Przekładnie łańcuchowe 1
1. Pojęcia podstawowe Przekładnia łańcuchowa składa się z dwóch lub więcej kół uzębionych, opasanych cięgnem - łańcuchem. Łańcuch składa się z szeregu ogniw połączonych przegubowo. 2. Zalety i wady przekładni łańcuchowych Przekładnia łańcuchowa pracuje bez poślizgu, zachowując stałe przełożenie przy stosunkowo dużej sprawności. Łagodzi gwałtowne szarpnięcia i uderzenia. Dzięki temu, że nie wymaga mocnego napięcia wstępnego pasa, mniej obciąża wały i łożyska niż przekładnia pasowa. Do wad przekładni łańcuchowych należy zaliczyć: nierównomiemość ruchu spowodowaną osiadaniem łańcucha na wieloboku, głośną pracę, nieprawidłową współpracę wyciągniętego łańcucha z uzębieniem kół, konieczność smarowania ze względu na zużywanie się przegubów, wykluczenie możliwości cyklicznych zmian kierunku ruchu ze względu na szarpnięcia przy gwałtownym napinaniu luźnego cięgna. 2
3. Informacje ogólne Typowe przełożenia sięgają i = 6, dla przekładni wolnobieżnych dopuszcza się nawet i =15. Liczba z1 zębów na małym kole nie może być za mała, typowa wartość to z1=12, w wyjątkowych przypadkach to z1=9. Dla przekładni odpowiedzialnych, o wymaganej płynności ruchu na małym kole powinno być minimum 19 zębów. Im mniejsza liczba zębów, tym większa nierównomiemość biegu i tym większy hałas, gdyż kinematycznie ruch przekładni można sprowadzić do ruchu obrotowego wieloboku opasanego cięgnem. Podziałkę łańcucha należy przyjmować możliwie małą. Wzrasta wtedy liczba zębów małego koła, ruch staje się bardziej równomierny, zmniejszają się obciążenia dynamiczne i hałas. Zalecane liczby zębów podano w PN-73/M-84161 i PN-79/M-84163. Największa liczba zębów nie powinna przekraczać 150. Uprzywilejowane liczby zębów kół dla łańcuchów tulejkowych i rolkowych wynoszą: 17, 19, 21, 23, 25, 38, 57, 76, 95,114. Najmniejsza odległość osi kół powinna zapewniać możliwość usunięcia dwóch ogniw łańcucha po jego wydłużeniu spowodowanym zużyciem się przegubów. Zalecane są następujące proporcje wymiarowe: d2 a p a d 2 = 30 50 = 1,2 1,5 Utrata zdolności użytkowych łańcucha następuje najczęściej w wyniku zużycia powierzchni ślizgowych przegubów. Zwiększa się wtedy podziałka i łańcuch osiada na kole na coraz większej średnicy, aż wreszcie zeskakuje z niego. Dopuszczalny wzrost podziałki łańcucha wynosi zwykle ok. 2%. 3
4. Typy łańcuchów W zależności od budowy i przeznaczenia rozróżnia się łańcuchy: drabinkowe,zębate, kształtowe v pierścieniowe. Łańcuchy drabinkowe stosowane są jako cięgna napędowe i dźwigniowe. Rozróżnia się łańcuchy drabinkowe sworzniowe, tulejkowe (bezrolkowe) i rolkowe. Łańcuchy mogą być pojedyncze, podwójne i wielokrotne, jeżeli jeden sworzeń łączy w nich jeden, dwa lub większą liczbę rzędów równoległych płytek, tulejek i rolek. Odpowiadają im pojedyncze, podwójne i wielokrotne koła łańcuchowe. Łańcuchy sworzniowe składają się z płytek i sworzni (rys. a). Nie znajdują one obecnie zastosowania w napędach maszyn ze względu na małą trwałość, spowodowaną zużywaniem się przegubów mających zbyt małą powierzchnię roboczą. Łańcuchy tulejkowe składają się z płytek, sworzni i tulejek (rys. b). Stosuje się je w maszynach wolnobieżnych lub napędach pomocniczych. Na przykład w niektórych samochodach stosuje sieje do napędu rozrządu (w rozrządzie okrętowych diesli również!). Nie są one stosowane w silnie obciążonych napędach głównych. Brak rolki powoduje znacznie większe zużywanie się tulejek i zębów na kołach oraz zmniejsza sprawność przekładni. Powszechnie stosowanymi łańcuchami napędowymi są obecnie łańcuchy rolkowe i zębate. Łańcuch rolkowy (rys. c) z płytkami prostymi składa się z ogniw wewnętrznych i zewnętrznych. Elementami łańcucha rolkowego są płytki, sworznie, tulejki i rolki. Łańcuchy rolkowe dwu- i więcej rzędowe powstają przez łączenie łańcuchów jednorzędowych odpowiednio wydłużonymi sworzniami. 4
Do wyrobu łańcuchów stosuje się stale konstrukcyjne węglowe 55 lub 65 albo stopowe 40H, 45H, 35HM hartowane i odpuszczane do 38-49 HRC. Sworznie są wykonywane ze stali do nawęglania 10 lub 15 albo stopowych 15H, 15HM utwardzanych do 50-62 HRC. Do wyrobu tulejek i rolek stosuje się stale 10 lub 15 nawęglane i utwardzane do 484-60 HRC. Podziałka łańcuchów jest calowa lub milimetrowa. Łańcuchy są produkowane masowo przez wyspecjalizowane wytwórnie i są towarem rynkowym. Zadaniem konstruktora maszyny jest odpowiedni dobór łańcucha na podstawie obliczeń. Fragment tabeli z wykazem typowych łańcuchów rolkowych PN-77/M-84168 PN-17/M-84167 Łańcuchy do pracy w trudnych warunkach (duże zanieczyszczenia): PN-77/M-84165 5. Charakter obciążenia ogniw łańcucha Napięcie w ogniwie zmienia się w czasie obiegu łańcucha. Ogólny charakter tej cyklicznej zmiany napięcia przedstawiono na rysunku poniżej. Najwyższy punkt wykresu odpowiada wejściu ogniwa na ząb koła napędzającego. Występuje wtedy uderzenie ogniwa o ząb i szarpnięcie. 5
Napięcie w ogniwie łańcucha w czasie zazębiania się z kołami łańcuchowymi jest również zmienne. Zmiany te odbywają się skokami. Pierwszy ząb koła napędzającego wchodzący we współpracę z ogniwem obciążony jest najbardziej, każdy następny coraz mniej. Oczywiście, identycznie są obciążone ogniwa. W przybliżeniu te skokowe zmiany odbywają się według ciągu geometrycznego. 6. Nierównomierność biegu łańcucha Przyczyną nierównomiemości ruchu jest osiadanie łańcucha na wieloboku (rysunek). Ogniwo łańcucha przemieszczając się od położenia a-b do położenia a -b osiada na boku wielokąta. Cięgno zmienia wtedy swoje położenie o wartość w. W wyniku tej cyklicznej zmiany położenia cięgna występują zmiany prędkości oraz związane z tym przyspieszenia i drgania przekładni (co jest niewątpliwą wadą). 6
7. Obciążalność łańcucha Obciążalność łańcucha zależy od nacisków jednostkowych w przegubach i od naprężeń rozciągających w płytkach łańcucha. Od wartości nacisków jednostkowych w przegubach w dużym stopniu zależy trwałość łańcucha, która dla różnych napędów przyjmowana jest w granicach od 2000 do 15000 h. Naciski powinny być na tyle małe, aby nie był wyciskany smar spomiędzy powierzchni współpracujących sworznia i tulejki oraz tulejki i rolki. Wartość nacisku jednostkowego p1 między sworzniem a tulejką i wartość nacisku jednostkowego p2 między tulejką a rolką można wyznaczyć z następujących wzorów: Su p1 = pdc d aj s Su p2 = pdc d bj t Su siła użyteczna przenoszona przez łańcuch, j liczba rzędów łańcucha, ds średnica sworznia, dt średnica tulejki, a długość tulejki, b szerokość rolki, pd dop. nacisk jednostkowy (dla łańcucha rolkowego 20 MPa), c wsp. warunków pracy 8. Dobór współczynnika c 7
9. Obciążenie użyteczne, wsp. bezp. na zerwanie Ponieważ w przegubach łańcucha występują małe poślizgi współpracujących powierzchni oraz duże naciski, nie można tam uzyskać tarcia płynnego. Zużycie polegające naścieraniu się powierzchniślizgowych jest tym większe, im większe są naciski i poślizgi. Najbardziej zużywa się sworzeń oraz wewnętrzna powierzchnia tulejki. Miarą zużycia przegubów jest wzrost podziałki łańcucha. Obciążenie użyteczne można obliczyć ze wzoru: M1 moment na małym kole S u 2M 1 180 = sin p z1 10. Współczynnik wytrzymałości na zerwanie (xr) xr = Su C S S v f 2 = qv 2 = ξqag P r + S + S v f x Rwym Pr obciążenie zrywające łańcuch, C2 współczynnik statyczności obciążenia, Su obciążenie użyteczne łańcucha, Sv napięcie łańcucha od siły odśrodkowej, Sf napięcie łańcucha od jego ciężaru, q masa metra łańcucha [kg/m], v liniowa prędkość łańcucha [m/s], ξ - wsp. Nachylenia płaszczyzny osi kół względem poziomu, g przyśpieszenie ziemskie; 8
Wymagany współczynnik bezpieczeństwa xrwym Przy wchodzeniu łańcucha na koło następuje uderzenie. Liczba uderzeń łańcucha o zęby koła na jednostkę czasu nie może być zbyt duża. Dlatego istotna jest liczba obiegów łańcucha na sekundę v /L i prędkość obrotowa małego koła n1. Stąd warunki ograniczające, które można wyrazić następująco: v L z1n1 v = 60 m L dop L długość łańcucha, m liczba ogniw łańcucha, 9
11. Obliczanie łańcucha według PN-81/M-84100 Pierwszym krokiem jest obliczenie mocy skorygowanej (powiększonej o współczynnik bezpieczeństwa wynikający z warunków pracy). N s = N f 1 f 2 f1 warunki pracy urządzenie obciążone równomiernie jak: 1 mieszalnuiki, pompy, dmuchawy urządzenia obciążone nierówomiernie, ze ancznymi nadwyżkami dynamicznymi np.: betoniarki, młyny kulowe, prasy 1,5 mimośrodowe, podnosniki czerpakowe napędy pracujące z przerwami, często włączanych jak urządzenia dźwigowe oraz 2 innych jak łamacze szczękowe Wykres doboru łańcucha ( łańcuchy uprzywilejowane B ) 10
11