Цепные передачи: принцип работы, характеристики и применение

Цепная передача – это механизм для передачи вращательного движения между валами с помощью гибкого элемента – цепи. Передача осуществляется за счет сил зацепления ее звеньев с зубьями звездочек. Она может обеспечивать как постоянное, так и переменное передаточное число (например, в цепных вариаторах).

Основные компоненты:

• Ведущая звездочка: устанавливается на входном (движущем) валу.
• Ведомая звездочка: устанавливается на выходном (приводимом) валу.
• Цепь: замкнутое кольцо, состоящее из подвижных звеньев, соединенных шарнирами. Концы цепи соединяются специальным разборным звеном. Для равномерности износа число зубьев на звездочках и число звеньев цепи стремятся делать взаимно простыми.

Ключевые характеристики и особенности:

• Универсальность, простота, экономичность: основные преимущества конструкции.
• Бесшумность: при качественном исполнении может быть почти бесшумной, проще в изготовлении, чем бесшумные косозубые шестерни (исторически применялась в КПП дорогих автомобилей).
• Передаточное отношение: среднее значение постоянно (отсутствие проскальзывания), но мгновенное – непостоянно, особенно при малом числе зубьев, что вызывает колебания скорости.
• КПД: сравнительно высокий, находится в диапазоне 0.92 – 0.98.

Достоинства (по сравнению с ременными и зубчатыми передачами):

1. По сравнению с ременными:

   • Отсутствие проскальзывания и гарантированное постоянство среднего передаточного отношения.

   • Отсутствие необходимости в сильном предварительном натяжении, что снижает нагрузки на валы и подшипники.

   • Способность передавать значительные мощности как на высоких, так и на низких скоростях.

   • Устойчивость к работе в широком температурном диапазоне (высоких и низких температурах).

   • Возможность легкой модификации длины цепи добавлением или удалением звеньев.

   • Компактность при меньших межосевых расстояниях.

2. По сравнению с зубчатыми:

   • Меньшая чувствительность к неточностям расположения валов и ударным нагрузкам.

   • Возможность передачи движения на значительно большие расстояния (до 7 метров).

   • Более простая компоновка при больших межосевых расстояниях.

   • Большая подвижность валов друг относительно друга.

   • Возможность передачи движения одной цепью нескольким ведомым звездочкам (многозвенные передачи).

   • Малые силы, действующие на валы.

Недостатки:

1. Удлинение цепи: постепенное увеличение длины (шага) цепи из-за износа шарниров, требующее регулировки натяжения или замены цепи.
2. Стоимость: сравнительно высокая стоимость качественных цепей.
3. Реверсирование: невозможность плавного реверсирования без остановки передачи.
4. Картер: требует установки в защитном корпусе (картере), особенно для ответственных или высокоскоростных передач.
5. Смазка: сложность эффективной подводки смазочного материала к внутренним шарнирам цепи, критичная для долговечности.
6. Динамика: непостоянство скорости движения цепи, вызывающее колебания передаточного отношения и вибрации.

Классификация цепей по назначению:

1. Приводные цепи: предназначены для передачи мощности (энергии) с постоянным передаточным отношением в широком диапазоне скоростей. Характеризуются малым шагом (для снижения динамических нагрузок) и износостойкими шарнирами (для обеспечения долговечности). Примеры: Роликовые, втулочные, зубчатые цепи.
2. Тяговые цепи: используются для транспортировки грузов (конвейеры, элеваторы, эскалаторы) при скоростях до 2-4 м/с. Имеют большой шаг, пластины простой формы, могут быть без втулок. Габариты звездочек не критичны.
3. Грузовые цепи: применяются для подвески, подъема и опускания грузов (тали, лебедки) при скоростях до 0.25-0.5 м/с и высоких нагрузках. Типы: круглозвенные, пластинчатые. Иногда выполняют роль приводных (например, в цепных талях с ручным приводом).

Классификация цепных передач:

• По типу цепи: роликовые, втулочные, зубчатые.
• По числу рядов цепи: однорядные, многорядные (двухрядные и т.д.).
• По числу ведомых звездочек: двухзвенные (нормальные), многозвенные (специальные).
• По расположению: горизонтальные, наклонные, вертикальные (требует систематического регулирования натяжения).
• По способу натяжения: регулировка межосевого расстояния, натяжные устройства (звездочки, ролики).
• По исполнению: открытые (работают без смазки или с ручной смазкой), закрытые (в картере с масляной ванной – для ответственных передач).
• По характеру скорости: понижающие, повышающие.

Область применения:

Цепные передачи чрезвычайно широко распространены в различных отраслях:

• Транспорт: велосипеды, мотоциклы, автомобили (исторически КПП, сейчас чаще ГРМ, приводы вспомогательных агрегатов), строительно-дорожная техника.
• Сельхозмашины: приводы различных механизмов комбайнов, тракторов.
• Промышленность: станки, технологическое оборудование, нефтегазовое оборудование.
• Транспортирующие устройства: конвейеры всех типов, элеваторы, питатели. Здесь цепи часто являются не только приводным, но и рабочим органом (скребковые, ковшовые конвейеры/элеваторы).
• Грузоподъемные механизмы: тали, лебедки.

Практические аспекты:

• Наибольшее распространение имеют открытые передачи с однорядными втулочно-роликовыми цепями, встроенные непосредственно в машины, работающие без смазки или с периодической ручной смазкой.
• Ответственные и высокоскоростные передачи выполняют закрытыми в жестком картере с масляной ванной для обеспечения эффективной смазки и защиты.
• Диапазон мощностей: современные цепные передачи способны передавать мощности до 5000 кВт (5 МВт).
• Диапазон скоростей: работают на скоростях движения цепи до 25-30 м/с.
• Типичный диапазон: наибольшее применение находят передачи мощностью до 120 кВт при окружных скоростях до 15 м/с.
• Критерии выбора: применение оправдано при средних межосевых расстояниях (где зубчатые требуют сложной компоновки), жестких требованиях к габаритам, необходимости работы без проскальзывания (когда клиноременная передача не подходит).