что такое собачка на велосипеде
Какие конструкции механизма свободного хода используются в велосипедах?
Каковы различные конструкции механизма freehub, которые были разработаны и / или запущены в производство? (не обязательно должно быть сделано!)
Хороший пост будет содержать:
Проекты, известные до сих пор (те, у которых есть пост, связаны):
Я буду пробовать и пытаться заполнить для проектов, о которых я знаю, но не стесняйтесь отправлять ответ, если я еще не сделал. Также не стесняйтесь размещать ответ для дизайна, не перечисленного здесь! И предоставьте дополнительную информацию для уже опубликованных дизайнов!
Стандартный дизайн Pawl и Ratchet
Этот дизайн на сегодняшний день является наиболее распространенным на велосипедных хабах и, следовательно, наименее дорогим в использовании.
Механизм
В своей простейшей форме эта конструкция состоит из зубчатой поверхности и собачки (это рычаг, который зацепляет зубчатую поверхность и допускает движение только в одном направлении).
В велосипеде эта конструкция, как правило, перевернута, собачки находятся на корпусе ступицы, и они входят в зацепление с зубчатой поверхностью на внутренней стенке ступицы.
эта конструкция использует листовые рессоры
спиральные пружины
технический чертеж механизма с использованием металлического кольца
Преимущества и недостатки
преимущества
Недостатки
вариации
Во многих конструкциях будет использоваться более одного зуба зацепления на одну собаку, что позволяет иметь меньшие зубы и большее количество точек зацепления (более низкая степень зацепления). Эти маленькие зубы более подвержены износу. Halo supadrive использует 120 точек зацепления для 3-градусного зацепления
Halo Supadrive, использующий 120 точек взаимодействия
Конструкция SRAM Double Time использует четыре собачки в противоположных парах. Пары слегка смещены, в результате чего только одна пара зацепляется в любое время, но дает их 26 зубчатым трещоткам 52 точки зацепления для 7-градусного зацепления.
Американский классический дизайн кулачка
Механизм
Включение этого механизма состоит из нескольких частей, перечисленных в порядке приведения в действие от цепи / зубчатого колеса:
Проволочная пружина опирается на сторону ступицы корпуса свободной ступицы внутри окружной дорожки:
Этот провод движется вдоль зубьев кулачковой пластины, как колеса на колесах. Если на педали подается питание, этот провод заставляет кулачок вращаться по часовой стрелке.
показано с одной снятой собачкой и собачками в положении «занято»
Это движение по часовой стрелке заставляет собачки двигаться внутрь и зацеплять корпус произвольной втулки, обеспечивая сцепление.
Это видео ниже показывает действие кулачковой пластины, отвертка действует как проволочная пружина. Это еще одно полезное видео, в котором дизайнер Билл Шук объясняет механизм. В
0: 33 вы можете увидеть весь механизм в действии через разрез.
Как только свободная ступица движется медленнее, чем колесо, само тело свободной ступицы переводит собачки обратно в их втянутое состояние, а также кулачковую пластину.
Преимущества и недостатки
преимущества
Недостатки
Звездный трещотка и вариации
1. концевая часть 2. подшипник 3. резьбовое кольцо 4. ось 5. коническая пружина 6. звездообразный храповик 7. корпус ротора
Швейцарская DT система состоит из двух храповых пластин, расположенных в корпусе ступицы и в ступице. Они удерживаются друг против друга парой конических пружин. Когда велосипедист нажимает на педали, зубы зацепляются, когда пластина храпового механизма свободного хода поворачивается через шлицы вдоль ее окружности. Это передает мощность на пластину с храповым механизмом в ступице, и это, в свою очередь, передает мощность на ступицу через шлицы вдоль ее окружности.
Существует очень простая анимация здесь что показана действие храповых пластин.
Модернизация и обслуживание
Одним из самых больших преимуществ этой системы является легкость, с которой вы можете модернизировать, заменять или обслуживать храповые пластины. На самом деле это ремонт без инструментов! Самые основные узлы DT Swiss включают в себя 18-ти метровую пластину с храповым механизмом, обеспечивающую зацепление на 20 градусов. Это может быть улучшено до 36 т (10 градусов) или даже до 54 т плиты (6,67 градусов). Это может быть сделано для опускания концевых колес DT, поэтому можно взять менее дорогое колесо и получить более высокое сцепление при желании. Это также позволяет заменять все контактные поверхности (кроме шлицев внутри втулки, которые вряд ли будут изнашиваться или зачищаться) для продления срока службы ступиц. 
Преимущества и недостатки
преимущества
Недостатки
Это снова одна из более сложных конструкций механизма FreeHub. По своей сути это система звездного храповика. Есть несколько ключевых отличий:
1. пружина 2. приводная пластина 3. фиксированная пластина
слева: пластина привода, справа: неподвижная пластина
Что действительно выделяет это, так это механизм с кольцевым приводом. Это достигается с помощью винтовых канавок на корпусе ступицы, которые зацепляются с приводной пластиной. Когда крутящий момент приложен к ступице, это объединяет две пластины. По мере увеличения крутящего момента пластины крепче сжимаются, что исключает скольжение или пропуск.
приводное кольцо показано сверху со спиральными канавками
Храповой механизм (храповик) – механизм свободного хода с собачкой. Описание и примеры использования
Храповой механизм (англ. ratchet mechanism) или просто храповик (англ. ratchet) — механизм, который обеспечивает свободное линейное или вращательное движение только в одном направлении, блокируя движение в обратную сторону. Ударение в первом слове ставится на последний слог, а написание «храповый» — неправильное.
В машиностроении подобные устройства относятся к классу механизмов свободного хода (МСХ) (англ. Freewheel mechanism). Механизмы свободного хода обеспечивают, подобно диодам в электронике, передачу крутящего момента только в одном направлении.
Храповой механизм состоит из двух основных деталей:
1. Собачка (англ. pawl — защелка, фиксатор, стопор) – деталь, которая обеспечивает непрерывное линейное или вращательное движение в прямом направлении, но блокирует обратное движение. При прямом движении рейки или зубчатого колеса собачка скользит по зубчикам, не препятствуя движению. При смене направления движения собачка упирается в деталь, мешая обратному ходу. Иногда собачку называют палом, стопором, защелкой.
2. Зубчатое колесо (шестеренка) или зубчатая рейка – деталь с зубчиками, которые, как правило, скошены в обратную сторону от направления свободного движения шестеренки или рейки. Несимметричные зубчики улучшают скольжение собачки, уменьшают шумность и обеспечивают надежное зацепление при движении в обратную сторону.
Чтобы механизм работал в любом положении, собачку прижимают к зубчикам с помощью пружины, упругой пластины или резинки. Без дополнительных деталей собачка прижимается только за счет силы тяжести.
Принцип действия
Во время движения зубчатой детали в прямом направлении собачка скользит по верхушкам зубчиков. Когда собачка соскакивает с зубчика на зубчик, часто можно услышать характерный звук трещотки. Каждый, кто ездил на современном велосипеде, слышал этот звук во время движения накатом.
Во время смены направления движения рейки или зубчатого колеса, собачка упирается в крутой склон зубчика и не дает детали свободно поворачиваться в этом направлении.
Как говорят инженеры, уникальность храповых механизмов свободного хода по сравнению с остальными МСХ заключается в замыкании механического диода под действием тангенциальных сил (лат. tangens — касательный), т.е. действующих по касательной к храповику. Остальные МСХ (шарикового, роликового, сухарного типа) действую по принципу фрикционного клинового замыкания.
Ниже приведен пример работы линейного храпового механизма с зубчатой рейкой вместо зубчатого колеса.
Люфт
Люфт – зазор, свободный ход одной детали относительно другой. В храповом механизме с зубчатой рейкой или шестеренкой максимальный люфт — это расстояние от одного зубчика до другого.
В устройствах, в которых нужно убрать обратное движение практически до нуля, могут вместо зубчатого колеса или зубчатой рейки использовать деталь с гладкой упругой поверхностью с большой силой трения, например, из резины. В таком случае на обратном ходе собачка «споткнется» о резину, и при ее заглублении в упругий материал произойдет заклинивание механизма.
История
Храповой механизм начали использовать в технических устройствах давным-давно. В Древней Греции инженеры использовали зубчатую рейку со стопорной защелкой в механизме заряжания гастрафета.
Большие и тяжелые парусные корабли, бороздящие моря и океаны, издревле начали оснащаться шпилем, или кабестаном (франц. cabestan). Шпиль (кабестан) представляет собой корабельный механизм типа ворот для наматывания цепи или каната на барабан. Шпиль используется для опускания или поднятия якоря (якорный шпиль), а также для швартовки корабля к пристани (швартовочный шпиль).
Некоторые шпили могли оснащаться храповым механизмом для предотвращения нежелательного разматывания якорной цепи или швартовочного троса.
Собачка храпового механизма в корабельной терминологии называется палом. Так… Вернемся на начало статьи и посмотрим на определения. Ведь в английском языке собачка обозначается словом «pawl», что означает «защелка, фиксатор, стопор». Интересно, что в русском морском словаре используется английский термин для этой детали.
Согласно Морскому этимологическому словарю Николая Ткаченко «Слово pal (пал, защелка, собачка) образовалось в первобытном языке от старинного корня polo (пал, защелка, собачка), потом оно через индоевропейский перешло в романские, германские и в балтно-славянские языки, потом через лат., фр., и голл. слово это перешло в русский, и сейчат это бывшее голландское слово пал применяется в русском морском языке: пал (pawlbit, pawl of the capstan) — прямой или выгнутый металлический брусок, сидящий на оси и не допускающий вращения шпиля или ворота в сторону, противоположную той, в которую его вертят при работе; иногда его называют задержником; палгед (pawl head) — нижняя часть баллера шпиля, на которую насаживаются откидные стопора, называемые палами; палгун (pawl rim, pawl ring) — фундамент шпиля, прикрепленный к палубе и имеющий по окружности зубчатую рейку, по которой передвигаются палы при вращении шпиля».
Примеры использования
Торцевые гаечные ключи и отвертки
Торцевые гаечные ключи, оснащенные храповым механизмом, ещё называют трещотками. В самом простом варианте конструкции в трещотку стовят по две собачки. Поворотом рычажка можно либо отворачивать гайку, либо её закручивать, не вынимая ключа на каждом обороте, как с обычным инструментом.
Кабельные стяжки
Кабельные стяжки делают из пластика одной деталью. Собачка прижимается к зубчатой пластине силой упругости. После затягивания стяжка не ослабляется даже при очень большом усилии.
Противооткатные устройства
Изначально противооткатные устройства с храповым механизмом начали использовать на железной дороге в горах Пенсильвании, США, при перевозке угля примерно с 1846 года. Чтобы груженый состав по крутому склону не откатился назад в случае отказа двигателя паровоза, на вагонах устанавливались «собачки».
Позже эта схема нашла применение на американских горках, чтобы в случае отключения электричества поезд с любителями острых ощущений не покатился назад.
Лебедки
Лебедки – это механизм для перемещения предметов с помощью каната. Электрическую лебедку устанавливают во внедорожники, чтобы вытянуть из трясины застрявший автомобиль.
Чтобы натянутый трос не разматывался с барабана используют храповой механизм. Примеры его использования на ручных лебедках можно увидеть на этих фотографиях.
Обгонная муфта велосипеда
Обгонную муфту (англ. overrunning clutch) также называют муфтой свободного хода. Она позволяет предотвратить передачу крутящего момента от ведомого вала (колеса) к ведущему (на цепь и педали), если ведомый вал начинает вращаться быстрее. Например, после прекращения вращения педалей без муфты свободного хода колеса продолжали бы раскручивать цепь и педали, как это было в первых велосипедах. То же самое было бы при спуске с горки.
Впервые обгонную муфту с простейшим храповым механизмом запатентовал в 1869 году Уильям Ван Анден из Покипси, штат Нью-Йорк, США. В обгонной муфте Ван Андена храповик был встроен в ступицу переднего колеса велосипеда.
Почти все современные велосипеды – заднеприводные. Обгонная муфта в них встраивается в заднюю втулку или заднюю звездочку. Обгонные муфты с храповым механизмом издают характерный звук и их еще называют велотрещотками.
Обгонная муфта стартера автомобиля
Механизм свободного хода с храповиком используется в стартерах автомобилей как защитное устройство. Стартер – это механизм, который с помощью электромотора запускает двигатель внутреннего сгорания, вращая его коленвал через маховик.
Скорость вращения ведомого зубчатого колеса стартера невысокая – может быть около 3000 об/мин. После запуска двигатель на холостом ходу развивает около 1000 об/мин. Но передаточное отношения стартер-маховик из-за разности диаметров зубчатых колес может достигать значения 20:1. Т.е. запущенный двигатель на холостых оборотах может раскрутить электромотор стартера до 20 000 об/мин.
Чтобы стартер не вышел из строя после запуска двигателя на него ставят обгонную муфту.
Коробка передач автомобиля
В данном примере собачка храпового механизма используется для перевода автоматической коробки передач в режим парковки.
Другие конструкции механизмов свободного хода (МСХ)
Вместо собачки в конструкции механизма свободного хода могут использовать шарикоподшипники, ролики, сухари или иные детали, блокирующие вращение в обратную сторону.
Храповой механизм из образовательного конструктора Lego
С помощью образовательных конструкторов можно собирать модели с храповым механизмом. В данном примере храповик собран из стандартного зубчатого колеса и собачки, состоящей из трех деталей (штифта, красного фиксатора и короткой оси). Зубчатое колесо приводится в движение ручкой. Важно подобрать такой угол собачки относительно зубчатого колеса, чтобы происходил надежный зацеп при обратном вращении.
В следующем примере перекидная собачка используется в модели механического вентилятора, собранного из набора Lego Education EV3. В момент поднятия груза храповой механизм препятствует случайному разматыванию нити. Далее собачка перекидывается на другую сторону, чтобы не мешать работе вентилятора.
В примере с катапультой на противоположном конце от собачки установлен длинный рычаг. Под весом длинного конца рычага собачка упирается в зубчатое колесо и блокирует вращение оси. Катапульта выстрелить не может. Стоит надавить на длинный рычаг вверх и собачка выйдет из зацепления, разблокировав ведущую ось.
Механическая катапульта из Lego EV3
Инструкцию к катапульте можно скачать по этой ссылке.
Как работает храповой механизм в задней втулке или кассете велосипеда
Прежде всего, давайте дадим определение – что такое храповой механизм.
Храповой (храповый) механизм (англ. ratchet mechanism) или просто храповик (англ. ratchet) — это механизм, обеспечивающий свободное линейное или вращательное движение в одном направлении и блокирующий движение в обратную сторону. Их еще называют механизмом свободного хода (МСХ) (англ. Freewheel mechanism).
Кстати, общераспространенное название «храповЫй», не совсем верное – правильно называть его как раз «храповОй».
В велосипедном деле он используется у многоскоростных велосипедов в задней втулке для кассет или в трещотках. В чем отличия трещоток от кассет можно почитать здесь.
Сам храповой механизм состоит из трех основных деталей:
Суть принципа работы этого механизма в следующем. При вращении педалей вперед через цепь усилие передается на задние звезды кассеты (трещетки), а от неё на втулку заднего колеса. При этом собачки цепляются за зубья обгонной муфты, связываясь с ней в единое целое, и таким образом усилие от педалей передается прямо на заднее колесо велосипеда.
Если педали вообще прекратить крутить или вращать назад, то собачки станут скользить по скошенным зубьям обгонной муфты и не будут передавать никакого усилия на заднее колесо.
Очень хорошо принцип работы храпового механизма показан на этом видео:
Во время работы храпового механизма издается характерный звук – щёлкание собачек по зубчикам обгонной муфты. Если собачки стачиваются или перестает работать пружинка, то происходит прокручивание цепи на задней втулке, так как собачка не может зацепиться за зубчики обгонной муфты.
Вот в принципе и вся суть работы храпового механизма в велосипедной втулке или кассете.