РАСЧЕТ ЦЕПНЫХ ПЕРЕДАЧ
Методические указания для курсового проектирования
и расчетно-графической работы
для студентов всех специальностей очной, заочной и заочной сокращенной форм обучения
Тюмень
ТюмГНГУ
Утверждено редакционно-издательским советом
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: А.А.Тарасенко, профессор, д.т.н.
В.Н. Кривохижа, профессор, к.т.н.
С.Ю. Михайлов, ассистент
© государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2011 г.
Введение
Изучение дисциплины “Детали машин и основы конструирования” заканчивается выполнением курсового проекта.
Курсовой проект по деталям машин - это поиск решения конструкторской задачи, основанный на выборе оптимальной конструкции из большого числа возможных вариантов. Объектом курсового проектирования являются приводы цепных и скребковых конвейеров, шаровой мельницы, шнекового питателя, элеватора, лебёдки.
Проект выполняется с целью закрепления знаний и навыков инженерного проектирования по основным разделам: расчёт цепных передач, расчёт зубчатых, червячных, ремённых передач, проектный и проверочный расчёт валов, подбор подшипников качения и проверка их по динамической грузоподъёмности, подбор и проверка шпонок на смятие, конструирование редуктора.
Курсовое проектирование узлов и деталей машин - сложная и трудоёмкая работа, требующая знаний дисциплин механического цикла, знаний инженерной графики и аккуратности при выполнении графической части проекта, умения пользоваться справочной литературой, государственными и отраслевыми стандартами. В имеющихся учебниках по дисциплине “Детали машин и основы конструирования” достаточно полно освещены вопросы расчёта на прочность, жёсткость и другие виды работоспособности деталей, но конкретных примеров расчёта недостаточно. В современной литературе нет примеров расчёта двухступенчатого редуктора, лишь в очень краткой форме приведены примеры расчёта отдельных деталей.
В данных методических указаниях основное внимание уделено подробному изложению вопросов расчёта цепных передач. Излагаемый материал расположен в том порядке, в котором следует работать над проектом. В методических указаниях даются рекомендации по оформлению пояснительной записки к курсовому проекту, а также приведены необходимые справочные материалы и выдержки из стандартов. Таким образом, материал данных методических указаний дополняют теорию, изложенную в учебниках и справочниках конкретным примером расчёта цепной передачи.
При выполнении расчета цепных передач необходимо произвести расчет геометрических параметров цепи, звездочек цепной передачи, определить силы действующие в передаче. Расчёт передачи необходимо выполнять по заданному моменту сопротивления или тяговому усилию на рабочей машине. При определении передаточного числа брать действительную частоту вращения электродвигателя при номинальной нагрузке.
Все расчёты и выкладки приводятся в расчётно-пояснительной записке, в конце которой даётся список использованной литературы.
Цепные передачи
Общие сведения и детали передач
Цепная передача – это механизм, служащий для преобразования вращательного движения между параллельными валами при помощи цепи 1 и звездочек 2 (рис. 1; рис. 7, 8 Прил.).
Рис.1 Цепная передача
Достоинства цепных передач:
1) возможность применения в значительном диапазоне межосевых расстояний; 2) меньшие, чем у ременных передач, габариты; 3) отсутствие проскальзывания; 4) высокий КПД; 5) относительно малые силы, действующие на валы; 6) возможность передачи движения нескольким звездочкам; 7) возможность легкой замены цепи.
Недостатки цепных передач:
1) неизбежность износа шарниров цепи из – за отсутствия условий для жидкостного трения; 2) шум и дополнительные динамические нагрузки; 3) необходимость организации системы смазки.
Цепные передачи широко применяют в нефтяном, горном, транспортном машиностроении и др. отраслях.
Цепи по назначению подразделяют на три группы:
1) грузовые – для закрепления грузов;
2) тяговые – для перемещения грузов в машинах непрерывного транспорта (конвейерах и др.);
3) приводные – для передачи движения. Грузовые и тяговые цепи рассматривают в курсе подъемно-транспортных машин. Приводные цепи изучают в курсе «Детали машин»
Основными типами приводных цепей являются шарнирные роликовые, втулочные и зубчатые цепи. Они стандартизованы и изготовляются специализированными заводами.
Главными характеристиками цепи являются шаг, ширина и разрушающая нагрузка. В обозначении приводных цепей указывают число рядов цепи (если оно больше одного), тип цепи, ее шаг и разрушающую силу.
Пример обозначения в соответствии с ГОСТ 13568-75-2ПР-25,4- 114000 – двухрядная приводная роликовая цепь с шагом рц=25,4 мм и разрушающей силой Fp=114000 Н.
Наиболее широко применяют роликовые цепи (рис.2), которые образуются из последовательно чередующихся внутренних и наружных звеньев. Внутренние звенья состоят из пластин 1 и запрессованных в их отверстия гладких втулок 4, на которых свободно вращаются ролики 5. Наружные звенья состоят из пластин 2 и запрессованных в их отверстия валиков 3.
Рис. 2.Однорядная роликовая цепь
Многорядные цепи с числом рядов от двух до восьми (рис.3) собирают из деталей с такими же размерами, что и однорядные, кроме валиков, имеющих соответственно большую длину
Рис.3 Двухрядная роликовая цепь
При больших динамических и ударных нагрузках, частых реверсах применяют роликовые цепи с изогнутыми пластинами (рис.4). В данных цепях пластины работают на изгиб и обладают повышенной податливостью.
Рис.4 Роликовая цепь с изогнутыми пластинами
Роликовые цепи применяют при окружных скоростях до 20 м/с. Многорядные цепи позволяют увеличивать нагрузку почти пропорционально числу рядов.
Втулочные цепи по конструкции аналогичны роликовым, но у них нет ролика 5. Вследствие этого износ цепи и звездочек увеличивается, но снижается масса и стоимость цепи. Втулочные цепи, согласно стандарту изготовляют одно - и двухрядными.
Согласно ГОСТу, приводные роликовые и втулочные цепи изготовляют следующих типов:
ПРЛ – роликовые легкой серии; ПР – роликовые нормальной серии; ПРД – роликовые длиннозвенные; ПРИ – роликовые с изогнутыми пластинами; ПВ – втулочные.
Зубчатые цепи (рис.5, а, б) состоят из набора пластин с двумя зубообразными выступами. Пластины цепи зацепляются с зубьями звездочки своими торцовыми плоскостями. Угол вклинивания 
принят равным 600.
Зубчатые цепи работают плавно, с меньшим шумом. Применяются они при больших значениях передаваемой мощности и высокой скорости движения цепи (до 35 м/с). В настоящее время зубчатые цепи вытесняются более дешевыми и технологичными прецизионными роликовыми цепями.
а) б)
Рис.5 (а, б) Зубчатые цепи
Звездочки приводных цепей профилируют и изготовляют в соответствии с государственными стандартами. Делительная окружность звездочки проходит через центры шарниров цепи (рис.6). Диаметр этой окружности определяется равенством
d=рц/sin(
/z) (1)
Рис.6. Профиль зубьев звездочки для роликовой цепи
Формула (1) справедлива и для звездочек зубчатых цепей. Профиль и размеры зубьев звездочек зависят от типа и размеров цепи. Конструкция зубчатых цепей такова, что делительный диаметр звездочки больше ее наружного диаметра и форма рабочего участка профиля прямолинейна (см. рис. 5,а).
Цепи и звездочки должны быть стойкими против износа и ударных нагрузок. Пластины цепей изготовляют из среднеуглеродистых качественных или легированных сталей 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, термообработка – объемная закалка с низким отпуском до твердости 40…50HRC.
Валики, втулки и ролики преимущественно выполняют из цементуемых сталей 15, 20, 15Х, 12ХН3, 18ХГТ и др., после цементации детали закаливают до твердости поверхности 45… 65 HRC.
Звездочки изготавливают из сталей 45, 40Х, 40ХН и др. с термообработкой до твердости 40…50HRC. Применяются в качестве материалов звездочек также чугуны и пластмассы.
Основные параметры цепных передач
Мощность
P=Ftˑ 
. (2)
Окружная сила на звездочках, Н,
Ft=2ˑ103ˑT1/d1 (3)
где T1- вращающий момент на ведущей звездочке, Нˑм; d1- делительный диаметр ведущей звездочки, мм.
Мощности, для передачи которых применяют цепные передачи, изменяются в пределах до 100 кВт.
Частоты вращения звездочек и скорость цепи ограничиваются силой удара в зацеплении, износом шарниров и шумом передачи.
Средняя скорость цепи, м/с,
=z1ˑn1ˑpц/60000 (4)
где z1 – число зубьев малой звездочки; n1 – частота вращения малой звездочки, мин –1; pц – шаг цепи, мм.
Скорость цепи в основном до 15 м/с, частота вращения звездочки n1 до 500 мин –1, хотя встречаются передачи с n1 до 3000 мин –1.
Передаточное отношение
u=n1 / n2=z2/z1(5)
Обычно u не превышает 7.
Числа зубьев звездочек. Число зубьев звездочек ограничивается износом шарниров, динамическими нагрузками и шумом передачи.
Минимальное число зубьев малой звездочки для силовых передач общего назначения выбирают по эмпирической формуле
z1min=29-2ˑu (6)
При низких частотах вращения z1min может быть уменьшено до 13. Для высокоскоростных передач с >20 м/с принимают z1min >35.
Число зубьев ведомой звездочки
z2=z1ˑu (7)
В результате изнашивания шарниров шаг цепи увеличивается и может произойти соскакивание или разрыв цепи. Этот процесс резче проявляется на звездочках с большим числом зубьев, поэтому максимальное число зубьев большой звездочки
z2max=120
Межосевое расстояние и длина цепи. Минимальное межосевое расстояние определяют из условий:
1) размещения звездочек
a min>0,5ˑ(De1+De2),
где De1 и De2 - наружные диаметры звездочек;
2) 
≥120°,
где - угол обхвата цепью малой звездочки.
Оптимальное межосевое расстояние по долговечности цепи
a =(30…50)ˑpц (8)
Меньшие значения a при малых передаточных отношениях.
Межосевое расстояние ограничивают величиной
amax=80ˑpц
Длина цепи, выраженная в шагах или числом звеньев цепи,
Lp= 
+ 
+ 
ˑ 
(9)
Полученное значение Lp округляют до ближайшего большего четного числа, чтобы не применять специальных соединительных звеньев.
Межосевое расстояние (без учета провисания цепи) определяют по формуле
(10)
Для обеспечения необходимого провисания цепи межосевое расстояние уменьшают на (0,002…0,004) a.
Длина цепи увеличивается по мере износа шарниров, поэтому в конструкции должны быть предусмотрены устройства для регулирования провисания цепи.
Расчет цепных передач
Критерии работоспособности цепных передач
Цепные передачи выходят из строя по следующим причинам.
1. Износ шарниров.
2. Усталостное разрушение пластин.
3. Усталостное выкрашивание и разрушение роликов.
4. Износ зубьев звездочек.
Ресурс цепных передач должен составлять 10…15 тыс. ч.
Основной расчет проводят по условию износостойкости шарниров цепи.
Давление в шарнирах не должно превышать допустимого в данных условиях эксплуатации
(11)
где Кэ-коэффициент эксплуатации;
Ft-окружная сила на звездочках, Н;
A -площадь проекции опорной поверхности шарнира, мм2;
[p]- допускаемое давление, МПа при Кэ=1.
Для стандартных цепей A определяется по табл.1 в зависимости от шага рц.
Таблица 1.
Основные параметры приводных роликовых цепей
| Обозначение цепи | Шаг цепи pц, мм | А, мм2 | Разрушающая нагрузка Fp, кН | Масса 1 м цепи, q, кг/м |
| ПР-8-460 ПР-9,525-910 ПР-12,7-1000-1 ПР-12,7- 900-2 ПР-12,7-1820-1 ПР-12,7-1820-2 ПР-15,875-2300-1 ПР-15,875-2300-2 ПР-19,05-3180 ПР-25,4-6000 ПР-31,75-8900 ПР-38,1-12700 ПР-44,45-17240 ПР-50,8-22680 | 8,00 9,525 12,7 12,7 12,7 12,7 15,875 15,875 19,05 25,4 31,75 38,1 44,45 50,8 | 4,60 9,10 10,00 9,00 18,2 18,2 23,0 23,0 31,8 60,0 89,0 127,0 172,4 226,8 | 0,20 0,45 0,30 0,35 0,65 0,75 0,80 1,0 1,9 2,6 3,8 5,5 7,5 9,7 |
Примечание:1. А - площадь проекции шарнира; 2. В обозначениях цепи кроме шага, разрушающей нагрузки указаны габариты по ширине (1 или 2). 3. Цепи, отмеченные звездочкой, изготовляют также двухрядными и трехрядными.
Коэффициент эксплуатации Кэ представляют в виде частных коэффициентов:
Кэ=КдKaKнКрегКсКреж (12)
Здесь К д - коэффициент динамической нагрузки (табл.2); Ka - коэффициент межосевого расстояния или длины цепи (табл.3); Kн - коэффициент наклона передачи к горизонту (табл.4);
К рег - коэффициент способа регулировки натяжения цепи (табл.5); Кс - коэффициент смазки и загрязнения передачи (табл.6); Креж - коэффициент режима работы передачи (табл.7).
Таблица 2
Значения коэффициента К д, учитывающего динамичность передаваемой нагрузки
| Характер нагрузки | К д |
| Нагрузка равномерная или близкая к ней Нагрузка переменная Нагрузка ударная | 1,2…1,5 1,6…1,9 |
Таблица 3
Значения коэффициента Ка, учитывающего межосевое расстояние
| Межосевое расстояние | Ка |
| а≤25 рц а=(30…50)рц а≥(60…80)рц | 1,25 1,0 0,8 |
Таблица 4
Значения коэффициента Кн, учитывающего наклон передачи к горизонту
| Линия центров звездочек наклонена к горизонту | Кн |
| до 60º больше 60º | 1,0 1,25 |
Таблица 5
Значения коэффициента Крег, учитывающего способ регулировки натяжения цепи
| Регулировка натяжения цепи осуществляется: | Крег |
| перемещением оси одной из звездочек оттяжными звездочками или нажимными роликами не регулируется | 1,0 1,1 1,25 |
Таблица 6
Значения коэффициента Кс, учитывающего влияние характера смазывания
| Характер смазывания: | Кс |
| непрерывное смазывание в масляной ванне или от насоса регулярное капельное или внутришарнирное смазывание нерегулярное смазывание | 0,8 1,0 1,5 |
Таблица 7
Значения коэффициента Креж, учитывающего влияние режима работы передачи
| Работа передачи: | Креж |
| односменная двухсменная трехсменная | 1,0 1,25 1,45 |
Допускаемое давление в шарнирах цепи в зависимости от шага и
частоты вращения ведущей звездочки приведены табл.8.
Таблица 8
Допускаемое давление [p],МПа в шарнирах цепи в зависимости от шага и частоты вращения звездочки
| Шаг рц, мм | Частота вращения малой звездочки, мин-1 | |||||||
| 12,7… 15,875 | 31,5 | 28,5 | 22,5 | 18,5 | ||||
| 19,05…25,4 | 23,5 | 17,5 | ||||||
| 31,75…38,1 | 18,5 | 16,5 | - | |||||
| 44,45…50,8 | 17,5 | - | - | - |
При проектном расчете ориентировочное значение шага однорядной цепи
рц 
(13)
По таблицам ГОСТ 13568 – 78 выбирают цепь, шаг которой наиболее близок к рассчитанному и соответствующей ему площади проекции шарнира А или по табл. 1.
Если однорядная цепь недостаточна или имеет слишком большой шаг, то применяют многорядную цепь.