Цепные передачи

Общие сведения о цепных передачах

Цепная передача представляет собой механизм передачи движения посредством многозвенной шарнирной цепи. В данном механизме передача мощности осуществляется от ведущей к ведомой звездочке, расположенных на параллельных валах.

Классификация цепных передач

Цепные передачи классифицируются в зависимости от типа применяемой цепи. В настоящее время используются роликовые, втулочные и зубчатые цепи, которые могут быть однорядными и многорядными.

В роликовых и втулочных цепях зацепление звеньев со звездочкой осуществляется через ролик или втулку соответственно. Это увеличивает долговечность цепи, однако также увеличивает ее массу и стоимость.

Зубчатые цепи состоят из пластин, при этом особое внимание уделяется конструкции шарнира, который включает направляющую пластину для предотвращения сползания цепи со звездочки. Зубчатые цепи работают более плавно, обеспечивают высокую кинематическую точность и могут передавать большую мощность, однако их масса и стоимость значительно выше по сравнению с другими типами цепей.

Конструкция звездочек цепной передачи зависит от типа применяемой цепи. Звездочки для втулочной и роликовой цепей представлены на рис. 2 слева, звездочка для зубчатой цепи — справа.

Достоинства цепных передач

По сравнению с зубчатыми передачами,

цепные обладают преимуществом в передаче движения на значительные межосевые расстояния (до 8 м).

По сравнению с ременными передачами,

цепные отличаются компактностью, способностью передавать бóльшие мощности при одинаковых размерах, постоянством передаточного числа и меньшей требовательностью к предварительному натяжению цепи (иногда предварительный натяг для цепных передач не применяется). Кроме того, цепные передачи устойчиво работают при малых межосевых расстояниях между звездочками, тогда как ременные передачи могут пробуксовывать при малых углах обхвата шкива ремнем.

К достоинствам цепных передач также относятся высокий КПД и безотказность при работе в условиях частых пусков и торможений.

Недостатки цепных передач

1. Значительный шум и вибрация при работе вследствие удара звена цепи о зуб звездочки при входе в зацепление, особенно при малых числах зубьев и большом шаге. Этот недостаток ограничивает применение цепных передач при больших скоростях.
2. Сравнительно быстрое изнашивание шарниров цепи, что требует применения системы смазывания и установки в закрытых корпусах.
3. Удлинение цепи вследствие износа шарниров и сход ее со звездочек, что требует применения натяжных устройств.
4. По сравнению с зубчатыми передачами цепные передают движение менее плавно и равномерно.

Область применения цепных передач

Цепные передачи широко используются в различных областях машиностроения, конструкциях сельскохозяйственных и дорожных машин, станкостроении и других отраслях. Они применяются в станках, мотоциклах, велосипедах, промышленных роботах, буровом оборудовании, подъемно-транспортных, строительно-дорожных, сельскохозяйственных, полиграфических и других машинах для передачи движения между параллельными валами на значительные расстояния, когда применение зубчатых передач нецелесообразно, а ременных невозможно.

Цепные передачи наиболее эффективны для передачи мощностей до 120 кВт при окружных скоростях до 15 м/с.

Приводные цепи

Приводная цепь, являющаяся основным элементом цепной передачи, представляет собой последовательность соединенных между собой шарнирами звеньев. Помимо приводных, существуют также тяговые и грузовые цепи, которые в данном разделе не рассматриваются.

Основные типы стандартизированных приводных цепей включают роликовые, втулочные и зубчатые цепи (см. рисунок 1). В тихоходных цепных передачах также применяются фасоннозвенные цепи, которые могут быть крючковыми или штыревыми.

Роликовые приводные цепи

Роликовые приводные цепи состоят из наружных и внутренних пластин, соединенных осями. Оси, в свою очередь, проходят через втулки, в которые вставляются свободно вращающиеся закаленные ролики. Концы осей после сборки расклепываются для предотвращения спадания пластин. При относительном повороте звеньев ось проворачивается в втулке, образуя шарнир скольжения.

Зацепление цепи со звездочкой происходит через ролик, который перекатывается по зубу, что выравнивает давление на втулку и уменьшает износ как втулки, так и зуба. Пластины цепи имеют контур, напоминающий цифру 8, что обеспечивает равную прочность во всех сечениях.

Роликовые цепи используются при скоростях до 15 м/сек. В зависимости от конструкции и условий эксплуатации различают однорядные нормальные, однорядные длиннозвенные облегченные, однорядные усиленные, двухрядные, трехрядные, четырехрядные и цепи с изогнутыми пластинками.

Наиболее распространены однорядные нормальные цепи. Длиннозвенные облегченные цепи применяются при скоростях до 3 м/сек. Усиленные цепи используются при высоких скоростях и больших нагрузках. Многорядные цепи позволяют увеличивать нагрузку пропорционально числу рядов. Цепи с изогнутыми пластинками применяются при динамических нагрузках.

Втулочные приводные цепи

Втулочные приводные цепи по конструкции аналогичны роликовым, но не имеют роликов. Это удешевляет цепь и уменьшает ее массу, но существенно увеличивает износ втулок и зубьев звездочек. Втулочные цепи применяются в неответственных передачах при скоростях менее 1 м/сек.

Однорядная втулочная цепь состоит из внутренних пластин, напрессованных на втулки, которые свободно вращаются на валиках с наружными пластинами. В зависимости от передаваемой мощности, приводные втулочные цепи могут быть однорядными или двухрядными.

Эти цепи просты по конструкции, имеют небольшую массу и низкую стоимость, но менее износоустойчивы. Поэтому их применение ограничивают небольшими скоростями, обычно до 10 м/сек.

Роликовая однорядная цепь отличается от втулочной наличием роликов на втулках, что увеличивает износостойкость. Ролики заменяют трение скольжения между втулками и зубьями звездочек на трение качения, что позволяет использовать цепи при окружных скоростях до 20 м/сек.

Втулочные и роликовые цепи могут быть однорядными и многорядными. Многорядная цепь с меньшим шагом заменяет однорядную с большим шагом, уменьшая диаметры звездочек и снижая динамические нагрузки. Многорядные цепи могут работать при существенно больших скоростях.

Соединение концов цепи при четном числе звеньев производится соединительным звеном, при нечетном — переходным звеном с изогнутыми пластинами. Поэтому применяют цепи с четным числом звеньев.

Зубчатые приводные цепи

Зубчатая цепь имеет набор пластин с двумя выступами (зубьями) и впадиной между ними для зуба звездочки. Она изготавливается с шарнирами трения качения, состоящими из двух призм с криволинейными рабочими поверхностями, которые перекатывают друг друга при движении цепи.

Зубчатые цепи работают плавно, с малым шумом, лучше воспринимают ударную нагрузку и допускают высокие скорости. Применяются также зубчатые цепи с шарнирами трения скольжения, но их долговечность ниже, чем у цепей с шарнирами трения качения.

Относительный поворот звеньев обеспечивается шарнирами скольжения, состоящими из оси и двух вкладышей, закрепленных в фигурных пазах пластин. Шарнир допускает поворот пластины на угол, обычно не превышающий 30°.

Для предотвращения бокового спадания цепи со звездочек применяются внутренние или боковые направляющие пластины. Направляющие пластины не имеют выемок для зубьев звездочек, а на зубьях звездочек выполняются проточки соответствующего профиля.

Делительный диаметр звездочки для зубчатых цепей больше ее наружного диаметра. Зубчатые цепи работают с меньшим шумом и применяются для передачи больших мощностей. Однако они тяжелее, сложнее в изготовлении и дороже, что ограничивает их применение.

Фасоннозвенные цепи

Фасоннозвенные цепи делятся на крючковые и штыревые. Крючковая цепь состоит из звеньев одинаковой формы, отлитых из ковкого чугуна или штампованных из полосовой стали без дополнительных деталей. Сборка и разборка этой цепи осуществляется путем взаимного наклона звеньев на угол 60°.

В штыревой цепи литые звенья из ковкого чугуна соединяются зашплинтованными стальными штырями. Фасоннозвенные цепи применяются при передаче небольших мощностей, при малых скоростях (крючковая до 3 м/сек, штыревая до 4 м/сек), обычно в условиях несовершенной смазки и защиты. Звенья фасоннозвенных цепей не обрабатываются.

Материал цепей

Цепи должны быть износостойкими и прочными. Пластины цепей изготавливаются из сталей марок 50, 40Х с закалкой до твердости 40–50 HRC. Оси, втулки, ролики и призмы — из цементируемых сталей марок 20, 15Х с закалкой до твердости 52–65 HRC.

Повышением твердости деталей можно повысить износостойкость цепей. Звездочки и диски составных звездочек изготавливаются из среднеуглеродистой или легированной стали марок 40, 45, 40Х, 50Г2, 35ХГСА, 40ХН с закалкой до твердости HRC40–50 или цементуемой стали 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХН2 с термообработкой до твердости HRC50–60.

Оси, втулки, ролики и призмы – из цементируемых сталей марок 20, 15Х и других с закалкой до твердости52...65 HRC. 

Повышением твердости деталей можно повысить износостойкость цепей.

Звездочки и диски составных звездочек в основном изготовляют из среднеуглеродистой или легированной стали 40, 45, 40Х, 50Г2, 35ХГСА, 40ХН с закалкой до твердости HRC40...50 или цементуемой стали 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХН2 с термообработкой до твердости HRC50...60.

Звездочки тихоходных передач при скорости цепи до 3 м/сек и отсутствии динамических нагрузок изготавливаются также из серого или модифицированного чугуна с твердостью поверхности до НВ260–300. Применяются звездочки с зубчатым венцом из пластмасс, которые способствуют уменьшению шума и износа цепей при работе передачи.

Геометрические и кинематические параметры цепной передачи

Основным параметром цепной передачи является шаг t цепи, т. е. расстояние между осями двух ближайших шарниров цепи (см. рис. 2). Чем больше шаг, тем выше нагрузочная способность цепи.

Диаметр делительной окружности звездочки d определяется по формуле:

d = t / [sin (180°/z)],

где    z – число зубьев звездочки.

Шаг t у звездочек измеряют по хорде делительной окружности.

Оптимальное межосевое расстояние передачи принимают из условия долговечности цепи:

а = (30…50)t,

где    t – шаг цепи.

Длина цепи в шагах:

Lp = 2a/t + (z₂ + z₁)/2 +[(z₂ – z₁)/2π]²t/a,

где     z₁ и z₂ – число зубьев звездочек.

Число зубьев малой звездочки выбирают из соотношения

z₁ = 29 – 2u.

Тогда z₂ = z₁u.

Окончательное значение межосевого расстояния:

a = t/4{L_p - (z₂ + z₁)/2 + √|[L_р - (z₂ + z₁)/2]² – 8[(z₂ - z₁)/2π]²|}.

здесь и далее: √ - знак квадратного корня, |…| - границы подкоренного выражения.

Передаточное число: u = ω₁/ω₂ = n₁/n₂ = z₂/z₁.

Передаточное отношение цепной передачи нельзя определять как отношение диаметров делительных окружностей звездочек. В пределах одного оборота звездочки передаточное отношение не остается постоянным, поэтому обычно говорят о средней скорости цепи, м/сек:

v = ωzt/2000π,

где ω, z – угловая скорость и число зубьев звездочки.