СОВЕРШЕНСТВУЕМ ХРАПОВОЙ МЕХАНИЗМ

Опыт использования велосипедов моделей В-542 «Спорт» и В-555 «Старт-шоссе» завода имени Г.И. Петровского (г.Харьков) на протяжении более чем 20 лет непрерывной жесткой всепогодной и всесезонной эксплуатации позволил сделать заключение о том, что отказы трещотки (храпового механизма привода заднего колеса) занимают пятое место в общем объеме неполадок после выходцев из строя велорезины, ведомых звездочек, цепи и узла каретки. Причем отказы всегда внезапные, то есть наиболее чувствительные для пользователя, так как машина сразу теряет ход.

Характер неполадок всегда один и гот же: выход из строя пружинок собачек храпового механизма. При этом отмечена еще одна закономерность. Частота отказов возрастает по мере общего физического старения веломашины и практически не зависит от замены комплекта собачек и пружинок на новый, прилагаемый к велосипеду при продаже.

Проанализируем работу механизма и причины отказов. В конструкции базового варианта (рис. 1) конец пружинки при подъеме собачки описывает дугу окружности с центром в точке Оп. В свою очередь, собачка также поворачивается вокруг центра (оси) цапфы — точки Ос, а все ее точки описывают дуги окружностей соответствующих радиусов. Как видно выше, описанные повороты происходят на расходящихся курсах и всегда есть такое предельное угловое положение собачки и пружинки, когда их взаимодействие прекращается — они выходят из зацепления. Предельное положение характерезуется таким углом поворота опорной площадки собачки, когда она становится касательной к окружности, описываемой концом пружинки (предельная касательная). Такая ситуация часто возникает даже при сборке храпового механизма, создавая определенные неудобства.

Аналогичные явления происходят в ходе эксплуатации даже новой и правильно собранной трещотки (положение А собачки, рис.2). Причина — зазоры: трещотка всегда собирается с зазорами в насыпных подшипниках, благодаря чему собачки храпового механизма в начальный момент работают неравномерно (впрочем, благодаря этим же зазорам в установившемся режиме собачки самоустанавливаются), что и может быть причиной выхода пружинки из контакта с собачкой.

Рис.1. Схема механизма:

1 — пружина; 2 — собачка; 3 — площадка опорная.

Рис.2. Расположение зон износа элементов механизма:

А,Б — положения собачки; Δ1 — Δ3 — зазоры.

Рис.3. Схема сил, действующих на собачку.

Рис.4. Схема применения предварительно изогнутой пружины:

1 — пружина; 2 — основание цапфы собачки; 3 — собачка; 4 — ось пружины; 5 — корпус храпового механизма, внутренний.

Другая причина отказов — также зазоры, но не сборочные, а приобретенные в ходе износа механизма цапфы собачек и гнезда — Δ1, износа собачек по длине — Δ2 и износа зуба храпового колеса по высоте — Δ3. Безусловно, будет сказываться и износ дорожек качения подшипников трещотки.

Как видно, все три составляющих износа приводят к увеличению вероятности отказов по причине выхода опорной площадки собачки за положение предельной касательной.

При значительных износах цапфы собачки и гнезда внутреннего корпуса трещотки возникает еще одна форма отказа—выход собачки из гнезда корпуса трещотки (положение Б собачки). Конструкция же пружинки базового варианта не предусматривает никакого контроля и фиксации такого выхода собачки.

В базовом варианте конструкции пружинки (рис.3) практически всегда сумма проекций всех действующих на собачку сил (сила упругости пружинки F, сила вязкости смазки Fм, сила нормальных реакций N1, N2 и сила трения) совпадает с направлением вероятного выхода собачки из гнезда h, делая его еще более вероятным.

Идея же модернизации этого узла состоит в том, чтобы в конструкции базового варианта создать дополнительную внешнюю силу воздействия на собачку, которая бы обеспечила требуемый контроль ее положения во всех условиях ее работы, а также позволяла бы компенсировать износ элементов храпового механизма (цапф собачек и гнезд под них в корпусе трещотки) и (или) устранять влияние износа на безотказность механизма. Причем эта же сила должна обеспечивать штатный режим работы храпового механизма без каких бы то ни было переделок базовой конструкции.

С этой целью предлагается использовать силу упругости F предварительно деформированной пружины (рис.4), воздействующей на основание цапфы собачки. Сила F всегда имеет активное плечо lF относительно общей оси вращения цапфы и собачки, что обеспечивает штатный режим работы храпового механизма. При повороте собачки относительно оси цапфы происходит дополнительная деформация Δ пружины, так как ее положение задано положением собачки и оси поворота пружины относительно единого (с собачкой) корпуса храпового механизма. Следствием дополнительной деформации Δ пружины будет возникновение дополнительного крутящего момента, который и обеспечит возврат (подъем) собачки в исходное положение.

Аналогично сила F будет обеспечивать постоянный контроль положения собачки и компенсацию износа храпового механизма (рис.5). В предлагаемом варианте баланс проекций сил на направление вероятного выхода собачки существенно изменился «в пользу» проекции вектора F. Причем любая попытка перемещать собачку в направлении ее выхода из гнезда будет приводить к увеличению силы F и, как следствие, к практически полному исключению такой поломки.

Рис.5. Схема сил, действующих на собачку при использовании предварительно изогнутой пружины.

Рис.6. Сборная пружина:

1 — дуга; 2 — лопатка.

Рис.7. Схема установки сборной пружины:

1 — пружина; 2 — корпус механизма, наружный; 3 — собачка; 4 — корпус механизма, внутренний; 5 — ось пружины.

Рис.8. Пружина для велосипедов типа В-555 «Старт-шоссе».

Рис.9. Доработка внутреннего корпуса храпового механизма.

Для трещоток так называемого встроенного типа к велосипедам моделей В-39 (В-301) «Спутник», В-542 (153-424) «Спорт» и (153-421) «Турист» предлагается конструкция сборных пружинок, состоящих из дуги и лопатки (рис.6). Дуга согнута из пружинной стали диаметром 0,6 мм (седьмая струна от гитары без медной оплетки), лопатка— из отожженной (пластичной) латуни толщиной 0,5—0,7 мм. Детали между собой спаяны. Во внутреннем корпусе трещотки пружинка установлена на прежнее место с использованием штатной оси.

Окончательно размеры и форму пружинки можно определить только непосредственной подгонкой ее по месту во внутреннем корпусе трещотки. Подгонка сводится к последовательному изгибу дуги по радиусу и лопатки — по длине и по профилю дна выборки в корпусе под собачку и обращенной к пружинке поверхности самой собачки, а также к определению рациональной длины свободного конца пружинки.

Правильно подогнанные пружинки должны обеспечивать безотказный штатный режим собачек храпового механизма и препятствовать выходу собачек из гнезд корпуса трещотки (рис.7). При этом необходимо обратить особое внимание на величину дополнительного прогиба пружинок в серединах их дуг. Прогиб более 1,5 мм может привести к контакту пружинок с зубьями храповика, что затрудняет нормальный режим работы храпового механизма либо вообще нарушает его.

Лучше всего проверять трещотку, наблюдая работу пружинок и собачек без установки внешнего конуса. Если храповик (наружный корпус трещотки), прижатый рукой к нижнему насыпному «полуподшипнику», вращается легко, без рывков и заеданий, а пружинки и собачки срабатывают безотказно, то можно выполнить окончательную сборку. В противном случае необходимо еще раз повторить операции подгонки.

Храповой механизм трещотки с комплектом пружинок предложенной конструкции и комплектом собачек, которые отработали более десяти лет (износ собачек по длине около 1 мм, износ по диаметру цапфы около 0,4 мм), используются на веломашине модели В-542 «Спорт» образца 1974 года уже четвертый сезон. Общий пробег составил около 18 тыс. км. Один раз в год заменялась пластическая смазка (ЦИАТИМ-201,202,203,213 или ЛИТОЛ-24). Отказов зафиксировано не было.

Для велосипеда В-555 «Старт-шоссе» с так называемой навернутой трещоткой была разработана другая конструкция пружинки (рис.8), которая является лишь конструктивной вариацией главной идеи модернизации. Пружинку можно изготовить из бериллиевой бронзы толщиной 0,3—0,6 мм (например, пластинки контактной группы реле) либо из пружинной стали толщиной 0,2—0,4 мм (например, пружины от часового механизма или механической игрушки). Требуемая длина исходной заготовки 35—40 мм. На одном конце пружинки выполняется проушина с обязательной фиксацией пайкой. Окончательно форму и размеры пружинок следует определять подгонкой по месту в полной аналогии с технологией сборной конструкции.

Во всех отношениях предлагаемый вариант конструкции пружинки из одной пластины более технологичен, чем сборный. Но он требует доработки внутреннего корпуса трещотки. Ширину штатных пазов под пружинки размером около 1,2 мм необходимо увеличить до размера 3,1—3,2 мм. Несмотря на то, что этот корпус изготовлен из шарикоподшипниковой стали ШХ15, термообработан до твердости порядка HRC = 56…60, операция профильного шлифования вполне реализуема даже в условиях домашней мастерской. Для этого заточный станок (так называемый «наждак») следует оснастить узким абразивным кругом либо заправить круг имеющейся ширины в профиль паза.

Подобная конструкция использовалась на различных веломашинах при всепогодной эксплуатации с повышенной нагрузкой на цепной привод, и во всех случаях была зафиксирована стопроцентная безотказность пружинок при значительных (порядка десятков тысяч км) наработках.

М. ПОПОВ, г. Йошкар-Ола