Критерии работоспособности цепных передач
Цепные передачи выходят из строя по следующим причинам:
1. Износ шарниров, приводящий к удлинению цепи, увеличению шага цепи и, как следствие, к нарушению ее зацепления с зубьями звездочек.
2. Усталостное разрушение пластин по проушинам, характерное для закрытых быстроходных тяжелонагруженных передач, работающих при хорошем смазывании, когда износ шарниров не является определяющим.
3. Проворачивание валиков и втулок в пластинах в местах запрессовки, связанное с низким качеством изготовления.
4. Усталостное выкрашивание и разрушение роликов.
5. Недопустимое провисание ведомой ветви цепи, характерное для передач с нерегулируемым межосевым расстоянием при отсутствии натяжных устройств.
6. Износ зубьев звездочек.
Ресурс цепных передач в стационарных машинах должен составлять 10…15 тыс. ч., он чаще всего ограничивается долговечностью цепи.
Материалы и термическая обработка деталей цепей
Пластины цепей должны обладать высоким сопротивлением усталости, поэтому их изготовляют из среднеуглеродистых качественных или легированных сталей 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, 30ХН3А, термообработка – объемная закалка с низким отпуском, твердость обычно 40…50HRCЭ.
Основное требование к деталям шарниров – валикам и втулкам – износостойкость рабочих поверхностей. Валики и втулки преимущественно выполняют из цементуемых сталей 15, 20, 15Х, 12ХН3, 18ХГТ и др., после цементации или газового цианирования детали закаливают до твердости поверхности 56…65HRCЭ. Термодиффузионное хромирование деталей шарниров повышает ресурс цепи по износу в 3…12 раз по сравнению с цементацией.
Твердость поверхности роликов должна быть не ниже 43,5HRCЭ.
Основные параметры цепных передач
Мощности, для передачи которых применяют цепные передачи, изменяются от долей до сотен киловатт, обычно до 100 кВт; межосевые расстояния достигают 8 м.
Частоты вращения звездочек и скорость цепи ограничиваются величиной силы удара в зацеплении, износом шарниров и шумом передачи. Скорость цепи обычно до 15 м/с, но в передачах высокого качества при эффективном смазывании достигает 35 м/с.
Средняя скорость цепи, м/c,
, (13.1)
где 
– число зубьев малой звездочки; 
– частота ее вращения, мин-1;
P – шаг цепи, мм.
Передаточное отношение определяют из условия равенства средней скорости цепи на звездочках (см. рис. 13.1):
Отсюда передаточное отношение
. (13.2)
Здесь 
- число зубьев большой (ведомой) звездочки; 
- частота ее вращения, мин-1.
Передаточное отношение ограничивается габаритами передачи, диаметром большой звездочки, малостью угла охвата цепью малой звездочки. Обычно u не превышает 7.
Числа зубьев звездочек. Минимальные числа зубьев звездочек ограничиваются износом шарниров, динамическими нагрузками и шумом передачи. Чем меньше число зубьев звездочки, тем больше износ, так как угол поворота звена при набегании цепи на звездочку и сбегании с нее равен 
.
Минимальное число зубьев малой звездочки для силовых передач общего назначения выбирают по эмпирической зависимости
(13.3).
При низких частотах вращения 
может быть уменьшено до 13. Для высокоскоростных передач с 
м/с принимают 
.
Число зубьев большой (ведомой) звездочки:
(13.4).
По мере износа шаг цепи увеличивается и ее шарниры поднимаются по профилю зуба звездочки на больший диаметр, что может привести в конечном счете к выходу цепи из зацепления со звездочкой. При этом предельно допустимое увеличение шага цепи тем меньше, чем больше число зубьев звездочки. Поэтому максимальное число зубьев большой звездочки:
(13.5)
Предпочтительно принимать нечетное число зубьев звездочек (особенно малой), что в сочетании с четным числом звеньев цепи способствует равномерному износу шарниров цепи и зубьев звездочек. По этой же причине желательно выбирать число зубьев малой звездочки из ряда простых чисел.
|
| Рис. 13.5 |
Делительные диаметры звездочек определяют по расположению центров шарниров цепи на зубьях звездочек. Из рассмотрения треугольника АОВ на схеме малой звездочки цепной передачи (рис. 13.5) следует:
,
где 
- угловой шаг, 
, - число зубьев малой звездочки. Тогда делительные диаметры малой и большой звездочек (мм):
, 
(13.6)
Межосевое расстояние и длина цепи. Минимальное межосевое расстояние определяют из условий:
1. размещения звездочек
,
где 
и 
- наружные диаметры звездочек.
2. 
, где 
- угол охвата цепью малой звездочки.
Оптимальное межосевое расстояние
. (13.7)
При 
наблюдается ускоренный износ шарниров цепи в связи с повышенной частотой входа каждого шарнира в зацепление. При 
даже небольшой износ каждого шарнира цепи вызывает значительное удлинение цепи, что приводит к нарушению зацепления цепи с зубьями звездочек. Обычно межосевое расстояние ограничивают величиной
(13.8)
Формула для определения длины цепи получена по аналогии с формулой для длины ремня (см. 14.5), число звеньев получают делением длины цепи на шаг. Число звеньев цепи 
зависит от межосевого расстояния 
, шага 
и чисел зубьев звездочек и :
. (13.9)
Полученное значение округляют до ближайшего большего четного числа. Четное число звеньев цепи позволяет избежать применения переходных звеньев при соединении концов цепи.
Межосевое расстояние (без учета провисания цепи) определяют из (13.9) как больший корень квадратного уравнения:
. (13.10)
Цепь должна иметь некоторое провисание во избежание повышенной нагрузки на цепь и валы от силы натяжения и радиального биения звездочек. Для этого межосевое расстояние уменьшают на (0,002…0,004) .
Окружная сила на звездочках (Н):
, (13.11)
где 
- вращающий момент на ведущей звездочке, 
,
- делительный диаметр ведущей звездочки, 
,
- мощность на ведущей звездочке, 
,
- скорость движения цепи, 
.
Расчет цепных передач
Предварительный расчет начинают с определения величины статической разрушающей силы проектируемой цепи
(13.12),
где 
- коэффициент безопасности, зависящий от степени ответственности передачи, точности определения действующих нагрузок и коррозионного воздействия на передачу. Минимальные значения коэффициента безопасности принимают при отсутствии коррозии 
, при активной коррозии 
.
По найденному значению 
по стандартам на приводные цепи находят несколько вариантов цепи, для которых разрушающая сила несколько больше требуемой 
. Найденные варианты различаются шагом, числом рядов и типом цепи. Предварительный расчет, как правило, не позволяет выбрать единственный наиболее целесообразный вариант, а лишь очерчивает область возможных решений.
Основной расчет передачи проводят по условию износостойкостишарниров цепи.
Давление в шарнирах не должно превышать допустимого в данных условиях эксплуатации. Давление в шарнирах 
связывают с путем трения 
зависимостью
, (13.13)
где 
- для конкретных условий эксплуатации некоторая постоянная величина, 
- показатель степени, зависящий от вида трения в шарнирах, при хорошем смазывании 
, при недостаточном смазывании находится в пределах от 1 до 2.
Условное давление в шарнирах цепи в предположении нулевого зазора между валиком и втулкой и равномерного распределения давления в шарнире
, (13.14)
где 
- коэффициент эксплуатации; 
- окружная сила на звездочках, Н; 
- площадь проекции шарнира на диаметральное сечение, мм2, 
- допустимое давление, МПа, для средних эксплуатационных условий, при которых 
.
Площадь проекции шарнира
, (13.15)
где 
- диаметр валика; 
- длина втулки (рис. 13.3). Для стандартных цепей определяется по таблицам в зависимости от шага .
Коэффициент эксплуатации представляют в виде частных коэффициентов:
. (13.16)
Коэффициент 
учитывает динамичность нагрузки, при спокойной нагрузке 
; при нагрузке с толчками 1,2…1,5; при сильных ударах 1,8. Коэффициент 
учитывает влияние длины цепи (межосевого расстояния), чем длиннее цепь, тем реже каждое звено входит в зацепление со звездочкой и тем меньше износ в шарнирах; при 
принимают 
; в других случаях 
, где 
- длина цепи при 
, 
- длина рассчитываемой цепи. Коэффициент 
учитывает влияние наклона линии центров звездочек передачи к горизонту; чем больше наклон передачи, тем меньше допустимый суммарный износ цепи; при угле наклона 
при 
. Коэффициент 
учитывает влияние регулировки цепи; для передач с регулировкой положения оси одной из звездочек 
, для передач с нерегулируемым положением звездочек 
. Коэффициент 
учитывает влияния характера смазывания; при непрерывном смазывании в масляной ванне или от насоса 
;при регулярном капельном или внутришарнирном смазывании 
, при нерегулярном смазывании 1,5. Коэффициент 
учитывает влияние режима работы передачи, из зависимости (13), учитывая пропорциональность пути трения и числа смен 
работы передачи в сутки, получают 
. Коэффициент 
учитывает влияние температуры окружающей среды, при 
принимают 
; при экстремальных условиях 
.
Если по расчету значение коэффициента 
, то возможности передачи используются недостаточно и следует принять меры по улучшению условий работы.
Проверочные расчеты передачи проводят при значительных отличиях реальных условий эксплуатации от средних. Проверку на прочность при пиковыхперегрузках проводят для передач землеройных, сельскохозяйственных и других машин, при работе которых возникают неучитываемые предельные состояния (встреча с непрогнозируемым препятствием). Условие прочности
, (13.17)
где 
- кратность кратковременной перегрузки.
Для тяжелонагруженных быстроходных передач (при скорости цепи м/с) проводят расчет деталей на сопротивление усталости. По этому критерию разрушающую силу определяют раздельно для пластин 
, валиков 
, втулок 
и роликов 
. Допускаемая окружная сила на звездочках по условию сопротивления усталости
, (13.18)
где 
- меньшая сила из 
и ; - коэффициент безопасности.
Точное определение ресурса цепи по износу шарниров весьма затруднительно. Интенсивность изнашивания шарниров цепей при изменении конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов в пределах, характерных для реальных машин, изменяется от 0,00001 до 1000 мкм на 1 м пути трения. Поэтому расчет приводных цепей на износ по единой зависимости пока невозможен.
С достаточной точностью такие расчеты выполняют по методу подобия, согласно которому срок службы рассчитываемой приводной цепи
, (13.19)
где 
- ресурс цепи в эталонной передаче, ч; 
- коэффициент, учитывающий отличия в конструкции, технологии и эксплуатации реальной передачи от эталонной.