Какво е спирална рейка? — Винтовата предавка с безкраен радиус
Спиралната рейка е геометрично идентична с спирална предавка чийто радиус на стъпката е позволено да нарасне до безкрайност — извитата делителната окръжност се превръща в права линия на стъпката, извитият профил на зъба се превръща в правоъгълен наклонен зъб, а тялото на зъбното колело се превръща в плоска плоча или прът. Винтовото зъбно колело, което се зацепва с рейката, е стандартно спирална предавка с краен радиус на стъпката. Заедно, спиралната система от зъбни рейки и пиньони преобразува спирална предавка въртенето на зъбното колело в линейно транслиране на рейката (или на каретката на зъбното колело, ако рейката е фиксирана) със същите предимства на зацепване на зъбите като спирална предавка двойка: прогресивен диагонален контакт, по-високо контактно съотношение, по-ниска грешка при предаване и по-нисък шум в сравнение с права рейка и зъбно колело.
Линейното движение на спирална предавка Въртенето на зъбното колело се определя от обиколката на стъпката на зъбното колело: s = π × d₁ = π × Mn × z₁ / cos β. Това е основното уравнение за оразмеряване на задвижване с винтова рейка — определящо линейната скорост (mm/min = s × RPM) и линейния капацитет на силата от спирална предавка въртящ момент на зъбното колело.
Спирална рейка срещу права рейка — Защо спиралата си струва сложността
| Параметър | Права рейка (β = 0°) | Винтова рейка (β = 15–25°) |
|---|---|---|
| Шум (при еднаква скорост на тангажа) | По-високо — рязкото навлизане на зъба с пълна ширина | 5–10 dB(A) по-ниско — диагоналният вход намалява възбуждането от удар |
| Товароносимост (еднакъв модул и ширина на лицевата страна) | Базова линия | 10–25% по-висок — по-високото контактно съотношение разпределя натоварването върху по-голяма дължина на зъба |
| Коефициент на контакт | ε_α ≈ само 1,4–1,6 | ε_γ = 2,0–3,5 (ε_α + ε_β) за спирална предавка мрежа |
| Аксиална сила върху лагера на зъбното колело | Нула | F_a = F_t × tan β (изисква ъглов контактен лагер на зъбното колело) |
| Плавност на позициониране | Вълнички на скоростта при честота на зъбната мрежа | По-ниска пулсация на скоростта поради по-високото контактно съотношение |
| Производство | По-лесно — фрезоване или фрезоване с прави зъби | По-сложно — спирално фрезоване с компенсация на ъгъла на спиралата; съчетаването на спираловидна ръка между зъбната рейка и зъбното колело е критично |
Избор на ъгъл на спиралата за задвижвания с рейка и зъбно колело
Изборът на ъгъл на спиралата за задвижване с спирална рейка следва същите принципи, както за всяко друго... спирална предавка двойка, с едно допълнително съображение: ширината на челото на рейката не е ограничена от външния диаметър на зъбното колело, така че коефициентът на припокриване на контакт ε_β = b × sin β / (π × Mn) може да се постигне с всяка комбинация от b и β. За линейни оси на CNC машини стандартният диапазон е β = 15–25°:
- β = 15°: Умерено намаляване на шума; умерена аксиална сила върху лагера на зъбното колело (tan 15° = 0,27 × F_t); подходящ за стандартни осови задвижвания, където шумът не е основният двигател. Най-често срещан за общи индустриални портални кранове, където спирална предавка зъбни и рейкасти задвижвания за обработка на материали.
- β = 19–20°: Стандартна спецификация за оси на CNC машинни инструменти (портални рутери, оси на фрезови машини, обработващи центрове). Балансира намаляването на шума с управляема аксиална сила при типични нива на сила на подаване (100–5000 N). Широко достъпна като каталожни артикули от доставчици на стелажи.
- β = 25°: Максимално практично за стандартни задвижвания с винтови рейки. Използва се за кормилни рейки за електрически превозни средства (където шумът е критичен и аксиалната сила се управлява от конструкцията на корпуса на кормилния механизъм), високоскоростни CNC оси над 60 м/мин, където шумът при честота на зацепване би бил чут при β = 20°.
Контрол на хлабината в задвижванията с винтови рейки — критичното предизвикателство при позиционирането
Шлайфано спирално зъбно колело за CNC зъбна рейка и ос с зъбно колело — дебелината на зъба на зъбното колело е специфицирана по DIN 3967 клас g или h, за да се постигне стегнат хлабинен ход, необходим за точност на позициониране; всяка хлабина в зацепването се проявява като загубено движение, когато оста обърне посоката си.
Хлабината в задвижване с винтова рейка се проявява директно като грешка в позиционирането, когато каретката обърне посоката си: двигателят се завърта през ъгловия еквивалент на хлабината, преди каретката да започне да се движи. За зъбно колело с диаметър 75 mm и хлабина от 0,1 mm, ъгловият еквивалент е приблизително 0,1 / (π × 75 / 360) = 0,153° на въртене на зъбното колело - съответстващо на 0,1 mm загуба на линейно движение. В приложенията за позициониране с ЦПУ това е неприемливо и трябва да се контролира под 0,01–0,03 mm за стандартни оси и под 0,005 mm за прецизни обработващи центрове.
Метод 1 — Толеранс на дебелината на зъба (DIN 3967 клас g/h)
Специфирайте зъбното колело и рейката по DIN 3967 клас g или h (както е описано в статията за луфта). Това намалява номиналния луфт, но не го елиминира — тласъкът на толеранс все още има диапазон на луфта от 0 до приблизително 0,03–0,08 мм за реечни задвижвания M3–M5. Подходящо за стандартни CNC оси със софтуерна компенсация на луфта; не е подходящо за прецизни контурни оси.
Метод 2 — Задвижване с двойно зъбно колело и противовзривна система
Две еднакви зъбни колела са монтирани на една и съща рейка, задвижвани чрез скоростна кутия с разделяне на въртящия момент с леко ъглово предварително натоварване между тях. Двете зъбни колела се зацепват едновременно с противоположните страни на зъбите на рейката - едното бута рейката напред, другото бута назад - елиминирайки хлабината чрез постоянно предварително натоварване на двете страни на зъбите. Това е стандартното решение за високопрецизни CNC машинни задвижвания със спираловидни рейки над 5 м/мин, изискващи точност на позициониране под ±0,010 мм. Въртящият момент на предварително натоварване трябва да се изчисли внимателно: твърде нисък и хлабината не се елиминира напълно; твърде висок и скоростта на износване на зъбите на рейката се увеличава от непрекъснатото натоварване на празното зъбно колело.
Избор на модул от линейна сила — Оразмеряване на задвижване с винтови рейки
Релаковият модул Mn за спирална предавка зъбното колело се избира от необходимата максимална линейна сила F_linear и допустимото напрежение на огъване в основата на зъбното колело:
F_линейна = T_пиньона / r_пиньона = T_пиньона × 2 × cos β / (Mn × z₁)
Пренареждане за спирална предавка модул от необходимата сила и наличния въртящ момент на зъбното колело:
Mn = T_пиньона × 2 × cos β / (F_линейна × z₁)
За оси на CNC машинни инструменти при типични сили на рязане от 2000–8000 N и въртящи моменти на двигателя от 5–50 N·m, модул M3–M6 покрива по-голямата част от приложенията. За тежкотоварни портални кранове, превозващи товари от 5–50 тона, типичен е модул M8–M16. Korea Ever-Power произвежда спирални рейкави секции от M2 до M20 със стандартни дължини от 500–2000 mm, със свързващи елементи (отвори за дюбели, крайни зенкерования) за съединяване в дълги непрекъснати рейкави линии.
Спецификация на осите на CNC машинни инструменти — Какво да се уточни за задвижване с винтови рейки
| Параметър | Стандартен CNC рутер / портален | Прецизен обработващ център |
|---|---|---|
| Модул Mn | М3–М5 | М2–М4 |
| Ъгъл на спиралата β | 20° | 20–25° |
| Клас на точност DIN | DIN 7–8 (прецизно фрезовани) | DIN 5–6 (шлифован) |
| Клас на дебелината на зъба | DIN 3967 fg (тесен) | DIN 3967 gh (стегнат) |
| Материал на стелажа | 45# QT HB 220–280 или C45E | 20CrMnTi карбуризиран HRC 58–62, шлифован |
| Решение за обратен удар | Единичен пиньон със софтуерна компенсация | Двойно зъбно колело против обратен ход със спецификация за въртящ момент на предварително натоварване |
| Дължина на стелажа на сегмент | 500–1000 мм с подравняване на дюбелите | 500 мм за прецизно подравняване на снадките |
Korea Ever-Power — Доставка на спираловидни зъбни рейки
Korea Ever-Power произвежда съвпадащи спирални рейки и спирална предавка Комплектите зъбни колела са стандартни продукти. Рейките се произвеждат в размери M2–M20, ъгли на спиралата β = 15–25°, дължини 500–2000 мм на сегмент (съединени в непрекъснати линии чрез снаждащи съединения, подравнени с дюбели). Спирална предавка зъбните колела се произвеждат в пълната гама от стандартни спирална предавка размери, с спирална предавка Дебелината на зъба е специфицирана по DIN 3967 клас g или h за приложения за позициониране. Решетъчните секции и съответстващите зъбни колела се измерват заедно като съвпадащ комплект, като хлабината се потвърждава на сглобката преди доставка. Като директна... производител на спирални зъбни колела, Korea Ever-Power предоставя инженерна документация — ъгъл на спиралата, клас на хлабина, клас на точност по DIN и линейна товароносимост — за всеки комплект зъбни рейки и зъбно колело.
Често задавани въпроси
Да, ако монтажната стъпка съвпада и зъбното колело се смени едновременно със съответстващо спирална предавка зъбно колело. Правата рейка и правото зъбно колело не могат да се смесват със спирална рейка и спирално зъбно колело — спиралните лостове трябва да съвпадат между рейката и зъбното колело, а правият зъб не се зацепва правилно със спирален зъб. Междуосното разстояние за спиралната рейка и зъбно колело в един и същ модул ще се различава от това на правата версия (поради члена cos β във формулата за диаметъра на стъпката), така че позицията за монтаж на двигателя/скоростната кутия може да се нуждае от корекция. Korea Ever-Power потвърждава размерната съвместимост за спирална предавка заявления за модернизация като част от прегледа на офертата.
Всеки сегмент от рейка е произведен с прецизно обработен шаблон от отвори за дюбели на всеки край. Когато два сегмента са съединени, подравняващите дюбели в релсата гарантират, че стъпката на зъбите в снадката е равна на стъпката на зъбите във всеки сегмент - с приблизително ±1 грешка в стъпката. При прецизни CNC оси, съединителните краища на съседни сегменти се шлифоват окончателно като съвпадаща двойка след сглобяване върху машинното легло, като се гарантира, че преходът на стъпката в съединението не води до забележимо смущение на скоростта, когато зъбното колело го пресече с висока скорост.
Максималната практическа скорост за спирална рейка и спирална предавка Задвижването с пиньон е приблизително 3–5 m/s (180–300 m/min) за стандартни комплекти зъбни рейки и зъбни колела с правилно смазване. Над тази скорост енергията на удара на зъбите при честотата на зацепване става достатъчно значителна, за да причини ускорено износване, дори при строг контрол на хлабината. Хидравличните и линейните моторни задвижвания превъзхождат зъбните рейки и зъбните колела над 5 m/s за прецизни приложения. За задвижвания на големи портални кранове с по-ниски изисквания за точност, стандартните скорости на спиралните зъбни рейки и зъбни колела от 1–2 m/s са.
Отворени спирални зъбни задвижвания с открита спирална предавка зъбното колело (не е затворено в скоростна кутия) се смазват с грес или маслена мъгла, нанасяна върху зъбите на рейката на равни интервали. За оси на CNC машини с спирална предавка Зъбни колела, автоматичните смазочни устройства нанасят трансмисионно масло ISO VG 460 или VG 680 (масло или грес с ниско разпръскване) върху зъбите на рейка на програмируеми интервали - обикновено на всеки 30–60 минути движение на оста. За задвижвания на рейки на външни портални кранове, грес за отворени зъбни колела NLGI клас 1 или 2 с адхезионни добавки (за да се устои на центробежното изхвърляне по делителната окръжност на зъбното колело) се нанася ежедневно или чрез автоматично смазване. Смазката трябва да достигне до активната зона на зъбния ръб - ако се нанесе само върху горната повърхност на рейка, може да не достигне линията на стъпката, където се осъществява контактът.
Посочете Вашето задвижване с винтови рейки и зъбно колело
Предоставете необходимата линейна сила, скорост на движение, ход, точност на позициониране и тип приложение. Korea Ever-Power избира правилния модул, ъгъл на спиралата, клас на точност и решение за хлабина — и потвърждава капацитета на линейна сила, плавността на скоростта и точността на позициониране преди производство.
M2–M20 · β = 15–25° · DIN 5–8 · Съчетани комплекти зъбни рейки и пиньони · Двойки зъбни колела без обратен ход · Приложения за CNC и кранове
Редактор: Cxm
