加速度で割った値です。揚程や回転数を変えても、線図の形は変わりません。実際の数字は、答えの欄で変わります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 線図の種類を「等速」にする。速さの線図の両端で、線がどう変わるかを見る(まだ)
  2. 「サイクロイド」にする。答えの欄の最高の速さを、単弦のときの 47.1 mm/s と比べる(まだ)
  3. サイクロイドのまま、上げる角度 β を半分の 60° にする。加速度の線図の両端と、最大の加速度を見る(まだ)
線図線図の種類
mm
°
min⁻¹
βカム従動節y = 0 mm単元変位線図線図単弦角度φ = 0°(上がる)
t = 0.00 s
01234010203040時間 t [s]従動節の変位 y [mm]
変位 y ÷ 揚程 h 1 等速 2 単弦 3 サイクロイド0β/2β00.51カムの角度 φy/h速さ ÷ (hω/β)0β/2β012カムの角度 φ速さの比11.572加速度 ÷ (hω²/β²) 等速は両端(縦の破線)で ∞0β/2β-6-3036カムの角度 φ加速度の比−4.936.28
従動節の最高の速さは、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

vmax⁡=π2×h ωβ\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = \dfrac{\pi}{2} \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}}=1.57×30= 1.57 \times 30=47.1 mm/s= 47.1\ \mathrm{mm/s}
従動節の最高の速さ
vmax⁡=47.1 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 47.1\ \mathrm{mm/s}
従動節の最大の加速度
amax⁡=0.222 m/s2\htmlClass{q-flow}{a_{\max}} = 0.222\ \mathrm{m/s^2}
上げるのにかかる時間
tβ=0.667 s\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}} = 0.667\ \mathrm{s}
途中の計算(導出)を見る
  1. カムの角速度と、β 回るのにかかる時間

    tβ=βω=2.09 rad (120∘)3.14 rad/s=0.667 s\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\beta}}{\htmlClass{q-flow}{\omega}} = \dfrac{2.09\ \mathrm{rad}\ (120^{\circ})}{3.14\ \mathrm{rad/s}} = 0.667\ \mathrm{s}
  2. 同じ時間で一定の速さで上げたときの速さ(基準の速さ)

    htβ=h ωβ=200.667=30 mm/s\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}}{\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = \dfrac{20}{0.667} = 30\ \mathrm{mm/s}
  3. 最高の速さ(単弦の係数をかける)

    vmax⁡=π2×h ωβ=1.57×30=47.1 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = \dfrac{\pi}{2} \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = 1.57 \times 30 = 47.1\ \mathrm{mm/s}
  4. 最大の加速度(単弦の係数をかける)

    amax⁡=π22×h ω2β2=4.93×45 mm/s2=0.222 m/s2\htmlClass{q-flow}{a_{\max}} = \dfrac{\pi^2}{2} \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}^2}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}^2} = 4.93 \times 45\ \mathrm{mm/s^2} = 0.222\ \mathrm{m/s^2}

よくある勘違い

「最高の速さがいちばん小さい等速が、いちばんやさしい」

従動節や部品が強く押されるかどうかは、速さではなく加速度で決まります。

言葉 線図で見るところ 等速では
速さ 変位線図の傾き ずっと一定(いちばん小さい)
加速度 傾きの変わり方 両端で無限大(いちばん悪い)

「最大の加速度が小さい単弦は、サイクロイドより静か」

単弦の最大の加速度 4.93 は、サイクロイドの 6.28 より小さい値です。でも、単弦の加速度は、動き始めの瞬間に、0 からいきなり 4.93 まで飛びます。速く回すと、この飛びが揺れを起こします。比べるときは、最大の値だけでなく、両端で飛ぶかどうかも見ます。

この公式が使える条件

  • カムは一定の速さで回る
  • 従動節は、カムの中心の真上をまっすぐ上下に動き、いつもカムに接している(ばねで押し付けている)
  • 1回転の中で、上がる(β\scsBeta)・上で止まる・下がる(β\scsBeta)・下で止まる、の順に動く。シミュレータでは、上で止まるのは 180° まで(β\scsBeta ≤ 180°)
  • 部品の伸び縮みや、すき間は考えない。等速の「無限大」は、この前提での理論上の値
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

角度から時間へ:カムは一定の角速度 ω\skiOmega で回るので、u=ϕ/β=ωt/βu = \phi/\scsBeta = \skiOmega t/\scsBeta です。変位を y=h f(u)y = \scsH\,f(u) と書くと、

dydt=hωβ f′(u),d2ydt2=hω2β2 f′′(u)\dfrac{dy}{dt} = \dfrac{\scsH\skiOmega}{\scsBeta}\,f'(u), \qquad \dfrac{d^2y}{dt^2} = \dfrac{\scsH\skiOmega^2}{\scsBeta^2}\,f''(u)

最高の速さと最大の加速度は、f′f' と f′′f'' の最大値(線図の形で決まる数)に、基準の値をかけたものです。

等速:f=uf = u、f′=1f' = 1、f′′=0f'' = 0(区間の中)。両端で f′f' が 0 と 1 の間を飛ぶので、そこで f′′f'' は無限大です。

単弦:f=12(1−cos⁡πu)f = \tfrac12(1 - \cos\pi u)、f′=π2sin⁡πuf' = \tfrac{\pi}{2}\sin\pi u(最大 π/2\pi/2、u=1/2u = 1/2)、f′′=π22cos⁡πuf'' = \tfrac{\pi^2}{2}\cos\pi u(最大 π2/2\pi^2/2、u=0u = 0 と 1)。

サイクロイド:f=u−12πsin⁡2πuf = u - \tfrac{1}{2\pi}\sin 2\pi u、f′=1−cos⁡2πuf' = 1 - \cos 2\pi u(最大 2、u=1/2u = 1/2)、f′′=2πsin⁡2πuf'' = 2\pi\sin 2\pi u(最大 2π2\pi、u=1/4u = 1/4。u=0u = 0 と 1 で 0)。

別の方法で確かめる:このサイトのテストでは、3つの変位の式を数値で微分して、速さと加速度の式と一致することを確かめました。また、速さの線図を細かく足し合わせると、どれも上がった高さ 1 になること、最大の値を数値で探すと 1.57・2・4.93・6.28 になることも確かめています。

例題

例題1 包装機のふたを押し上げる

包装機で、箱のふたを 30 mm 押し上げるカムを、サイクロイドの線図で作ります。カムが 90° 回る間に上げきり、カムは 60 min⁻¹ で回ります。

(1) 上げきるのにかかる時間はいくらですか。(2) 最高の速さはいくらですか。(3) 最大の加速度はいくらですか。

ヒント 1 / 2

まず上げきる時間 tβ=β/ωt_\beta = \beta/\omega を出し、基準の速さ h/tβh/t_\beta と基準の加速度 h/tβ 2h/t_\beta^{\,2} を求めます。

ヒント 2 / 2

サイクロイドの係数は、速さが 2、加速度が 2π≒6.282\pi \fallingdotseq 6.28 です。

答えと解き方を見る
(1) tβ=0.25 s(1)\ t_{\beta} = 0.25\ \mathrm{s}
(2) vmax⁡=2×120=240 mm/s(2)\ \scsVmax = 2 \times 120 = 240\ \mathrm{mm/s}
(3) amax⁡=6.28×480 mm/s2=3.02 m/s2(3)\ \scsAmax = 6.28 \times 480\ \mathrm{mm/s^2} = 3.02\ \mathrm{m/s^2}
  1. カムの角速度と、β 回るのにかかる時間

    tβ=βω=1.57 rad (90∘)6.28 rad/s=0.25 s\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\beta}}{\htmlClass{q-flow}{\omega}} = \dfrac{1.57\ \mathrm{rad}\ (90^{\circ})}{6.28\ \mathrm{rad/s}} = 0.25\ \mathrm{s}
  2. 同じ時間で一定の速さで上げたときの速さ(基準の速さ)

    htβ=h ωβ=300.25=120 mm/s\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}}{\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = \dfrac{30}{0.25} = 120\ \mathrm{mm/s}
  3. 最高の速さ(サイクロイドの係数をかける)

    vmax⁡=2×h ωβ=2×120=240 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 2 \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = 2 \times 120 = 240\ \mathrm{mm/s}
  4. 最大の加速度(サイクロイドの係数をかける)

    amax⁡=2π×h ω2β2=6.28×480 mm/s2=3.02 m/s2\htmlClass{q-flow}{a_{\max}} = 2\pi \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}^2}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}^2} = 6.28 \times 480\ \mathrm{mm/s^2} = 3.02\ \mathrm{m/s^2}

60 min⁻¹ は1秒に1回転なので、90° は 1/4 回転で 0.25 s です。

基準の速さは 30 mm ÷ 0.25 s = 120 mm/s、基準の加速度は 30 mm ÷ (0.25 s)² = 480 mm/s² です。

例題2 3つの線図の最高の速さ

従動節を 10 mm 上げるカムがあります。カムが 150° 回る間に上げきり、カムは 40 min⁻¹ で回ります。

等速・単弦・サイクロイドの線図で作ったとき、最高の速さはそれぞれいくらですか。

ヒント 1 / 2

等速の速さは、平均の速さ h/tβh/t_\beta と同じです。

ヒント 2 / 2

40 min⁻¹ は 1秒に 240° 回ります。150° 回るのにかかる時間を出します。

答えと解き方を見る
等速 16 mm/s,単弦 25.1 mm/s,サイクロイド 32 mm/s\text{等速}\ 16\ \mathrm{mm/s},\quad \text{単弦}\ 25.1\ \mathrm{mm/s},\quad \text{サイクロイド}\ 32\ \mathrm{mm/s}
  1. カムの角速度と、β 回るのにかかる時間

    tβ=βω=2.62 rad (150∘)4.19 rad/s=0.625 s\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\beta}}{\htmlClass{q-flow}{\omega}} = \dfrac{2.62\ \mathrm{rad}\ (150^{\circ})}{4.19\ \mathrm{rad/s}} = 0.625\ \mathrm{s}
  2. 同じ時間で一定の速さで上げたときの速さ(基準の速さ)

    htβ=h ωβ=100.625=16 mm/s\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}}{\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = \dfrac{10}{0.625} = 16\ \mathrm{mm/s}
  3. 最高の速さ(単弦の係数をかける)

    vmax⁡=π2×h ωβ=1.57×16=25.1 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = \dfrac{\pi}{2} \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = 1.57 \times 16 = 25.1\ \mathrm{mm/s}
  4. 最大の加速度(単弦の係数をかける)

    amax⁡=π22×h ω2β2=4.93×25.6 mm/s2=0.126 m/s2\htmlClass{q-flow}{a_{\max}} = \dfrac{\pi^2}{2} \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}^2}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}^2} = 4.93 \times 25.6\ \mathrm{mm/s^2} = 0.126\ \mathrm{m/s^2}

上げきる時間は 150° ÷ (40 × 360° ÷ 60 s) = 0.625 s。平均の速さ(等速の速さ)は 10 ÷ 0.625 = 16 mm/s です。

あとは 1 : 1.57 : 2 をかけるだけです。

例題3 加速度を抑える角度

サイクロイドの線図で、従動節を 20 mm 上げるカムを 120 min⁻¹ で回します。従動節の最大の加速度を 5 m/s² 以下にしたいとします。

(1) 上げる角度 β は、少なくとも何度にしますか。(2) そのときの最高の速さはいくらですか。

ヒント 1 / 2

amax⁡=2π h ω2/β2a_{\max} = 2\pi\,h\,\omega^2/\beta^2 を、β\beta について解きます。β は rad で出てきます。

ヒント 2 / 2

β2≧2π×0.020×12.572/5≒3.97\beta^2 \geqq 2\pi \times 0.020 \times 12.57^2 / 5 \fallingdotseq 3.97 です。

答えと解き方を見る
(1) β≧114∘(1)\ \scsBeta \geqq 114^{\circ}
(2) vmax⁡=252 mm/s(2)\ \scsVmax = 252\ \mathrm{mm/s}
  1. カムの角速度と、β 回るのにかかる時間

    tβ=βω=1.99 rad (114∘)12.6 rad/s=0.159 s\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\beta}}{\htmlClass{q-flow}{\omega}} = \dfrac{1.99\ \mathrm{rad}\ (114^{\circ})}{12.6\ \mathrm{rad/s}} = 0.159\ \mathrm{s}
  2. 同じ時間で一定の速さで上げたときの速さ(基準の速さ)

    htβ=h ωβ=200.159=126 mm/s\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}}{\htmlClass{q-flow}{t_{\beta}}} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = \dfrac{20}{0.159} = 126\ \mathrm{mm/s}
  3. 最高の速さ(サイクロイドの係数をかける)

    vmax⁡=2×h ωβ=2×126=252 mm/s\htmlClass{q-flow}{v_{\max}} = 2 \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}} = 2 \times 126 = 252\ \mathrm{mm/s}
  4. 最大の加速度(サイクロイドの係数をかける)

    amax⁡=2π×h ω2β2=6.28×796 mm/s2=5 m/s2\htmlClass{q-flow}{a_{\max}} = 2\pi \times \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{h}\,\htmlClass{q-flow}{\omega}^2}{\htmlClass{q-displacement}{\beta}^2} = 6.28 \times 796\ \mathrm{mm/s^2} = 5\ \mathrm{m/s^2}

6.28×0.020×ω2/β2≦56.28 \times 0.020 \times \omega^2 / \beta^2 \leqq 5 を β について解きます。ω = 2π × 120 ÷ 60 = 12.6 rad/s です。

加速度は β の2乗に反比例するので、角度を少し広げるだけで、よく下がります。