Шестерня рейка что это

Зубчатые рейки и шестерни

Зубчатые рейки и шестерни

Зубчатая передача – один из способов преобразования вращательного движения вала шагового двигателя в поступательное движение стола, портала, шпинделя. Применяется в широкоформатных станках, к которым не предъявляется высоких требований в плане точности позиционирования. Примеры: деревообработка, резьба по каменным плитам (для нанесения рисунка на поверхность плиты памятника хватает точности 0,2-0,3 мм), раскрой тонколистового металла на отдельные заготовки для последующей обработки в цехах, где нет оборудования плазменной или газовой резки.

Элементы зубчатых передач для простых механизмов делаются из конструкционных высокоуглеродистых сталей, термообработка – улучшение. Но рейки и шестерни, применяющиеся в кинематических схемах станков с ЧПУ, изготавливаются из легированных инструментальных сталей. Поверхность цементируется, поэтому они прочнее изделий массового применения и отличаются большей износостойкостью.

Достоинства и недостатки

Этот тип передачи не относится к прецизионным, поэтому в высокоточном оборудовании не используется. К недостаткам относится и повышенный уровень шума, но у прямозубых передач он ниже, чем у косозубых.

Зубчатые рейки и шестерни характеризуются рядом преимуществ, которые, несмотря на сравнительно низкую точность перемещений, обуславливают их широкое применение в бюджетных портальных станках:

Еще одно достоинство – легкость выбора. Для подбора шестерни достаточно знать делительный диаметр окружности (это последние две цифры в маркировке шестерен) и модуль. Для нагруженных передач подбираются пары рейка-шестерня с модулем не менее 1.5, для ненагруженных и высокоскоростных – 1 и меньше.

Источник

Рулевая рейка

Виды работ

Виды работ

Рулевая рейка представляет из себя зубчатую передачу которая связана с управляемыми колёсами с помощью рулевых тяг и наконечников. Шестерня, закрепленная на рулевом валу, входит в зацепление с зубцами на рейке. При повороте руля вокруг своей оси шестерня рулевого вала сдвигает рейку в соответствующую вращению сторону. В свою очередь рейка через шарниры и тяги поворачивает управляемые колёса.

Ошибочно считается что рулевая рейка это совершенно современный механизм. Но свою историю он берет в конца 19 века и использовался на первых автомобилях.

Произошло это по причине того, что в 20 веке вместо обычной рулевой рейки на авто заняли червячные механизмы и другие более сложные механизмы.

Рейки бывают трех типов : механические, гидравлические, электрические. Всё зависит от типа и марки автомобиля.

Вследствие длительной эксплуатации в тяжелых условиях рулевая рейка склонна к излому или износу (усталость металла, физического повреждения).

Рейка находится в передней части автомобиля, под двигателем (если только у вас не порш 911 или запорожец). Чтобы погнуть или сломать рейку достаточно наехать на серьезное препятствие, ударив нижнюю часть автомобиля.

Если рулевая рейка неисправна то это тянет за собой частые проблемы:

Проблемы у рулевых реек связаны либо с выработкой пар трения, либо с утечкой жидкости.

Износ пар трения шестерня-рейка, кроме неприятного стука приводит к люфту, плохой управляемости, дискомфорту, невозможности провести процедуру развал-схождения и дальнейшему прогрессирующему развитию дефекта. Если вы услышали стук, и вам кажется, что стучит рулевая «рейка», затягивать с визитом на СТО нельзя.

Источник

Рулевое управление автомобиля

Одной из основных систем, обеспечивающих безопасность передвижения на автомобиле, является рулевое управление. Назначение рулевого управления автомобиля — возможность менять направление движения, совершать повороты и маневры при объезде препятствий или обгоне. Эта составляющая также важна, как и тормозная система. Доказательством тому является предписание ПДД, эксплуатация автомобиля с неисправными указанными механизмами категорически запрещена.

Особенности узла и конструкция

На автомобилях используется кинематический способ смены направления движения, подразумевающий, что осуществление поворота происходит за счет смены положения управляемых колес. Обычно управляемой является передняя ось, хотя существуют и авто с так называемой системой подруливания. Особенность работы в таких авто заключается в том, что колеса задней оси тоже поворачиваются при изменении направления, хоть и на меньший угол. Но пока эта система широкого распространения не получила.

Помимо кинематического способа на технике используется еще и силовой. Особенность его заключается в том, что для совершения поворота колеса одной стороны притормаживаются, в то время, как с другой стороны они продолжают двигаться с прежней скоростью. И хоть этот способ изменения направления на легковых авто распространения не получил, на них он все же используется, но в несколько ином качестве – как система курсовой устойчивости.

Этот узел автомобиля состоит из трех основных элементов:

У каждой составляющей – своя задача.

Рулевая колонка

Выполняет передачу вращательного усилия, которое создает водитель для изменения направления. Состоит она из рулевого колеса, располагаемого в салоне (на него и воздействует водитель, вращая его). Оно жестко посажено на вал колонки. В устройстве этой части рулевого управления очень часто используется вал, разделенный на несколько частей, соединенных между собой карданными шарнирами.

Такая конструкция сделана не просто так. Во-первых, это позволяет менять угол положения рулевого колеса относительно механизма, смещать его в определенную сторону, что нередко необходимо при компоновке составных частей авто. В дополнение такая конструкция позволяет повысить комфортабельность салона – водитель может менять положение рулевого колеса по вылету и наклону, обеспечивая максимально удобное его положение.

Во-вторых, составная рулевая колонка имеет свойство «ломаться» в случае ДТП, снижая вероятность травмирования водителя. Суть такова – при фронтальном ударе двигатель может сместиться назад и толкнуть рулевой механизм. Если бы вал колонки был цельным, изменение положения механизма привело бы к выходу вала с рулевым колесом в салон. В случае же со составной колонкой, перемещение механизма будет сопровождаться всего лишь изменением угла одной составляющей вала относительно второй, а сама колонка остается неподвижной.

Рулевой механизм

Предназначен для преобразования вращения вала рулевой колонки в поступательные движения элементов привода.

Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили механизмы типа «шестерня-зубчатая рейка». Ранее же использовался еще один вид – «червяк-ролик», который сейчас в основном используется на грузовых авто. Еще один вариант для грузовиков – «винтовой».

«шестерня-рейка»

Распространение тип «шестерня-рейка» получил благодаря сравнительно простому устройству рулевого механизма. Состоит этот конструктивный узел из трех основных элементов – корпус, в котором размещается шестерня и перпендикулярно ей – рейка. Между двумя последними элементами имеется постоянное зубчатое зацепление.

Работает этот вид механизма так: шестерня жестко связана с рулевой колонкой, поэтому она вращается вместе с валом. Из-за зубчатого соединения вращение передается на рейку, которая при таком воздействии смещается внутри корпуса в ту или иную сторону. Если водитель вращает рулевое колесо влево, взаимодействие шестерни с рейкой приводит к тому, что последняя перемещается вправо.

Зачастую на авто применяются механизмы «шестерня-рейка» с фиксированным передаточным числом, то есть диапазон поворота рулевого колеса для изменения угла колес одинаков при всех их положениях. Для примера, предположим, что для поворота колес на угол 15° необходимо сделать 1 полный оборот руля. Так вот, неважно, в каком положении находятся управляемые колеса (крайнее, прямолинейное), для поворота на указанный угол придется сделать 1 оборот.

Но некоторые автопроизводители устанавливают на свои авто механизмы с меняющимся передаточным числом. Причем достигается это достаточно просто – изменением угла положения зубьев на рейке в определенных зонах. Эффект от этой доработки механизма такой: если колеса стоят прямо, то для изменения их положения на те же 15° (пример) требуется 1 оборот. Но если они находятся в крайнем положении, то из-за измененного передаточного числа, колеса повернуться на указанный угол уже через пол-оборота. В результате диапазон поворота руля «от края до края» значительно меньше, чем в механизме с фиксированным передаточным числом.

Рейка с переменным передаточным числом

Помимо простоты устройства тип «шестерня-рейка» используется еще потому, что в такой конструкции возможна реализация исполнительных механизмов гидроусилителя (ГУР) и электроусилителя (ЭУР), а также электрогидравлического (ЭГУР).

«червяк-ролик»

Следующий тип – «червяк-ролик», менее распространен и на легковых авто сейчас практически не используется, хотя его можно встретить на автомобилях ВАЗ классического семейства.

В основе этого механизма положена червячная передача. Представляет червяк собой винт с резьбой особого профиля. Этот винт располагается на валу, соединенном с рулевой колонкой.

С резьбой этого червяка контактирует ролик, соединенный с валом, на который посажена сошка – рычаг, взаимодействующий с элементами привода.

Червячный рулевой механизм

Суть работы механизма такова: при вращении вала, винт вращается, что приводит к продольному перемещению ролика по его резьбе. А поскольку ролик установлен на валу, то это смещение сопровождается поворотом последнего вокруг своей оси. Это в свою очередь приводит к полукруговому движению сошки, которая и воздействует на привод.

От механизма типа «червяк-ролик» на легковых авто отказались в пользу «шестерни-рейки» из-за невозможности интегрировать в него гидроусилитель (на грузовых авто он все же имелся, но исполнительный механизм был вынесенным), а также достаточно сложной конструкции привода.

Винтовой тип

Конструкция винтового механизма – еще сложнее. В ней также имеется винт с резьбой, но контактирует он не с роликом, а со специальной гайкой, на внешней стороне которой нанесен зубчатый сектор, взаимодействующий с таким же, но сделанным на валу сошки. Также существуют механизмы с промежуточными роликами между гайкой и зубчатым сектором. Принцип же действия такого механизма практически идентичен червячному – в результате взаимодействия вал проворачивается и тянет сошку, а та в свою очередь – привод.

Винтовой рулевой механизм

На винтовой механизм можно установить гидроусилитель (гайка выполняет роль поршня), но на легковых авто он не применяется из-за массивности конструкции, поэтому и используется он только на грузовиках.

Привод

Привод в конструкции рулевого управления используется для передачи перемещения рейки или сошки на управляемые колеса. Причем в задачу этой составляющей входит изменение положения колес на разные углы. Обусловлено это тем, что колеса при повороте движутся по разным радиусам. Поэтому колесо с внутренней стороны при изменении траектории движения должно поворачиваться на больший угол, чем внешнее.

Конструкция привода зависит от используемого механизма. Так, если на авто используется «шестерня-рейка», то привод состоит всего лишь из двух тяг, соединенных с поворотным кулаком (роль которого выполняет амортизационная стойка) посредством шарового наконечника.

К рейке эти тяги могут крепиться двумя способами. Менее распространенным является жесткая фиксация их болтовым соединением (в некоторых случаях соединение осуществляется через сайлент-блок). Для такого соединения в корпусе механизма проделано продольное окно.

Более распространенный метод соединения тяг – жесткое, но подвижное соединение с концами рейки. Для обеспечения такого соединения на конце обеих тяг сделан шариковый наконечник. Посредством гайки этот шар прижимается к рейке. При передвижении последней тяга меняет свое положение, что и обеспечивает имеющееся соединение.

В приводах, где используется механизм «червяк-ролик», конструкция значительно сложнее и представляет собой целую систему рычагов и тяг, получивших называние рулевой трапеции. Так, к примеру, на ВАЗ-2101 привод состоит из двух боковых тяг, одной средней, маятникового рычага и поворотных кулаков с рычагами. При этом для обеспечения возможности изменения угла положения колеса поворотный кулак крепиться к рычагам подвески при помощи двух шаровых опор (верхней и нижней).

Большое количество составных элементов, а также соединений между ними делает такой тип привода более подверженным износу и возникновению люфтов. Этот факт — еще одна причина отказа от червячного механизма в пользу реечного.

«Обратная связь»

Стоит отметить, что в рулевом механизме существует еще и так называемая «обратная связь». Водитель не только воздействует на колеса, а посредством ее же получает информацию об особенностях движения колес по дороге. Проявляется это в виде вибраций, рывков, создания определенно направленных усилий на руле. Эта информация считается очень важной для правильной оценки поведения авто. Доказательством тому является тот факт, что в авто, оснащаемых ГУР и ЭУР, конструкторы сохранили «обратную связь».

Передовые разработки

Этот узел продолжают совершенствовать, так самыми последними достижениями являются системы:

Система «рули по проводам»

Заключение

В целом механизм является достаточно надежным узлом, не требующим никакого обслуживания. Но при этом эксплуатация рулевого управления автомобиля подразумевает проведение своевременной диагностики для выявления неисправностей.

Конструкция этого узла состоит из множества элементов с подвижными соединениями. А где такие соединения есть, со временем из-за износа контактирующих элементов, в них появляются люфты, которые в значительной мере могут повлиять на управляемость авто.

Сложность диагностики рулевого управления зависит от его конструктивного исполнения. Так в узлах с механизмом «шестерня-рейка» соединений, которые необходимо проверять не так уж и много: наконечники, зацепление шестерни с рейкой, карданы рулевой колонки.

А вот с червячным механизмом из-за сложной конструкции привода точек диагностики значительно больше.

Что касается ремонтных работ при нарушении работоспособности узла, то наконечники при сильном износе просто заменяются. В рулевом механизме на начальном этапе люфт удается убрать регулировкой зацепления, а если это не помогло – переборкой узла с использованием ремкомплектов. Карданы колонки, как и наконечники – просто заменяются.

Источник

Устройство и принцип работы рулевой рейки

Управление автомобилем подразумевает изменение положения его колёс относительно дорожного полотна. Причём при криволинейном движении их взаимное расположение должно подчиняться определённым законам исходя из разных радиусов описываемых при повороте внешних и внутренних окружностей. Таким образом, узел контроля положения колёс должен автоматически обеспечивать их пространственное позиционирование. Реечное управление служит одним из способов практической реализации такой задачи.

Принцип работы

Рассмотрим, что такое рулевая рейка, устройство и принцип работы узла. Реечная конструкция — распространённый способ управления углом поворота колёс машины. Принцип работы рулевой рейки прост и заключается в передаче момента вращения руля через карданный и зубчатый вал на горизонтальный реечный механизм, поступательное движение которого через специальные наконечники с рычагами обеспечивает поворот колёс вокруг их мнимой оси (кастора).

Для реализации этой идеи используется реечно-зубчатое зацепление. Вне зависимости от того, каким автопроизводителем выпущена рулевая рейка, устройство и принцип её аналогичен для всех автомобилей. По сути, это соединённые между собой две шестерёнки, обод одной из которых распрямлён. Вторая шестерня — зубчатый валик — соединяется через приводной вал с рулём для передачи крутящего момента от водителя через рейку к колёсам. Такая конструкция совмещает в одном узле два важных преимущества:

Поступательное движение ограничено диапазоном сдвига колёс при поворотах, что заложено конструкцией авто. На большинстве машин перемещение рейки от левой до правой мёртвой точки требует от 2,5 до 4 полных оборота руля.

Для понимания связи между вращением руля и смещением колёс относительно оси движения существует понятие коэффициента передачи, численно равного соотношению углов их поворота (в градусах). Например, если полный оборот руля (360°) инициирует сдвиг колёс на 20°, то передаточное число 360°/20°=18. В общем случае для машин лёгкого и спортивного класса цифры, характеризующие коэффициент передачи, будут ниже, чем для более массивных автомобилей — автобусов и грузовиков.

Устройство рулевой рейки

Мы поняли, что это механизм для передачи на колёса поворотного усилия, прилагаемого водителем к рулю автомобиля. Ввиду простоты и удобства данная конструкция повсеместно используется для задания курса движения легковых машин, небольших грузовиков и SUV.

Схема конструкции отдельно от колёс в упрощённом виде представлена на картинке.

Как видно, рулевая рейка построена на взаимодействии зацепления зубьев с шестерёнчатым валиком. Стоит выделить 4 основных узла, из чего состоит рулевая рейка:

В зависимости от типа, механизм может быть оснащён устройствами для облегчения вращения руля — гидравлическим или электрическим усилителем. Кроме этого, конструкция обеспечивает смещение колёс под разными углами, что соответствует геометрии внешнего и внутреннего радиусов поворота, что видно из рисунка.

Каждый элемент реечной системы управления выполняет определённую функцию, которые стоит рассмотреть подробнее.

Рулевое колесо (или руль)

Руль автомобиля — это устройство для управления движением авто в заданном направлении. Он жёстко сцепляется через зубчатое посадочное место с валом рулевой колонки, которая передаёт усилия вращения на рейку.

На современные автомобильные рули также возложены дополнительные функции:

По требованиям техрегламента руль обязан быть жёстко зафиксирован на валу без люфта и свободного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости и по выносу.

Рулевой вал

Вращательное движение руля передаётся посредством вала, который может состоять из нескольких ориентированных разнонаправленно частей, что обусловливается геометрией конструкции авто.

Между собой они сопрягаются посредством карданных механизмов. Для соединения с рулём используется жёсткая схема.

Рулевая рейка

Перемещаемая горизонтально рейка (зелёного цвета на рисунке ниже) выполнена в виде единого жёсткого элемента с насечкой для зацепления с зубчатым валиком (сине-оранжевая часть), приводимым во вращательное движение синхронно с поворотом руля.

По обоим концам узла имеются гнёзда для шарнирного или резьбового соединения со специальными наконечниками, связанными с рычагами поворота колёс.

Рулевые тяги

Непосредственную передачу усилия на колёса осуществляют связанные со ступичным блоком тяги (на рисунке изображены голубым цветом).

В конструкции учитывается необходимость обеспечения разности углов поворота внутреннего и наружного колёс. Особенностью тяг является способность передавать как поступательные, так и вращательные движения.

Рулевой наконечник

Поскольку рейка закреплена таким образом, что может совершать только линейное смещение по горизонтали, а колёса изменяют своё положение в трёх плоскостях, для передачи на них поворотного усилия используются рулевые наконечники (на рисунке внизу окрашены в фиолетовый цвет).

Наконечники выполнены в виде шарниров с пальцами для резьбового соединения и регулировки длины с целью коррекции углов поворота.

Демпфер

Демпфер — это амортизатор двустороннего действия, устанавливаемый на рулевую рейку между тягами и корпусом. Он традиционно применяется на внедорожниках и заднеприводных автомобилях премиального класса. Демпфер повышает курсовую устойчивость авто, минимизирует биение руля при движении по неровным покрытиям, продлевает срок службы рейки.

Также существует демпфер рулевого вала, устанавливаемый на колонку автомобилей с ЭУР.

Виды рулевых реек

Работа простейшей червячно-реечной пары может быть реализована без привлечения дополнительных устройств, помогающих вращать рулевое колесо. Стремление облегчить усилия водителя привело к оснащению механизма специальными блоками, освобождающими от необходимости напрягаться для осуществления манёвра. По мере своего развития схема последовательно совершенствовалась, пройдя три ступени улучшений, и реализуется в следующих типах:

Поскольку на автомобильном рынке имеются машины, использующие все указанные варианты реечного управления, следует рассмотреть их подробнее.

Механическая рулевая рейка

Это самый простой вид конструкции, представляющий собой прямой привод крутящего момента от руля через согласующий карданный вал и зубчатый валик. Схематически механическая рулевая рейка представлена на рисунке.

Очевидными недостатками такого решения будут необходимость приложения значительного усилия к рулю (что может ограничивать круг лиц, способных управлять такой машиной) и передача неровностей дороги, ухабов, толчков и ударов на руки шофера, передаваемые на кузов авто вибрации.

Стремление уменьшить затраты сил водителя на управление движением привело к появлению гидравлических и электрических устройств, усиливающих крутящий момент.

Гидравлическая рулевая рейка

Самая распространённая схема с ГУР представлена на рисунке. Гидравлическая рулевая рейка работает по схеме, заключающейся в перемещении синхронно с поворотом руля водителя под воздействием перепада давления в жидкости поршня. Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем изображён на рисунке.

Связь зубчатого валика (pinion) с рейкой (rack) обычная, однако в месте его сопряжения с валом рулевой колонки (steering column), имеются специальные поворотные клапаны (rotary valve), регулирующие направление подачи жидкости (окрашена на схеме в оранжевый цвет) под давлением от насоса (from pump). При повороте, например, руля вправо, давление через клапан передаётся по нижней (по схеме) жидкостной магистрали (fluid line) в часть цилиндра справа от поршня. При этом он (piston), жёстко связанной с рейкой (rack), помогает ей перемещаться влево (по схеме) и выдавливает лишнюю жидкость, которая направляется поворотным клапаном в расширительный бачок (to reservoir). При вращении руля в другую сторону направление циркуляции масла изменяется на противоположное.

Устройство гидравлической рулевой рейки требует дополнительной установки на двигатель насоса ГУР, отбирающего определённую мощность с мотора. Кроме того, устройство рулевой рейки с гидроусилителем подразумевает работу ГУР только при запущенном двигателе, когда достигается номинальное давление гидравлической жидкости в замкнутом контуре.

Электрическая рулевая рейка

Электрическая рулевая рейка — это вариант облегчения прилагаемого водителем к рулю усилия с использованием электромотора, связанного червячным зацеплением с шестернёй, закреплённой на рулевом валу.

Принцип работы электрической рулевой рейки прост: контроллер двигателя синхронизирует направление его вращения с движениями рук шофера. Такое решение делает движение руля лёгким, почти не требующим усилий.

Однако простая червячно-шестерёнчатая пара имеет одну особенность, которая заключается в том, что передача крутящего момента возможна только в одном направлении — от червяка к ведомому ободу шестерни. В обратном порядке механизм блокируется. Поэтому использование простой шестерни не решает проблемы, и приходится усложнять червячную передачу, дополняя её планетарным узлом с тремя сателлитами для связи усилителя крутящего момента с приводом зубчатого вала.

На рисунке выше изображена электрическая рулевая рейка: устройство и принцип работы этого узла. Стрелками показано воздействие дополнительного усилия через червячную передачу и сателлиты на приводной вал перемещения. В случае отказа электромотора такая конструкция обеспечивает возможность ручного управления движением, что иллюстрирует рисунок внизу.

Так, если в червячном зацеплении возникли неполадки и оно блокируется, крутящий момент беспрепятственно передаётся напрямую от рук водителя через реечный механизм поворота к колёсам (показано голубыми стрелками). При этом потребуется лишь приложить больше сил ввиду выхода из строя электрического усилителя руля, однако управляемость автомобиля не пострадает.

Преимущества и недостатки

Использование зубчатого зацепления для перемещения рейки, управляющей поворотом колёс, имеет как плюсы, так и минусы. Их необходимо учитывать при выборе авто, поскольку надёжная управляемость — это важнейший принцип безопасности движения. Здесь многое зависит не только от того, какая рейка, устройство усиления какого типа используется и как реализовано. Немалую роль в надёжности механизма играет оригинальность узла. Именно по этой причине контрактные рейки гораздо надёжнее и долговечнее, чем новые дубликаты, выпущенные в странах третьего мира без контроля со стороны автопроизводителя.

Плюсы реечного рулевого механизма

При сравнении реечного варианта рулевого управления с другими следует принять во внимание ряд очевидных преимуществ:

Упомянутые соображения способствуют широкому внедрению и усовершенствованию различных вариантов реечного управления в автомобилестроении.

Минусы реечного рулевого механизма

Популярность использования этого технического решения на множестве автомобилей перевешивает недостатки, из которых можно перечислить следующие.

Для механических и гидравлических систем:

Дополнительные устройства, использующие электроэнергию для питания усилителей руля, характеризуют следующие минусы:

Какой бы ни была рулевая рейка, принцип действия механизма аналогичен, а все различия заключаются лишь в выборе схемы увеличения передаваемого водителем посредством поворота руля усилия.

Заключение

Применение практически всеми производителями на разных автомобилях реек и развитие различных принципов усиления актуации доказывает жизнеспособность схемы. Дальнейшее её развитие очевидно пойдёт по направлению использования электроэнергии как для управления, так и для силового блока. Если рейка вашего автомобиля вышла из строя, то в «АвтоСтронг» можно купить её для любой марки и модели авто зарубежного производства. Также всегда в наличии большой выбор ДВС, КПП, шин и дисков, а также множества других запчастей для иномарок с доставкой по всей России.

Источник