Реечная передача

Типы рулевых механизмов

Устройство рулевого механизма различается в зависимости от способа преобразования крутящего момента. По этому параметру выделяют червячный и реечный виды механизмов. Существует еще винтовой тип, принцип работы которого схож с червячной передачей, но он имеет больший КПД и реализует большее усилие.

Червячный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Этот рулевой механизм является одним из «устаревших» устройств. Им оснащены практически все модели отечественной «классики». Механизм применяется на автомобилях с повышенной проходимостью с зависимой подвеской управляемых колес, а также в легких грузовых автомобилях и автобусах.

Схема червячного редуктора

Конструктивно устройство состоит из следующих элементов:

• рулевой вал;
• передача «червяк-ролик»;
• картер;
• рулевая сошка.

Пара «червяк-ролик» находится в постоянном зацеплении. Глобоидальный червяк представляет собой нижнюю часть рулевого вала, а ролик закреплен на валу сошки. При вращении руля ролик перемещается по зубьям червяка, благодаря чему вал рулевой сошки также поворачивается. Результатом такого взаимодействия является передача поступательных движений на привод и колеса.

Рулевой механизм червячного типа имеет следующие преимущества:

• возможность поворота колес на больший угол;
• гашение ударов от дорожных неровностей;
• передача больших усилий;
• обеспечение лучшей маневренности машины.

Изготовление конструкции достаточно сложное и дорогое – в этом главный ее минус. Рулевое управление с таким механизмом состоит из множества соединений, периодическая регулировка которых просто необходима. В противном случае придется заменять поврежденные элементы.

Реечный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки

Механизм “шестерня-рейка” Рулевой механизм реечного типа считается более современным и удобным. В отличие от предыдущего узла, это устройство применимо на транспортных средствах с независимой подвеской управляемых колес.

В реечный рулевой механизм входят следующие элементы:

• корпус механизма;
• передача «шестерня-рейка».

Шестерня устанавливается на рулевом валу и находится в постоянном зацеплении с рейкой. В процессе вращения рулевого колеса рейка перемещается в горизонтальной плоскости. В результате соединенные с ней тяги рулевого привода также перемещаются и приводят в движение управляемые колеса.

Механизм «шестерня-рейка» отличается простотой конструкции и высоким КПД. К ее преимуществам также можно отнести:

• меньшее количество шарниров и тяг;
• компактность и невысокая цена;
• надежность и простота конструкции.

С другой стороны, редуктор этого типа чувствителен к ударам от неровностей дороги – любой толчок от колес передастся на руль.

Винтовой редуктор

Устройство винтового редуктора Особенностью этого механизма является соединение с помощью шариков винта и гайки. За счет чего наблюдается меньшее трение и износ элементов. Механизм состоит из следующих элементов:

• вал рулевого колеса с винтом
• гайка, перемещаемая по винту
• зубчатая рейка, нарезанная на гайке
• зубчатый сектор, с которым соединена рейка
• рулевая сошка

Винтовой рулевой механизм применяется в автобусах, тяжелых грузовых автомобилях и в некоторых легковых автомобилях представительского класса.

https://www.youtube.com/watch?v=5rMIudOvxeY

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.

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:

• промышленные сварочные установки;
• производственные роботы;
• станки с ЧПУ;
• токарные станки;
• подъемные устройства и краны;
• линии перемещения кареток по производственному цеху;
• промышленные производственные линии;
• фуникулеры;
• механизм рулевого управления в автомобилях и др.

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.

• способность выдерживать большие нагрузки;
• скромные габаритные размеры;
• возможность создания реек неограниченной длины;
• передаточное число остается постоянным в любом случае;
• простота и надежность;
• долговечность.

К сожалению, за такие преимущества приходится платить наличием некоторого количества недостатков, среди которых выделяют:

• сложность в изготовлении (особенно характерно для устройств повышенной точности);
• изрядные шумы при работе на высоких оборотах;
• невозможность уменьшить или хоть как-то скомпенсировать динамические нагрузки на передачу, ввиду высокой жесткости;
• возникновение погрешностей;
• скапливание грязи между зубьями;
• передаточное число всегда равно единице, что приводит к невозможности использования передачи для увеличения скоростей и оборотов.

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.

Источник

Рулевой механизм

Предназначен для преобразования вращения вала рулевой колонки в поступательные движения элементов привода.

Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили механизмы типа «шестерня-зубчатая рейка». Ранее же использовался еще один вид – «червяк-ролик», который сейчас в основном используется на грузовых авто. Еще один вариант для грузовиков – «винтовой».

«шестерня-рейка»

Распространение тип «шестерня-рейка» получил благодаря сравнительно простому устройству рулевого механизма. Состоит этот конструктивный узел из трех основных элементов – корпус, в котором размещается шестерня и перпендикулярно ей – рейка. Между двумя последними элементами имеется постоянное зубчатое зацепление.

Работает этот вид механизма так: шестерня жестко связана с рулевой колонкой, поэтому она вращается вместе с валом. Из-за зубчатого соединения вращение передается на рейку, которая при таком воздействии смещается внутри корпуса в ту или иную сторону. Если водитель вращает рулевое колесо влево, взаимодействие шестерни с рейкой приводит к тому, что последняя перемещается вправо.

Зачастую на авто применяются механизмы «шестерня-рейка» с фиксированным передаточным числом, то есть диапазон поворота рулевого колеса для изменения угла колес одинаков при всех их положениях. Для примера, предположим, что для поворота колес на угол 15° необходимо сделать 1 полный оборот руля

Так вот, неважно, в каком положении находятся управляемые колеса (крайнее, прямолинейное), для поворота на указанный угол придется сделать 1 оборот

Но некоторые автопроизводители устанавливают на свои авто механизмы с меняющимся передаточным числом. Причем достигается это достаточно просто – изменением угла положения зубьев на рейке в определенных зонах. Эффект от этой доработки механизма такой: если колеса стоят прямо, то для изменения их положения на те же 15° (пример) требуется 1 оборот. Но если они находятся в крайнем положении, то из-за измененного передаточного числа, колеса повернуться на указанный угол уже через пол-оборота. В результате диапазон поворота руля «от края до края» значительно меньше, чем в механизме с фиксированным передаточным числом.

Рейка с переменным передаточным числом

Помимо простоты устройства тип «шестерня-рейка» используется еще потому, что в такой конструкции возможна реализация исполнительных механизмов гидроусилителя (ГУР) и электроусилителя (ЭУР), а также электрогидравлического (ЭГУР).

«червяк-ролик»

Следующий тип – «червяк-ролик», менее распространен и на легковых авто сейчас практически не используется, хотя его можно встретить на автомобилях ВАЗ классического семейства.

В основе этого механизма положена червячная передача. Представляет червяк собой винт с резьбой особого профиля. Этот винт располагается на валу, соединенном с рулевой колонкой.

С резьбой этого червяка контактирует ролик, соединенный с валом, на который посажена сошка – рычаг, взаимодействующий с элементами привода.

Червячный рулевой механизм

Суть работы механизма такова: при вращении вала, винт вращается, что приводит к продольному перемещению ролика по его резьбе. А поскольку ролик установлен на валу, то это смещение сопровождается поворотом последнего вокруг своей оси. Это в свою очередь приводит к полукруговому движению сошки, которая и воздействует на привод.

От механизма типа «червяк-ролик» на легковых авто отказались в пользу «шестерни-рейки» из-за невозможности интегрировать в него гидроусилитель (на грузовых авто он все же имелся, но исполнительный механизм был вынесенным), а также достаточно сложной конструкции привода.

Винтовой тип

Конструкция винтового механизма – еще сложнее. В ней также имеется винт с резьбой, но контактирует он не с роликом, а со специальной гайкой, на внешней стороне которой нанесен зубчатый сектор, взаимодействующий с таким же, но сделанным на валу сошки. Также существуют механизмы с промежуточными роликами между гайкой и зубчатым сектором. Принцип же действия такого механизма практически идентичен червячному – в результате взаимодействия вал проворачивается и тянет сошку, а та в свою очередь – привод.

Винтовой рулевой механизм

На винтовой механизм можно установить гидроусилитель (гайка выполняет роль поршня), но на легковых авто он не применяется из-за массивности конструкции, поэтому и используется он только на грузовиках.

Области использования цепной передачи

Примечательно, что данный вид передачи известен человечеству довольно давно. По крайней мере, в теории. Изучение работ известного изобретателя и художника Леонардо да Винчи показало, что он задумывался над различными вариантами использования цепных передач во всевозможных механизмах. На рисунках можно увидеть прообразы современных велосипедов и многих других известных сегодня механизмов. Правда, доподлинно не известно, смог ли великий Леонардо воплотить на практике свои идеи. Промышленность того времени не позволяла изготавливать механизмы с необходимой степенью точности.

Впервые же на практике удалось использовать данный вид передач лишь в 1832 году. Стоит отметить, что на внешний облик современного велосипеда, а также на его технико-эксплуатационные характеристики в немалой степени повлияло именно то, что в 1876 году изобретателю Лоусону пришло в голову использовать именно цепную передачу. До того момента колеса в движение приводились либо напрямую через педали, либо ездок должен был отталкиваться ногами от земли.

Данная разновидность передач во всевозможных модификациях сегодня используются крайне обширно в различных сферах машинного строения. Транспорт, производственное станковое оборудование, сельскохозяйственные агрегаты – перечислить все без исключения механизмы, в которых находят свое использование разновидности цепной передачи, не представляется возможным.

К ней прибегают и тогда, когда межосевые расстояния достаточно велики. В этих случаях применение передачи ременного типа нецелесообразно, а зубчатые применить невозможно из-за значительного усложнения конструкции и увеличения массы механизма. Не стоит забывать и про силу трения, которая увеличивается прямо пропорционально количеству зубчатых колес в механизме. В случае с цепными передачами, как уже отмечалось, есть сила трения качения, которая в разы меньше силы трения скольжения.

Можно также встретить данный вид передач в технике, которая использует цепь в качестве непосредственного рабочего элемента, а не в роли приводного. К таковым, например, относятся снегоуборочные агрегаты, элеваторные и скребковые механизмы, а также им аналогичные.

Как правило, прибегают к цепным передачам открытого типа, которые при необходимости смазываются вручную. В таких конструкциях либо вовсе не осуществляется влаго-пылевой защиты, либо она присутствует на минимальном уровне, как в случае с велосипедом.

Обычно те или иные виды цепных передач используются, если необходимо осуществить передачу мощностей до 120 киловатт при наружных скоростях не более 15 метров в секунду.

Достоинства и недостатки

Плюсов дровокола довольно много вне зависимости от того, используется модель фабричного производства или приспособление изготовлено в кустарных условиях. К числу достоинств относят:

• простоту в эксплуатации;
• долгий срок службы;
• возможность работы с приводом на 220 и 380 В;
• инструмент работает в любых погодных условиях, кроме, конечно, на открытой местности при дожде (электродвигатель может сгореть);
• эффективность дровокола неизменна вне зависимости от вида древесины;
• большую мощность раскола;
• обеспеченность инструмента двойной защитой, а также предохранительной муфтой и особым тепловым реле;
• низкое потребление энергии – не свыше 1,5 кВт в час (расход бензина составляет лишь 500 граммов);
• высокую скорость работы – полено длиной порядка 70 см раскалывается за 1-1,5 минуты;
• производительность, сравнимую с эффективностью гидравлического оборудования..

Из недостатков можно отметить только несоответствие европейским стандартам безопасности, но при правильном использовании и соблюдении всех эксплуатационных норм риск получения травмы не выше, чем при приобретении более дорогих импортных и агрегатов. И уж точно работа с инерционным реечным дровоколом таит в себе намного меньше опасностей, нежели рубка дров топором вручную

Использование реечной передачи

В большинстве реечных механизмов происходит превращение вращения в поступательное движение. Во время проектирования оборудования, конструкторам необходимо делать непростые расчеты эвольвенты зуба и расстояния от средней линии планки до оси шестерни. Им на помощь приходят готовые таблицы с нормализованными деталями. Это облегчает процессы расчета, потому как во многих случаях эксплуатации узла с малыми нагрузками берутся обычные пары.

Передача реечная повсеместно применяется в механизмах очень разного назначения:

• металлорежущее оборудование;
• термические печи;
• откатные ворота;
• фуникулеры;
• кранбалки;
• краны мостового типа;
• шахтные тележки;
• сварочные автоматы;
• промышленные роботы;
• станки с программным обеспечением.

Знаменитый всем водителям реечный механизм считается узлом рулевого колеса. Вращение колеса воплощает в поступательное перемещение тяг и синхронный поворот колес.

Большое применение получили реечные передачи в производственном оборудовании. На строгальных и продольно фрезеровочных станках стол передвигается по направляющим станины. Между ними расположена планка. Передача движения от привода выполняется через расположенную снизу стола шестерню. Она тянет стол в режиме резания, и быстро его возвращает в начальное положение на холостом ходу.

Шпиндельная группа сверлильных и вертикально фрезеровочных станков передвигается вниз и вверх по колонне, на которой закреплена рейка с зубьями. Реечная передача получает вращение от электрического двигателя шпинделя через ремень и шкив.

Варианты применения реечных узлов в бытовых условиях встречаются часто. Все автоматические раздвижные ворота имеют внизу или на середине полотна планку. Мотор с шестерней ставятся на столбе. Включить привод и открыть ворота можно на расстоянии, из дома или при помощи электронного пульта управления.

Данные для расчета

Расчет реечной передачи выполняется при помощи ряда формул, в которых применяются данные:

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

Расстояние от делительного диаметра до оси шестерни задается конструктором с самого начала. По окончании расчетов размер корректируется, потому как применяются нормализованные детали.

Модуль зуба реечной передачи выбирается исходя из нагрузки, которую он должен выдерживать и коэффициента прочности.

Боковой просвет изменяется во время эксплуатации сдвигом шестерни с учетом износа зуба. От качественно изготовленного натяга зависит плавность пуска, размер люфта и точность перемещения.

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

Прочностной расчет предусматривает предельные возможные значения и коэффициенты:

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

Во время проектирования оборудования, конструктора по нагрузкам выбирают нормализованные детали. Практическим путем устанавливается только длина планки.

Изготовление зубчатых колёс

Существует несколько методов изготовления колес.

Метод обката

В настоящее время является наиболее технологичным, а поэтому и самым распространённым способом изготовления зубчатых колёс. При изготовлении зубчатых колёс могут применяться такие инструменты, как гребёнка, червячная фреза и долбяк.

Метод обката с применением гребёнки

Изготовление шестерни. Изготовление зубчатого колеса.

Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется гребёнкой. На одной стороне гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка.

Заготовка накатываемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложные перемещения, состоящие из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения (на анимации не показано), параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода. Относительное движение гребёнки и заготовки может быть и иным, например, заготовка может совершать прерывистое сложное движение обката, согласованное с движением резания гребёнки.

Заготовка и инструмент движутся на станке друг относительно друга так, как будто происходит зацепление профиля нарезаемых зубьев с исходным производящим контуром гребёнки.

Метод обката с применением червячной фрезы

Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.

Метод обката с применением долбяка

Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков.

Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками. Поскольку срезать сразу весь слой металла обычно невозможно, обработка производится в несколько этапов.

При обработке инструмент совершает возвратно-поступательное движение относительно заготовки. После каждого двойного хода, заготовка и инструмент поворачиваются относительно своих осей на один шаг. Таким образом, инструмент и заготовка как бы «обкатываются» друг по другу. После того, как заготовка сделает полный оборот, долбяк совершает движение подачи к заготовке. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет удалён весь необходимый слой металла.

Литейная форма для бронзового храпового колеса (Китай, династия Хань. (206 до н. э. — 220 н. э.)).

Метод копирования (Метод деления)

Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.

Метод применялся в начале XX века. Недостаток метода состоит в низкой точности: впадины изготовленного таким методом колеса сильно отличаются друг от друга.

Горячее и холодное накатывание

Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определенной глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определенную глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.

Изготовление конических колёс

Технология изготовления конических колёс теснейшим образом связана с геометрией боковых поверхностей и профилей зубьев.

Способ копирования фасонного профиля инструмента для образования профиля на коническом колесе не может быть использован, так как размеры впадины конического колеса изменяются по мере приближения к вершине конуса. В связи с этим такие инструменты, как модульная дисковая фреза, пальцевая фреза, фасонный шлифовальный круг, можно использовать только для черновой прорезки впадин или для образования впадин колёс не выше восьмой степени точности.

Для нарезания более точных конических колёс используют способ обкатки в станочном зацеплении нарезаемой заготовки с воображаемым производящим колесом. Боковые поверхности производящего колеса образуются за счёт движения режущих кромок инструмента в процессе главного движения резания, обеспечивающего срезание припуска. Преимущественное распространение получили инструменты с прямолинейным лезвием. При прямолинейном главном движении прямолинейное лезвие образует плоскую производящую поверхность. Такая поверхность не может образовать эвольвентную коническую поверхность со сферическими эвольвентными профилями. Получаемые сопряжённые конические поверхности, отличающиеся от эвольвентных поверхностей, называют квазиэвольвентными.