Зубчатое колесо (шестерня) в Inkscape, для фрезеровки или печати на 3D принтере.

Прямозубые и косозубые зубчатые рейки

Для работы на малой и средней скорости применяются прямозубые зубчатые рейки. В свою очередь косозубая зубчатая рейка применяется там, где необходима высокая точность перемещения, большие или средние скорости работы.

Прямозубые передачи шестерня-рейка

Прямозубые передачи шестерня-рейка могут не только изготавливаться из стали, но и отливаться из чугуна. Такой метод изготовления практикуется там, где нет необходимости в высокой точности смещения, но эксплуатация механизма ведется в условиях сильной запыленности или высоких температур. Рейка и колесу в этом случае имеют шероховатую поверхность, производят сильный шум при движении. Применяется такая реечная передача, преимущественно, в металлургии, причем, рейка устанавливается зубом вниз, а привод и шестерня в специально оборудованной яме.

Косозубая зубчатая реечная пара

Косозубая зубчатая реечная пара при зацеплении способна передавать большее усилие, нежели прямозубая, при работе она производит меньше шума. Изготовление косозубой зубчатой рейки и шестерни требует высокой точности, а установка тонких регулировок. Изначально передача имеет увеличенную площадь контакта за счет расположения зубьев, но по мере истирания их поверхности межцентровое расстояние необходимо смещать. В противном случае нагрузка при изменении угла смещается, и процесс разрушения зубчатого колеса идет очень быстро.

Изготовление

Заготовки для колесных пар зубчатых передач могут быть изготовлены методом литья или штамповкой. В дальнейшем они подвергаются дополнительной обработке, и производится нарезания зубьев. Используют для этого дисковые и пальцевые фрезы, фасонные шлифовальные круги.

Механизм зубчатой передачи конического типа нельзя изготовить методом чистовой прорезки фрезой или шлифовкой, так как профиль выступов и впадин не постоянен. Это можно делать лишь на начальном этапе черновой обработки. Дальнейшая доводка производится на станках в процессе обкатки с зацеплением. Для этого используется парное колесо из высокопрочного материала, повторяющего основной профиль. Оно выступает в роли режущего инструмента.

Углеродистые стали подвергают закалке, цементации, азотированию или цианированию. Для неответственных узлов термообработка может проводиться после нарезания зубьев. Для колесных пар высокой точности требуется дополнительная финишная шлифовка или обкатка.

Основные параметры зубчатых передач «шестерня – рейка»

Для зубчато-реечной передачи основным размерным параметром считается шаг (расстояние) между зубьями рейки. Эта величина может рассчитываться двумя способами: по модульной системе либо по метрической системе. Расстояние между зубьями рейки в модульной системе должно рассчитываться по формуле m = D/z, в которой литерой m обзначен модуль пары рейка-шестерня, литерой z — количество зубьев шестерни, а литерой D делительный диаметр шестерни. В последнем случае имеется в виду диаметр окружности, которая проходит через полувысоту зуба шестерни. Для некорригированных зацеплений делительные и начальные окружности совпадают.

Значение модуля передачи рейка-шестерня дробное. Оно представляет собой бесконечную десятичную дробь, и в процессе расчета реечной передачи используется округленное значение этой величины. Общепринятые значения данного параметра могут составлять, как правило, от 0,5 до 25 мм. Расстояние между зубьями рейки в метрической системе мер измеряется в миллиметрах. Для зубчатых передач шестерня-рейка у каждого производителя есть линейка стандартных размеров, что, впрочем, не ограничивает возможности заказа реечной передачи с нестандартными параметрами на отечественных металлообрабатывающих и машиностроительных предприятиях.

Стоит учитывать, что модульная система подбора используется в случаях, когда зубчатая рейка подбирается под шестерню. Такой порядок практикуется, преимущественно, на производстве, где выпускаются комплектные приводы — рейка + шестерня + серийный мотор-редуктор. Если же технология производства передачи предусматривает подбор зубчатого колеса под рейку, применяется метрическая система. Обычно этот способ используют в процессе поиска оригинальных конструкторских решений, реализации ноу-хау, проектирования нестандартного оборудования, приспособлений, машин и механизмов.

Литература

• Под ред. Скороходова Е. А.
  Общетехнический справочник. — М.: Машиностроение, 1982. — С. 416.
• Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А.
  Детали машин. — М.: Издательский , 2004. — С. 416. — ISBN 5-7695-1384-5.
• Богданов В. Н., Малежик И. Ф., Верхола А. П. и др.
  Справочное руководство по черчению. — М.: Машиностроение, 1989. — С. 438-480. — 864 с. — ISBN 5-217-00403-7.
• Кравченко А. И., Бовда А. М. Зубчатая передача с магнитной связью. Патент Украины № 56700. Бюл. № 2, 2011. — F16H49/00.
• Ивашов Е.И., Кузнецов П.С., Степанчиков С.В. Зубчатая передача с магнитным взаимодействием зубьев. — 2011. — (Авторское свидетельство СССР № 107309).
• Ганзбург Л.Ф., Федотов А.В. Проектирование электромагнитных и магнитных механизмов: Справочник – Л.: Машиностроение, 1980. – 364 с.

Изготовление зубчатых колес и реек

Порядок расчета и базовые характеристики зубчатых механизмов шестерня-рейка регламентируются следующими стандартами: для зубчатого колеса ГОСТ 16532-70, для зубчатой рейки ГОСТ 13755-81, для допусков зубчатой рейки ГОСТ 10242-81. Степень точности при проектировании зубчато-реечной передачи зависит от назначения механизма (кинематический либо силовой) и скорости вращения зубчатого колеса. Расчет прочности выполняется по ведущей шестерне, при расчете руководствуются требованиями ГОСТ 21354-87. При изготовлении реечных передач величины отклонений размеров рейки и колеса заданы в ГОСТ 2789-73, нормы шероховатости — в ГОСТ 2.309-73.

Материалы

Зубчатые рейки и шестерни зубчато-реечных передач обычно изготавливают из стали. При этом для механизмов, которым в процессе эксплуатации не приходится испытывать высокие нагрузки и работать на большой скорости достаточно выбрать углеродистую сталь хорошего качества — например, сталь марок 35, 45, 50. Подойдут также низколегированные стали 35ХГС, 40Х, 40ХН, 40ХНТ и сталь марок 40Г2, 50Г — в их составе повышено содержание марганца. Если передача рейка-шестерня будет эксплуатироваться при повышенных нагрузках, в процессе производства изделие подвергают термической и химикотермической обработке с целью повысить его прочностные характеристики. Кроме того, можно использовать конструкционные и легированные стали.

Точность и прочность

При выборе материала и дополнительных способов обработки для реечной передачи рекомендуется стремиться к тому, чтобы в паре шестерня-рейка у зубчатого колеса твердость боковой поверхности зубьев была больше, чем у рейки, на 3-5ед HRC или на 30-5-ед HD. Это дает хорошую приработку элементов пары, позволяет получить в передаче оптимальное по величине и форме пятно контакта. Машиностроительные предприятия в нашей стране поставляют на рынок цементируемые и объемно-закаливаемые рейки 5-7 степени точности, незакаливаемые рейки 8-9 степени точности в соответствии с ГОСТ 10242-81, длина изделия до 800 мм. Современное оборудование позволяет производить зубчатые рейки длиной 3500 мм и более, в процессе монтажа оборудования рейки можно сращивать со стороны подошвы, что практически не отражается на точности зацепления зубцов.

Обслуживание и расчёт

Техобслуживание заключается в осмотре механизма, проверке целостности зубьев и отсутствия сколов. Проверка правильности зацепления производится при помощи краски, наносимой на зубья. Изучается величина пятна контакта и его расположение по высоте зуба. Регулировка производится установкой прокладок в подшипниковых узлах.

Сначала надо определиться с кинематическими и силовыми характеристиками, необходимыми для работы механизма. Выбирается вид передачи, допустимые нагрузки и габариты, затем подбираются материалы и термообработка. Расчёт включает в себя выбор модуля зацепления, после этого подбираются величины смещений, число зубьев шестерни и колеса, межосевое расстояние, ширина венцов. Все значения можно выбирать по таблицам или использовать специальные компьютерные программы.

Главными условиями, необходимыми для длительной работы зубчатых передач, являются износостойкость контактных поверхностей зубьев и их прочность на изгиб.

Плюсы и минусы реечных передач

Причина широкого распространения, которое получили зубчатые рейки и шестерни в машиностроении, заключается в том, что в этих механизмах наиболее удачно сочетаются динамические, нагрузочные и точностные характеристики. Кроме того, несомненным преимуществом реечной передачи является высокая надежность, удобство монтажа и простота конструкции. И, разумеется, веским аргументом в пользу механизма данного типа является возможность перемещения чего-либо на неограниченное расстояние вдоль зубчатой рейки.

Среди недостатков принято называть устаревшую технологию, сильный шум, низкую производительность, необходимость ручной сборки и наладки, слабую точность перемещений, склонность к разрушению зубьев при избыточной нагрузке и даже ограниченность области применения. Но пока зубчато-реечным передачам в этой, пусть ограниченной, области нет альтернативы, они будут выпускаться.

Цилиндрические передачи

Применяются наиболее широко, так как технология изготовления колесных пар сравнительно проста и отработанна. Цилиндрическая зубчатая передача используется для передачи крутящего момента между валами, расположенными в параллельных плоскостях. Различаются по форме зубьев: с прямым расположением, косым и шевронным. В редких случаях при перекрещении валов и незначительных нагрузках используется винтовой профиль.

Зубья прямого расположения используются больше всего. Их применяют для передачи крутящего момента с незначительной или средней нагрузкой, а также в случаях, когда есть необходимость смещения колес в процессе работы вдоль оси вала. Косые зубья применяют для плавности хода. Их используют для ответственных механизмов и при повышенных нагрузках. Шевронный профиль (два ряда косых зубьев по краям, расположенных в форме елочки) отличается высокой уравновешенностью осевых сил смещения, которые являются недостатком косозубых колесных пар.

Прямозубые цилиндрические передачи могут быть открытого и закрытого типа. В последнем случае зубья одного из колес располагаются не на наружной, а на внутренней поверхности окружности.

Стандарты

Нормируются ли зубчатые передачи? ГОСТ, действующий в настоящее время, определяет допустимые отклонения для готовых колесных пар. Точность заготовок устанавливается в зависимости от технологических особенностей и может регулироваться для каждой отрасли или завода-изготовителя отдельно.

Для каждого вида зубчатых передач существуют нормы взаимозаменяемости. Отдельные стандарты утратили актуальность вообще, некоторые действуют лишь в отдельных регионах. Тем не менее, нормы, разработанные ранее, используются для общей терминологии, обозначений, порядка разработки документации и построения чертежей.

ГОСТы регулируют параметры расчетов геометрии зубчатых колесных пар, их модули, исходные контуры, степени точности и виды сопряжений. Другие нормативы устанавливают стандарты на отдельные элементы деталей, а третьи – на уже готовые узлы и агрегаты.

Виды

Наибольшее распространение получила цилиндрическая зубчатая передача. Ее применяют в узлах и механизмах с параллельным расположением валов. По конструктивным особенностям различают зубья с прямым, косым и шевронным профилем.

Для перекрещивающихся валов используют червячную, винтовую цилиндрическую передачи, а для пересекающихся – коническую. Реечная передача отличается тем, что шестерня в общем парном механизме заменяется рабочей плоскостью. При этом на ней нарезаны зубья, идентичные по профилю колеса. В итоге вращательное движение преобразуется в поступательное.

Также разделяют передачи по скорости вращения: тихоходные, средние и скоростные. По назначению их делят на силовые и кинематические (не передающие значительной мощности). Кроме того, зубчатые передачи могут классифицироваться по величине передаточного числа, подвижности осей (рядовые и планетарные), числу степеней, точности зацепления (12 классов), способу изготовления. По форме профиля зуба могут быть эвольвентные, циклоидальные, цевочные, круговые.

Классификация

Движение точки соприкосновения зубьев с эвольвентным профилем

Реечная передача

Червячная передача с четырёхзаходным червяком

Гипоидная зубчатая передача

• По форме профиля зубьев: эвольвентные;
• круговые (передача Новикова);
• циклоидальные.

Реечная передача

— один из видов цилиндрической зубчатой передачи, радиус делительной окружности рейки равен бесконечности. Применяется для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот. См. также: кремальера.

Винтовые

,
червячные
и
гипоидные
передачи относятся к зубчато-винтовым передачам. Элементы этих передач скользят относительно друг друга.