Цепные передачи

9. Цепные передачи

9.1. Общие сведения

Цепная передача относится к передачам зацеплением с гибкой связью. Состоит из ведущей и ведомой звездочек, огибаемых цепью (рисунок 9.1). Параметрам ведущей звездочки присваивается индекс 1, а ведомой – индекс 2.

Рисунок 9.1 – Схема цепной передачи

Достоинства:

1. По сравнению с зубчатыми передачами цепные передачи могут передавать движение между валами при значительных межосевых расстояниях (до 8 м).

2. По сравнению с ременными передачами:

Рекомендуемые материалы

а) более компактны; б) могут передавать большие мощности (до 3000 кВт); в) силы, действующие на валы, значительно меньше, так как предварительное натяжение цепи мало; г) могут передавать мощность одной цепью от одной ведущей звездочки нескольким ведомым звездочкам.

Недостатки:

1. Значительный шум вследствие удара звена цепи при входе в зацепление, особенно при малых числах зубьев звездочек и большом шаге. Этот недостаток ограничивает возможность применения цепных передач при больших скоростях.

2. Сравнительно быстрый износ шарниров цепи вследствие со сложностями в подводке смазки.

3. Удлинение цепи из-за износа шарниров, что требует натяжных устройств.

4. Необходимость точного изготовления цепи и высококачественного монтажа передачи.

5. Высокая стоимость.

Применение. Цепные передачи применяют в станках, транспортных и других машинах для передачи движения между параллельными валами, расположенными на значительном расстоянии, когда зубчатые передачи непригодны, а ременные ненадежны. Наибольшее применение получили цепные передачи мощностью до 120 кВт при окружных скоростях до 15 м/с.

Приводные цепи. Главный элемент цепной передачи – приводная цепь, которая состоит из соединенных шарнирами звеньев.

Основными типами приводных цепей являются втулочные, роликовые и зубчатые, которые стандартизованы, изготовляются специализированными заводами.

Роликовые цепи. Состоят из двух рядов наружных и внутренних пластин (рисунок 9.2). В наружные пластины запрессованы валики, пропущенные через втулки, на которые напрессованы внутренние пластины. Валики и втулки образуют шарниры. На втулки свободно надеты закаленные ролики. Зацепление цепи со звездочкой происходит через ролик, который перекатывается по зубу и уменьшает его износ. Кроме того, ролик выравнивает давление зуба на втулку и предохраняет ее от износа. Роликовые цепи имеют широкое распространение, рекомендуются при скоростях v < 15 м/с.

Рисунок 9.2 – Приводная роликовая однорядная цепь:

1- соединительное звено;

 2-переходное звено

Материалы цепей. Цепи должны быть износостойкими и прочными. Пластины цепей изготовляют из стали 50 с закалкой до твердости HRC 38 – 45, оси, втулки, ролики и вкладыши – из цементируемых сталей, например, 15; 20 с закалкой до твердости HRC 52 – 60.

Шаг цепи р является основным параметром цепной передачи и принимается по ГОСТу. Чем больше шаг, тем выше нагрузочная способность цепи, но сильнее удар звена о зуб в период набегания на звездочку, меньше плавность, бесшумность и долговечность передачи.

При больших скоростях выбирают цепи с малым шагом. В быстроходных передачах при больших мощностях рекомендуются также цепи малого шага: зубчатые большой ширины или роликовые многорядные. Максимальное значение шага цепи ограничивается угловой скоростью малой звездочки.

Звездочки по конструкции отличаются от зубчатых колес лишь профилем зубьев, размеры и форма которых зависит от типа цепи.

Методы расчета и построения профиля зубьев для роликовых, втулочных и зубчатых цепей проводят по ГОСТу.

Делительная окружность звездочек проходит через центры шарниров цепи. Из треугольника Оас (рисунок 9.3)

,                                               (9.1)

где z – число зубьев звездочки.

Для увеличения долговечности цепной передачи принимают по возможности большее число зубьев меньшей звездочки.

Рисунок 9.3 – Звездочка зубчатой передачи

При малом числе зубьев в зацеплении находится небольшое число звеньев, что снижает плавность передачи и увеличивает износ цепи из-за большого угла поворота шарнира.

Материал звездочек должен быть износостойким и хорошо сопротивляться ударным нагрузкам. Звездочки изготавливают из сталей 45, 40Х и других марок с закалкой или цементируемых сталей 15, 20Х и др. Перспективным направлением стало изготовление зубчатого венца звездочек из пластмасс, что понижает шум при работе передачи и износ цепи.

9.2. Кинематика цепной передачи

Скорость цепи и частота вращения звездочки

,                                               (9.2)

где z – число зубьев звездочки; р_ц – шаг цепи, мм; п – частота вращения звездочки, мин^-1.

Со скоростью цепи и частотой вращения звездочки связаны износ, шум и динамические нагрузки привода. Наибольшее распространение получили тихоходные и среднескоростные передачи с v до 15 м/с и n до 500 мин^-1. В быстроходных двигателях цепную передачу, как правило, устанавливают после редуктора.

Передаточное отношение

.                                                 (9.3)

Распространенные значения i до 6. При больших значениях i становится нецелесообразным выполнять одноступенчатую передачу из-за больших ее габаритов.

КПД передачи.

Потери в цепной передаче складываются из потерь на трение в шарнирах цепи, на зубьях звездочек и в опорах валов. Среднее значение КПД  = 0,96 – 0,98.

9.3. Основные геометрические соотношения в цепных передачах

Минимальное межосевое расстояние ограничивается минимально допустимым зазором между звездочками (30 – 50 мм):

,                                     (9.4)

где d_al, d_а2 – диаметры вершин зубьев ведущей и ведомой звездочек.

По соображениям долговечности цепи на практике рекомендуют принимать

а=(30 – 50)р_ц.                                  (9.5)

Нижние значения для малых i ≈ 2...3 и верхние для больших i ≈5 – 6.

Длина цепи, выраженная в шагах или числом звеньев цепи,

                       (9.6)

Значение L_p округляют до целого числа, которое желательно брать четным, чтобы не применять специальных соединительных звеньев. Для принятого значения L уточняют значение a. Из формулы (9.6) имеем

.           (9.7)

Передача работает лучше при небольшом провисании холостой ветви цепи. Поэтому расчетное межосевое расстояние рекомендуют уменьшить примерно на (0,002 – 0,004)а. Длина цепи увеличивается по мере износа шарниров, поэтому в конструкции должны быть предусмотрены специальные устройства для регулировки провисания цепи. Обычно этого достигают перемещением опор одного из валов или установкой специальных натяжных звездочек.

9.4. Усилия в ветвях цепи

Окружное усилие, передаваемое цепью,

,                                            (9.8)

где d_д –  диаметр делительной окружности звездочки.

Предварительное натяжение цепи от провисания ведомой ветви

F₀=K_faqg,                                        (9.9)

где а – длина свободной ветки цепи, приближенно равная межосевому расстоянию; g – ускорение силы тяжести; q – масса единицы длины цепи (по каталогу); K_f – коэффициент провисания, зависящий от расположения привода и стрелы провисания цепи f.

Натяжение цепи от центробежных сил

F_v=qv²,                                                                          (9.10)

где v – окружная скорость.

Сила F_v нагружает звенья цепи по всему ее контуру, но звездочками не воспринимается.

Натяжение ведущей ветви цепей работающей передачи (рис. 9.4)

F₁=F_t + F₀+F_v.                                                                     (9.11)

Натяжение ведомой ветви цепи

F₂=F₀ + F_U.                                              (9.12)

Благодаря тому, что шарнир сбегающего звена цепи упирается в зуб, усилие F₂ не передается на звенья, расположенные на звездочке.

Рисунок 9.4 – Эпюра усилий в звеньях цепи при работе передачи

9.5. Нагрузка на валы звездочек

Цепь действует на валы звездочек с силой

F_e=k_eF_t+2F₀,                                    (9.13)

где  – коэффициент нагрузки вала выбирают по таблицам из справочников в зависимости от характера нагрузки и наклона линии центров звездочек к горизонту.

9.6. Расчет цепной передачи на износостойкость

Критерии работоспособности. Долговечность цепи, определяемая износом шарниров – основной критерий для цепных передач.

Цепи, выбранные из условия износостойкости, обладают, как правило, достаточной прочностью.

Расчет передачи. Нагрузочная способность цепи определяется из условия, чтобы среднее давление р в шарнире звена не превышало допустимого [р], которое выбирают по таблице из справочников:

,                                    (9.14)

где F_t – окружное усилие, передаваемое цепью; А – площадь проекции опорной поверхности шарнира; для роликовых и втулочных цепей А = dB, d – диаметр оси; В – длина втулки; К – коэффициент эксплуатации.

К = К_дК_аК_сК_нК_регК_р,                                 (9.15)

здесь К_д – коэффициент динамической нагрузки; К_а – коэффициент межосевого расстояния или длины цепи; К_с – коэффициент смазки и загрязнения передачи; К_н – коэффициент наклона передачи к горизонту; К_рег – коэффициент способа регулировки натяжения цепи; К_р – коэффициент режима или продолжительности работы передачи в течение суток. Значения коэффициентов и рекомендации по выбору смазки цепных передач приведены в таблицах справочной литературы.

После замены в формуле (9.14) окружное усилие через момент Т₁ на малой звездочке, шаг цепи t и число зубьев 2, а площадь проекции опорной поверхности шарниров через шаг t, получим формулу для предварительного подбора шага роликовой и втулочной цепи:

,                                        (9.16)

где К_ряд – число рядов роликовой или втулочной цепи.

9.7. Последовательность расчета цепных передач

Исходные данные:

1. Мощность на валу ведущей звездочки Р₁.

2. Угловые скорости звездочек ₁ и .

3. Условия работы.

Последовательность расчета:

1. В зависимости от передаваемой мощности Р₁, предполагаемой скорости цепи и условий работы передачи выбирают тип цепи.

2. Определяют передаточное число передачи i.

3. По передаточному числу i принимают число зубьев малой звездочки z₁ (по таблице из справочника) и определяют число зубьев большой звездочки z₂ по формуле (9.3); при этом должно соблюдаться условие < z_2max = 120 – для роликовой цепи.

4. Определяют крутящий момент на малой звездочке Т₁.

5. Выбирают допускаемое давление в шарнирах [р], ориентируясь на меньшее значение при заданной  (по таблице из справочника).

6. Задаются расчетными коэффициентами К_д, К_а, К_н, К_с,К_рег, К_р (по рекомендациям из справочников) и определяют коэффициент эксплуатации К по формуле (9.15).

Информация в лекции "7а. Техническое обеспечение систем управления с УВМ" поможет Вам.

7. Определяют шаг цепи из условия износостойкости шарниров по формуле (9.16) и принимают ближайшее значение по стандарту.

8.  Принятый шаг проверяют по допустимой угловой скорости малой звездочки ₁ (по таблице из справочника). Если условие  не соблюдается, то увеличивают число рядов втулочной (роликовой) или ширину зубчатой цепи и расчет повторяют. В отдельных случаях принимают другой тип цепи.

9.  Определяют скорость цепи v по формуле (9.2) и передаваемое окружное усилие F_t по формуле (9.8).

10.Проверяют износостойкость цепи по формуле (9.14). Если условие р≤ [р] не соблюдается, то увеличивают шаг цепи или ее ширину и расчет повторяют.

11.Определяют геометрические размеры передачи по формулам (9.6) и (9.7).

КПД передачи зависит от потерь на трение в шарнирах цепи, на зубьях звездочек и на перемешивание масла при смазке окунанием. При нормальных условиях работы среднее значение КПД  = 0,92 – 0,97.