Содержание8
Шестерня уже стоит в узле, а зубчатая рейка с соседним модулем, чужим наклоном зуба или сбитым стыком секций не собирает ход ворот, каретки или подъёмника. Ниже — как связать модуль и шаг, выбрать прямой или косой зуб, степень точности и сталь, и какие данные закрывают расчёт рейки под нужную длину хода.
Коротко: шаг зубчатой рейки p = π·m. Модуль 2 — шаг 6,28 мм, модуль 3 — 9,42 мм. Зубчатая рейка входит в зацепление с шестернёй при том же модуле и том же угле профиля. Прямой зуб стыкуется проще, осевая сила на опоры равна нулю. Косой зуб повторяет угол наклона и направление шестерни. Сталь 45 упрочняется закалкой ТВЧ по рабочей поверхности зуба. Длинный ход набирают секциями на общей базе.
Модуль и шаг зубчатой рейки
Модуль зубчатой рейки — размер зуба, от которого строится зацепление. Модуль определяет шаг зубьев: p = π·m. Шаг зубчатой рейки — расстояние между одноимёнными профилями соседних зубьев вдоль делительной прямой. У модуля 2 шаг 6,28 мм, у модуля 3 — 9,42 мм, у модуля 4 — 12,57 мм. Зубчатая рейка входит в зацепление с шестернёй того же модуля: шаг совпадает, и контакт идёт по линии профиля.
Профиль задаёт исходный контур. У эвольвентной пары это контур по ГОСТ 13755 с углом 20°: высота головки зуба равна модулю, толщина зуба на делительной прямой равна половине шага. Исходный контур задаёт профиль зубчатой рейки и ответной шестерни от одной рейки-инструмента, поэтому угол профиля в заявке пишут явно.
Модули ниже взяты из 1-го ряда ГОСТ 9563. Колонка применений — ориентир по типу механизма. Рейку делаем под этот модуль и под нужную длину хода: длина секции, отверстия и план стыков входят в тот же чертёж.
| Модуль m, мм | Шаг p = π·m, мм | Типичное применение, ориентир |
|---|---|---|
| 1 | 3,14 | Малые подачи и лёгкие каретки |
| 1,5 | 4,71 | Компактные механизмы |
| 2 | 6,28 | Станочные подачи |
| 2,5 | 7,85 | Лёгкие манипуляторы |
| 3 | 9,42 | Приводы ворот и средние каретки |
| 4 | 12,57 | Ворота и каретки посолиднее |
| 5 | 15,71 | Подъёмники |
| 6 | 18,85 | Тяжёлые перемещения |
Прямой и косой зуб
Прямой или косой зуб выбирают по задаче механизма. Прямозубая рейка и косозубая зубчатая рейка переводят вращение шестерни в ход каретки. Разница — в нагрузке на опоры и в том, как секции стыкуются по длине. Угол наклона зуба и его направление берут только из ответной шестерни или из чертежа пары.
Прямой зуб
- Стык секций проще: зуб перпендикулярен базовой плоскости, шаг через стык контролируют вдоль одной прямой.
- Усилие лежит в плоскости движения. Опоры вала шестерни воспринимают радиальную и окружную нагрузку.
- Типичные узлы — приводы ворот, подъёмники и грубые каретки, где на первом месте простота монтажа и стыка.
Косой зуб
- Ход плавнее: в зацеплении одновременно работает больше одной пары профилей, вход зуба проходит мягче.
- Появляется осевая сила. Её принимают опоры вала шестерни и крепление рейки к основанию.
- Косозубая рейка требует совпадения угла наклона с шестернёй и того же направления — левого или правого.
- Угол берут из чертежа пары или с образца шестерни. Расхождение наклона разводит пятно контакта к торцу зуба.
- На стыке секций торец подрезают по наклону зуба, чтобы шаг через стык держался по всей ширине рейки.
Для ворот и подъёмника берут прямой зуб: стык проще, усилие остаётся в плоскости движения. Косой зуб ставят ради плавности хода и только в паре с шестернёй того же угла и направления.
Класс точности рейки: что писать в заявке
Класс точности зубчатой рейки и степень точности рейки в заявке — одна величина: степень по чертежу. Степень точности регулирует допуск на шаг зубьев — и на соседний шаг, и на накопленную погрешность по длине хода. От допуска зависят боковой зазор, шум и повторяемость координаты. Величину допуска берёт чертёж заказчика. В заявке достаточно строки «степень точности и зазор по чертежу».
Для привода ворот и грубого подъёма рабочими величинами остаются толщина зуба и боковой зазор: люфт виден на створке. Для манипулятора и каретки к ним добавляют плавность хода и пятно контакта: локальный шаг уже слышен на направляющей. Зубчатая рейка для станка живёт накопленной погрешностью шага: ошибки складываются по ходу, и положение каретки в конце прохода расходится с координатой.
Для станка к степени и зазору с чертежа добавляют допуск накопленной погрешности на длине хода.
| Назначение | Что контролировать | Что указать в заявке |
|---|---|---|
| Привод ворот и грубый подъём | Толщина зуба и боковой зазор | Степень точности и боковой зазор с чертежа |
| Манипулятор и каретка | Плавность и пятно контакта | То же плюс длина хода |
| Станок и позиционирование | Погрешность шага и накопленная погрешность на ходе | То же плюс допуск накопленной погрешности на длине хода |
Материал рейки: сталь 45, 40Х и нержавейка
Марка и упрочнение зуба — такие же параметры заказа, как модуль и длина. Зубчатая рейка, сталь 45, закрывает цеховые приводы станков, ворот и манипуляторов. Сталь 45 упрочняется закалкой ТВЧ по рабочей поверхности зуба, сердцевина остаётся вязкой и держит крепёж. Влажная среда требует отдельной защиты поверхности.
Сталь 40Х упрочняется закалкой ТВЧ либо улучшением. Режим термообработки задаёт чертёж, в заявке его копируют дословно. Рейка 40Х рассчитана на более высокую контактную нагрузку.
Зубчатая рейка из нержавейки делится на две группы. Аустенитная 12Х18Н10Т работает во влаге и на улице при умеренном износе. Закалка ТВЧ не даёт ей твёрдости зуба стали 45: зуб остаётся мягче, ресурс по износу ниже. Мартенситная нержавейка — ориентир 20Х13 и 40Х13 — принимает закалку по чертежу и сочетает влагу с износом зуба. Марку назначает конструктор. Твёрдость в HRC ставят в заказ только цифрой с чертежа.
| Марка | Упрочнение зуба | Где уместна | Ограничение |
|---|---|---|---|
| Сталь 45 | Закалка ТВЧ рабочей поверхности зуба | Цеховые приводы станков, ворот, манипуляторов | Влажная среда требует отдельной защиты |
| 40Х | Улучшение или ТВЧ по чертежу | Выше контактная нагрузка | Режим термообработки задаёт чертёж |
| 12Х18Н10Т | Зуб без закалки ТВЧ на высокую твёрдость | Влага и улица при умеренном износе | Ресурс зуба ниже, чем у закалённой стали 45 |
| Мартенситная (20Х13, 40Х13) | Закалка по чертежу | Влага плюс износ зуба | Марку назначает конструктор |
Стыковка нескольких реек по длине
Длинный ход редко закрывается одной заготовкой. Наборная зубчатая рейка собирается из секций, и стыковку зубчатых реек закладывают уже в заявке: число стыков, длина каждой секции и положение стыка относительно хода. Рейка по длине тогда получается одной делительной прямой: секции продолжают друг друга по шагу и по базе.
Шаг зубьев через линию стыка равен номинальному шагу p. Обе секции лежат на общей базовой плоскости, от сдвига их держит штифт или шпонка. Крепёж стоит в стороне от линии стыка. Стык располагают во впадине: шестерня проходит его по целым зубьям соседних секций.
Степень точности на наборном ходе регулирует шаг внутри секции и на каждом стыке. Накопленная погрешность на длине хода включает каждый стык, и станочная рейка укладывает его в допуск цельного участка. В заявке достаточно схемы: шаг p через стык, общая база, крепёж в стороне, стык во впадине. Секции маркируют по порядку хода и сдают комплектом: каждая встаёт на своё место, шаг на стыке сохраняется.
Подбор рейки к готовой шестерне
Подобрать рейку к шестерне нужно, когда колесо уже стоит в узле и рейку изготовляют под него. Зацепление рейки с шестернёй собирается при совпадении модуля, угла профиля и типа зуба. Карточка ответной детали — шестерни и зубчатые колёса — фиксирует тот же модуль, угол профиля и направление зуба.
- Снять число зубьев z и наружный диаметр da. Для прямозубой шестерни без смещения модуль по шестерне оценивают как
m ≈ da/(z+2). При коррекции x и у косозубой шестерни формула по da не применяется, модуль берут из чертежа. - Угол профиля сверить с 20° исходного контура по ГОСТ 13755. На старой паре отдельно проверить 14°30'.
- Зафиксировать прямой или косой зуб. У косого снять угол наклона и направление — левое или правое — с шестерни. Косозубая рейка требует совпадения угла наклона с шестернёй.
- Снять ширину рейки, базовую плоскость и схему отверстий с узла.
- До партии сверить пару по образцу: рейка и шестерня проходят зацепление на длине нескольких шагов.
Исходный контур на этом шаге проверяют отдельно от модуля. Угол 20° и угол 14°30' дают разный профиль при одном и том же модуле. Рейка с чужим углом профиля садится в шестерню с зазором у ножки или с упором по головке. Маркировку модуля на шестерне сверяют с оценкой по da. При расхождении в заказ идёт цифра с маркировки и с чертежа.
Изготовление рейки фрезерованием
Изготовление зубчатой рейки на контракте — рейка под конкретную шестерню, с отверстиями и с планом стыков. ООО «Разар» (IRONEX, Чебоксары) делает такие детали по чертежу или по образцу и отгружает по всей РФ. Фрезерная обработка формирует зуб зубчатой рейки вместе с базами и торцами.
- Заготовка под длину секции, с припуском на базы и на торец под стык. Для стали 45 и 40Х берут прокат, зуб потом ведут фрезеровкой стали.
- Фрезерование базовых плоскостей, торцов, крепёжных отверстий и зуба. Зубчатая рейка по чертежу проходит фрезерную обработку, профиль на ЧПУ держит шаг по всей длине секции.
- Фаски на торцах зуба и по кромкам баз. Заусенец на стыке даёт удар при входе шестерни.
- Закалка ТВЧ рабочей поверхности зуба, если её задаёт чертёж. На стали 45 так получают износостойкий зуб при вязкой сердцевине. Если чертёж после закалки задаёт доводку базовой плоскости, её выполняют шлифовкой.
- Контроль шага и, при наборе хода, контроль стыка. Шаг, накопленную погрешность на ходе и положение отверстий проверяют на контроле геометрии.
В заявке на изготовление сразу видны длина секции, число стыков, марка и строка про закалку зуба. Образец рейки или шестерни передаёт модуль, угол и направление до выпуска чертежа профиля.
Данные для расчёта рейки
Расчёт зубчатой рейки с первого раза собирает полный комплект данных: модуль, зуб, сталь, ход и количество. Заказать зубчатую рейку можно по чертежу или рейкой по образцу. Образец шестерни равноценен образцу рейки, когда с него читаются модуль и зуб.
- Чертёж или образец рейки либо ответной шестерни.
- Модуль и угол профиля, если они уже известны.
- Прямой или косой зуб; у косого — угол наклона и направление.
- Марка стали и отметка, нужна ли закалка зуба.
- Длина хода и число стыков.
- Количество.
- Цех или улица и характер нагрузки словами: ворота, подъём, каретка, позиционирование.
Эскиз отверстий привязывают к базовой плоскости зуба: межосевые от этой базы, диаметр и зенковка. Для улицы в той же заявке указывают марку нержавейки или защиту стали 45. Длина хода в миллиметрах и число секций показывают, как рейка делится на заготовки.
Заявку оставляют на странице расчёта. Технолог сверяет модуль с шестернёй, раскладывает ход на секции и собирает маршрут под указанную сталь.