Bilim.techО проекте

Реечная передача

Шестерня катится по рейке: рулевое управление, приводы ворот и станков. Скорость рейки и сила на ней.

01 Что это такое

Рейка это зубчатое колесо бесконечно большого радиуса. Шестерня катится по ней, и вращение превращается в прямолинейное движение: за один оборот рейка проходит длину начальной окружности π d.

Растяни колесо до бесконечного радиуса: окружность станет прямой, а эвольвента зуба выпрямится в отрезок. Получится рейка с зубьями в виде трапеций, бока которых наклонены на угол профиля 20°. С ней зацепляется обычная шестерня с эвольвентными зубьями, как в теме 6.1.

Начальная окружность шестерни катится по начальной прямой рейки без скольжения, как колесо по дороге. Поэтому путь рейки равен дуге, которую прошла окружность: x = r φ. Если вал шестерни закреплен, едет рейка: так работает рулевая рейка автомобиля. Если закреплена рейка, катится сама шестерня вместе с кареткой: так ездят порталы станков и вагоны зубчатой железной дороги.

ШЕСТЕРНЯ КАТИТСЯ ПО РЕЙКЕφв началедуга r φначальнаяокружностьначальная прямаяx = r φЗУБ РЕЙКИ КРУПНО20°p = π mm1,25mна делительной прямой зуб и впадинапо p / 2; радиус r → ∞, поэтомуэвольвента стала прямой
Шестерня повернулась на угол φ и откатилась на x = r φ. Метка на ободе прошла по дуге ровно столько, сколько точка касания прошла по прямой: зубья не дают окружности проскальзывать.
d
Делительный диаметр шестерни, мм. d = m z. Это диаметр окружности, которая катится по рейке. За оборот рейка проходит π d: у шестерни с m = 2 мм и z = 24 это 151 мм.
p
Шаг зубьев, мм. p = π m, одинаковый у шестерни и рейки. Рейки длиной 1-2 м стыкуют одну за другой с тем же шагом, поэтому ход может быть хоть сотни метров.
jt
Боковой зазор, мм. Щель между нерабочими боками зубьев. При смене направления шестерня сначала проворачивается на угол φл = 2 jt / d, а рейка стоит: это люфт, или мертвый ход.
02 Опыт
Крути шестерню. Смени направление. Посмотри, сколько съедает люфт. ШЕСТЕРНЯ ЭВОЛЬВЕНТНАЯ, РЕЙКА С ПРЯМЫМ ПРОФИЛЕМ, УГОЛ 20°
ПЕРЕДАЧИ

Как вращение шестерни становится прямым ходом рейки и куда пропадает люфт?

Рис. 9.9
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Скорость рейки v
Сила на рейке F
Мертвый ход при реверсе

ⓘ Шестерня прямозубая, профиль эвольвентный с углом 20°. При z меньше 17 зуб нарезан со смещением x = (17 − z) / 17, чтобы не было подрезания, а слишком острая вершина срезана. Рейка и шестерня жесткие, без трения; боковой зазор нарисован как утонение зубьев рейки. Нагрузка держит рейку на месте, пока ее не толкнет зуб. При выборке зазора анимация замедляется, чтобы мертвый ход было видно.

03 Формулы по буквам

Ход, скорость, сила и люфт реечной пары

Все формулы выходят из одного правила: начальная окружность катится по прямой без скольжения, x = r φ. Дальше это правило делят на время (скорость) и переворачивают через мощность (сила). Числа в карточках берутся из опыта.

Как далеко и как быстро едет рейка?

xоб = π d = π m z
v = π d n / 60

За один оборот рейка проходит длину начальной окружности: пи, умноженное на делительный диаметр. Скорость рейки равна этой длине, умноженной на число оборотов в секунду, то есть на n / 60. Это та же окружная скорость, что у зуба шестерни, v = ω d / 2.

m, z
модуль, мм, и число зубьев шестерни
d
делительный диаметр, d = m z; в формулу скорости в метрах
n
обороты шестерни, об/мин
v
скорость рейки, м/с; у станков ее пишут в м/мин

С какой силой шестерня толкает рейку?

F = 2T / d
P = F v = T ω

Сила на рейке равна двум моментам, деленным на делительный диаметр, то есть моменту, деленному на плечо d / 2. Мощность равна силе, умноженной на скорость рейки, и она же равна моменту на валу, умноженному на угловую скорость: передача мощность не создает.

T
момент на валу шестерни, Н·м
F
окружная сила, она же тяга рейки, Н; d в метрах
P
мощность, Вт; потери в паре 2-5 %
ω
угловая скорость шестерни, рад/с: ω = π n / 30

Сколько хода съедает люфт при реверсе?

xл = jt
φл = 2 jt / d

Мертвый ход рейки равен боковому зазору: пока он не выбран, рейка стоит. Шестерня за это время поворачивается на угол, равный удвоенному зазору, деленному на диаметр, в радианах. Чем меньше шестерня, тем больше этот угол при том же зазоре.

jt
боковой зазор вдоль начальной прямой, мм
xл
мертвый ход рейки при смене направления, мм
φл
мертвый угол шестерни, рад; в градусы умножь на 57,3
d
делительный диаметр шестерни, мм

Откуда берется x = r φ

Шаг 1. Зубья шестерни и рейки устроены так, что их начальная окружность и начальная прямая все время касаются в одной точке, полюсе зацепления, и в этой точке скорости зубьев одинаковы. Значит, окружность катится по прямой без скольжения, как колесо по асфальту.

Шаг 2. При качении без скольжения каждая точка окружности ложится на свою точку прямой. Когда шестерня повернулась на угол φ, по прямой прокатилась дуга длиной r φ. Отсюда x = r φ = φ d / 2, а за полный оборот φ = 2π и x = π d.

Шаг 3. Делим на время: v = x / t = r φ / t = r ω. Подставляем ω = 2π n / 60 и получаем v = π d n / 60. Мощность на валу T ω равна мощности на рейке F v, поэтому F = T ω / v = T / r = 2T / d.

Шаг 4. Люфт. Между нерабочими боками зубьев есть щель jt. При реверсе зуб шестерни сначала проходит эту щель, рейка стоит. По шагу 2 шестерня поворачивается на φл = jt / r = 2 jt / d. Чтобы убрать люфт в станках, ставят две шестерни, развернутые навстречу друг другу пружиной или вторым мотором: одна всегда прижата к одному боку, другая к другому.

1. ОДИН ОБОРОТ12301230π dточка k ободаложится наточку k прямой2. ЛЮФТjtрабочий бок прижат слева,справа щель jt. При реверсешестерня проходит ее,а рейка стоит
Каждая точка начальной окружности ложится на свою точку прямой, поэтому путь рейки равен пройденной дуге. Зазор между нерабочими боками добавляет мертвый ход при смене направления.
04 Где и зачем это применяют

Там, где нужен длинный прямой ход от вращающегося мотора

Допущения модели+

Шестерня прямозубая, эвольвентная, угол профиля 20°, высота головки m, ножки 1,25 m. При z меньше 17 зуб нарезан с положительным смещением x = (17 − z) / 17, а если вершина вышла острой, она срезана до ширины площадки 0,3 m; кинематика от смещения не меняется. Рейка и шестерня абсолютно жесткие, изготовлены без ошибок шага. Трения нет, поэтому F = 2T / d без потерь; на деле КПД пары 0,95-0,98. Боковой зазор jt измерен вдоль начальной прямой и нарисован как утонение зубьев рейки; больше 0,2 p он не берется. Нагрузка на рейке удерживает ее, пока зуб не прижмется к рабочему боку, поэтому при реверсе рейка стоит весь мертвый ход. Перекрытие посчитано для прямого зуба. Числа в готовых случаях примерные: рулевая рейка без учета усилителя; портал с сервомотором через редуктор, скорость 30 м/мин; ворота массой около 600 кг; вагон зубчатой дороги массой около 20 т на уклоне 25 % (m g sin α около 48 кН плюс сопротивление качению), рейка с шагом около 100 мм; изношенная рейка той же дороги с зазором 6 мм.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →