Что такое реечная передача
Реечная передача
Всем редукторам и коробкам передач предшествовала кремальера. Ее использовали для вертикального перемещения котла над огнем. Повар крутил ручку и прикрепленный к рейке котел поднимался вверх и опускался вниз. Самая длинная реечная передача сделана в Италии на железной дороге. Чтобы поезд не скатывался по крутым склонам вниз, между рельсами прокладывали зубчатую рейку. На оси колес устанавливалась шестерня, которая и тянула поезд вверх. Ответное колесо вместо рейки для передачи крутящего момента появилось позже.
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:
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:
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:
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:
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:
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.
Прочностной расчет учитывает предельные допустимые значения и коэффициенты:
При проектировании оборудования, конструктора по нагрузкам подбирают нормализованные детали. Практическим путем определяется только длина рейки.
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:
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.
Достоинства
Реечная передача имеет превосходство перед аналогичными узлами. Это простая конструкция и неограниченная длина перемещения. Тележки походят сотни метров, поезда километры на тяге реечной передачи.
Зубья можно расположить в любом направлении и грязь с них будет опадать сама. Привод можно устанавливать неподвижно, это уменьшает габариты, и вес подвижной части механизма.
Реечные передачи в редукторе
Среди большого разнообразия различных зубчатых передач в редукторах, выделяют реечные передачи. Такие передачи имеют ряд отличительных особенностей, которые обуславливают сферу их применения.
Основные особенности
Реечная передача представляет собой конструкцию, состоящую из шестеренки и зубчатой рейки. Именно эта рейка и дала название редукторам, основанным на ее действии. В отличие от стандартной зубчатой передачи, реечная передача выполняет функцию преобразования вращательного движения в прямолинейное. Ротор вращает шестеренку, которая в свою очередь заставляет двигаться рейку в нужном направлении.
Длина рейки может быть любой. В этом одно из преимуществ передачи. Можно практически до бесконечности наращивать длину, сохраняя при этом работоспособность редуктора. Самое главное, чтобы в местах соединения реек сохранялся модуль. Добиться этого можно при использовании специальных накладок с зубьями.
Как и другие, реечные передачи могут быть прямозубыми и косозубыми.
Стоит отметить, что косозубые передачи способны передавать большее усилие.
Области применения реечной передачи
Область применения реечной передачи весьма обширна. Устройство можно применять везде, где нужно преобразовать вращательное движение в прямолинейное.
Для любого устройства можно подобрать соответствующие параметры и нужный результат на выходе. Таким образом, можно даже сохранить требуемую точность в высокоточных или прецизионных аппаратах.
Реечные передачи с успехом применяются в следующих аппаратах:
В представленных выше примерах перемещаемым объектом является некая каретка, перемещающаяся под воздействием установленного на ней привода. Но иногда, реечные передачи используются даже для перемещения тяжелых производственных столов по специальным траекториям. Зубчатая шестерня в данном случае жестко закрепляется на рабочей поверхности, а рейки находятся именно на перемещаемом столе. Такой подход приводит к возникновению очень высоких нагрузок, которые компенсируются габаритами передачи.
Плюсы и минусы передачи
Широкое применение реечных передач в различных областях помогло выявить основные плюсы и минусы такого решения.
К плюсам можно отнести:
К сожалению, за такие преимущества приходится платить наличием некоторого количества недостатков, среди которых выделяют:
Выбор реечной передачи
При выборе реечной передачи необходимо обращать внимание на основные эксплуатационные характеристики. В зависимости от, того, где будет применяться передача, выбирают тот или иной механизм.
Важной характеристикой передачи считается модуль. Именно он влияет на то, какое усилие будет способен передать привод.
Прежде всего, необходимо определиться с тем, косозубая или прямозубая передача необходима. Если точность смещения не принципиальна, подойдет прямозубый механизм. Он неприхотлив в использовании и весьма надежен. Грязь, пыль или производственные отходы не повлияют на работоспособность привода.
Для передачи больших усилий лучше использовать косозубую пару, которая характеризуется более плотным контактом деталей и повышенной точностью. Такие привода издают куда меньший шум при работе, но и в изготовлении они намного сложнее.
Если планируется использовать передачу в условиях очень высоких нагрузок, лучше всего подобрать косозубую передачу с широкими зубьями и крупной шестерней. Все эти факторы повлияют на прочностные характеристики привода.
Помимо стандартных передач, в которых приводным является шестерня, встречаются и обратные механизмы. В них уже сама рейка приводит в движение шестеренку. В некоторых случаях такое решение даже предпочтительнее.