Статья: «ВИДЫ ЦЕПНЫХ ПЕРЕДАЧ»

ВИДЫ ЦЕПНЫХ ПЕРЕДАЧ

Устройство цепных передач. Детали цепных передач, смазка цепи. Передаточное число, КПД передачи. Силы, действующие в цепной передаче. Общие сведения Передачу вращательного движения между параллельными валами, осуществляемую с помощью двух колес - звездочек 1 и 2 и охватывающей их бесконечной цепи 3, называют цепной передачей (рис. 1). Служат для передачи вращения между удаленными друг от друга параллельными валами. Цепь в отличие от ремней изгибается только в одной плоскости, поэтому звездочки устанавливаются на строго параллельных валах.

Рис.1. Цепная передача: 1 - ведущая звездочка; 2 - ведомая звездочка; 3 - цепь; 4 - натяжное устройство Цепная передача, как и ременная, принадлежит к числу передач с гибкой связью. Гибким звеном в этом случае является цепь, входящая в зацепление с зубьями звездочек. Цепь состоит из соединенных шарнирами звеньев, которые обеспечивают подвижность или «гибкость» цепи. Зацепление обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с ременной передачей. Цепную передачу можно классифицировать как передачу зацеплением с гибкой связью (ременная - трением с гибкой связью). Зацепление позволяет обойтись без предварительного натяжения цепи. В конструкции цепных передач для компенсирования удлинения цепи при вытяжке и обеспечения эксплуатационной стрелы провисания f ведомой ветви иногда предусматривают специальные натяжные устройства (см. рис. 1). Кроме перечисленных основных элементов, цепные передачи включают смазочные устройства и ограждения. Угол обхвата звездочки цепью не имеет такого решающего значения, как угол обхвата шкива ремнем в ременной передаче. Цепные передачи можно использовать как при больших, так и при малых межосевых расстояниях. Они могут передавать мощность от одного ведущего звена 1 нескольким звездочкам 2 (рис. 2.1). Их выполняют как понижающими, так и повышающими (например, повышающая передача к заднему колесу велосипеда). В приводах их устанавливают как понижающие, обычно после редуктора.

Рис. 2.1. Схема многозвенной передачи:

1 - ведущая звездочка; 2 - три ведомых звездочки

Рис. 2.2. Многозвенная передача Классификация В машиностроении и народном хозяйстве находят применение следующие группы цепей: грузовые (рис. 3.1), применяемые для подвески, подъема и опускания груза в различных подъемно-транспортных механизмах при скоростях, не превышающих 0,25...0,5 м/с и больших нагрузках, их выполняют круглозвенными или простыми пластинчатыми.

Рис. 3.1. Грузовая цепь тяговые (рис. 3.2), применяемые для транспортировки грузов (транспортеры, элеваторы, бревнотаски, приводные рольганги, эскалаторы) при небольших скоростях - до 2…4 м/с. Состоят из пластин простой формы и осей со втулками или без них. Эти цепи имеют большие шаги, т. к. общая длина цепи значительна и их зубья взаимодействуют со звездочками, габариты которых нежестко ограничены.

Рис. 3.2. Тяговая цепь приводные, используемые для передачи энергии в широком диапазоне скоростей с постоянным передаточным отношением. Они выполняются с малым шагом для уменьшения динамических нагрузок и с износоустойчивыми шарнирами для обеспечения необходимой долговечности цепи. В дальнейшем будем рассматривать только приводные цепи, которые используются в цепных передачах. Цепные передачи разделяют по следующим основным признакам: По типу цепей: с роликовыми (рис. 4, а); с втулочными (рис. 4, б); с зубчатыми (рис. 4, в). По числу рядов роликовые цепи делят на однорядные (см. рис. 4, а) и многорядные (например, двухрядные, см. рис. 4, б). По числу ведомых звездочек: нормальные двухзвенные (см. рис. 1, 4,5); специальные - многозвенные (см. рис. 2, 3). По расположению звездочек: горизонтальные (рис. 5, а); наклонные (рис. 5, б); вертикальные (рис. 5, в) (требуется систематическое регулирование межосевого расстояния).

a) б) в)

Рис. 4. Типы цепных передач:

а - с роликовой цепью; б - с втулочной цепью; в - с зубчатой цепью

Рис. 5. Виды цепных передач:

а - горизонтальная; б- наклонная; в - вертикальная

Рис. 6. Цепная передача с натяжным роликом 5. По способу регулирования провисания цепи: с натяжным устройством (см. рис. 1); с натяжной звездочкой (роликом, рис. 6). 6. По конструктивному исполнению: открытые (см. рис. 3), закрытые (рис. 7). 7. По характеру изменения частоты вращения ведомого вала - понижающие и повышающие. 8. По количеству ведомых звездочек - нормальные (одна ведомая звездочка) и специальные (несколько ведомых звездочек).

Рис. 7. Установка с цепной передачей

Достоинства и недостатки Достоинства: - большая прочность стальной цепи по сравнению с ремнем позволяет передать цепью большие нагрузки с постоянным передаточным числом и при значительно меньшем межосевом расстоянии (передача более компактна); - возможность передачи движения одной цепью нескольким звездочкам; - по сравнению с зубчатыми передачами - возможность передачи вращательного движения на большие расстояния (до 7 м); - меньшая в 2 раза, чем в ременных передачах, радиальная нагрузка на валы; - сравнительно высокий КПД (η_max>> 0,9÷0,98); - могут осуществлять передачу значительных мощностей (до нескольких тысяч киловатт); - допускают скорости движения цепи до 35 м/с и передаточные числа до u=10. - отсутствие скольжения; - меньшие габариты, чем у ременных передач, особенно по ширине; - малые силы, действующие на валы, так как нет необходимости в большом начальном натяжении; - возможность легкой замены цепи. Недостатки: - сравнительно высокая стоимость цепей; - невозможность использования передачи при реверсировании без остановки; - передачи требуют установки на картерах; - сложность подвода смазочного материала к шарнирам цепи; - скорость движения цепи, особенно при малых числах зубьев звездочек, не постоянна, что вызывает колебания передаточного отношения. Основной причиной этого недостатка является то, что цепь состоит изотдельных звеньев и располагается на звездочке не по окружности, а по многоугольнику. В связи с этим скорость цепи при равномерном вращении звездочки не постоянна. На рис. 8 показаны скорости шарниров цепи и зубьев звездочки. В данный момент, когда шарнир А находится в зацеплении, скорость шарнира v_ц и окружная скорость звездочки v_з в точке, совпадающей с центром, шарнира, равны. Разложим эту скорость на двесоставляющие: направленную вдоль ветви цепи, и перпендикулярную к цепи. Движение ведомой звездочки определяется скоростью . Поскольку величина угла α изменяется в пределах от -π/z₁ (момент входа в зацепление шарнира А) до π/z₁ (момент входа в зацепление шарнира В), то изменяется и скорость , а это является причиной непостоянства передаточного отношения i и дополнительных динамических нагрузок в передаче.

Рис. 5.5.8 - повышенный шум, особенно на высоких скоростях, вследствие удара звена цепи при входе в зацепление и дополнительные динамические нагрузки из-за многогранности звездочек; Со скоростью связаны поперечные колебания ветвей цепи. В момент входа в зацепление шарнира В с зубом С вертикальные составляющие их скоростей и , направлены навстречу друг другу, соприкосновение шарнира с зубом сопровождается ударом. Последовательные удары являются причиной шума передачи и разрушения шарниров цепи и зубьев звездочек. Для ограничения вредного влияния ударов выработаны рекомендации по выбору шага цепи в зависимости от частоты вращения ведущей звездочки. - они работают в условиях отсутствия жидкостного трения в шарнирах и, следовательно, с неизбежным их износом, существенным при плохом смазывании и попадании пыли и грязи. За один пробег в каждом шарнире совершаются четыре поворота: два на ведущей и два на ведомой звездочках. Эти повороты вызывают износ втулок и валиков шарниров. Износ цепи и зубьев звездочек связан и с перемещением шарниров по профилю зуба в процессе зацепления. Это приводит к вытягиванию цепи, для устранения последствий которого требуется применение натяжных устройств. Для уменьшения износа необходимо следить за удовлетворительной смазкой шарниров. - они требуют более высокой точности установки валов, чем клиноременные передачи, во избежание соскакивания цепи со звездочки и более сложного ухода - смазывания, регулировки. Область применения Современные цепные передачи могут передавать большие мощности (до 5 тыс. кВт) при сравнительно высоких скоростях (до 25-30 м/с). Цепные передачи применяют: а) при средних межосевых расстояниях, при которых зубчатые передачи требуют промежуточных ступеней или паразитных зубчатых колес, не вызываемых необходимостью получения нужного передаточного отношения; б) при жестких требованиях к габаритам или в) при необходимости работы без проскальзывания (препятствующего применению клиноременных передач). Цепные передачи широко распространены в транспортирующих устройствах (конвейерах, элеваторах, мотоциклах, велосипедах), в приводах станков и сельскохозяйственных машин, в химическом, горнорудном и нефтепромысловом машиностроении. Кроме цепных приводов, в машиностроении применяют цепные устройства, т.е. цепные передачи с рабочими органами (ковшами, скребками) в транспортерах, элеваторах, экскаваторах и других машинах. Ответственные цепные передачи выполняют закрытыми, заключенными в жесткий корпус, который служит масляной ванной. Наибольшее применение получили цепные передачи мощностью до 120 кВт при окружных скоростях до 15 м/с. Конструкции приводных цепей и звездочек Цепи, применяемые в машиностроении, по характеру выполняемой ими работы подразделяют на две группы: приводные и тяговые. Цепи стандартизованы, их производят на специализированных заводах. Выпуск только приводных цепей в России превышает 80 млн. м в год. Ими оснащается ежегодно более 8 млн. машин. Приводные цепи осуществляют передачу движения непосредственно от источника энергии к рабочему органу или через промежуточные устройства. Конструктивно они делятся на роликовые, втулочные и зубчатые. В СНГ приводные цепи стандартизованы и изготовляются на специализированных заводах. Для них характерны малые шаги (для уменьшения динамических нагрузок) и износоустойчивые шарниры (для обеспечения долговечности). Основными геометрическими характеристиками цепей являются шаг и ширина, основной силовой характеристикой - разрушающая нагрузка, устанавливаемая опытным путем. В соответствии с международными стандартами применяют цепи с шагом, кратным 25,4 мм (т. е. ~1 дюйму) В России изготовляют следующие приводные роликовые и втулочные цепи по ГОСТ 13568-75* (рис. 8): ПРЛ - роликовые однорядные нормальной точности; ПР - роликовые повышенной точности; ПРД - роликовые длиннозвенные; ПВ - втулочные; ПРИ - роликовые с изогнутыми пластинами, ПРУ - однорядные усиленные; ПРИ - с изогнутыми пластинами; двух (2ПР)-, трех (ЗПР)-и четырехрядные (4ПР), а также роликовые цепи по ГОСТ 21834-76* для буровых установок (в быстроходных передачах).

а

б

в

г

д

е

ж

Рис. 8. Виды приводных цепей: а - втулочная однорядная,

б - роликовая однорядная, в - роликовая двухрядная,

г - роликовая с изогнутыми пластинами, д - зубчатая,

е - фасонозвенная крючковая, ж - фасонозвенная штыревая. Роликовая цепь (рис. 9) состоит из наружных Н и внутренних Вн звеньев (каждое из которых состоит из двух пластин), шарнирно соединенных с помощью валиков и втулок. Наружные и внутренние звенья в цепи чередуются. Сцепление со звездочкой осуществляется роликом 1, свободно сидящим на втулке 2, запрессованной в пластины 3 внутреннего звена. Валик 4 запрессован в пластины 5 наружного звена. Валики (оси) цепей выполняют ступенчатыми или гладкими. Концы валиков расклепывают, поэтому звенья цепи неразъемны. Концы цепи соединяют соединительными звеньями с закреплением валиков шплинтами или расклепыванием. В случае необходимости использования цепи с нечетным числом звеньев применяют специальные переходные звенья, которые, однако, слабее, чем основные. Поэтому обычно стремятся применять цепи с четным числом звеньев. Соединительное звено С служит для соединения двух концов цепи с четным числом шагов, а переходное звено П - с нечетным. Благодаря роликам трение скольжения между цепью и звездочкой заменяется трением качения, что уменьшает износ зубьев звездочек. Пластины очерчивают контуром, напоминающим цифру 8 и приближающим пластины к телам равного сопротивления растяжению. Наружное и внутреннее звенья в сборе образуют вращательную кинематическую пару. Пластины имеют форму тел равного сопротивления. Роликовые цепи имеют самое широкое распространение, их применяю при скоростях v≥ 15 м/с. В дальнейшем будут рассматриваться только такие цепи. Материал пластин роликовых цепей - сталь 50 (с закалкой до HRC 38-45); валиков, втулок, роликов - стали 15, 20, 25 (с последующей цементацией и закалкой до HRC 52-60).

Рис. 9. Роликовая цепь:

1 - ролик; 2 - втулка; 3 - пластины внутреннего звена; 4 - валик;

5 - пластины наружного звена В машиностроении чаще применяют однорядные роликовые цепи (см. рис. 4, а и 9). При больших нагрузках и скоростях во избежание применения цепей с большими шагами, неблагоприятных в отношении динамических нагрузок, применяют многорядные цепи. Многорядные цепи (двухрядные - см. рис. 4, б) содержат несколько ветвей однорядных цепей, соединенных удлиненными валиками. Передаваемые мощности и разрушающие нагрузки многорядных цепей почти пропорциональны числу рядов. Роликовые цепи нормальной точности ПРЛ стандартизированы в диапазоне шагов 15,875...50,8 и рассчитаны на разрушающую нагрузку на 10…30% меньше, чем у цепей повышенной точности. Длиннозвенные роликовые цепи ПРД выполняют в удвоенным шагом по сравнению с обычными роликовыми. Поэтому они легче и дешевле обычных. Их целесообразно применять при малых скоростях, в частности, в сельскохозяйственном машиностроении. Роликовые цепи с изогнутыми пластинами ПРИ набирают из одинаковых звеньев, подобных переходному звену. В связи с тем, что пластины работают на изгиб и поэтому обладают повышенной податливостью, эти цепи применяют при динамических нагрузках (ударах, частых реверсах и т. д.). Деформирование пластин способствует гашению ударов. Примеры условных обозначений: - цепь приводная роликовая однорядная нормальной серии (ПР) шаг t=19,05 мм с разрушающей нагрузкой F_p=3180 кгс: Цепь ПР-19,05-3180 ГОСТ 13568-75 - цепь приводная роликовая трехрядная нормальной серии (3ПР) шаг t=44,45 мм с разрушающей нагрузкой F_p=51720 кгс: Цепь 3ПР-44,45-51720 ГОСТ 13568-75 - цепь приводная роликовая однорядная длиннозвенная серии (ПРД) шаг t=38,1 мм с разрушающей нагрузкой F_p=2950 кгс: Цепь ПРД-38,1-2950 ГОСТ 13568-75. Втулочные цепи (рис. 10) по конструкции аналогичны предыдущим. Эти цепи отличаются от роликовых отсутствием ролика, что удешевляет цепь и уменьшает габариты и массу при увеличенной площади проекции шарнира. В зацепление с зубьями звездочки входит непосредственно втулка; изнашивание звездочки значительно большее, чем при использовании роликовой цепи. Эти цепи изготовляют с шагом только 9,525 мм и применяют, в частности, в мотоциклах и в автомобилях (привод к распределительному валу). Цепи показывают достаточную работоспособность. Втулочные цепи применяют при v≤ 1 м/с В обозначении роликовой или втулочной цепи указывают: тип, шаг, разрушающую нагрузку и номер ГОСТа (например, Цепь ПР-25,4-5670 ГОСТ 13568 -75*). У многорядных цепей в начале обозначения указывают число рядов.

Рис. 10. Втулочная цепь:

1 - пластины внутреннего звена; 2 - пластины наружного звена

Таблица 5.5.1. Основные технические характеристики приводных цепей

Рис. 11. Зубчатая цепь:

1 - пластины; 2 - валики; 3 - направляющие пластины;

4 - шарнир; 5 - призмы Зубчатые цепи поставляют с шарниром 4 (трения скольжения, см. рис.11, б) или шарниром 5 (призмы, закрепленные в пластинах) (трения качения, см. рис. 11, в). В настоящее время в основном изготовляют цепи с шарнирами качения, которые стандартизованы (ГОСТ 13552-81*). Для образования шарниров в отверстия звеньев вставляют призмы с цилиндрическими рабочими поверхностями. Призмы опираются на лыски. При специальном профилировании отверстии пластин и соответствующих поверхностей призм можно получить в шарнире практически чистое качение. Имеются экспериментальные и эксплуатационные данные о том, что ресурс зубчатых цепей с шарнирами качения во много раз выше, чем цепей с шарнирами скольжения. Во избежание бокового сползания цепи со звездочек предусматривают направляющие пластины, представляющие собой обычные пластины, но без выемок для зубьев звездочек. Применяют внутренние или боковые направляющие пластины. Внутренние направляющие пластины требуют проточки соответствующей канавки на звездочках. Они обеспечивают лучшее направление при высоких скоростях и имеют основное применение. Вкладыш 4 и призмы 5 изготовляют из цементуемых сталей 15 и 20 с закалкой до HRC 52-60. В зависимости от расположения зубьев цепи бывают односторонними (см. рис. 11) и двусторонними (см. рис. 3). Достоинствами зубчатых цепей по сравнению с роликовыми являются меньший шум, повышенная кинематическая точность и допускаемая скорость, а также повышенная надежность, связанная с многопластинчатой конструкцией. Однако они тяжелее, сложнее в изготовлении и дороже. Поэтому они имеют ограниченное применение и вытесняются роликовыми цепями. Параметры приводной зубчатой цепи показаны в табл. 2. Таблица 2. Цепи зубчатые с односторонним зацеплением и шарнирами качения (по ГОСТ 13552-81)

Размеры, мм

Рис. 12. Звездочка втулочной и роликовой цепей Для облегчения замены после износа, звездочки, устанавливаемые на валах между опорами, в машинах с трудной разборкой делают разъемными по диаметральной плоскости. Плоскость разъема проходит через впадины зубьев, для чего числи зубьев звездочки приходится выбирать чётным. Долговечность и надежность цепей передачи во многом зависит от правильного выбора профиля зубьев звездочки, ее параметров, материала и термической обработки.

Рис. 13. Звездочка зубчатой цепи Профиль зубьев звездочки должен обеспечивать их надежное зацепление с цепью и отличаться высокой износостойкостью. Звездочки цепных передач профилируются в зависимости от типа цепи по ГОСТ 591-69,предусматривающему износоустойчивые профили без смещения (рис. 13.1,а) для кинематически точных передач и со смещением для остальных передач (рис. 13.1,б). Профиль со смещением отличается тем, что впадина между зубьями очерчена из двух центров, смещенных на величину l = 0,03t. Профилирование звездочек передач с зубчатыми цепями (ГОСТ 13576-81) значительно проще, так как рабочие профили зубьев прямолинейны (рис. 13.5).

Рис. 13.1.Профиль зубьев звездочки:

а) без смещения, б) со смещением

Рис. 13.2. Определение диаметра делительной

окружности звездочки для зубчатых цепей Конструкции звездочек показаны на рис. 13.3. Звездочки небольших и средних размеров изготавливают из штампованных заготовок (рис. 13.3,а). Звездочки больших размеров d_д≥ 200 мм можно выполнять составными, соединяя ступицы и диски сваркой (рис. 13.3, б) или болтами (рис. 13.3, в).

Рис. 13.3. Конструкции звездочек Важным фактором для увеличения долговечности цепной передачи является правильный выбор числа зубьев меньшей звездочки. При малом числе зубьев плавность передачи снижается, наблюдается повышенное изнашивание цепи из-за большого угла поворота шарнира и значительных динамических усилий. При износе шарниров и увеличении в связи с этим шага цепь стремится подняться по профилю зубьев, причем тем выше, чем больше число зубьев звездочки. При большом числе зубьев даже у мало изношенной цепи в результате радиального сползания по профилю зуб цепь соскакивает с ведомой звездочки. Рекомендуемые числа зубьев меньшей звездочки z₁ в зависимости от передаточного числа приведены в табл.1. Максимальное число зубьев большей звездочки z₂ также ограничено: для втулочной цепи z₂< 90; для роликовой z₂< 120; для зубчатой z₂< 140. Предпочтительно принимать нечетные числа зубьев звездочек, что в сочетании с четным числом звеньев цепи способствует более равномерному ее изнашиванию. Материал звездочек выбирают в зависимости от назначения и конструкции передачи. Звездочки с большим число зубьев тихоходных передач (до 3 м/с) при отсутствии ударных нагрузок допустимо изготовлять из чугуна марки СЧ 20, СЧ 30 с закалкой. В неблагоприятных условиях с точки зрения износа, например в сельскохозяйственных машинах, применяют антифрикционный и высокопрочный чугун с закалкой. Для изготовления ведущих звездочек с малым числом зубьев (z₂< 30) неответственного назначения применяют сталь 20 (цементация, закалка, отпуск); ответственного назначения - сталь 40, 50 (закалка, отпуск); при повышенных передаваемых нагрузках сталь 40Х, 45Х, 45ХН (закалка, отпуск). Для ведомых звездочек больших диаметров с большим числом зубьев (z₂> 50), кроме перечисленных материалов, может быть применен серый чугун СЧ15, СЧ20, СЧ35 и др. При необходимости бесшумной и плавной работы передач мощностью Р≤5 кВт и v≤ 8 м/с можно изготовлять венцы звездочек из пластмасс - текстолита, полиформальдегида, полиамидов, что приводит к снижению шума и к повышению долговечности цепей (в связи со снижением динамических нагрузок). Вследствие невысокой прочности пластмасс применяют также металлопластмассовые звездочки. Основными материалами для изготовления звездочек являются среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х, 50Г2, 35ХГСА, 40ХН с поверхностной или объемной закалкой до твердости 45…55НRC_э илицементуемые стали 15, 20Х, 12ХН3А с цементацией на 1…1,5 мм и закалкой до НRC_э 55…60. Звездочки с большим числом зубьев тихоходных передач (до 3 м/с) при отсутствии ударных нагрузок допустимо изготавливать из чугуна СЧ20, СЧ30 с закалкой. Тяговые цепи Тяговые цепи подразделяют на три основных типа: пластинчатые но ГОСТ 588-81*; разборные по ГОСТ 589 85; круглозвенные (нормальной и повышенной прочности) соответственно по ГОСТ 2319-81. Пластинчатые цепи служат для перемещения грузов под любым углом к горизонтальной плоскости в транспортирующих машинах (конвейерах, подъемниках, эскалаторах и др.). Они обычно состоят из пластин простой формы и осей со втулками или без втулок; для них характерны большие шаги, так как боковые пластины часто используют для закрепления полотна транспортера. Скорости движения цепей этого типа обычно не превышают 2...3 м/с. Круглозвенные цепи используют в основном для подвеса и подъема грузов. Существуют специальные цепи, передающие движение между звездочками с взаимно перпендикулярными осями. Валики (оси) двух соседних звеньев такой цепи взаимно перпендикулярны. Все цепи стандартизованы в мировом масштабе. Основным параметром является шаг цепи t, который выражается в миллиметрах или дюймах. В таблицах ГОСТа приводятся также стандартные ширины цепей, минимальное число зубьев звездочки, предельное число оборотов, допускаемые нагрузки и вес. Цепные вариаторы Цепные вариаторы, как и фрикционные, предназначены для бесступенчатого изменения передаточного числа. Они выполняются в закрытом корпусе и состоят из двух пар раздвижных зубчатых конусов 1, 2 и охватывающей их цепи 3 специальной конструкции с выдвижными пластинами, входящими в пазы конусов (рис. 14.1). Регулирование передаточного числа осуществляется сближением одной пары звездочек-конусов и раздвижением другой. При этом цепь меняет свое положение на конусах. Все звездочки-конусы 1, 2 изготовляют одинаковых размеров z^K =60. Мощность, передаваемая такими вариаторами, достигает 70 кВт; v=6...10 м/с;η=0,85...0,95 с диапазоном регулирования

Разновидность цепных вариаторов - фрикционные цепные вариаторы. Отличаются они тем, что конусы выполняются гладкими, а цепи вместо поперечных пластин включают ролики, заменяющие колодки, имеющиеся во фрикционных вариаторах. Эти вариаторы имеют диапазон регулирования Д< 10. По сравнению с фрикционными вариаторами цепные сложнее в изготовлении, поэтому их применение в машиностроении ограничено.

Рис. 14.1. Цепной вариатор