Реечная передача (кремальера)
Реечная передача (кремальера) — один из видов механических передач, преобразующий вращательное движение ведущей шестерни в поступательное движение рейки. Используется в рулевом управлении большинства переднеприводных легковых автомобилей. Реечная передача (кремальера) применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Состоит из обычной прямозубой шестерни и зубчатой планки (рейки). Работа такого механизма показана на рисунке.
Зубчатая рейка представляет собой часть колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Поэтому делительная окружность, а также окружности вершин и впадин превращаются в параллельные прямые линии. Эвольвентный профиль рейки также принимает прямолинейное очертание. Такое свойство эвольвенты оказалось наиболее ценным при изготовлении зубчатых колёс. Также реечная передача применяется в зубчатой железной дороге.
Достоинства и недостатки
Применение данной кинематической схемы наглядно показало наличие преимуществ.
К положительным моментам можно отнести:
- способность изменять направление передаваемого движения;
- широкая область применения;
- эффективно реализована передача, преобразование, увеличение мощности вращательного движения между осями передачи расположенными под углом друг к другу;
- достаточно широкий диапазон задания углов передачи крутящего момента от ведущего элемента к ведомому;
- широкая вариативность при компоновке разрабатываемых зубчатых и комбинированных систем;
- высокие нагрузочные характеристики (данные устройства способны передавать мощность величиной до 5000 кВт);
- эксплуатация и обслуживание не вызывает трудностей;
- удаётся получить высокий КПД.
К недостаткам специалисты причисляют:
- нагрузочная способность ниже, чем у цилиндрических конструкций (в среднем она на 20 процентов ниже);
- невысокая несущая способность (этот показатель ниже на 15 процентов);
- сложность и трудоёмкость в изготовлении колёс с заданными параметрами зубьев (количеством, величиной, углом наклона);
- повышенные требования к точности нарезания зубьев;
- возникновение повышенных осевых и изгибных нагрузок на все валы (особенно этот эффект наблюдается между валами, расположенными консольно);
- необходимость регулировки процесса передачи вращения;
- обладают большей массой, чем другие зубчатые передачи;
- высокие затраты на производство и обслуживание;
- возникают трудно разрешимые проблемы при проектировании и изготовлении систем с изменяемым передаточным числом;
- повышенная общая жёсткость конструкции.
Типы
А теперь пройдемся по конкретным представителям своего жанра. Сначала остановимся на наиболее общих группах. А после уже перейдем к узким нишам.
Конические
Название говорят за себя. Основа колеса имеет форму конуса. Оси в таком варианте всегда перекрещиваются. Есть и иные отличительные стороны. Как непрямые зубья. Хотя, в принципе существует и аналог с прямыми, просто это менее распространенный выбор.
Примечательно, что в результате форму позволяет увеличить площадь соприкосновения между элементами. А угол достигает 90 градусов. Поэтому фиксация, по заверению экспертов, становится более надежной. Также интересно то, что зубья утолщаются от основания к вершине. А значит, после зацепа они весьма надежно держатся за партнеров. И соскальзывание почти полностью исключается.
Понятие, принцип действия зубчатой передачи конической формы строится на надежности. Но нельзя сказать, что это экономичный вариант. Ведь он неотвратимо теряет в среднем 15% импульса, который передает ему вал. Прямой угол просто не позволяет сохранить всю прилагаемую силу.
С переменным передаточным отношением
Это относительно новое веяние в сфере. Смысл строится на том, что в стандартном механизме положение полюса зацепления всегда остается неизменным, статичным. А в этом прогрессивном виде оно «гуляет», изменяется под среду и нужды. Нельзя сказать, что это очень популярная разновидность, но в определенных случаях он показывает весьма завидные результаты.
Планетарные
Их еще можно назвать подвижными. В этом варианте ось колеса может перемещаться. Чтобы было яснее, в механизме шестерни не крутятся на месте, а более мелкое «бегает» по крупному. Движением становится намного разнообразнее, приходится пройти весь круг. И ось должна двигаться по траектории, меняя свое положение постоянно.
Механизмы зубчатых передач
Зубчатые зацепления применяются для передачи вращательного движения от двигателя к исполнительному органу.
При этом производятся необходимые преобразования движения, изменение частоты вращения, крутящего момента, направления осей вращения.
Для всего этого служат различные виды передач. Классификация видов зубчатых передач по расположению осей вращения:
- Цилиндрическая передача состоит из колёсной пары обычно с разным числом зубьев. Оси зубчатых колёс в цилиндрической передаче параллельны. Отношение чисел зубьев называется передаточным отношением. Малое зубчатое колесо называется шестернёй, большое — колесом. Если шестерня ведущая, а передаточное число больше единицы, то говорят о понижающей передаче. Частота вращения колеса будет меньше частоты вращения шестерни. Одновременно при уменьшении угловой скорости увеличивается крутящий момент на валу. Если передаточное число меньше единицы, то это повышающая передача.
- Коническое зацепление. Характеризуется тем, что оси зубчатых колёс пересекаются и вращение передаётся между валами, которые расположены под определённым углом. В зависимости от того, какое колесо в передаче ведущее, они тоже могут быть повышающими и понижающими.
- Червячная передача имеет скрещивающиеся оси вращения. Большие передаточные числа получаются из-за соотношения числа зубьев колеса и числа заходов червяка. Червяки используются одно-, двух- или четырехзаходные. Особенностью червячной передачи является передача вращения только от червяка к червячному колесу. Обратный процесс невозможен из-за трения. Система самотормозящаяся. Этим обусловлено применением червячных редукторов в грузоподъёмных механизмах.
- Реечное зацепление. Образовано зубчатым колесом и рейкой. Преобразует вращательное движение в поступательное и наоборот.
- Винтовая передача. Применяется при перекрещивающихся валах. Из-за точечного контакта зубья зацепления подвержены повышенному износу под нагрузкой. Применяются винтовые передачи чаще всего в приборах.
- Планетарные передачи — это зацепления, в которых применяются зубчатые колёса с подвижными осями. Обычно имеется неподвижное наружное колесо с внутренней резьбой, центральное колесо и водило с сателлитами, которые перемещаются по окружности неподвижного колеса и вращают центральное. Вращение передаётся от водила к центральному колесу или наоборот.
Нужно различать наружное и внутреннее зацепление. При внутреннем зацеплении зубья большего колеса располагаются на внутренней поверхности окружности, и вращение происходит в одном направлении. Это основные виды зацеплений.
Существует огромное количество возможностей для их сочетания и использования в различных кинематических схемах.
https://youtube.com/watch?v=j1Vua1zOZ78
Достоинства и недостатки зубчатых передач
Основные достоинства зубчатых передач
по сравнению с другими передачами:
— технологичность, постоянство передаточного числа;
— высокая нагрузочная способность (до N =50000 кВт);
— высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);
— малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;
— большая надежность в работе, простота обслуживания;
— сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.
К недостаткам зубчатых передач
следует отнести:
— невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;
— высокие требования к точности изготовления и монтажа;
— шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;
— громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ведомого валов;
— потребность в специальном оборудовании и инструменте для нарезания зубьев;
— высокая жесткость, не позволяющая компенсировать динамические нагрузки;
— нерациональное использование зубьев – в работе передачи одновременно участвуют обычно не более двух зубьев каждого из зацепляющихся колёс;
— зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.
Зубчатые передачи: виды, достоинства и недостатки зубчатых передач
Подавляющее большинство механических передач имеет в своей основе зубчатые зацепления. Другими словами, в зубчатой передаче усилие передается благодаря зацеплению пары зубчатых колес (зубчатой пары). Зубчатые передачи активно используются, позволяя изменять скорость вращения, направление, моменты.
Основной задачей является преобразования вращательного движения, а также изменение расположения элементов трансмиссии и ряд других функций, которые необходимы для работы узлов, агрегатов и механизмов. Далее мы рассмотрим типы зубчатых передач, их особенности, а также достоинства зубчатых передач и их недостатки.
Разновидности
Начать стоит с изучения видов зубчатых передач, которые нашли широкое применение в разных отраслях, включая автомобилестроение.
Основной акцент будет сделан именно на автомобилях. В них используются различные типы зубчатых передач.
Зацепление зубцами способствует эффективной передаче вращательного движения, поступающего от автомобильного двигателя. В это же время преобразуется движение, меняется частота вращения, изменяется показатель крутящего момента.
Чтобы выполнять подобные функции, требуется использовать соответствующие механизмы. Согласно действующей классификации зубчатых передач, их можно разделить на несколько категорий.
Цилиндрические. Эти передачи включают в себя пары преимущественно с разным числом зубцов. Оси зубчатых колёс в случае с цилиндрическими передачами параллельные
Важно помнить о таком понятии как передаточное отношение. Это отношение количества зубьев
Что интересно, зубчатое колесо, большее по размеру, так и называют, а вот колесо с меньшими габаритами принято называть шестернёй.
Зубчатые конические передачи. У них есть одна важная особенность. В случае с коническими зубчатыми передачи оси их колёс пересекаются. При этом вращение передаётся непосредственно между валами, которые могут располагаться под разным углом. В зависимости от того, какое колесо окажется ведущим в ситуации с конической зубчатой передачей, сама передача может оказаться повышающей или понижающей.
Червячные. Аналогом конической зубчатой передачи является червячная. Здесь предусмотрены скрещивающиеся оси вращения. Добиться большого передаточного числа можно за счёт соотношения количества зубцов на колесе и количества заходов так называемого червяка. Червяки делятся в зависимости от числа заходов. Они бывают одно-, двух- и четырёхзаходными. Тут есть ещё одна важная особенность. Здесь передача вращения происходит только на червячное колесо от самого червяка. Реализовать обратный процесс нельзя, поскольку возникнет сильное трение. У такой передачи предусмотрена способность самостоятельного торможения, что реализовано за счёт червячного редуктора. Наглядным примером выступает подъёмный механизм для работы с грузом.
Реечные. Конструкция предусматривает использование зубчатых колёс и реек. Тем самым удаётся превратить вращательное движение в поступательное, как и в обратном направлении. Ярким примером выступает автомобильная рулевая рейка.
Винтовые. Применяются передачи такого типа при скрещивании валов. Зубцы имеют точечное зацепление, они быстро изнашиваются из-за нагрузок. Потому винтовые передачи обычно реализуются в разных приборах.
Планетарные. Отличительной особенностью является применение зубчатых колёс, у которых оси подвижные. Обычно предусмотрено наружное колесо с жёсткой фиксацией и с внутренней резьбой. Дополнительно устанавливается центральное колесо, водило и сателлиты. С помощью таких элементов осуществляется перемещение по окружности неподвижного колеса, реализуя тем самым вращение центрального.
У всех разновидностей предусмотрен различный коэффициент перекрытия, являющихся характерной особенностью зубчатой передачи. Так называют величину отношения угла перекрытия колеса к угловому шагу. Что же касается угла перекрытия, то это угол, на который осуществляет проворачивание колесо за время, пока в зацеплении находится одна пара зубцов.
У конических зубчатых передач, как и у многих остальных, зацепление бывает внутренним и наружным. В случае с наружным расположением ничего сложного нет, поскольку зубцы находятся сверху. Если это внутреннее зацепление, тогда зубцы от большого колеса находятся со стороны внутренней поверхности. Тут реализовать вращение можно исключительно в одном направлении.
Расчет параметров
Расчет параметров зубчатых колес выполняют комплексно, для всей передачи. Необходимость расчета отдельного колеса возникает только в процессе ремонта оборудования с неизвестными данными. Расчет начинают с определения требуемого числа зубьев и модуля зацепления. Для того чтобы узнать значение модуля, предварительно проводят расчеты на прочность, исходя из срока службы и выбранного материала будущего механизма. Также на этом этапе рассчитывают межосевое расстояние между колесами. На основе полученных данных выносливости зубьев вычисляется минимально допустимая величина модуля зацепления. Конкретное его значение выбирается на основе таблиц, приведенных в справочной литературе. Далее, используя требуемое передаточное отношение, производится вычисление числа зубьев на сопрягаемых колесах.
При известном модуле зацепления и количестве зубьев шестерни и колеса, доступно произвести вычисление геометрических размеров отдельных деталей. Основные диаметры и профиль зуба передачи рассчитываются с использованием несложных арифметических действий. Сложные операции потребуются только для ограниченного числа параметров. Для цилиндрического прямозубого колеса тригонометрические функции содержат только формулы расчета делительного диаметра. При проектировании других типов зубчатых колес, используют тот же математический аппарат, что и для прямозубых, но с добавлением расчетов, учитывающих иную геометрию деталей. Результаты расчетов используют для построения чертежей будущих шестерен, а также при вычислении параметров редукторов.
Заключительным этапом расчета зубчатой передачи становится окончательная проверка механизма на прочность. Если результаты этих вычислений укладываются в принятые нормативы, то полученные значения величин можно использовать для изготовления готового механизма. В противном случае может потребоваться выполнить новый расчет, изменив исходные данные, например, увеличить геометрические размеры, либо поменять тип зубчатой передачи или количество ступеней редуктора.
Основные виды зубчатых передач
В различных областях промышленности и приборостроения активно применяются все разновидности зубчатых передач. Ежегодно подобные механизмы производятся миллионными партиями. Сфера их использования настолько обширна, что найти прибор, в работе которого применяется вращательное движение без помощи зубчатых соединений, достаточно проблематично.
По конструктивному исполнению зубчатые передачи подразделяются на следующие категории:
- Цилиндирическая. Используется наиболее часто, так как имеет более простую относительно других типов технологию производства шестерен. Цилиндрическая зубчатая передача применяется для передачи крутящего момента между валами, которые находятся в параллельных плоскостях. Может иметь несколько форм зубьев: прямые, косые и шевронные. Данный вид передач нашел свое применение в двигателях внутреннего сгорания, коробках передач подвижных составов, станков, буров. Он широко распространен в металлургии, машиностроении и других сферах промышленности.
- Коническая. Получила свое название за счет необычной конструкции колесных пар. Имеет форму срезанного конуса, на котором нарезаны зубья. Величина профиля зубьев уменьшается от основания к вершине. Коническая зубчатая передача используется в сложных и комбинированных механизмах, для которых характерны частые изменения нагрузок и углов вращения. Примерами могут служить ведущие мосты автотранспорта, сельскохозяйственной техники или железнодорожных составов, приводы различных промышленных станков.
- Реечная. Используется для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот. При этом одна из шестерен заменяется плоскостью с нарезанными зубьями. Реечная передача проста в производстве и установке, способна выдерживать значительные нагрузки. В основном она применяется в механизме станков, основанных на поступательном движении: прессы, транспортеры с попеременной подачей, рулевые механизмы управления в переднеприводных автомобилях.
Любой вид зубчатых передач отличается продолжительным эксплуатационным периодом и надежностью работы (при соблюдении определенного уровня нагрузки и своевременном обслуживании). Сравнительно небольшой механизм способен обеспечить высокий КПД, благодаря чему и применяется для широкого круга задач.
Материалы изготовления
Вполне закономерно предположить, что назначение используемых зубчатых передач предусматривает применение высокопрочных материалов для их изготовления.
Поэтому в основе конструкции практически всегда лежит сталь. К прочности шестерни предъявляются повышенные требования в плане прочности, а вот колёса менее требовательные. Их характеристики прочности могут отличаться.
Учитывая этот момент, при производстве шестерней применяются различные материалы. Изделия проходят через дополнительную процедуру обработки. На них воздействуют термически, химически и температурно.
Изделия на основе легированной стали обычно дополнительно улучшают свои характеристики путём цианирования, азотирования и цементации. Это влияет на изменение внутренних характеристик. А вот шестерни на основе углеродистой стали в основном проходят только поверхностные процедуры по закалке.
С зубьями всё иначе. К ним предъявляются повышенные требования в плане прочности поверхности. При этом сердцевина должна оставаться достаточно вязкой и мягкой. При таких характеристиках можно предотвратить изломы и быстрый процесс износа при активной эксплуатации под нагрузкой.
Намного реже при производстве колёсной пары применяется такой материал как бронза, латунь и пластик.
Зубцы колёс создают на основе заготовок, выполненных одним из двух методов. Это штамповка или литьё. Затем проводится нарезка. При нарезке применяются методики обкатки или копирования. Обкатка позволяет создать зубцы с разными параметрами, используя один инструмент. В роли инструментов выступают рейки, долбяки и червячные фрезы.
При использовании метода копирования применяются пальцевые виды фрезы. Затем, завершив нарезку, наступает очередь термообработки. Если требуется получить высокоточное зацепление, после термической обработки обязательно нужно сделать шлифовку и финишную обкатку изделия.
Конструкция зубчатого колеса
Несмотря на кажущуюся простоту, в технике принято выделять несколько отдельных частей зубчатого колеса. Как и любое другое колесо, зубчатый вариант в своей основе имеет диск необходимого диаметра. Основной частью является обод, на боковой или торцевой поверхности которого выполнены зубья. Все вместе они образуют так называемый венец зубчатого колеса. Геометрия зубьев различна у разных типов зубчатой передачи. Сам зуб условно разбивается на несколько частей. Наружная часть называется вершиной. Прилегающие к ней боковые поверхности носят название головки зуба. Внутренняя часть именуется ножкой зуба. Две соседние ножки образуют впадину зубчатого колеса.
Для крепления на валу механизма в центре диска изготавливается ступица со сквозным отверстием. Форма отверстия зависит от геометрии сечения вала и может быть цилиндрической, квадратной или многоугольной. При использовании цилиндрических валов, в ступице обычно выполняют шпоночный паз.
С целью уменьшения веса толщина диска колеса выполняется обычно меньше, чем толщина ступицы или обода. Также для этого в теле диска могут присутствовать окна разнообразной формы.
Основные достоинства и недостатки зубчатых передач
Ключевые преимущества видны невооруженным взглядом. Это:
• Длительный срок эксплуатации. Мы уже пояснили, что простой инструмент редко ломается. А в обозначенном случае мы имеем дело с крепким металлом, отсутствием ломких деталей, закаленной частью, соприкасающейся с партнером (зубьями). Поэтому такой механизм по праву можно считать долгожителем.
• Простая регулировка скорости. Масса вариантов настройки, установки.
• Высочайший уровень КПД при небольших затратах.
• Компактность
Что особенно важно. Ведь минимальный размер всего механизма позволяет сэкономить место в устройстве
Как пример, зубчатая передача позволяет сделать более компактный насос, сохраняя высокую мощность.
Но и минусы тоже существуют:
- • Динамически во время работы невозможно сменить темп.
- • Дороговизна, а также сложность. Выполнить кустарными методами, как муфту или что-то схожее, не выйдет. Необходимо обращаться к профессиональным производителям. И одним из лучших вариантов будет «Сармат». Где при эталонном качестве продукта не задираются расценки выше среднерыночных. Что редкость для современной экономической ситуации.
- • Шумовой эффект. Избавиться от аспекта не получится, и чем выше скорость, тем сильнее будет сопровождающий работу звук. Вращательное движение не может быть беззвучным, зацепление зубьев делает свое дело. Такой способ является очень надежным, но и весьма шумным.
Виды зубчатых передач
Как уже было сказано, зубчатые зацепления (передачи зацеплением) позволяют эффективно реализовать передачу вращательного движения, которое поступает от двигателя.
Параллельно осуществляется преобразование движения, изменяется частота вращения, величина крутящего момента, направление осей вращения и т.д. Чтобы выполнять такие задачи, существуют разные виды передач. Прежде всего, их принято классифицировать согласно особенностям расположения осей вращения.
- Цилиндрическая передача. Такая передача состоит из пары, которая обычно имеет разное количество зубьев, а оси зубчатых колес цилиндрической передачи являются параллельными. Также отношение чисел зубьев принято называть передаточным отношением. Меньшее по размеру зубчатое колесо называется шестерней, тогда как большое называют зубчатым колесом.
Зубчатые передачи могут иметь наружное или внутреннее зацепление. Если с наружным все понятно (в данном случае схема зубчатой передачи предполагает, что зубья расположены сверху), то при внутреннем зацеплении зубья большего колеса располагаются на внутренней поверхности. Также вращение возможно только в одном направлении.
Рассмотрев выше основные виды зацеплений (зубчатых передач), следует добавить, что при этом указанные типы могут использоваться в разных сочетаниях с учетом особенностей тех или иных кинематических схем.
Еще зубчатые передачи могут отличаться по форме зубьев, профилю и типу. С учетом отличий принято выделять следующие зацепления: эвольвентные, круговые и циклоидальные. При этом чаще всего используются именно эвольвентные зацепления, так как технологически данное решение превосходит другие аналоги.
Прежде всего, такие зубья нарезаются при помощи простого реечного инструмента. Указанное зацепление имеет постоянное передаточное отношение, которое никак не зависит от степени смещения межцентрового расстояния. Недостатком зацепления является только то, что во время передачи большой мощности сказывается небольшое пятно контакта в двух выпуклых поверхностях зубьев. Результат — разрушение поверхности и другие дефекты материала.
Еще добавим, что круговое зацепление отличается тем, что выпуклые зубья шестерни сцеплены с вогнутыми колесами. Это позволяет значительно увеличить пятно контакта, однако также сильно возрастает сила трения в указанных парах.
Также можно отдельно выделить сами виды зубчатых колес: прямозубые, косозубые, шевронные и криволинейные. Прямозубые являются наиболее распространенными типами пар, они просты в разработке, дешевы в изготовлении и надежны в рамках эксплуатации. Линия контакта в данном случае параллельна оси вала. Такие колеса отличаются дешевизной производства, однако способны передать сравнительно небольшой максимальный крутящий момент по сравнению с косозубыми и шевронными зубчатыми колесами.
Косозубые колеса оптимально применять в том случае, если частота вращения очень высокая. Данное решение позволяет добиться плавности и снижения шума. Минусом принято считать большую нагрузку на подшипники, так как возникают осевые усилия.
Криволинейные колеса обычно используют в том случае, когда необходимы максимальные передаточные отношения. Такие колеса создают меньше шума при работе, а также более эффективно работают на изгиб.
