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.

Ц епной 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;

• м ожно 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.

К лассификация 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.

Р оликовые 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.

З убчатые 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.

Д ля предупреждения быстрого износа приводные цепи необходимо смазывать. Выбор способа смазывания зависит от скорости цепи. При допустимо периодическое смазывание маслёнкой или щёткой каждые 6 8 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 120 180 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

; .

З а 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.