Что такое храповый механизм. Храповые механизмы

Храповик - одно из старейших механических изобретений человека. Конструкционная простота и функциональная эффективность позволили ему сохранять актуальность даже в эпоху цифровых технологий. Разумеется, и целевые системы, в которых применяется храповый механизм, сложно назвать технически высокоразвитыми, но это не отменяет эксплуатационные достоинства их устройства.

Сфера применения

На храповиках базируются и промышленные агрегаты с компонентами инженерных конструкций, и работа мелких фурнитурных элементов для инструмента. Это говорит об универсальности устройства и его гибкости с точки зрения технической интеграции. Например, простейший храповый механизм для касок позволяет осуществлять регулировку ремня оголовка через колесико, передающее движение системе фиксации.

В инструментах данное устройство служит как средство установки определенных рабочих параметров. В конструкции секатора, в частности храповик позволяет четко фиксировать шаг реза в рамках заданного диапазона. Если же говорить о более ответственных направлениях, то на первый план выйдет станочное производственное оборудование. Поперечно-строгальные агрегаты оснащаются наружными колесами храповиков, которые выдерживают большие физические нагрузки. В круглошлифовальных станках данное устройство задействуется в целях обеспечения радиальных подач - монтаж производится в комбинации с поршневыми приводами. Помимо этого, храповики используют в лебедочных системах, домкратах, стартерных и заводных механизмах.

Конструкционное исполнение

Функциональные части механизма работают на обеспечение прерывистого движения, требуемого для одностороннего смещения зубчатого колеса. Последнее выступает наиболее значимой частью системы и представляет собой металлический диск с зубцами. Для обеспечения надежности колесо изначально выполняется по технологии ковки или литьевым способом.

Количество зубцов может быть разным - это зависит от рабочего диапазона целевой конструкции. В типовых моделях возможность 30-градусного поворота обеспечивают 12 зубцов. Минимальное число переходных пазов достигает 6 - к примеру, такая конфигурация используется в храповых механизмах для стяжных ремней-рэчетов. Кроме рабочего колеса, в конструкцию также входит крепежная «собачка», стопорный механизм, вал и рычаг. Физические свойства элементов, схема расположения, наличие отдельных функциональных компонентов и размеры могут меняться в зависимости от модели и особенностей конструкции.

Как работает храповый механизм?

В каждом устройстве предусмотрен своего рода спусковой элемент (рычаг, привод, крюк), приводящий систему в действие. Изначально «собачка» находится в контакте с колесом, но после активации механизма начинается осевое вращение, влекущее за собой и смещение фиксатора.

Тяга может обеспечиваться разными источниками тяги. В том же секаторе пуску способствует ручной нажим, а в станках - электродвигатель. Так или иначе, в процессе движения колеса «собачка» начинает скольжение и последующее перемещение по внешним поверхностям зубцов. Важно подчеркнуть, что в этот момент она не оказывает никакого влияния на колесо. Но после остановки движения храповый механизм запирается посредством упора «собачки» в один из пазов. Данный цикл может повторяться до тех пор, пока не будет получен требуемый результат при осуществлении регулировки, подъема или настройки по определенным параметрам целевой системы.

Разновидности механизма

Существует множество классификаций, обусловливающих разнообразие храповиков. К примеру, профилированная поверхность может быть реечной или барабанной. Первый вариант используется в особых случаях, так как линейное размещение зубцов менее функционально и эргономично, чем по окружности. Барабанные же системы как раз и представляют собой устройства с рабочими колесами. Есть и классификация профиля основы, на которой располагаются пазы. Он может быть прямоугольным, радиальным и пологим. Чаще применяются радиальные системы как наиболее удобные в использовании, надежные и компактные. С прямоугольным профилем обычно выполняется храповый стяжной механизм, поскольку небольшие размеры регулирующей оснастки в данном случае не позволяют использовать зубцы с заостренными и наклонными гранями.

Особенности работы двунаправленных механизмов

Одной из ключевых черт классического храповика является вращение колеса или рейки только в одну сторону. Но есть также и отдельный класс механизмов, которые сохраняют тот же эксплуатационный эффект, но действуют иначе. Вращение у двунаправленных систем реализуется и влево, и вправо. Причем зубцы обязательно должны быть прямоугольными - только в этой конфигурации можно обеспечить равномерность смещения колеса. Главная же особенность храпового механизма двунаправленного типа заключается в системе перемещения «собачки». Она не переходит и не сползает по поверхности колеса, а перекидывается. Это расширяет возможности управления системой, но и усложняет ее, делая менее надежной.

Как самостоятельно изготовить храповик?

Техника выполнения конструкции будет зависеть от требований к системе, в которой она будет использоваться. За основу можно взять вал в виде отрезка металлической трубы, вырезку из стального листа и кусок профиля, который выполнит роль «собачки». Основная сложность будет заключаться в подгонке размеров этих компонентов, ведь только при условии оптимального схождения можно обеспечить стабильную работоспособность храпового механизма. Своими руками также следует изготовить несущую базу - для нее используют металлический каркас, собранный из тех же стальных листов. Посредством сварки к нему с двух сторон крепится вал, на который садится предварительно обработанный диск с вырезанными пазами. Для установки «собачки» следует предусмотреть ходовой зажим с пружинной системой. Инсталляция осуществляется метизами или сваркой.

В заключение

У храповиков немало преимуществ, но есть и слабые места, которые необходимо учитывать при покупке устройств с таким механизмом. В первую очередь, на систему ложится высокая ответственность, что обуславливает и повышенные требования к обслуживанию.

В тех же станках и грузоподъемных агрегатах обязательным условием является регулярная смазка колеса и пятен контакта с «собачкой». Использование храпового механизма в мелком инструменте и дополнительных приспособлениях тоже имеет свои недостатки, обусловленные заеданием небольших деталей. Но в каждом случае качество работы системы будет зависеть от характеристик изделия. Крупные производители применяют в конструкции храповиков долговечные компоненты с оптимальным сочетанием эксплуатационных свойств. Другое дело, что наличие такого механизма может существенно повышать ценник устройства.

Храповик коленчатого вала является давно известным механизмом, который используется не только в автомобилестроении, но и во многих отраслях промышленности. Первое зафиксированное историческое упоминание храпового механизма относится к войнам Древней Греции. Его использовали в арбалетной технике. При натягивании тетевы, храповик предотвращал соскальзывание её в обратную сторону.

Сегодня он выступает в качестве составного элемента различных механизмов и машин. Храповой механизм широко применяется в устройстве турникетов, домкратов, лебедочных механизмах и многих других. Также он нашел применение в коленчатых валах.

Храповик представляет собой механизм прерывистого движения, включающий несколько составных частей. Его основным предназначением является способность преобразовывать движения возвратно-вращательного характера в прерывистое вращение исключительно в одном направлении. Иными словами, храповик предотвращает то вращение оси, которое происходит против заданного направления.

Механизм устройства храповика представлен зубчатым колесом, зубцы которого не являются симметричными. Они оснащены упором с одной из сторон. Предотвращение обратного вращения достигается за счет собачки, прижимаемой к зубчатому колесу. Собачка может прижиматься двумя способами: наиболее часто собачка прижимается к зубчатому колесу при помощи пружины, резинового кольца, но есть и другой вариант — прижатие посредством собственного веса.

Собачка соединена с коромыслом, которое совершает раскачивающиеся движения неподалеку от центра храпового колеса, подвижным соединением. Она необходима для того, чтобы захватить храповое колесико, захватывающего коромысло при перемещении рычага из стороны в сторону.

В тот момент, когда происходит движение колеса в обратном направлении, собачка легко соскакивает на несколько зубцов колеса. В коленчатом вале этот простой, но достаточно важный механизм выполняет роль средства моментальной остановки.

Другое назначение механизма – предотвращение проворачивания вала. Так используемый в конструкции лебёдки храповик останавливают обратное провертывание барабана при подъёме груза.

При необходимости осуществления попеременного вращения вала вправо-влево, зубцы делают прямоугольной формы, а собачку перекидной. Перекидывание собачки, позволяет изменять направление вращения храповика.

Требующийся поворот храповика определяет количество зубцов. На какую долю окружности предполагается поворот храповика, столько зубцов и проектируют. Для поворота на 60 градусов потребуется 6 зубцов (одна шестая окружности), поворота на 30 градусов – 12 зубцов (одна двенадцатая полного оборота). Минимальное количество зубцов – 6.

При проектировании учитывается такая особенность, чем больше храповик, тем больше должен быть рычаг. Поэтому храповик делают максимально допустимо маленьким. Высота зубца рассчитывается в 0,35-0,4 величины шага. Профиль традиционно бывает прямоугольный, пологий или по радиусу. Проектирование механизма с двумя рычагами делает его более устойчивым, предотвращая перекос в процессе работы. Скашивание конца зубца, делает упор более надёжным.

Храповик коленчатого вала позволяет присоединить пусковую рукоятку. С его помощью происходит передача вращательного движения, идущего по направлению от рукоятки к коленчатому валу для осуществления запуска. Также происходит автоматическое отсоединение вала от рукоятки в кратчайшее время после начала работы двигателя.

В качестве исходных данных требуется знать необходимый угол поворота храпового колеса α o и передаваемый крутящий момент на валу храпового колеса.

Предварительное число зубьев храпового колеса z пр =360 o /α o принимают z равным от 8 до 48, предпочтительно z=12 ÷ 20.

Фактический угол поворота храпового колеса (на один зуб)

α o = 360 o / z

Модуль храпового колеса, мм:

для наружного зацепления

для внутреннего зацепления

где,
M кр - крутящий момент на валу храпового колеса, Н·мм;
ψ - отношение ширины колеса к модулю, ψ = b / m .

Расчетный модуль округляют до стандартного. Проверку линейного давления производят по формуле

где,
b - ширина зуба, мм;
[σ и ] - допускаемое напряжение на изгиб для материала колеса, МПа;
q - допускаемое давление на единицу длины зуба, Н/мм. Ширина собачки b 1 Значения ψ, q, [σ и ] для различных материалов храповых колес приведены в таблице.

Напряжение в опасном сечении а - b или с - d собачки (см. рисунок выше)

где окружная сила
P = M кр / mz

Изгибающий момент М и = Pl (здесь l - плечо изгиба); W = b 1 x² / 6; F = b 1 x.

Диаметр оси собачки: соответственно в сечении I и II

где,
[σ и ] ВИДЫ ХРАПОВИКОВ

1. Мелкомодульные храповики

Для внутреннего зацепления брать значения D, не отмеченные звездочкой

2. Храповик переключения
(число зубьев z от 12 до 30)

t = πm - шаг, мм;

h = m - высота зуба, мм.

Построение профиля. Разделить внешнюю окружность NN на z равных частей (АA = t), через точки деления провести радиусы и построить угол β = 4°. В точке С пересечения образующей угла β с окружностью SS, ограничивающей впадины зубьев, построить угол A 1 CB = 80° искомого профиля.

3. Остановочные храповики с наружным и внутренним зацеплениями
(число зубьев z от 8 до 30)

t = πm - шаг, мм;
2R = mz - диаметр начальной окружности, мм;
h = 0,75m - высота зуба, мм;
a = m - длина хорды АВ, мм.

Построение профилей наружного и внутреннего зацеплений (в скобках дана величина углов при внутреннем зацеплении). Описывают начальную окружность NN и окружность оснований зубьев SS. Окружность NN делят шагом t на равные части. От любой точки деления откладывают хорду АВ = а. На хорде ВС при точке С строят угол в 30° (20°). В середине хорды ВС восстанавливают перпендикуляр LM до пересечения в точке 0 со стороной угла СК. Из точки 0 радиусом 0С описывают окружность.Точка F пересечения этой окружности с окружностью SS есть вершина угла в 60° (70°).

В различных машинах для их нормального функционирования используется не только непрерывное, но и прерывистое вращательное движение. Для того чтобы его осуществлять, используются специализированные механизмы , называемые храповыми .

В технике храповыми механизмами принято называть такие кинематические устройства, которые используются для того, чтобы преобразовывать возвратно-вращательное движение в движение прерывистое вращательное, имеющее одно направление. Отличительной особенностью храповых механизмов является то, что они позволяют производить изменение величины периодических перемещений рабочих частей станков и машин различного назначения, причём в весьма широком диапазоне и достаточно тонко.

Храповой механизм можно охарактеризовать, как устройство которое периодически создаёт препятствие воздействию силы на механизм и снова создаёт условия для его движения. Кроме того, их применяют с целью устранения возможности перемещения каких-либо звеньев машин и механизмов в одном направлении. Еще одно назначение храповых механизмов состоит в том, чтобы давать связанным между собой звеньям возможность свободно поворачиваться в одном направлении. Все храповые механизмы подразделяются на зубчатые и фрикционные.

Основными элементами зубчатых храповых механизмов являются зубчатая рейка или зубчатое храповое колесо и ползун или коромысло, на которых закреплена так называемая «собачка ». На храповом колесе могут располагаться внутренние, наружные, а также торцевые храповые зубья . Что касается «собачек », то их в большинстве случаев делают поворотными. К колесам они прижимаются или под влиянием собственного веса, или под действием специальных пружин.

Нередко бывают ситуации, когда нужно обеспечить вращение храповика как в одну, так и в другую сторону. Для обеспечения такого функционирования устройства его собачка делается перекидной, а зубья используются прямоугольной конфигурации. Для того чтобы изменит направление вращения храповика , необходимо переключить «собачку » из одного положения в другое.

Фрикционные храповые механизмы в современной технике получили весьма широкое распространение. Они подразделяются на колодочные, кулачковые и роликовые.

Чаще всего фрикционные храповые механизмы используются тогда, когда нужно обеспечить надежное сцепление различных элементов при значительных скоростях, причем в любом их угловом положении друг относительно друга. Движение в одном определенном направлении в таких механизмах выполняется за счет того, что при заклинивании промежуточных звеньев фрикционных обойм возникает большая сила трения.

Сфера применения храповых механизмов различных типов и конструкций весьма широка. Чаще всего их используют в самом разнообразном станочном оборудовании. К примеру, без храповых механизмов с наружным храповым колесом не обходится практически ни один современный поперечно-строгальный станок. В продольно-строгальном оборудовании обычно используются механизмы с торцевыми храповыми муфтами . Их устанавливают в приводах подач. В конструкции некоторых круглошлифовальных станков применяются храповые механизмы с поршневыми приводами. Они монтируются в системах радиальных подач.

Помимо станкостроения храповые механизмы используются также в приборостроении, автомобилестроении, авиастроении. Их часто можно встретить в различных отсчетных устройствах, заводных механизмах, стартерах, лебедках, домкратах и т.п.

И его частей: храпового колеса и собачки.

Расчет храпового механизма

Наиболее опасным для элементов останова является положение, когда собачка упирается в вершину зуба храпового колеса (рис. 1, б). Так как зацепление зубьев с собачкой происходит с некоторым ударом, то кромки зуба колеса и собачки сминаются. Прочность кромок определяют по уравнению:

где P – окружная сила, H; b – ширина колеса, см; [q] – допускаемое линейное давление с учетом динамического характера нагружения, Н/см (значения [q] для некоторых материалов приведены в таблице 1).

Храповой механизм

Рис. 1: а - схема останова; б - расчет собачки

Окружную силу определяют из уравнения:

где D - внешний диаметр храпового колеса; z - число зубьев храпового колеса; m - модуль зацепления храпового колеса; Mк - крутящий момент, действующий на валу храпового колеса.

Параметры для расчета храпового соединения

Табл. 1: Примечание. Значения [q] соответствуют механизмам для 1, 2 и 3-й групп режимов работы. Для более напряженных режимов эти значения должны быть не ниже 25-30%.

Расчет храпового колеса

Соотношение между шириной зуба b и модулем m определяется коэффициентом ψ=b/m, значения которого даны в таблице 1. Бόльшие значения коэффициента ψ принимают для , работающих со значительными ударными нагрузками. Ширину собачки при нимают на 2-4 мм шире зуба храпового колеса, чтобы компенсировать возможные неточности монтажа. Используя уравнения, приведенные выше, получаем выражение для модуля колеса:

Если число зубьев неизвестно, а известен диаметр храпового колеса, то удобнее пользоваться выражением:

При модуле храпового колеса m≥6 мм можно ограничится проверкой зуба по изгибу. Плоскость излома зуба (рис. 1, б) отстоит на расстоянии h = m от вершины зуба. Высоту расчетного сечения зуба храпового колеса с внешним зацеплением принимают a = 1,5m. Тогда момент, изгибающий зуб:

Момент сопротивления изгибу при рассмотрении зуба как балки, закрепленной с одного конца:

Напряжение от изгиба должно удовлетворять неравенству:

Принимая допускаемые напряжения [σ и ] = σ в /n для чугунов и [σ и ] = σ т /n для сталей, где значения n указаны в таблице 1, получаем выражение для модуля:

При внутреннем зацеплении зубья храпового колеса значительно прочнее, поскольку в этом случае высота расчетного сечения зуба a = 3m. Модуль определяют из выражения:

Расчет собачки храпового механизма

Собачку изготовляют обычно из стали 40Х, термообработанной (см. ) до твердости не ниже HRC 48-50. Чтобы обеспечить надежную работу соединений, собачка прижимается к храповому колесу пружиной (рис. 2, а, б) или силой тяжести специального груза (рис. 2, в). Ось вращения собачки устанавливают в таком месте, чтобы угол между прямыми, проведенными от оси колеса и оси собачки в точку контакта собачки с колесом, был близок к 90°

Работа храпового механизма

Поверхность зуба колеса, упирающуюся в собачку, делают плоской. При вращении храпового колеса в направлении, соответствующем подъему груза, собачка свободно скользит по наклонным поверхностям зубьев.

Конструкции собачек с принудительным включением

Рис. 2

Если направление вращения колеса изменяется на противоположное, то собачка, упираясь в верхнюю кромку зуба колеса, соскальзывает во впадину и прижимается к рабочей грани зуба всей торцевой поверхностью, создавая необходимый упор. При этом на собачку от окружной силы P будут действовать сила нормального давления N = Pcosα и сила R = Psinα, направленная вдоль рабочей грани зуба и стремящаяся сдвинуть собачку к основанию зуба (рис. 1, б). Кроме того, на собачку действуют сила трения fN вдоль рабочей грани и момент трения Pf ı d/2 в опоре O ı , препятствующие входу собачки в зацепление (здесь f ı – коэффициент трения между собачкой и ее осью, имеющей диаметр d). Приведенная к плоскости рабочей грани зуба сила трения от момента трения на оси собачки выражается уравнением:

Если пренебречь влиянием силы тяжести собачки и силы пружины, способствующих созданию зацепления, то для обеспечения входа собачки в зацепление с зубом должно быть удовлетворено неравенство:

откуда после преобразований получаем:

то есть беспрепятственное движение собачки к основанию зуба колеса будет обеспечено, если угол α отклонения передней грани зуба колеса будет больше приведенного угла трения собачки по зубу храпового колеса с учетом коэффициентов трения f и f ı и геометрии зацепления. Нормально на построение профиля зубьев храпового колеса при наружном и внутреннем зацеплении предусмотрен угол α = 20°, что учитывает и влияние трения в опоре O ı и возможное загрязнение, и повреждение контактных поверхностей зуба колеса и собачки.

Собачка воспринимает сжимающие, растягивающие и изгибающие нагрузки. Расчет ведут при положении собачки, упертой концом в кромку зуба колеса (рис. 1, б). Так, при сжатой собачке напряжение в опасном сечении:

где В – ширина собачки; [σ и ] с =σ т /n – допускаемое напряжение; n=5 – запас прочности.