Храповой механизм. Расчет храпового механизма. Работа храпового механизма.
Рассмотрим расчет храпового механизма 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 устройств, 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 [σи] = σв/n для чугунов и [σи] = σт/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. термообработка) 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
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 Pfıd/2 в опоре Oı, препятствующие входу собачки в зацепление (здесь fı – 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 fı и геометрии зацепления. Нормально на построение профиля зубьев храпового колеса при наружном и внутреннем зацеплении [1] предусмотрен угол α = 20°, что учитывает и влияние трения в опоре Oı 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; [σи]с =σт/n – допускаемое напряжение; n=5 – запас прочности.
Храповые механизмы
Храповый механизм передает движение только в одну сторону и, соответственно, позволяет превратить колебательные движения какого-либо звена механизма в однонаправленные шаговые перемещения. Например, толкатель 1 кулачкового механизма (рис. 6.15) совершает возвратно-качательное движение.
Рис. 6.15. Храповый механизм с приводом от кулачка:
1 – толкатель; 2 – рычаг; 3, 6 – собачка; 4 – пружина; 5 – храповое колесо
На рычаге 2, жестко связанном с толкателем, закреплена шарнирно собачка 3. Собачка поджимается пружиной 4 к храповому колесу 5 и входит в зацепление с зубьями этого колеса. При повороте рычага 2 против часовой стрелки, собачка поворачивает храповик 5, при движении рычага 2 в обратную сторону собачка выходит из зацепления с зубом храповика и храповик остается на месте. Угол поворота храповика на один шаг определяется числом z его зубьев (впадин) Dj = 2p/z.
Для гарантированного попадания собачки в следующую впадину при обратном ходе рычага, угол качания рычага должен быть немного больше угла Dj. Фиксация храпового колеса после завершения его поворота осуществляется различного рода тормозами и фиксаторами. Например, для исключения обратного хода храповика и связанных с ним деталей вводят вторую собачку 6, сидящую на неподвижной оси.
Качательное движение рычага 2 может быть реализовано не только кулачковым механизмом, но и другими механизмами, например, показанными на рис. 6.10. а, в или рис. 6.11.
Довольно часто в машинах применяются линейные храповые механизмы (рис. 6.16). Здесь, храповую рейку 1 толкает подпружиненная собачка 2. Собачку возвратно-поступательно перемещает цилиндр 3. Собачка 4 препятствует обратному ходу храповой рейки.
Рис. 6.16. Линейный храповый механизм:
1 – храповая рейка; 2, 4 – подпружиненная собачка; 3 – цилиндр
Храповой механизм не изменяет закон движения исполнительного звена, который задан кулачком или рычажным механизмом. Передаточное отношение храпового механизма u = 1.
Силовой расчет храпового механизма сводится к определению контактных напряжений в паре зуб-собачка и определению давлений в шарнирах. Передача сил от собачки на зуб храповика наиболее благоприятна при малых углах g между нормалью к грани зуба и линией, соединяющей середину зуба с центром шарнира собачки (рис. 6.16). Но при слишком малых углах g есть опасность выхода собачки из зацепления. Поэтому, рекомендуется выбирать g = 15. 20°. Как и в других, ранее рассмотренных механизмах, выбор размеров храповика, собачки и других деталей храпового механизма определяется множеством факторов, главный из них – компоновка.
Храповые устройства относительно просты и дешевы в изготовлении, широко применяются в различных приводах шаговых подач, например в линейных и карусельных транспортерах, в перекладчиках грузов, а также в грузоподъемных устройствах и в велосипедах в качестве обгонных муфт. В отличие от механизмов мальтийского креста, механизмы с храповым устройством не имеют жестких ограничений по соотношению времен движения и выстоя. Однако при работе храповых устройств неизбежны «жесткие» (скачок скорости) и «мягкие» (скачок ускорения) удары, а также шум. Поэтому в высокоскоростных приводах храповые устройства не применяются.
Колесо храповое
Разработчики перспективных изделий, а также инженерно-технический персонал заполняют ведомости и другие документы в соответствии с принятыми правилами. Названия изделий должны быть по возможности короткие и емкие, верно отражающие конструктивные особенности.
Если наименование состоит из нескольких разных частей речи, на первое место ставится имя существительное, затем – прилагательное. Например, «колесо храповое». Назначение конструктивной единицы и его место установки не указывается в наименовании.
Храповое колесо представляет собой деталь с наклонёнными в одном направлении зубьями. Они контактируют с подвижным стопором. Применяется эта деталь в промышленных и других механизмах для вращения вала в одну сторону.
На сегодняшний день для проектирования храповых колес применяются специальные компьютерные программы, с помощью которых значительно облегчается труд инженера. Упрощение проектирования уменьшает необходимое время на создание одной детали и увеличивает потенциал и возможности творческих решений.
Практика показывает, что механизмы, выполненные с применением средств компьютерной разработки, показывают высокие технические и эксплуатационные свойства, а также имеют привлекательный внешний вид.
Зубчатые храповые механизмы
Из самого названия храпового колеса понятно, что оно являются частью одноимённого механизма. Классический храповой механизм состоит из несущего корпуса, храпового колеса и подпружиненного подвижного фиксирующего стопора, который в народе называется «собачкой».
В зависимости от конструкции для храповых колёс применяются наружные зубья для самых простых изделий, внутренние зубья которые более сложны в изготовлении и торцевые зубья.
В отдельных случаях вместо круглого зубчатого колеса изготавливаются прямолинейные зубчатые рейки, которые тоже имеют место быть. Однако это решение распространено не так широко как традиционные храповые колеса.
Исходя из технических требований, допускается проектирование такого механизма, который способен обеспечивать движение храповика в обе стороны. Для этих целей изготавливается цилиндрическое зубчатое колесо с зубьями прямоугольного сечения, а собачка делается перекидной. Меняя рабочее положение собачки, соответственно изменяется направление движения храповика.
Фрикционные храповые механизмы
В технике довольно часто бывают востребованы такие специфические конструкции, как фрикционные храповые механизмы. Эти изделия имеют свои разновидности и изготавливаются в зависимости от потребности и технических характеристик. Фрикционные механизмы представлены в трёх вариантах: колодочные, кулачковые и роликовые.
Фрикционные храповые механизмы используется для сцепления различных движущихся элементов на относительно высоких скоростях. Такие технические свойства при определённых обстоятельствах часто требуется в промышленной сфере.
Вектор движения в одном заданном направлении в таких кинематических устройствах выполняется за счет того, что происходит предсказуемое заклинивание промежуточных звеньев фрикционных обойм и возникает большая сила трения.
Применение храповых механизмов
Несмотря на то, что сфера применения храповых механизмов чрезвычайно широка, одна из основных отраслей, в которых применяются данные изделия, в основном является станкостроение. В частности, строгальное оборудование на сегодняшний день не может обойтись без храповых механизмов с торцевыми муфтами. Правда, встречается оборудование, на котором используются храповые механизмы альтернативной конструкции.
Шлифовальное оборудование также не может обойтись без храповых механизмов с поршневыми приводами. Они устанавливаются в системы радиальных подач.
Однако станкостроение не единственная сфера применения храповых механизмов. Их можно встретить также в приборостроение, автомобильной индустрии, самолетостроении и других наукоемких отраслях производства.
