Роликовая цепь

Тип цепного привода

Роликовая цепь и звездочка

Эскиз роликовой цепи, Леонардо да Винчи , Атлантический кодекс

Роликовая цепь или втулочно-роликовая цепь — это тип цепного привода, наиболее часто используемый для передачи механической энергии во многих видах бытовых, промышленных и сельскохозяйственных машин, включая конвейеры , волочильные машины для проволоки и труб, печатные станки , автомобили , мотоциклы и велосипеды . Он состоит из ряда коротких цилиндрических роликов, удерживаемых вместе боковыми звеньями. Он приводится в движение зубчатым колесом, называемым звездочкой . Это простое, надежное и эффективное ^[1] средство передачи энергии.

На рисунках Леонардо да Винчи XVI века изображена цепь с роликовым подшипником . ^[2] В 1800 году Джеймс Фассел запатентовал роликовую цепь, усовершенствовав свой балансировочный замок ^[3] , а в 1880 году Ганс Ренольд запатентовал втулочно-роликовую цепь. ^[4]

Строительство

Два разных размера роликовой цепи, демонстрирующие конструкцию.

В роликовой цепи с втулками есть два типа чередующихся звеньев . Первый тип — внутренние звенья, имеющие две внутренние пластины, удерживаемые вместе двумя втулками или гильзами, на которых вращаются два ролика. Внутренние звенья чередуются со вторым типом — внешними звеньями, состоящими из двух внешних пластин, удерживаемых вместе штифтами, проходящими через втулки внутренних звеньев. «Безвтулочная» роликовая цепь похожа по принципу действия, но не по конструкции; вместо отдельных втулок или гильз, удерживающих внутренние пластины вместе, пластина имеет выштампованную в ней трубку, выступающую из отверстия, которая служит той же цели. Это имеет преимущество в удалении одного шага при сборке цепи.

Конструкция роликовой цепи снижает трение по сравнению с более простыми конструкциями, что приводит к более высокой эффективности и меньшему износу. Первоначальные разновидности цепей передачи мощности не имели роликов и втулок, при этом как внутренние, так и внешние пластины удерживались штифтами, которые напрямую контактировали с зубьями звездочки ; однако эта конфигурация демонстрировала чрезвычайно быстрый износ как зубьев звездочки, так и пластин, где они вращались на штифтах. Эта проблема была частично решена разработкой втулочных цепей, при этом штифты, удерживающие внешние пластины, проходили через втулки или втулки, соединяющие внутренние пластины. Это распределяло износ по большей площади; однако зубья звездочек все еще изнашивались быстрее, чем хотелось бы, из-за трения скольжения о втулки. Добавление роликов, окружающих втулки втулок цепи и обеспечивающих контакт качения с зубьями звездочек, приводит к отличной стойкости к износу как звездочек, так и цепи. Существует даже очень низкое трение, если цепь достаточно смазана. Постоянная, чистая смазка роликовых цепей имеет первостепенное значение для эффективной работы, как и правильное натяжение. ^[5]

Смазка

Многие приводные цепи (например, в заводском оборудовании или приводящие в движение распределительный вал внутри двигателя внутреннего сгорания) работают в чистых условиях, и, таким образом, изнашиваемые поверхности (то есть штифты и втулки) защищены от осадков и пыли, переносимой по воздуху, многие даже в герметичной среде, такой как масляная ванна. Некоторые роликовые цепи спроектированы так, чтобы иметь уплотнительные кольца, встроенные в пространство между внешней пластиной звена и внутренними пластинами роликовых звеньев. Производители цепей начали включать эту функцию в 1971 году после того, как приложение было изобретено Джозефом Монтано во время работы в Whitney Chain из Хартфорда, штат Коннектикут. Уплотнительные кольца были включены в качестве способа улучшения смазки звеньев цепей передачи мощности, услуга, которая жизненно важна для продления их срока службы. Эти резиновые приспособления образуют барьер, который удерживает заводскую смазку внутри износных зон штифта и втулки. Кроме того, резиновые уплотнительные кольца предотвращают попадание грязи и других загрязняющих веществ внутрь звеньев цепи, где такие частицы в противном случае вызвали бы значительный износ. ^[6]

Также существует множество цепей, которые должны работать в грязных условиях и по размеру или эксплуатационным причинам не могут быть запечатаны. Примерами служат цепи на сельскохозяйственном оборудовании , велосипедах и цепных пилах . Такие цепи обязательно будут иметь относительно высокие показатели износа.

Многие смазочные материалы на масляной основе притягивают грязь и другие частицы, в конечном итоге образуя абразивную пасту, которая будет усиливать износ цепей. Эту проблему можно уменьшить, используя «сухой» спрей ПТФЭ , который образует твердую пленку после нанесения и отталкивает как частицы, так и влагу. ^[7]

Смазка цепи мотоцикла

Цепи, работающие на высоких скоростях, сопоставимых с таковыми на мотоциклах, следует использовать в сочетании с масляной ванной. ^[8] Для современных мотоциклов это невозможно, и большинство мотоциклетных цепей работают без защиты. Таким образом, мотоциклетные цепи имеют тенденцию изнашиваться очень быстро по сравнению с другими применениями. Они подвергаются экстремальным нагрузкам и воздействию дождя, грязи, песка и дорожной соли.

Мотоциклетные цепи являются частью трансмиссии для передачи мощности двигателя на заднее колесо. Правильно смазанные цепи могут достигать эффективности 98% и более в трансмиссии. Несмазанные цепи значительно снижают производительность и увеличивают износ цепи и звездочки. ^[1]

Для мотоциклетных цепей доступны два типа смазочных материалов: распыляемые и системы капельной подачи масла.

• Смазки-распылители могут содержать воск или ПТФЭ . Хотя эти смазки используют липкие добавки, чтобы оставаться на цепи, они также могут притягивать грязь и песок с дороги и со временем образовывать шлифовальную пасту, которая ускоряет износ компонентов. ^{[ необходима цитата ]}
• Системы капельной подачи масла непрерывно смазывают цепь и используют легкое масло, которое не прилипает к цепи. Исследования показали, что системы капельной подачи масла обеспечивают наибольшую защиту от износа и наибольшую экономию энергии. ^[9]

Варианты

Схема роликовой цепи: 1. Внешняя пластина, 2. Внутренняя пластина, 3. Штифт, 4. Втулка, 5. Ролик

Если цепь не используется для приложений с высоким износом (например, если она просто передает движение от ручного рычага к валу управления на машине или раздвижной двери на печи), то все равно можно использовать один из более простых типов цепи. И наоборот, когда требуется дополнительная прочность, но плавный привод с меньшим шагом, цепь может быть «сиамской»; вместо двух рядов пластин на внешних сторонах цепи может быть три («дуплекс»), четыре («триплекс») или больше рядов пластин, идущих параллельно, со втулками и роликами между каждой соседней парой, и таким же количеством рядов зубьев, идущих параллельно на звездочках для соответствия. Например, цепи ГРМ на автомобильных двигателях обычно имеют несколько рядов пластин, называемых прядями.

Роликовая цепь изготавливается в нескольких размерах, наиболее распространенными стандартами Американского национального института стандартов (ANSI) являются 40, 50, 60 и 80. Первые цифры указывают шаг цепи в восьмых долях дюйма , при этом последняя цифра — 0 для стандартной цепи, 1 для облегченной цепи и 5 для втулочной цепи без роликов. Таким образом, цепь с шагом в полдюйма имеет размер № 40, в то время как звездочка № 160 имеет зубья, расположенные на расстоянии 2 дюймов друг от друга и т. д. Метрические шаги выражаются в шестнадцатых долях дюйма; таким образом, метрическая цепь № 8 (08B-1) эквивалентна ANSI № 40. Большинство роликовых цепей изготавливаются из простой углеродистой или легированной стали, но нержавеющая сталь используется в оборудовании для обработки пищевых продуктов или других местах, где смазка является проблемой, а нейлон или латунь иногда встречаются по той же причине.

Роликовая цепь обычно соединяется с помощью главного звена (также известного как «соединительное звено»), которое обычно имеет один штифт, удерживаемый подковообразным зажимом , а не фрикционной посадкой, что позволяет вставлять или вынимать его с помощью простых инструментов. Цепь со съемным звеном или штифтом также известна как «шплинтовая цепь», что позволяет регулировать длину цепи. Доступны полузвенья (также известные как «смещения»), которые используются для увеличения длины цепи на один ролик. Заклепочная роликовая цепь имеет главное звено (также известное как «соединительное звено»), «приклепанное» или раздавленное на концах. Эти штифты сделаны прочными и несъемными. ^[10]

Зажим в виде подковы

Подковообразный зажим — это U-образный пружинный стальной фитинг, который удерживает боковую пластину соединительного (или «главного») звена, ранее необходимого для завершения петли роликовой цепи. Метод зажима теряет популярность, поскольку все больше цепей изготавливаются как бесконечные петли, не предназначенные для обслуживания. Современные мотоциклы часто оснащаются бесконечной цепью, но в все более редких случаях износа цепи и необходимости ее замены, отрезок цепи и соединительное звено (с подковообразным зажимом) будут предоставлены в качестве запасных. Изменения в подвеске мотоцикла, как правило, делают это использование менее распространенным.

Этот метод крепления распространен на старых мотоциклах и велосипедах (например, с планетарными шестернями ). Его нельзя использовать на велосипедах, оснащенных переключателями передач, так как зажим будет зацепляться за переключатели передач.

Во многих случаях бесконечную цепь нельзя легко заменить, так как она связана с рамой машины (это касается, среди прочего, традиционного велосипеда). Однако в некоторых случаях соединительное звено с подковообразным зажимом не может быть использовано или не является предпочтительным в применении. В этом случае используется «мягкое звено», установленное с помощью цепного заклепщика и полагающееся исключительно на трение. С современными материалами и инструментами и квалифицированным применением это постоянный ремонт, имеющий почти такую ​​же прочность и срок службы, как и неразорванная цепь.

Использовать

Пример двух «призрачных» звездочек, натягивающих трехрядную роликовую цепную систему

• Роликовые цепи используются в приводах с низкой и средней скоростью около 600–800 футов в минуту; однако на более высоких скоростях, около 2000–3000 футов в минуту, обычно используются клиновые ремни из-за проблем с износом и шумом.
• Велосипедная цепь — это разновидность роликовой цепи. Велосипедные цепи могут иметь замыкающее звено или могут требовать цепного инструмента для снятия и установки. Похожая, но более крупная и, следовательно, более прочная цепь используется на большинстве мотоциклов, хотя иногда ее заменяют либо зубчатым ремнем , либо карданным валом , которые обеспечивают меньший уровень шума и меньшие требования к обслуживанию.
• Некоторые автомобильные двигатели используют роликовые цепи для привода распределительных валов . Двигатели с очень высокой производительностью часто используют зубчатый привод, а с начала 1960-х годов некоторые производители стали использовать зубчатые ремни .
• Цепи также используются в вилочных погрузчиках, где в качестве шкива для подъема и опускания каретки используются гидравлические цилиндры; однако эти цепи не считаются роликовыми, а классифицируются как подъемные или пластинчатые цепи.
• Цепи для резки бензопил внешне напоминают роликовые цепи, но более близки к пластинчатым цепям. Они приводятся в действие выступающими приводными звеньями, которые также служат для фиксации цепи на шине.

Sea Harrier FA.2 ZA195 переднее (холодное) векторное сопло тяги - сопло вращается цепным приводом от пневмодвигателя

• Возможно, необычным применением пары мотоциклетных цепей является реактивный самолет Harrier Jump , где цепной привод от пневмодвигателя используется для вращения подвижных сопел двигателя, позволяя направлять их вниз для зависания в воздухе или назад для нормального полета вперед, система, известная как « управление вектором тяги ».

Носить

Эффект износа роликовой цепи заключается в увеличении шага (расстояния между звеньями), что приводит к удлинению цепи. Обратите внимание, что это происходит из-за износа поворотных штифтов и втулок, а не из-за фактического растяжения металла (как это происходит с некоторыми гибкими стальными компонентами, такими как трос ручного тормоза автомобиля).

В современных цепях необычно, чтобы цепь (кроме цепи велосипеда) изнашивалась до тех пор, пока не порвалась, так как изношенная цепь приводит к быстрому износу зубьев звездочек, а окончательным выходом из строя является потеря всех зубьев на звездочке. Звездочки (особенно меньшая из двух) испытывают шлифующее движение, которое оставляет характерную форму крючка на ведомой поверхности зубьев. (Этот эффект усугубляется неправильно натянутой цепью, но неизбежен, независимо от того, какие меры принимаются). Изношенные зубья (и цепь) больше не обеспечивают плавную передачу мощности, и это может быть заметно по шуму, вибрации или (в автомобильных двигателях, использующих цепь ГРМ) изменению угла опережения зажигания, которое можно увидеть с помощью индикатора времени . В этих случаях следует заменить и звездочки, и цепь, так как новая цепь на изношенных звездочках не прослужит долго. Однако в менее серьезных случаях можно сохранить большую из двух звездочек, так как именно меньшая из них всегда подвергается наибольшему износу. Только в очень легких транспортных средствах, таких как велосипед, или в крайних случаях неправильного натяжения цепь может соскочить со звездочек.

Удлинение цепи вследствие износа рассчитывается по следующей формуле:

${\displaystyle \%=((M-(S*P))/(S*P))*100}$

M = длина ряда измеренных звеньев

S = количество измеренных связей

P = Шаг

В промышленности обычно отслеживают движение натяжителя цепи (ручного или автоматического) или точную длину приводной цепи (одно из правил — заменить роликовую цепь, которая растянулась на 3% на регулируемом приводе или на 1,5% на приводе с фиксированным центром). Более простой метод, особенно подходящий для пользователя велосипеда или мотоцикла, — попытаться оттянуть цепь от большей из двух звездочек, убедившись, что цепь натянута. Любое значительное движение (например, позволяющее видеть через зазор), вероятно, указывает на то, что цепь изношена до предела и сверх него. Если игнорировать проблему, произойдет повреждение звездочки. Износ звездочки нейтрализует этот эффект и может скрыть износ цепи.

Износ велосипедной цепи

Легкая цепь велосипеда с переключателем передач может порваться (или, скорее, развалиться на боковых пластинах, поскольку нормально, что «заклепка» сначала выходит из строя), потому что штифты внутри не цилиндрические, а бочкообразные. Контакт между штифтом и втулкой — это не обычная линия, а точка, которая позволяет штифтам цепи пройти через втулку и, наконец, через ролик, в конечном итоге вызывая разрыв цепи. Такая форма конструкции необходима, поскольку для переключения передач в этом виде трансмиссии требуется, чтобы цепь как изгибалась вбок, так и скручивалась, но это может произойти из-за гибкости такой узкой цепи и относительно большой свободной длины на велосипеде.

Разрыв цепи — гораздо меньшая проблема в системах со ступичным редуктором, поскольку линия цепи не изгибается, поэтому параллельные штифты имеют гораздо большую поверхность износа в контакте со втулкой. Система со ступичным редуктором также обеспечивает полное закрытие, что является отличным средством для смазки и защиты от песка.

Прочность цепи

Наиболее распространенной мерой прочности роликовой цепи является предел прочности на разрыв . Предел прочности на разрыв показывает, какую нагрузку цепь может выдержать при однократной нагрузке до разрыва. Столь же важным, как предел прочности на разрыв, является усталостная прочность цепи. Решающими факторами усталостной прочности цепи являются качество стали, используемой для изготовления цепи, термическая обработка компонентов цепи, качество изготовления отверстий в пластинах звеньев и тип дроби, а также интенсивность дробеструйного покрытия пластин звеньев. Другие факторы могут включать толщину пластин звеньев и конструкцию (контур) пластин звеньев. Правило большого пальца для роликовой цепи, работающей в непрерывном приводе, заключается в том, что нагрузка на цепь не должна превышать всего лишь 1/6 или 1/9 предела прочности цепи на разрыв, в зависимости от типа используемых главных звеньев (прессовая посадка или скользящая посадка) ^{[ необходима ссылка ]} . Роликовые цепи, работающие в непрерывном приводе за пределами этих пороговых значений, могут и, как правило, выходят из строя преждевременно из-за усталостного разрушения пластин звеньев.

Стандартный минимальный предел прочности стальной цепи ANSI 29.1 составляет 12 500 x (шаг, в дюймах) ² . Цепи с X-образным и O-образным кольцами значительно уменьшают износ с помощью внутренних смазок, увеличивая срок службы цепи. Внутренняя смазка вводится с помощью вакуума при клепке цепи.

Стандарты цепи

Организации по стандартизации (такие как ANSI и ISO) поддерживают стандарты для конструкции, размеров и взаимозаменяемости цепей передачи. Например, в следующей таблице показаны данные из стандарта ANSI B29.1-2011 (прецизионные роликовые цепи передачи мощности, насадки и звездочки) ^[11] , разработанного Американским обществом инженеров-механиков (ASME). См. ссылки ^{[12] [13] [14]} для получения дополнительной информации.

Для наглядности ниже приведено еще одно представление основных размеров из того же стандарта, выраженных в долях дюйма (что было частью идеи, лежащей в основе выбора предпочтительных чисел в стандарте ANSI):

Типичная велосипедная цепь (для переключателей передач ) использует узкую цепь с шагом 1 ⁄ 2 дюйма. Ширина цепи варьируется и не влияет на грузоподъемность. Чем больше звездочек на заднем колесе (исторически 3–6, в настоящее время 7–12 звездочек), тем уже цепь. Цепи продаются в соответствии с количеством скоростей, для которых они предназначены, например, «цепь на 10 скоростей». Велосипеды с планетарной передачей или односкоростные велосипеды используют цепи размером 1/2 x 1/8 дюйма, где 1/8 дюйма относится к максимальной толщине звездочки, которая может использоваться с цепью.

Обычно цепи с параллельными звеньями имеют четное число звеньев, причем за каждым узким звеном следует широкое. Цепи, построенные с однородным типом звена, узким с одного конца и широким с другого, могут быть сделаны с нечетным числом звеньев, что может быть преимуществом для адаптации к особому расстоянию между звездочками; с другой стороны, такая цепь, как правило, не такая прочная.

Роликовые цепи, изготовленные по стандарту ISO, иногда называют «изоцепями».

Смотрите также

• Самосмазывающаяся цепь

Ссылки

1. До 98% эффективности при идеальных условиях, согласно Kidd, Matt D.; NE Loch; RL Reuben (1998). "Эффективность велосипедной цепи". Конференция "Инженерия спорта " . Университет Хериот-Уотт. Архивировано из оригинала 6 февраля 2006 года . Получено 16 мая 2006 года .
2. В XVI веке Леонардо да Винчи сделал наброски того, что, по-видимому, было первой стальной цепью. Эти цепи, вероятно, были разработаны для передачи тяговой, а не обматывающей силы, поскольку они состоят только из пластин и штифтов и имеют металлические крепления. Однако на наброске да Винчи изображен роликовый подшипник. Tsubakimoto Chain Co. , ред. (1997). Полное руководство по цепям. Kogyo Chosaki Publishing Co., Ltd. стр. 240. ISBN 0-9658932-0-0. стр. 211. Получено 17 мая 2006 г.
3. «Реперториум патентованных изобретений и других открытий и усовершенствований в области искусств, производства и сельского хозяйства: продолжение, по расширенному плану, Реперториума искусств и производства ...» Г. и Т. Уилки. 1800. стр. 303. Получено 7 января 2021 г.
4. Рид, Карлтон (2015). Дороги не были построены для автомобилей: как велосипедисты были первыми, кто боролся за хорошие дороги и стали пионерами автомобилизации . Вашингтон, округ Колумбия: Island Press. стр. 196. ISBN 9781610916899.
5. «Рекомендации по смазке цепей для приводов и конвейеров». www.machinerylubrication.com . Получено 24 ноября 2021 г. .
6. Хеннинг, Ари (30 мая 2019 г.). «Мотоциклетные цепи 101: Заключённая сделка | Журнал Rider». ridermagazine.com . Получено 24 ноября 2021 г. .
7. "Что такое MicPol?". Смазка . Архивировано из оригинала 3 октября 2018 г. Получено 3 октября 2018 г.
8. Цепи, работающие на высоких скоростях, сопоставимых с таковыми на мотоциклах, следует использовать в сочетании с масляной ванной, согласно: Lubrecht, A. и Dalmaz, G., (ред.) Transients Processes in Tribology, Proc 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology. 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, 2–5 сентября 2003 г., Лион. Серия «Трибология и интерфейсная инженерия» (43). Elsevier, Амстердам, стр. 291–298.
9. Подача капель масла обеспечивает наибольшую защиту от износа между роликом цепи и штифтом. Подача капель масла обеспечивает наибольшую экономию энергии по сравнению с несмазанными цепями и звездочками, согласно Lee, PM и Priest, M. (2004) Инновационный комплексный подход к тестированию смазочных материалов для приводных цепей мотоциклов. В: Lubrecht, A. и Dalmaz, G., (ред.) Переходные процессы в трибологии, Proc 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology. 30th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, 2–5 сентября 2003 г., Лион. Серия «Трибология и интерфейсная инженерия» (43). Elsevier, Амстердам, стр. 291–298.
10. "Riveted vs Cottered Chain - Panzit Library". panzit.com . Архивировано из оригинала 26 апреля 2012 года . Получено 17 января 2015 года .
11. ASME B29.1-2011 — Прецизионные роликовые цепи, навесное оборудование и звездочки для передачи мощности.
12. Tsubakimoto Chain Co. , ред. (1997). «Трансмиссионные цепи». Полное руководство по цепям. Kogyo Chosaki Publishing Co., Ltd. стр. 240. ISBN 0-9658932-0-0. стр. 86. Получено 30 января 2015 г.
13. Справочник по машиностроению 1996, стр. 2337–2361
14. "ANSI G7 Standard Roller Chain - Tsubaki Europe". Tsubaki Europe . Tsubakimoto Europe BV . Получено 18 июня 2009 г. .

Библиография

• Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д.; Хортон, Холбрук Л.; Райффел, Генри Х. (1996), Грин, Роберт Э.; Макколи, Кристофер Дж. (ред.), Справочник по машиностроению (25-е изд.), Нью-Йорк: Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2575-2, OCLC  473691581.

Внешние ссылки

https://www.leonardodigitale.com/en/browse/Codex-atlanticus/0987-r/

• Полное руководство по цепочке