Храповые механизмы
МГТУ
им. Н.Э. Баумана
РЕФЕРАТ
Москва 1999
Храповые механизмы находят широкое
применение в шаговых двигателях, грузоподъемных устройствах и различных
отраслях техники. Храповой механизм — устройство, допускающее вращение оси в одном направлении и исключающее
вращение этой же оси в противоположном направлении. Он состоит из храпового
колеса и собачки. Собачка 1 обычно
прижата к колесу пружиной 2
(рис. 1). Реже используют храповые механизмы, в которых
собачка взаимодействует с поступательно перемещающейся рейкой. Храповые колеса
и собачки изготовляют из сталей 35, 50, У10А, 15Х, 20Х,
25ХГСА. При значительных нагрузках, а также для уменьшения износа их либо
подвергают объемной закалке, либо цементируют, а затем закаливают. В приборах
храповые колеса изготовляют также из латуней ЛК80-Э и ЛС63-3 и бронзы Бр.КМцЗ-1. Иногда и собачки изготовляют из латуни.
Используют также сплавы алюминия.
Пружины храпового механизма создают
момент, прижимающий собачку к храповому колесу. Однако этот момент не
предназначен для преодоления сил и моментов, которые могут действовать на
собачку от храпового колеса. Усилие пружины оказывается для этой цели недостаточным.
Оно лишь вводит собачку в зацепление с храповым колесом. Поэтому положение оси С
собачки выбирают с таким расчетом, чтобы окружная сила F и вызываемая ею сила трения F обеспечивали появление равнодействующей силы Fn, момент которой на
плече Са прижимал бы собачку к храповому
колесу, а не выводил ее из зацепления (рис. 1). Это
достигается в том случае, если угол a положения оси собачки больше угла j трения. Для обеспечения этого неравенства необходимо удалить ось С
собачки от оси храпового колеса (см. собачку, показанную выше колеса). Однако
при этом следует опасаться переброса собачки на другую сторону храпового
колеса, особенно после некоторого износа собачки. В таких случаях храповой
механизм может срываться. Поэтому недопустимо и слишком большое удаление оси С
собачки от оси храпового колеса. У собачки, показанной слева от
колеса,
для надежного функционирования храпового механизма также необходимо выполнять
неравенство к >
j, что может быть обеспечено, когда ось, наоборот, находится ближе к оси
колеса, а собачка сделана достаточно длинной. При этом момент силы Fn прижимает
собачку к храповому колесу. Соответствующее направление нормальной силы Fn можно обеспечить поднутрением передней грани зубьев храпового колеса на
угол a. Тогда ось
собачки может располагаться на касательной к средней окружности зубьев
храпового колеса (рис. 2). Для обеспечения прижатия
собачки к зубьям храпового колеса в этом случае необходимо, чтобы угол поднутрения был больше угла трения. Часто a выбирается равным 10°. У этой конструкции при малом окружном шаге зубьев зуб храпового колеса
получается ослабленным.
Окружная
сила, действующая на диаметре d храпового колеса, F = 2M/d, где
М — крутящий
момент на оси храпового колеса; d — диаметр впадин зубьев храпового колеса, d
== mz; z — число зубьев храпового колеса; т
— модуль, т = pt/p , рt — окружной шаг зубьев храпового колеса по окружности впадин. На
основании расчета по среднему допускаемому давлению можно определить модуль
зубьев храпового колеса:
где [p]— допускаемое давление на единицу
ширины зуба храпового колеса; определяется по справочнику; y = b/т, b
— ширина колеса.
На рис. 3
показана конструкция храповика часового механизма. Вместо храпового колеса
использовано обычное колесо с зубьями часового профиля. Это упростило
конструкцию, так как сократилось число колес в механизме. Собачка 1 имеет
несколько выступов и удерживается на оси винтом 4. На рис. 3, а показано положение собачки относительно колеса 2 при подзаводке
часов. Момент Мзав отводит
собачку, которая одним из своих выступов непрерывно прижимается под действием
пружины 3 к зубьям колеса 2, пропуская их. Выступ собачки захватил конец Д
пружины 3, деформируя
последнюю. Конец Г пружины закреплен
неподвижно. На рис. 3, б показано стопорящее положение
собачки, когда она удерживает колесо 2. Зуб колеса упирается в один из выступов собачки. При переходе из
положения а в положение б храповое колесо немного поворачивается,
благодаря чему ослабляется напряжение заводной пружины после ее тугого завода.
Это способствует увеличению срока службы заводной пружины и стало возможным
благодаря применению собачки с несколькими выступами.
Храповые механизмы могут обеспечивать преобразование
вращательного движения в колебательное или наоборот. На рис. 4 показана конструкция храпового механизма электрических часов, в
которой толкающие собачки 1 и 3 преобразуют качания якоря 2 в прерывисто-вращательное движение
храпового колеса 4. При
движении якоря как в прямом, так и в противоположном направлениях собачки
попеременно захватывают и толкают зубья храпового колеса (рис. 4, а, 6). На рис. 5 даны
условные обозначения храповых механизмов для схем (ГОСТ 2.770—68): а — односторонний храповой механизм с
наружным зацеплением; б — двусторонний
храповой механизм с наружным зацеплением; в — односторонний храповой механизм с внутренним зацеплением.
Кулисный механизм (рис. 6, а) наиболее часто
применяют для преобразования вращательного движения кривошипа 1 в качательное
движение кулисы 3. Камень
кулисы 2 перемещается вдоль
нее по направляющим. Кулисные механизмы могут быть использованы также для
преобразования равномерного вращательного движения в неравномерное вращательное
движение при а < r (рис. 6, б). Кулисы с камнем
применяют также в тангенсных , синусных и
других механизмах для замены высших кинематических пар низшими.
Зависимость угла поворота a кулисы от угла поворота b
кривошипа (рис. 6, а) такова:
tg a = r sin b/(a + r cos b)
После
дифференцирования этого выражения по времени и преобразований получаем выражение для угловой скорости кулисы
w3=w1r(a cos b + r)/(a2 + r2 +2 a r
cos b)
где w3 = da/dt ; w1 = db/dt = const. Отсюда
передаточное отношение
i12
= w1/w2 =(a2 + r2 + 2 a r cos b )/[r(a cos b + r)]. Дифференцируя по времени
выражение для w3, получаем угловое ускорение кулисы e3=d2a/dt2. .После преобразований
Наиболее характерным является применение кулисных механизмов в устройствах для
получения прерывистого движения, например в разнообразных производственных
автоматах, работающих по определенному циклу, в киноаппаратуре и др. В таких устройствах используют мальтийский
крест (рис. 6, в). Лопасти 2 креста, имеющие пазы, представляют собой
кулисы. Число лопастей не менее 3. При вращении кривошипа 4 поворот креста происходит только тогда, когда цевка 3 кривошипа перемещается в пазу лопасти
креста. Крест поворачивается на угол 2a при повороте кривошипа на угол 2b. На угле поворота кривошипа 2p—2b крест
неподвижен. Характер изменения кинематических параметров движения креста (рис.
6, в) — угла поворота a, угловой скорости w и углового ускорения e — показан на рис. 6, г.