Цепные передачи.

Тема 3.9. Цепные передачи.

3.9.1. Общие сведения.

3.9.2. Детали цепных передач.

3.9.3. Особенности рабочего процесса цепных передач.

3.9.4. Расчёт передач с втулочными и роликовыми цепями.

Цепной передачей (ЦП) называется механизм, служащий для пре­образования вращательного движения между параллельными валами при помощи двух жесткозакрепленных на них зубчатых колес — звез­дочек и надетой на них бесконечной цепи.

Цепь — многозвенная гибкая связь, которая может использоваться для перемещения грузов (тяговые цепи), подвески или подъема и опус­кания грузов (грузовые цепи), для передачи движения (приводные цепи).В дальнейшем мы будем рассматривать только приводные цепи, которые используются в цепных передачах.

Достоинства ЦП:

· по­зволяют передавать вращение удаленным (до 8 м) валам;

· можно при­водить в движение одной цепью несколько валов;

· в цепной передаче отсутствует проскальзывание;

· радиальная нагрузка на валы в два раза меньше, чем в ременной передаче;

· имеют высокий КПД (при благоприятных условиях = 0,97... 0,99);

· могут осуществлять пе­редачу значительных мощностей (до нескольких тысяч киловатт);

· допускают скорости движения цепи до 35 м/с и передаточные числа =10.

Недостатки ЦП:

· повышенная виброактивность и шум при работе вследствие пульсации скорости цепи и динамических нагрузок;

· необходимость тщательного монтажа;

· интенсивный износ шарниров вследствие трения и трудно­стей смазывания;

· вытягивание цепи вследствие износа шарниров и уд­линения пластин, что требует натяжных устройств.

ЦП широко применяют в металлорежущих и дерево­обрабатывающих станках, в нефтяном, горном, транспортном, сель­скохозяйственном машиностроении и других отраслях. Цепные пере­дачи выполняют как понижающими, так и повышающими; широко изве­стна, например, повышающая передача к заднему колесу велосипеда. Ответственные цепные передачи выполняют закрытыми, заключенны­ми в жесткий корпус, который служит масляной ванной.

Классификация приводных цепей:

· роликовые;

· втулочные;

· зубчатые;

· фасоннозвенные.

Первые три вида цепей стандартизованы.

3.9.2. Роликовая цепь состоит из чередующихся наружных звеньев 1 (собранного из двух наружных пластин 1 и валиков 2, неподвижно за­крепленных в отверстиях наружных пластин) и внутренне­го звена 2 (состоящего из двух внутренних пластин 3, втулок 4, неподвижно закрепляемых в отверстиях внутренних пластин, и роли­ков 5, свободно надеваемых на втулки). Ролики, перекатываясь по зу­бьям звездочек, уменьшают их износ. Наружное и внутреннее звенья в сборе образуют вращательную ки­нематическую пару.

Предпочтительно применять цепи, имеющие чётное число звеньев, так как при нечётном их числе приходится вводить специальное переходное звено.

Втулочная цепь отличает­ся от роликовой тем, что у первой нет роликов, а диаметр валиков и длина втулок несколько больше, благодаря чему при прочих равных условиях среднее давление в шарнирах вту­лочной цепи меньше. Втулочные цепи дешевле роликовых, но износо­стойкость их ниже.

Роликовые и втулочные цепи мо­гут быть однорядными и многорядными. Применение многорядных цепей значительно уменьшает габариты передачи в плоскости, перпендикулярной осям.

Пластины втулочных и роликовых цепей изготовляют из закаливае­мых до невысокой твердости сталей, валики и втулки — из цементуемых сталей, а ролики — из тех и других с закалкой до высокой твердости.

Зубчатые цепи состоят из наборов пластин 1 зубчатой формы, соединённых между собой шарниром 2. Для предохранения от соскакивания со звёздочек при работе зубчатые цепи снабжают боковыми или внутренними направляющими пластинами.

Зубчатые цепи по сравнению с роликовыми работают более плавно и с меньшим шумом, обеспечивают высокую кинематическую точность, обладают большей надежностью и нагрузочной способностью. Зубча­тая цепь с одним и тем же шагом может быть использована в большом диапазоне мощностей за счет изменения рабочей ширины в значительных пределах. Такие цепи имеют высокий КПД (до 0,98), менее подвержены вытягиванию, но их масса и стоимость значительно больше, чем у роликовых цепей. Зубчатые цепи целесообразно приме­нять при больших значениях передаваемой мощности и высокой ско­рости движения цепи, которая допускается до 35 м/с.

Пластины зубчатых цепей изго­няют из стали 50, обеспечивая твёрдость 38...45 HRC_Э, а призмы из сталей 15 или 20 с последующей целентацией и закалкой до твердости 52...60HRC_Э.

Для предупреждения быстрого износа приводные цепи необходимо смазывать. Выбор способа смазывания зависит от скорости цепи. При допустимо периодическое смазывание маслёнкой или щёткой каждые 68 ч. Ответственные силовые передачи, как правило, монтируются в закрытых корпусах. При они смазываются непрерывным окунанием цепи в масляную ванну картера на глубину не больше ширины пластины. При большей скорости – принудительной циркуляционной подачей смазки от насоса. При отсутствии герметического картера, при применяют внутришарнирную смазку, осуществляемую погружением снятой цепи в нагретую да разжижения пластическую смазку через 120180 ч работы.

Звездочки роликовых и втулочных и зубчатых цепей про­филируют и изготовляют в соответствии с государственными стан­дартами. По конструкции звёздочки во многом подобны зубчатым колёсам. В поперечном сечении профиль звёздочки зависит от числа рядов цепи.

Профиль и размеры зубьев звёздочек зависят от конструкции и размеров цепи.

Делительная окружность звёздочек проходит через центры шарниров цепи и её диаметр

,

где -шаг зубьев, измеряемый по хорде делительной окружности; - число зубьев звёздочки.

Материал звёздочек должен быть износостойким и хорошо сопротивляться ударным нагрузкам. Их изготавливают из термически обработанных или цементуемых углеродистых или легированных сталей.

В результате износа и приработки шарниров цепь вытягивается, стрела провисания ведомой ветви увеличивается, что вызывает проскальзывание, захлёстывание и соскакивание цепи со звёздочки. Оптимальную стрелу провисания () получают регулированием натяжения цепи, которое осуществляется перемещением вала одной из звёздочек, нажимными или оттяжными звёздочками, устанавливаемыми на ведомой ветви в местах её наибольшего провисания. Диаметр оттяжной звёздочки должен быть больше диаметра меньшей звёздочки передачи и она должна входить в зацепление не менее чем с тремя звеньями цепи. Натяжные устройства должны компенсировать удлинение цепи в пределах двух звеньев, при большем удлинении два звена цепи удаляют.

3.9.3. Передаточное отношение цепной передачи:

, (3.9.1)

где — угловые скорости, частоты вращения и числа зубьев ведущей и ведомой звездочек.

Передаточное отношение, вычисленное по фор­мулам (3.9.1), является средним за оборот; в пределах поворота звездочки на угловой шаг мгновенное передаточное отношение не остается постоянным.

За один оборот звездочки цепь проходит путь , а время одного обо­рота равно , тогда средняя скорость цепи равна

,

где — шаг цепи; - частота вращения; - угловая скорость звездочки.

Из схемы цепной передачи видно, что скорость цепи оп­ределяется горизонтальной составляющей окружной скорости звездочки, причем

; .

За время поворота звездочки на угловой шаг скорость цепи изменяется, что приводит к соответствующим изменениям угловой скорости ведомой звездочки и мгновенного передаточного отношения. Вертикальная составляющая при этом так же изменяется, что приводит к соударению шарниров цепи о впадины звездочки, поперечным колебаниям цепи и динамически нагрузкам на всю передачу.

С уменьшением числа зубьев звездочки увеличиваются скорость и сила ударов, возрастают колебания передаточного отношения и увеличиваются динамические нагрузки в передаче. Кроме того, с уменьшением числа зубьев звездоч­ки увеличивается угол относительного поворота соседних звеньев, что способствует изнашиванию шарниров. Поэтому числа зубьев малой звездочки ограничивают допускаемыми минимальными значениями, несмотря на то, что с уменьшением числа зубьев звездочек уменьшаются габариты передачи.

Минимальное число зубьев малой звездочки для роликовых и вту­лочных цепей определяют в зависимости от передаточного числа по эмпирической формуле ; для зубчатых цепей принимается на 20... 30% выше.

Число зубьев большой звездочки . Следует отметить, что при нечетном числе зубьев хотя бы одной из звездочек и четном числе зве­ньев цепи изнашивание зубьев и шарниров более равномерно.

В результате изнашивания шарниров шаг цепи увеличивается, и мо­жет произойти нарушение работы передачи, когда шарниры будут по­падать не во впадину, а на окружность вершины зубьев звездочки, что приводит к соскакиванию или разрыву цепи. Этот процесс резче про­является на звездочках с большим числом зубьев, поэтому максималь­ное число зубьев тоже ограничивают: для втулочных и роликовых це­пей < 120; для зубчатых цепей < 140 (для стандартных пере­дач z = 17... 96).

Плавность, долговечность и бесшумность работы цепной передачи в значительной степени зависят от величины шага цепи; чем меньше шаг, тем меньше динамические нагрузки и выше качество работы пере­дачи. Вместе с тем статическая прочность и нагрузочная способность цепей возрастают с увеличением шага, так как увеличиваются размеры деталей, составляющих шарниры цепи. Поэтому величина шага цепи ограничивается максимально допускаемым значением угло­вой скорости малой звездочки.

В цепной передаче в отличие от ременной пред­варительное натяжение обычно не требуется, поэтому силы и , дей­ствующие на ведущую и ведомую ветви цепи, равны

; ,

где — окружная сила;

— натяжение от провисания ведомой ветви цепи;

— масса одного метра цепи;

— ускорение сво­бодного падения;

— межосевое расстояние;

— коэффициент прови­сания цепи (для горизонтальных передач = 6, для вертикальных при угле наклона 40° = 3, так как чем меньше угол наклона, тем больше провисание цепи);

— натяжение от центробежных сил, где — скорость цепи.

При средних скоростях движения цепи (до 15 м/с) нагрузка на валы цепной передачи равна

,

где = 1,15 для горизонтальной и = 1,05 для вертикальной передачи. Эту силу можно считать направленной по линии центров.

3.9.4. Основным критерием работоспособности приводных цепей являет­ся износостойкость их шарниров. Долговечность втулочных и ролико­вых цепей, подобранных по критерию износостойкости, может быть 2000... 5000 ч и более; цепные передачи с зубчатыми цепями имеют срок службы 8000... 10 000 ч. Для закрытых передач, работающих при зна­чительных внешних динамических нагрузках, критерием работоспо­собности может быть сопротивление усталости элементов цепи, при­чем усталостному разрушению в первую очередь подвержены плас­тины.

Расчет передач с втулочными и роликовыми цепями. Как показы­вают теоретические и экспериментальные исследования, нагрузочная способность цепи прямо пропорциональна давлению в шарнирах, а дол­говечность — обратно пропорциональна. Поэтому в основу расчета цеп­ных передач положено условие, по которому можно вести провероч­ный расчет передачи:

,

где — расчетное среднее давление в шарнире;

— площадь проекции опорной поверхности шарнира;

— диаметр валика;

— длина втул­ки;

— допускаемое среднее давление в шарнирах, установленное для типовой передачи, работающей в средних условиях эксплуатации, при постоянной нагрузке и долговечности 3000... 5000 ч;

— число рядов цепи;

— коэффициент эксплуатации, учитывающий динамичность нагрузок, межосевое расстояние, способ смазки, режим работы, наклон линии центров по отношению к горизонту, способ регулирования натяжения цепи.

При проектном расчете определяют ориентировочное значение шага цепи

.

Предпочтительной является однорядная цепь; много­рядных цепей следует по возможности избегать.

Расчет передач с зубчатыми цепями. В соответствии со стандартом число зубьев меньшей звездочки ; при выборе следует учиты­вать, что с его увеличением давление в шарнире, шаг и ширина цепи уменьшаются, а долговечность ее увеличивается.

Для зубчатых цепей с шарнирами качения универсальная методика определения шага пока не разработана, поэтому ориентировочно зна­чение шага выбирается по таблицам в зависимости от максимально до­пускаемой угловой скорости меньшей звездочки.

При проектном расчете по выбранному шагу , передаваемой мощности и скорости цепи определяют ее ширину по формуле

.

где — коэффициент динамичности нагрузки;

— коэффициент скорости, учитывающий снижение нагру­зочной способности из-за центробежных сил.

Расчетную величину округляют до ближайшего стандартного зна­чения.

Геометрические параметры передачи. Максимальное значение межосевого расстояния ограничивается (меньшее значение при малых передаточных числах).

Максимальное значение межосевого расстояния ограничивается во избежание чрезмерного натяжения цепи силой собствен­ной тяжести. Минимальное значение межосевого расстояния ограни­чивается условием обеспечения угла обхвата цепью меньшей звездочки .

При оптимальном межосевом расстоянии ведущая ветвь цепи мо­жет располагаться над ведомой или под нею; при значениях, близких к максимальным или минимальным, ведущая ветвь должна находиться над ведомой во избежание соприкосновения ветвей или захлестывания лишних зубьев провисающей ведомой ветвью.

Число звеньев цепи предварительно определяется по формуле

.

Чтобы не применять переходное звено, расчетное число звеньев цепи должно быть округлено до четного числа.

Длина цепи

.

Окончательное значение межосевого расстояния равно

.

В передачах с нерегулируемым межосевым расстоянием для обеспе­чения необходимого провисания цепи устанавливают монтажное меж­осевое расстояние, которое меньше расчетного на (0,002… 0,004); при значительной вытяжке цепи за счет износа шарниров удаляют необхо­димое количество звеньев.

Для компенсации удлинения цепи опоры одного из валов иногда де­лают регулируемыми или применяют оттяжные звездочки или нажим­ные ролики, которые ставят на ведомую ветвь цепи. Стрела провиса­ния допускается до 0,02 при угле наклона передачи к горизонту до 40° включительно и до 0,015— при наклоне свыше 40°, где — межосевое расстояние.