2.1.2. Зубчатое колесо и рейка

Зубчатое колесо и рейка имеют следующие важнейшие особенности:

1. Большое передаточное отношение – за один оборот зубчатого колеса рейка перемещается на длину начальной окружности этого колеса. Поэтому пару зубчатое колесо-рейка удобно использовать в приводе главного движения и в приводе различных вспомогательных перемещений.

2. Неравномерность передаточного отношения, обусловленная большим влиянием ошибок зубчатого зацепления на скорость перемещения рейки. Особенно сложно обеспечить парой зубчатое колесо-рейка равномерность медленных движений в приводе подач высокоточных станков и станков с ЧПУ.

3. Отсутствие самоторможения затрудняет использование передачи зубчатое колесо-рейка для вертикального перемещения узлов станка.

4. Малые потери на трение и высокий КПД передачи оправдывает ее применение в приводе главного движения продольно-строгальных и долбежных станков при передаче значительной мощности.

5. Технологичность изготовления и сборки пары зубчатое колесо-рейка определяет ее низкую стоимость, что приводит к довольно широкому использованию этой пары во вспомогательных устройствах при невысоких требованиях к точности движения.

Реечная зубчатая передача состоит из зубчатого колеса 1 и рейки 2 (см. рис. 2.1, а). Передача выполняется с прямыми, косыми и шевронными зубьями и служит для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. При неподвижной рейке зубчатое колесо катится по рейке, т. е. совершает вращательное и поступательное движение.

Большие зубчатые колеса изготавливают из серого чугуна марок СЧ20 – СЧ30, а рейки – из стали 45.

В механизмах подач стремятся сделать диаметр реечного колеса и, следовательно, шаг тягового устройства возможно малыми, чтобы получить меньшие крутящие моменты на валу реечного колеса и более короткую цепь редукции привода подач.

Для изготовления реечного колеса применяют легированную сталь, а для рейки – легированную сталь или сталь 45.

Термическую обработку назначают с целью повышения сопротивляемости зубьев не только изгибу, но и поверхностному смятию.

Для исключения деформирования реек при термической обработке для них используют поверхностную закалку зубьев с нагревом токами высокой частоты. При большой длине рейки ее делают составной, из отдельных секций. Рейку фиксируют штифтами и прикрепляют в соответствующей части станка винтами. Рейку для подачи сверлильных шпинделей нарезают иногда непосредственно на гильзе шпинделя.

Скорость (мм/мин) поступательного движения зубчатого колеса определяется по формуле

. (2.1)

Перемещение рейки за один оборот колеса

, (2.2)

где n – частота вращения колеса, мин^-1;

m – модуль, мм;

z – число зубьев колеса.

Рис. 2.1. Реечная зубчатая передача

Расчет передачи зубчатое колесо-рейка проводят теми же методами, что и расчет зубчатых передач. Однако сравнительно тихоходные реечные передачи в приводе подач достаточно проверять на поверхностную прочность зубьев на смятие по формуле

, (2.3)

где Q – допускаемая по условию прочности окружная сила на реечном колесе, равная тяговой силе подачи, Н;

q – максимальное напряжение смятия при контакте рейки с колесом по делительной окружности, Па;

z – число зубьев реечного колеса;

 – угол зацепления зубчатой передачи;

m – модуль, мм;

E – модуль упругости, Па.

Допускаемое напряжение смятия принимается равным , где  – предел текучести материала.

Для устранения вредного влияния зазоров в ответственных зубчатых передачах (например, в передаче, связывающей реечное зубчатое колесо с датчиком) применяют пружинные компенсаторы (см. рис. 2.1, в). Такое зубчатое колесо состоит из двух дисков (2 и 3) с зубчатыми венцами.

Диск 2 сидит на ступице диска 3 и удерживается от осевого смещения стопорным кольцом 1. Под действием пружины 4 диск 2 стремится повернуться относительно диска 3. В результате этого зазор между зубьями ведомого и составного колес полностью устраняется.