Исчерпывающее руководство по цепным передачам и типам цепей: базовые знания для инженеров

​

Цепные передачи выделяются как важное решение для механической передачи энергии и широко используются для передачи мощности между компонентами — как на большие расстояния (например, в морских двигателях высотой в пять этажей), так и на короткие (например, в велосипедах). Они входят в число пяти самых распространенных методов механической передачи энергии наряду с муфтами, зубчатыми передачами, ременными передачами и передачами с использованием ходовых винтов. У каждого метода есть свои уникальные преимущества и недостатки, поэтому инженерам необходимо тщательно учитывать эти факторы, чтобы сделать оптимальный выбор для конкретного применения. В этой статье рассматриваются основы цепных передач, их классификация, распространенные типы цепей, критерии выбора, а также основные преимущества и недостатки.

Что такое цепные передачи?

Цепная передача — это механическая система передачи энергии, в которой для передачи мощности с одного места на другое используется цепь. Типичная цепная передача состоит из двух или более звездочек (зубчатых колес) и самой цепи, при этом отверстия в звеньях цепи надеваются на зубья звездочек.
Когда приводной агрегат (например, электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания) вращается, он поворачивает прикрепленное к его валу зубчатое колесо. Это вращение приводит в движение цепь, охватывающую зубчатое колесо, которая затем прикладывает механическое усилие к ведомому валу, эффективно передавая мощность.

Основные сравнения с другими методами передачи

По сравнению с ременными передачами: В отличие от ременных передач, цепные передачи обеспечивают нулевое проскальзывание, гарантируя постоянное передаточное число. Это устраняет задержку передачи мощности, делая их идеальными для применений, таких как цепи газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания. Единственная потеря мощности в цепных передачах возникает из-за трения между звеньями цепи и зубчатыми колесами, что обеспечивает более высокую механическую эффективность.
По сравнению с зубчатыми передачами: Цепные передачи более гибки в отношении рабочего расстояния. Они превосходны, когда валы расположены дальше друг от друга, чем это могут обеспечить зубчатые передачи, при этом сохраняя компактную конструкцию. Кроме того, одной цепью можно одновременно приводить несколько валов — функцией, которой зубчатые передачи редко обладают.

Типы цепных приводов (по функции)

Цепные приводы делятся на три основные категории в зависимости от их основного назначения, каждая из которых предназначена для удовлетворения конкретных потребностей применения:

1. Цепные приводы для передачи мощности

 Созданные исключительно для передачи мощности между двумя валами, эти цепные приводы решают распространенную проблему: большинство машин, вырабатывающих энергию (например, двигатели насосов), не могут использовать производимую ими энергию на месте.
Распространенные применения: велосипеды, сельскохозяйственная техника, компрессоры и распределительные валы двигателей — все они используют цепи передачи мощности для перемещения энергии от источника к месту использования.

2. Цепные приводы конвейеров

Цепные приводы конвейеров специализируются на транспортировке материалов. Они имеют сотни конструкций с разными свойствами, такими как низкое трение, устойчивость к высоким температурам, химическая стойкость, антистатические или магнитные характеристики. К цепям также могут добавляться различные приспособления для удовлетворения разнообразных потребностей.
Области применения: Широко используется в упаковочной промышленности, автомобилестроении, производстве продуктов питания и напитков, фармацевтике и текстильной промышленности для эффективной транспортировки материалов.

3. Цепные передачи для подъема и тяги

Эти цепные передачи используются в оборудовании для подъема и опускания тяжелых грузов, часто работают совместно с блоками, чтобы уменьшить усилия. Примерами являются цепные тали (ручные, электрические или пневматические), которые широко применяются в гаражах, мастерских, на строительных площадках, в судовых машинных отделениях и на заводах, способны поднимать/опускать грузы до 20 тонн.
Подъемные цепи дополнительно делятся на два подтипа:

Эллиптические цепи (катаные цепи): Используются для подъема средних и небольших грузов на низкой скорости. Их звенья эллиптические и соединены между собой сваркой. Иногда применяются цепи с квадратными звеньями, однако их обычно избегают из-за плохого распределения напряжений и скручивания.
Цепи с поперечинами: Предпочтительны для применения в тяжелых условиях. Каждое звено имеет установленную в его внутренней ширине поперечину, которая предотвращает запутывание и повышает прочность и долговечность. Они часто используются в якорях судов и другом оборудовании для тяжелых подъемных операций.

Распространенные типы цепей в цепных передачах

Пять типов цепей доминируют в промышленных и коммерческих приложениях, каждый из которых имеет уникальную структуру и преимущества:

1. Роликовые цепи (втулочные роликовые цепи)

Самый известный тип цепей, роликовые цепи (или втулочные роликовые цепи) широко используются для передачи мощности в велосипедах, мотоциклах и транспортном оборудовании. Обычно они изготавливаются из углеродистой стали или сплавов стали.
Конструкция: Состоит из внутренних пластин (роликовых пластин), наружных пластин (пластин штифтов), втулок, штифтов и роликов. Ролики равномерно размещены между звеньями, зацепляясь с зубьями звездочки для передачи мощности.
Ключевые преимущества: Ролики вращаются по мере необходимости при контакте с зубьями звездочки, минимизируя потери мощности. Для приводных цепей высота роликовых пластин (с обеих сторон роликов) превышает диаметр ролика — предотвращая контакт боковых пластин со звездочками и обеспечивая направляющий эффект для избежания соскальзывания цепи. Для конвейерных роликовых цепей диаметр ролика больше высоты боковых пластин, что исключает контакт боковых пластин с направляющими конвейера и снижает трение. Многорядные роликовые цепи доступны для задач с высокой мощностью, позволяя использовать более низкие скорости и меньшие шаги при тех же нагрузках.

2. Бесшумные цепи (Цепи с перевернутыми зубьями)

Традиционные цепные приводы часто шумят, что делает их непригодными для использования в шумочувствительных зонах, таких как закрытые помещения, шахты или жилые районы. Бесшумные цепи (или цепи с перевернутыми зубьями) решают эту проблему, работая тихо и передавая высокую мощность на высоких скоростях.
Конструкция: Изготовлена из плоских пластин, уложенных в ряды и соединенных одной или несколькими шпильками. Нижняя часть каждой звеньевой пластины имеет профиль, соответствующий зубьям звездочки, для плавного зацепления.
Характеристики: Грузоподъемность, прочность на растяжение и ширина цепи увеличиваются с увеличением количества плоских пластин на звено.

3. Пластинчатые цепи

Самый простой тип цепей, пластинчатые цепи состоят только из шпилек и пластин — пластины чередуются как звенья шпильки и звенья шарнира. Они не зацепляются со звездочками; вместо этого они движутся по направляющим роликам.
Применение: Идеальны для подъема и балансировки, например, в лифтах, погрузчиках, штабелерах и мачтах лифтов. Эти низкоскоростные машины подвергают цепи высоким статическим нагрузкам и минимальным рабочим нагрузкам, и пластинчатые цепи отлично справляются с ударными и инерционными нагрузками.
Критическое требование: Должна выдерживать высокое растягивающее напряжение без удлинения или разрыва и обладать достаточной пластичностью, чтобы противостоять усталости. Во время проектирования необходимо учитывать смазку и окружающие условия.

4. Плоскоповерхностные цепи

Используются исключительно для транспортировки. Цепи с плоской верхней поверхностью заменяют ленточные конвейеры и ременные передачи; материалы можно транспортировать непосредственно по их звеньям.
Конструкция: Отдельные звенья, как правило, изготавливаются из стальных пластин с цилиндрическими полыми выступами на нижней стороне. Через эти выступы проходят пины, соединяющие соседние звенья и обеспечивающие движение только в одном направлении. Специализированные цепи с плоской верхней поверхностью могут изгибаться в боковом направлении (за счет модифицированной конструкции пинов), что позволяет конвейеру перемещаться по криволинейной траектории.
Область применения: Используются в конвейерах с низкой скоростью для транспортировки материалов в сборочных линиях.

5. Инженерные стальные цепи

Инженерные стальные цепи были разработаны в 1880-х годах для эксплуатации в тяжелых условиях и в сложных приложениях. Они изготавливаются из горячекатаной стали (иногда подвергается термообработке для увеличения прочности), а между компонентами предусмотрены более крупные зазоры, чтобы выдерживать воздействие пыли, грязи и абразивных веществ во время работы.
Современное применение: В основном используются как транспортерные цепи для перемещения грузов, но некоторые применяются в качестве приводов. Они используются в конвейерах, погрузчиках, ковшовых элеваторах и нефтяных буровых установках — с улучшенной прочностью, износостойкостью, грузоподъемностью и шагом, чтобы соответствовать современным промышленным требованиям.

Как выбрать правильный цепной привод

Выбор правильного цепного привода требует оценки потребностей применения, чтобы исключить неподходящие варианты. Основные факторы, которые необходимо учитывать:

1. Нагрузка

Определите передаваемую мощность — цепь должна выдерживать мощность, генерируемую первичным двигателем. Точные расчеты критичны для безопасности, и рекомендуется достаточный запас прочности.

2. Скорость цепи

Не все цепные приводы работают на высоких скоростях; некоторые предназначены для низких скоростей. Рассчитайте необходимую скорость и убедитесь, что она находится в пределах рекомендованного диапазона для цепи, чтобы сузить варианты выбора.

3. Расположение валов

Большинство цепных приводов работают только с параллельными валами. Если валы не выровнены, возможно, лучше подойдет зубчатый привод.

4. Расстояние между осями

Рекомендуемое расстояние между осями должно составлять 30–50 шагов цепи. Кроме того, необходимо обеспечить минимальную дугу контакта 120° на малой звездочке; если звездочка имеет небольшое количество зубьев, в любой момент времени должно быть не менее пяти зубьев, находящихся в зацеплении с цепью.

5. Условия эксплуатации

Условия окружающей среды определяют требования к цепи в части устойчивости к влаге, грязи, абразивным частицам, коррозии и высоким температурам. Они также влияют на вибрацию, уровень шума и усталостную прочность. Например, в местах, чувствительных к шуму, предпочтение отдается обращенным зубчатым цепям (бесшумным цепям).

6. Смазка

Большинству цепных передач требуется смазка для увеличения срока службы. Тип цепи, ее размер, нагрузка и скорость определяют способ смазки (ручной, капельный, масляная ванна или принудительная смазка). Доступны самосмазывающиеся цепи — они используют втулки из маслонаполненного спеченного пластика или металла, обеспечивая постоянную смазку без внешнего обслуживания.

Преимущества цепных передач

Может передавать крутящий момент на большие расстояния.
Отсутствует проскальзывание (в отличие от ременных передач), обеспечивая стабильную работу.
Более компактная по сравнению с ременными передачами, помещается в относительно небольшое пространство.
Одна цепная передача может приводить в движение несколько валов.
Универсальность: работает при высоких температурах и в различных условиях (сухих, влажных, абразивных, коррозионных и т. д.).
Малоэффективная система трения, гарантирующая высокую механическую эффективность.

Недостатки цепных передач

Не может применяться с непараллельными валами.
Склонна к шуму и вибрации во время работы.
Несоосность может вызвать проскальзывание цепи.
Некоторые конструкции требуют постоянного смазывания.
Как правило, нуждается в кожухе для защиты.
Периодическое натяжение (например, с помощью натяжных роликов) необходимо для поддержания работоспособности.

​