Лекция по дисциплине "Техническая механика". Тема "Цепные передачи"

Лекция по дисциплине «Техническая механика»

Тема: «Цепные передачи»

1.        Общие сведения о цепных передачах

В цепных передачах энергия передается посредством зацепления гибкой связи – цепи с зубьями звездочек – цепных колес, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Достоинства цепных передач (по сравнению с ременными, тоже передачами гибкой связью):

* постоянство среднего передаточного отношения из-за отсутствия проскальзывания;

* достаточно высокий КПД – до 98 %;

* меньшая нагрузка на валы и подшипники, так как нет необходимости в большом начальном натяжении;

* возможность передачи вращения одной ведущей звездочки нескольким ведомым, с разным направлением их вращения (см. рисунок 1.1);

                             Рисунок 1.1

* компактность;

* возможность применения при больших межосевых расстояниях и жестких требованиях соблюдения постоянства передаточного числа.

Недостатки:

* чувствительность к неточностям монтажа;

* удлинение цепи из-за износа шарниров и, как следствие, неравномерность хода цепи и возможность соскакивания ее со звездочек;

* сложность подвода смазки к шарнирам, плохая защищенность от пыли и грязи;

* невозможность передачи между непараллельными валами;

* повышенные вибрации и шум, особенно при работе на высоких скоростях;

* невозможность реверсивного движения без предварительной остановки.

Цепные передачи могут передавать мощности от самых малых до 5000 кВт, при окружных скоростях  (чаще же Р ≤ 100 кВт при v ≤ 15 м/c).  Применяются они в сельскохозяйственных и транспортирующих машинах, в строительном, горном, нефтяном оборудовании.

Цепи бывают:

* грузовые, служащие для подвески, подъема и опускания грузов, применяющиеся в грузоподъемных машинах;

* тяговые, служащие для перемещения грузов, применяющиеся в машинах непрерывного транспорта;

* приводные, применяющиеся в цепных передачах (в курсе «Детали машин» именно они и изучаются), подразделяющиеся на втулочные (однорядные ПВ, двухрядные 2ПВ); втулочно-роликовые или роликовые (однорядные нормальные повышенной точности ПР, двух-трех-четырехрядные 2ПР-3ПР-4ПР, усиленные ПРУ, длиннозвенные ПРД, с изогнутыми пластинами ПРИ); фасоннозвенные; зубчатые.

Роликовая цепь (рисунок 1.2: 1 – внутреннее звено; 2 – внешнее звено; 3 ось; 4 – втулка; 5 – ролик; 6 – зуб звездочки),  представляющая  собой  ряд  шарнирно сочлененных   звеньев, в сельскохозяйственном производстве применяется наиболее широко. Ролики этой цепи перекатываются по поверхности зубьев звездочек, что увеличивает долговечность передач (по сравнению со втулочными цепями, где имеет место скольжение втулок по зубьям).

Решающее же значение для долговечности цепей имеют материалы и термическая обработка их элементов.

Пластины выполняют из среднеуглеродистых или легированных закаливаемых сталей 45, 50, 40Х, 40ХН, 30ХН3А твердостью 40…50 HRC.

Детали шарниров – валики и втулки, ролики – выполняют из цементируемых сталей, преимущественно легированных  12ХН3, 20ХН3А,  20Х2Н4А,  30ХН3А с закалкой до 55…65 HRC.

Многократно повышают ресурс цепей газовое цианирование, диффузионное хромирование, дробеструйная обработка рабочих поверхностей шарниров.

                                                                  Рисунок 1.2

2.         Кинематика и динамика цепной передачи

Звенья цепи, находящиеся в зацеплении со звездочкой, располагаются по ней в виде сторон многоугольника, поэтому за один оборот звездочки цепь перемещается на величину периметра многоугольника, сторона которого равна шагу р, а число сторон - числу зубьев звездочки z.

В процессе работы звено цепи, вошедшее в зацепление с ведущей звездочкой в данный момент времени последним, ведет цепь до поворота этой звездочки на один угловой шаг , а потом уступает место следующему звену. При этом средняя окружная скорость                                    

где d – диаметр делительной окружности звездочки, по которой располагаются центры шарниров цепи.

Скорость  может быть разложена на две составляющие (см. рисунок 1.3):

*  для находящегося в зацеплении шарнира А, направленная вдоль ветви зацепления (т.е. скорость цепи);

*  направленная перпендикулярно

                                                          Рисунок 1.3

           текущее значение угла  изменяющееся  в пределах ,  где 

 на момент входа в зацепление шарнира А;     для шарнира В.

Продольная скорость цепи на ведомой звездочке

                 Тогда      

и мгновенное передаточное отношение (мгновенное потому, что  и  - сиюминутные текущие значения)               

Для практических же расчетов используют усредненную величину передаточного числа                                                               

Составляющая  меняя величину и направление (см. рис. 6.3, скорости  и  на шарнирах А и В), вызывает колебание ветвей цепи. Но так как значение  и диапазон  сравнительно невелики (ибо   достаточно значительно даже у ведущих – малых звездочек, и угол   мал), влиянием   пренебрегают, и расчет   производят по средней скорости .

3.       Основные параметры цепной передачи

При определении основных параметров цепной передачи исходят из того, что центры шарниров, находящихся в зацеплении, располагаются по делительной окружности звездочки. Диаметр этой окружности (см. рисунок 1.4) определяется из соотношения

                       откуда    

Наружные диаметры звездочек определяются по зависимостям:

       

где  диаметр ролика цепи.

Диаметры окружностей впадин звездочек        

                                                                     Рисунок 1.4

где  радиус впадин звездочек.

Радиус головки зубьев звездочек

Минимальное межосевое расстояние цепной передачи ограничивается минимально допустимым зазором между звездочками 

                   

Максимальное межосевое расстояние          

При превышении этого значения цепь чрезмерно натягивается силой собственного веса, от чего дополнительно нагружаются и опоры валов передачи.

Оптимальное межосевое расстояние

при этом рекомендуется числовой множитель принимать тем больше,  чем больше передаточное число.

Число   зубьев ведущей звездочки или принимают из таблиц справочников, в зависимости от типа цепи и величины передаточного числа  или, чаще, определяют по эмпирической формуле

Затем находят число зубьев ведомой звездочки

с округлением до целого числа и уточнением

При этом учитывают, что чем меньше   , тем больше износ, так как угол поворота звена цепи на звездочке равен  и при малом  увеличивается угол поворота шарниров, а значит, увеличивается путь трения.

Число звеньев цепи определяют по формуле

с округлением до большего целого числа, как правило, четного, чтобы не применять для соединения концов цепи специальных звеньев с изогнутыми пластинами, которые склонны к растяжению-распрямлению и снижают надежность работы цепи.

Как видно из вышеприведенных зависимостей, основным геометрическим параметром, не зная которого, нельзя определить  и, значит, нельзя выбрать цепь, является шаг цепи

Наиболее часто шаг цепи определяют с учетом влияния внешних факторов на работу передачи, оцениваемых коэффициентом эксплуатации цепи

где к_дин – коэффициент  динамичности нагрузки;

      к_а      - учитывает влияние длины цепи: чем она больше, тем реже каждое звено входит в зацепление, и тем меньше, при прочих равных условиях, износ шарниров (поэтому, в частности, и  округляют до большего четного числа);

         к_н      - учитывает влияние наклона линии центров

звездочек к горизонту;

     к_рег  - учитывает способ регулировки натяжения цепи;

      к_см   - учитывает влияние способа смазки цепи;

     к_реж  - учитывает влияние режима работы передачи.

Шаг цепи                             

где крутящий момент на ведущем валу передачи:

        коэффициент рядности цепи;

        допустимое давление в шарнирах цепи, определяемое из таблиц в зависимости от предполагаемого шага цепи. Из-за этого параметра использование данной формулы для нахождения шага цепи представляется нелогичным: для расчета шага нужно сначала, из не всегда ясных соображений, предположить, каким этот шаг будет.

Поэтому, в ряде случаев, рекомендуется использовать формулу

где учитывает влияние частоты вращения ведущей звездочки  на  усталостную  прочность  цепи среднескоростной передачи. 

      то же для низкоскоростной передачи.

Рассчитанный шаг округляют до стандартного, и по нему выбирают цепь, выписывая для нее из таблицы каталога марку, разрушающую нагрузку , кН, погонную массу  , кг/м, диаметр валика  и ширину шарнира .

Теперь имеются все данные для конструирования передачи. Но нужно быть уверенным в том, что, сконструированная по найденным параметрам, она не выйдет преждевременно из строя.

К выходу цепи из строя могут привести:

* износ шарниров – основной критерий работоспособности передачи, вызывающий удлинение цепи и нарушение ее зацепления со звездочками;

* усталостное разрушение пластин по проушинам – у быстроходных тяжелонагруженных закрытых хорошо смазываемых роликовых цепей;

* проворачивание валиков и втулок в пластинах – при низком качестве изготовления цепей;

* выкрашивание и разрушение роликов;

* предельное провисание холостой ветви цепи – при нерегулируемом межосевом расстоянии и отсутствии натяжных устройств;

* износ зубьев звездочек.

Из этого перечня причин видно, что срок службы передачи чаще всего ограничивается долговечностью цепи, а долговечность, в первую очередь, зависит от износостойкости шарниров.

Поэтому выбранную цепь проверяют:

* По коэффициенту запаса прочности цепи      

где  общее натяжение ведущей ветви цепи, Н.

         окружная сила;

         натяжение цепи от центробежных сил;

        натяжение от провисания цепи;

          учитывает положение передачи к горизонту;

          минимально допустимый коэффициент запаса прочности цепи.

* По среднему давлению в шарнирах

* По числу ударов цепи в секунду