Реечная передача или «рейка-шестерня»

Общая информация

Реечная зубчатая передача получила свое название по одной из деталей – рейке. Это единственное зацепление шестерни, которое меняет не скорость и направление крутящего момента, а тип движения. Вращение привода изменяется на движение в заданной плоскости.

Отличительной особенностью реечной передачи является ее неограниченная продолжительность. Рейки укладываются в один ряд. На стыках подгоняются, чтобы выдерживался модуль. Для этого просто укладывают на стык в зацепление зубчатую планку с таким же модулем или одну из приготовленных к монтажу реек. Крепеж устанавливается по подметке, что сводит к минимуму погрешность.

Соединение зубчатой рейки и шестерни бывает разных видов:

• прямозубое;
• косозубое;
• многорядное.

Обеспечить нормальную работу реечного узла можно точной установкой деталей относительно друг друга.

Зубья должны соприкасаться по средней линии.

Модуль подбирается по усилию, которое необходимо передать для движения. Увеличить прочность и допустимую нагрузку можно различными способами:

• увеличить площадь контакта за счет большей ширины зуба;
• заменить прямозубое соединение косозубым;
• использовать шестерню большего диаметра.

Прямозубое зацепление имеет широкое распространение. Для реечных механизмов, не требующих большой точности смещения, детали могут отливаться из чугуна. Зубчатое колесо и рейка имеют шероховатую поверхность и сильно шумят. Они неприхотливы, работают при высоких температурах, в условиях сильной запыленности. Часто применяются для открывания термических и литейных печей с выдвижным подом, перемещают загрузочные тележки на металлургических печах. Рейка обычно перевернута зубом вниз. Шестерня и привод установлен в яме.

Косозубая реечная пара способна передать большее усилие при зацеплении. За счет расположения зуба под углом, площадь контакта увеличивается. Узел производит при работе меньше шума. Детали требуют высокой точности при изготовлении и тонкой регулировки. По мере стирания поверхности зубьев, надо смещать межцентровое расстояние. При нарушении угла, нагрузка смещается и происходит быстрое разрушение шестерни.

Движение может передаваться и от реек к зубчатому колесу. Примером служат детские игрушки и механические фонарики, изготавливаемые в прошлом веке. Когда на торец пластины нажимали рукой, рейка приводила в движение ротор и лампочка начинала светить.

КПД реечной передачи, в зависимости от типа зубьев, составляет:

• цилиндрическая — 0,96…0,98
• коническая — 0,95…0,97.

Применение реечной передачи

В большинстве реечных механизмов происходит превращение вращения в поступательное движение. При проектировании оборудования, конструкторам приходится делать сложные расчеты эвольвенты зуба и расстояния от средней линии рейки до оси шестерни. Им на помощь приходят готовые таблицы с нормализованными деталями. Это упрощает процессы расчета, поскольку в большинстве случаев эксплуатации узла с малыми нагрузками берутся стандартные пары.

Передача реечная широко используется в механизмах совершенно разного назначения:

• металлорежущее оборудование;
• термические печи;
• сдвижные ворота;
• фуникулеры;
• кранбалки;
• мостовые краны;
• шахтные тележки;
• сварочные автоматы;
• промышленные роботы;
• станки с ЧПУ.

Известный всем водителям реечный механизм является узлом рулевого колеса. Вращение колеса превращает в поступательное перемещение тяг и синхронный поворот колес.

Широкое применение получили реечные передачи в производственном оборудовании. На строгальных и продольно фрезерных станках стол перемещается по направляющим станины. Между ними расположена рейка. Передача движения от привода осуществляется через расположенную в нижней части стола шестерню. Она тянет стол в режиме резания, и быстро его возвращает в исходное положение на холостом ходу.

Шпиндельная группа сверлильных и вертикально фрезерных станков перемещается вверх и вниз по колонне, на которой закреплена планка с зубьями. Реечная передача получает вращение от электродвигателя шпинделя через ремень и шкив.

Примеры использования реечных узлов в быту встречаются часто. Все откатные ворота имеют внизу или на середине полотна рейку. Двигатель с шестерней устанавливаются на столбе. Включить привод и открыть ворота можно дистанционно, из дома или посредством электронного пульта управления.

Данные для расчета

Расчет реечной передачи производится посредством ряда формул, в которых используются данные:

• высота зуба;
• его ширина по средней линии;
• диаметр шестерни;
• угол поворота при повороте на один зуб.

Расстояние от делительного диаметра до оси шестерни задается конструктором изначально. По завершении расчетов размер корректируется, поскольку используются нормализованные детали.

Модуль зуба реечной передачи подбирается исходя из нагрузки, которую он должен выдержать и коэффициента прочности.

Боковой зазор регулируется в процессе эксплуатации смещением шестерни с учетом износа зуба. От правильно сделанного натяга зависит плавность пуска, размер люфта и точность перемещения.

Величины отклонений размеров деталей и нормы шероховатости поверхности зуба заложены в ГОСТ 2789-73 и ГОСТ 2.309-73.

Скачать ГОСТ 2.309-73

Скачать ГОСТ 2789-73

Прочностной расчет учитывает предельные допустимые значения и коэффициенты:

• напряжения изгиба;
• угол наклона;
• модуль зацепления;
• перекрытие;
• форму зубьев;
• окружную силу.

При проектировании оборудования, конструктора по нагрузкам подбирают нормализованные детали. Практическим путем определяется только длина рейки.

Реечная передача или «рейка-шестерня»

Что же такое реечная передача или в простонародье «рейка-шестерня» и какие основные ее параметры? Реечная передача – это вид механической передачи, преобразующей вращательное движение шестерни в поступательное движение рейки и наоборот. Прообразом данной передачи послужила кремальера, с помощью которой в старые времена повара подвешивали котелок над очагом и вращением колеса могли регулировать интенсивность огня во время приготовления пищи.

Затем данная система плавно перебралась в другие отрасли и уже использовалась в железнодорожном транспорте, так до сегодняшнего дня сохранились известные «каталонские кремальеры», которые тянут поезда по горным дорогам.

В настоящее время реечную передачу можно встретить в различных отраслях от фотографии до медицины, а в сфере машиностроения и станкостроения они заняли свою почетную и важную нишу. Рейка и шестерня является одной из популярных передач по преобразованию вращательного движения в поступательное в современных станках ЧПУ.

Такая популярность неспроста, ведь у данной передачи имеется большое количество преимуществ, таких как:

• высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей
• неограниченная длина хода
• высокий КПД
• малые габариты
• большой ресурс
• простота обслуживания.

Но имеются у передачи такого типа несколько существенных недостатков:

• высокие требования к точности изготовления
• шумность системы, обусловленная неточностями изготовления профиля и шага зубьев
• высокая жесткость, которая на дает компенсировать динамические нагрузки, что часто приводит к разрушению передачи.

Сравним самые распространенные типы передач в приводах осей станков с ЧПУ:

Х – средние показатели ХХ – оптимальное сочетание ХХХ – лучшее сочетание

Данная сравнительная таблица несет информативный характер в максимальном проявлении данных свойств и не является основным критерием для выбора оптимальной передачи. Так, например, какая бы не была реечная передача, она не сможет приблизиться к параметру максимальной скорости линейного двигателя. И наоборот – по усилию подачи линейный двигатель, который сможет создать усилие, приближенное к максимальному усилию реечной передачи, будет огромных размеров либо специального исполнения, не входящего в стандартный модельный ряд многих производителей, а кроме всего прочего использование такого линейного двигателя вероятно будет экономически неэффективно. При проектировании необходимо учитывать как специфику оборудования, так и множество других факторов, не вошедших в эту таблицу.

Основными показателями реечной передачи для подбора являются:

1. Модуль зубчатого колеса
2. Тип зацепления
3. Точность и нагрузка

Модуль зубчатого колеса

Модуль зубчатого колеса — это универсальная характеристика, связывающая воедино такие его важнейшие параметры, как шаг, высота зуба, число зубов и диаметр окружности выступов. Эта характеристика участвует во всех расчетах, связанных с конструированием систем передач. Ее численно подбирают таким образом, чтобы значение модуля совпадало с одним из общепринятых значений, найти которые можно в специальной литературе. При проектировании шестерен обычно задаются значением этого параметра, а от него легко рассчитают все множество других. Исходными данными для определения требуемого модуля зубчатого колеса выступают расчеты прочности, призванные обеспечить требуемую мощность механической передачи. Модуль зубчатого колеса можно найти несколькими способами:

m=P/π

где P – шаг зубчатого колеса или рейки. Данную формулу можно считать и в ином порядке, как P=mπ и тем самым мы получаем прямую зависимость шага и модуля. Другой способ через зубчатое колесо, зная диаметр и количество зубьев:

m=D/z

И самый простой – это приложить имеющийся элемент передачи к шаблону и тем самым определить модуль.

Шаблон в формате 1:1 вы можете получить, обратившись к специалистам .

Тип зацепления

Профили зубьев зубчатой передачи должны обеспечивать постоянство передаточного отношения. Этому условию удовлетворяют несколько распространенных профилей: эвольвента, циклоида, дуга окружности. Из них выгодно выделяется эвольвентный профиль, обеспечивающий высокую прочность и долговечность зубьев колес, малые скорости скольжения на поверхности зацепляющихся зубьев и высокий КПД. Также он отличается простотой изготовления. Данное зацепление мало чувствительно к отклонениям межосевого расстояния, при этом позволяет улучшить параметры применением модификации (корригирования).

Выделяют два наиболее распространённых типа зубчатых передач, применяемых в станкостроении – это передачи с прямозубым зацеплением и передачи с косозубым зацеплением. Каждый тип передачи имеет свои преимущества и недостатки:

Что такое корригирование зубчатого зацепления?

Коррекцией эвольвентного зацепления называют исправление формы эвольвенты, образующей зуб, чтобы улучшить прочностные и другие параметры передачи в сравнении со стандартной. Коррекцию осуществляют для достижения следующих целей:

• Назначения числа зубьев шестерни меньше z<17. При нарезании стандартного зубчатого колеса с числом зубьев меньше 17 наблюдается подрезание ножки зуба, что уменьшает изгибную прочность. Соответствующей коррекцией можно исключить подрезание.
• Повышение изгибной прочности зуба. Зубья зацепляющихся колес часто оказываются неравнопрочными, это может быть следствием того, что одно из колес стальное, а другое бронзовое или пластмассовое. Другая причина неравнопрочности колес может заключаться в том, что зубчатые колеса имеют разное число зубьев и потому у них будет разные коэффициенты формы зуба, которые входят в расчетную формулу на изгиб. Соответствующей коррекцией можно сделать более слабый зуб толще и тем самым повысить его изгибную прочность.

Основные преимущества корригирования:

• Повышение износостойкости передачи. Износ передачи зависит от скольжения зубьев в процессе их работы. Коррекцией зацепления можно подобрать такие участки контактирующих эвольвент, чтобы минимизировать скольжение и тем самым повысить износостойкость передачи.
• Повышение контактной прочности. Контактная прочность зависит от радиусов кривизны эвольвент в полюсе зацепления. Коррекцией зацепления можно выбрать такие участки эвольвент, чтобы радиусы их кривизны были бы больше, чем в стандартном зацеплении.
• Для вписывания передачи в заданное межосевое расстояние.

Коррекцию осуществляют несколькими способами, но наиболее распространенный и часто применяемый — смещение стандартного инструмента или так называемая высотная коррекция, при которой параметры зацепления остаются без изменения, но увеличивается изгибная прочность зуба и появляется возможность избежать подрезания зуба.

В поставляемых нашей компанией зубчатых колесах складской программы как правило коэффициент корригирования равен 0. Формула расчета межосевого расстояния между шестерней и рейкой будет рассчитываться следующим образом:

Достаточно часто, при проектировании специального оборудования и станков конструкторы применяют нестандартные решения и компоновки. В таком случае на чертежах, высылаемых при согласовании перед поставкой будут прописаны как коэффициент корригирования так и рабочий делительный диаметр dw.

Формула расчёта межосевого расстояния будет следующей:

Косозубые цилиндрические передачи корригируют значительно реже, чем прямозубые, так как при работе на изгиб косой зуб прочнее прямого. Кроме того, заданное межосевое расстояние при косозубом зацеплении достигается изменением угла наклона зубьев (так как наиболее распространен угол наклона зуба 19°31ʹ42ʺ, корригированнию подвержены и косозубые шестерни в равной мере), в то время как в прямозубом это может быть достигнуто лишь корригированнием.

Точность и нагрузка зубчатых передач

При использовании даже самых совершенных приемов изготовления и сборки зубчатых передач неизбежны погрешности изготовления, выражающиеся в отклонениях от заданных размеров и формы. В зубчатых передачах эти погрешности проявляются в отклонениях размеров шагов, зазоров и формы профилей зубьев от их теоретических значений, в непараллельности зубьев или осей валов, неточности межосевого расстояния, возникновении торцового и радиального биений колес и др. Следствие этих погрешностей – нарушение нормальной работы передачи: неполное прилегание сопряженных зубьев (малое пятно контакта), возникновение дополнительных динамических нагрузок, вибрация, повышение шума и в результате – пониженная долговечность. Влияние погрешностей возрастает с увеличением окружной скорости колес. В связи с этим, с ростом скорости повышаются требования к точности изготовления передачи.

Поставляемые нашей компанией зубчатые рейки соответствуют следующим параметрам: Q6 – зубчатые рейки из конструкционной стали С45Е с термической обработкой их в виде поверхностной закалки, с наличием монтажных отверстий и дополнительной шлифовке зубьев; Q8 — зубчатые рейки из конструкционной стали С45Е с термической обработкой их в виде нормализационного отжига, с наличием монтажных отверстий, без дополнительной обработки зубьев.

Нагрузочные характеристики по максимальной силе нагрузки на зуб представлены в графиках ниже для косозубых и прямозубых реек.

При проектировании и расчете точности станков с ЧПУ следует обращать внимание на класс точности зубчатой рейки и такого параметра как «погрешность шага» (данная характеристика прописана в чертежах, высылаемых для согласования перед поставкой продукции).

При расчете реечной передачи при длинах перемещения более 2-х метров формула расчета точности погрешности шага стыкованных реек будет следующая:

где nR — количество стыкуемых реек, Gtf — погрешность шага рейки, nJ — количество стыков, FJ — погрешность установочной планки.

Пример:

Необходимо высчитать механическую погрешность зубчатой рейки на длине перемещения 8 метров (8000 мм) на базе рейки М2, класса точности Q6, погрешность установочной планки M2H (FJ=0,013).

Вариант №1. На базе рейки HM2L1000-Q6 (L=1000 мм):

E=(8×0,034)+(7×0,013)=0,363 мм

Вариант №2. На базе рейки HM2L2000-Q6 (L=2000 мм):

E=(4×0,038)+(3×0,013)=0,191 мм

Точность системы при использовании двухметровых реек почти в 2 раза лучше, чем при использовании метровых с большим количеством стыков. Стыковку как прямозубых, так и косозубых зубчатых реек любого класса точности и модуля рекомендуется выполнять специальной установочной планкой.

в кратчайшие сроки поставляет зубчатые рейки и шестерни от 1 до 12 модуля, классов точности от Q4 до Q10. В ассортимент входят специальные исполнения для химической и медицинской промышленности (антикоррозионное исполнение). Точности по Q6 и Q8 в самых ходовых размерах и типах зацепления имеются на складе. По запросам клиента возможны поставки нестандартных зубчатых реек и шестерен большего модуля и различного класса точности.

Посмотреть наличие и купить зубчатые рейки в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге

Посмотреть наличие и купить зубчатые шестерни в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге

Статьи

06 ноя 2020

Преимущества и недостатки

Узлы с зубчатыми рейками считают устаревшими и громоздкими. На самом деле реечная механическая передача представляет собой зубчатое зацепление малой шестерни с сегментом колеса, имеющего бесконечно большой диаметр. Идеальный механизм в настоящее время не изобретен и приходится выбирать передачу, с учетом ее технических характеристик.

Недостатки

Передача обладает рядом недостатков, к ним относят следующие:

• устаревшая технология;
• большой люфт;
• сильный шум;
• маленькая точность перемещений;
• большая погрешность на стыке реек;
• требует высокой точности изготовления;
• ручная сборка;
• боится грязи;
• низкая производительность;
• ограничен спектр применения.

Узел обладает всеми недостатками зубчатых передач. Основное из них, это разрушение зубьев при перегрузе. На ременных передачах, когда нагрузка резка увеличивается, происходит проскальзывание ремня по шкиву. У зубьев нет такой возможности. По аналогии в предохранительные муфты вставляют пальцы, и через них передается вращательный момент. При перегрузе они разрушаются и заменяются новыми.

Разница в том, что изготовить шпильку с посадочным диаметром намного проще и дешевле. Шестерни делаются из легированных сталей. Процесс их изготовления сложный, многоступенчатый. Деталь дорогостоящая.

Точность изготовления зубчатой рейки выше, чем шестерни. Чем сильнее изгиб линии основания зуба, тем больше погрешность при его нарезании.

Механическое взаимодействие двух деталей всегда сопровождается шумом. Частично его снижает смазка. Плавно и тише работают косозубые и многорядные передачи.

Если не будет зазора по эвольвенте, то детали «склеятся» на молекулярном уровне. Такой эксперимент проводили в конце прошлого века. Проектировщики создали зубчатую пару с идеальными размерами и чистотой. В результате сделав несколько оборотов, шестерни сварились, и рассоединить их не получилось.

Зазор нужен для компенсации расширения металла при нагреве. Любое трение сопровождается повышением температуры.

Точность перемещения не позволяет полностью автоматически делать различные операции. На старом оборудовании имеется дополнительная точная доводка. В станки ЧПУ вмонтирован электронный контроль координат, который через блок управления выполняет точную настройку координат.

При стыке реек используют специальные шаблоны, и погрешность шага зуба минимизируется до допустимого размера. Сборка реечных передач в большинстве случаев остается ручной, многочисленные доводки и подгонки невозможно автоматизировать. Исключение составляют узлы без больших нагрузок с малым перемещением, как например в автомобиле.

РАСЧЕТ РЕЕЧНЫХ ПЕРЕДАЧ НА ПРОЧНОСТЬ

Формулы (4.1)-(4.2) для расчета цилиндрических зубчатых передач не могут быть применены для реечных передач (z2 = ¥; i12 = z1/z2 = 1/u = 0). Для проектировочного расчета по контактным напряжениям в пособии [7, с.107] приводится формула, позволяющая определить начальный (делительный) диаметр шестерни реечной передачи (мм):

dw1 , (8.1)

где σНР – допускаемое контактное напряжение, МПа (см. [7, с. 89-91]) или

п. 3.1;

Fx – осевая сила на рейке, Н;

КН – коэффициент нагрузки [7, с. 92-97];

yв

d – вспомогательный параметр; y
в
d =
в
/dw1 = 0,4-0,8, где
в
– ширина рейки (ширина венца шестерни
в
1 »
в
+ (5-10)мм).

При подвижной рейке

(рис. 8.1, а) в задании на проектирование обычно указывают осевую силу на рейке Fx и скорость поступательного движения v2, равную окружной скорости шестерни v1;

при неподвижной рейке
(рис. 8.1, б) – скоростьv01 поступательного движения центра О1 шестерни и силу Fx. При выполнении расчетов могут быть использованы зависимости: Fx = 2Т1/dw1; Р = Fx×v2 = Т1×w1 и v1 = 0,5 ×w × dw1 (рис. 8.1, а); Р = Fx×v01 = Т1×w1 и v01 = 0,5 ×w1 × dw1 (рис. 8.1, б). В приведенных формулах: Fx в H; Т1 в Н×м; Р в Вт; v2, v01 в м/с; w в рад/с; dw1 в м (см. п. 1.5-1.8).

Рис. 8.1. Зубчато-реечная передача

Ориентировочное значение модуля m¢ находят по вычисленному dw1 и выбранному числу зубьев z1, приняв при x=0 dw1 = d1. Тогда m¢ » dw1/z1, где m¢ и dw1 в мм. При выборе z1 необходимо обеспечить условие z1 ³ zmin, где zmin – минимальное число зубьев, при котором отсутствует подрезание зубьев. Значение zmin зависит от x, , β. Для несмещенных прямозубых передач (x1=0, =1, α = 20°) zmin ≈ 17, а для косозубых передач zmin ≈ 17·cos3β, где β = 8-18° – угол наклона линии зуба. Более полные сведения по выбору zmin , а также коэффициентов смещений xmin и xmax, при которых в передаче отсутствует подрезание и заострение зубьев, приводятся в п. 4.1.8 и в [12, с. 25-26].

Предварительно полученные m’ и dw1 уточняют, если требуется изменить z1, ψbd или σНР. Затем определяют значение m’ из расчета зубьев на изгиб:

,

где КF – коэффициент нагрузки [7, с. 93-97];

σFР – допускаемое напряжение изгиба, МПа (см. [7, с. 89-91] или п. 3.3).

Из найденных по формулам (8.1-8.2) значений m’ принимают наибольшее и округляют до стандартного (п. 4.1.7). С учетом принятых z1, m, β находят dw1 (табл. 4.5), а также другие основные геометрические параметры и допуски реечной передачи [12, с. 73-77, 189-193; 24, с. 558-568]. Элементы чертежа рейки см. на рис. 8.2.

Рис. 8.2. рейка зубчатая прямозубая