Введение

Тип цепного привода

Роликовая цепь или цепь с втулками – это тип цепного привода, наиболее часто используемый для передачи механической мощности на различных видах бытовой, промышленной и сельскохозяйственной техники, включая конвейеры, станы для вытягивания проволоки и труб, печатные станки, автомобили, мотоциклы и велосипеды. Она состоит из ряда коротких цилиндрических роликов, соединенных боковыми звеньями. Привод осуществляется зубчатым колесом, называемым звездочкой. Это простой, надежный и эффективный способ передачи мощности. Эскизы Леонардо да Винчи XVI века демонстрируют цепь с роликовым подшипником. В 1800 году Джеймс Фасселл запатентовал роликовую цепь в рамках разработки своего балансировочного замка, а в 1880 году Ханс Ренольд запатентовал цепь с втулками и роликами.

Строительство

В цепи с роликами и втулками чередуются два типа звеньев. Первый тип – внутренние звенья, состоящие из двух внутренних пластин, соединенных двумя втулками или вкладышами, на которых вращаются два ролика. Внутренние звенья чередуются со вторым типом – внешними звеньями, состоящими из двух внешних пластин, соединенных штифтами, проходящими через втулки внутренних звеньев. Роликовая цепь "без втулок" аналогична по принципу действия, но отличается конструкцией; вместо отдельных втулок или вкладышей, соединяющих внутренние пластины, пластина имеет выштампованную трубку, выступающую из отверстия, выполняющую ту же функцию. Это упрощает сборку цепи на один этап. Конструкция роликовой цепи снижает трение по сравнению с более простыми конструкциями, что обеспечивает более высокую эффективность и меньший износ. Первые варианты цепей для передачи мощности не имели роликов и втулок, при этом внутренние и внешние пластины удерживались штифтами, непосредственно контактировавшими с зубьями звездочки; однако такая конструкция приводила к очень быстрому износу как зубьев звездочки, так и пластин в местах их вращения на штифтах. Эта проблема была частично решена разработкой цепей с втулками, где штифты, удерживающие внешние пластины, проходили через втулки или вкладыши, соединяющие внутренние пластины. Это распределило износ по большей площади; однако зубы звездочек все равно изнашивались быстрее, чем желательно, из-за скользящего трения о втулки. Добавление роликов, окружающих втулки цепи, и обеспечение качения роликов по зубьям звездочки обеспечили отличную износостойкость как звездочек, так и цепи. При этом трение остается очень низким, при условии достаточной смазки цепи. Непрерывная и чистая смазка роликовых цепей имеет первостепенное значение для эффективной работы, как и правильное натяжение.

Смазка

Многие приводные цепи (например, в заводском оборудовании или приводящие распределительный вал во внутреннем двигателе сгорания) работают в чистой среде, и, таким образом, поверхности трения (то есть пальцы и втулки) защищены от осадков и абразивной пыли, многие даже в герметичной среде, такой как масляная ванна. Некоторые роликовые цепи конструктивно предусматривают наличие уплотнительных колец в пространстве между внешней пластиной звена и внутренними пластинами роликового звена. Производители цепей начали внедрять эту функцию в 1971 году после того, как Джозеф Монтано, работавший в компании Whitney Chain из Хартфорда, штат Коннектикут, изобрел это решение. Уплотнительные кольца были добавлены для улучшения смазки звеньев цепей передачи мощности, что критически важно для увеличения срока их службы. Эти резиновые элементы образуют барьер, удерживающий заводскую смазку в зоне трения пальцев и втулок. Кроме того, резиновые кольца предотвращают попадание грязи и других загрязнений внутрь звеньев цепи, где эти частицы в противном случае вызывали бы значительный износ. Существует также множество цепей, которые должны работать в загрязненных условиях и по соображениям размера или функциональности не могут быть герметичными. К ним относятся цепи в сельскохозяйственной технике, велосипедах и бензопилах. Эти цепи неизбежно будут подвергаться относительно интенсивному износу. Многие смазочные материалы на масляной основе притягивают грязь и другие частицы, в конечном итоге образуя абразивную пасту, которая усиливает износ цепей. Эту проблему можно уменьшить, используя "сухой" спрей на основе ПТФЭ, который после нанесения образует твердую пленку и отталкивает как частицы, так и влагу.

Смазка цепей мотоциклов

Цепи, работающие на высоких скоростях, сопоставимых со скоростями мотоциклетных цепей, должны использоваться в сочетании с масляной ванной. Для современных мотоциклов это недоступно, и большинство мотоциклетных цепей работают без смазки. Таким образом, мотоциклетные цепи изнашиваются значительно быстрее, чем в других областях применения. Они подвергаются высоким нагрузкам и воздействию дождя, грязи, песка и дорожной соли. Мотоциклетные цепи являются частью трансмиссии, передающей мощность двигателя на заднее колесо. Правильно смазанные цепи могут обеспечивать эффективность передачи 98% и выше. Несмазанные цепи значительно снижают производительность и увеличивают износ цепи и звёздочек.

Варианты

Если цепь не используется в условиях высокой изнашиваемости (например, если она просто передает движение от ручного рычага к управляющему валу машины или для скользящей двери духовки), то можно использовать один из более простых типов цепи. И наоборот, если требуется повышенная прочность, но плавный ход цепи с меньшим шагом, цепь может быть выполнена “сиамской” конструкцией; вместо двух рядов пластин по внешним сторонам цепи может быть три (“дуплексная”), четыре (“триплексная”) или более рядов пластин, расположенных параллельно друг другу, с втулками и роликами между каждой смежной парой, и такое же количество рядов зубьев, расположенных параллельно на звездочках для соответствия. Например, цепи газораспределительного механизма автомобильных двигателей обычно имеют несколько рядов пластин, называемых ветвями. Роликовые цепи производятся в различных размерах, наиболее распространенными стандартами Американского национального института стандартов (ANSI) являются 40, 50, 60 и 80. Первые цифры указывают на шаг цепи в восьмых дюйма, а последняя цифра – 0 для стандартной цепи, 1 для облегченной цепи и 5 для цепи с втулками без роликов. Таким образом, цепь с шагом в полдюйма – это № 40, а звездочка № 160 имеет зубья, расположенные на расстоянии 2 дюймов друг от друга и т.д. Метрические шаги выражаются в шестнадцатых дюйма; таким образом, метрическая цепь № 8 (08B 1) эквивалентна цепи ANSI № 40. Большинство роликовых цепей изготавливаются из углеродистой или легированной стали, но нержавеющая сталь используется в пищевом оборудовании или в других местах, где смазка затруднена, а нейлон или латунь иногда используются по той же причине. Роликовая цепь обычно соединяется с помощью соединительного звена (также известного как “замок”), которое обычно имеет один палец, удерживаемый пружинным фиксатором, а не за счет силы трения, что позволяет вставлять или удалять его с помощью простых инструментов. Цепь со съемным звеном или пальцем также известна как “клиновая цепь”, что позволяет регулировать длину цепи. Полузвенья (также известные как “смещения”) доступны и используются для увеличения длины цепи на один ролик. Клиновая роликовая цепь имеет соединительное звено (также известное как “замок”), которое “заклепывается” или раздавливается на концах. Эти пальцы изготавливаются прочными и не предназначены для снятия.

Подкова

Подковообразный (или подкововидный) клипс – это U-образная пружинная стальная деталь, удерживающая боковую пластину соединительного (или "мастер-звена"), ранее необходимого для замыкания петли роликовой цепи. Метод с использованием клипса теряет популярность, поскольку все больше цепей производятся в виде замкнутых контуров, не требующих обслуживания. Современные мотоциклы часто оснащаются замкнутыми цепями, но в все более редких случаях износа и необходимости замены цепи, в качестве запасной части предоставляется отрезок цепи и соединительное звено (с подковообразным клипсом). Изменения в конструкции мотоциклетной подвески приводят к снижению распространенности такого использования. Этот метод, распространенный на старых мотоциклах и велосипедах (например, с планетарной передачей), не может использоваться на велосипедах с переключателями передач, так как клипс может зацепиться за механизм переключения. Во многих случаях замкнутую цепь сложно заменить, поскольку она соединена с рамой транспортного средства (это характерно для традиционных велосипедов, в частности). Однако в некоторых случаях соединительное звено с подковообразным клипсом не может быть использовано или не является предпочтительным. В этом случае используется "мягкое звено", устанавливаемое с помощью клепального инструмента для цепей и опирающееся исключительно на силу трения. При использовании современных материалов, инструментов и квалифицированной установки, это обеспечивает постоянный ремонт, обладающий почти такой же прочностью и долговечностью, как и цепь без разрыва.

Использование

Роликовые цепи используются в приводах на низких и средних скоростях, примерно от 600 до 800 футов в минуту. Однако при более высоких скоростях, около 2000–3000 футов в минуту, обычно применяются V-ремни из-за проблем с износом и шумом. Велосипедная цепь является разновидностью роликовой цепи. Велосипедные цепи могут иметь соединительное звено или требовать специального инструмента для снятия и установки. Подобная, но более крупная и, следовательно, более прочная цепь используется на большинстве мотоциклов, хотя иногда её заменяют зубчатым ремнём или карданным приводом, которые обеспечивают более низкий уровень шума и меньшие требования к обслуживанию. Некоторые автомобильные двигатели используют роликовые цепи для привода распределительных валов. Высокопроизводительные двигатели часто используют зубчатый привод, а начиная с начала 1960-х годов некоторые производители стали использовать зубчатые ремни. Цепи также используются в вилочных погрузчиках, где гидравлические цилиндры служат шкивом для подъема и опускания грузовой платформы. Однако эти цепи не считаются роликовыми, а классифицируются как подъемные или листовые цепи. Цепи для бензопил внешне похожи на роликовые, но более тесно связаны с листовыми цепями. Они приводятся в движение выступающими звеньями, которые также фиксируют цепь на шине. Довольно необычным применением пары мотоциклетных цепей является их использование в самолёте Harrier, где цепной привод от воздушного двигателя вращает поворотные сопла двигателя, позволяя направлять их вниз для зависания или назад для обычного полёта вперёд – система, известная как «векторизация тяги».

Износ велосипедной цепи

Легкая цепь велосипеда с переключателем скоростей может рваться (или, точнее, распадаться на боковых пластинах, поскольку нормальным является преждевременный износ "заклепок"), потому что внутренние штифты не цилиндрические, а имеют бочкообразную форму. Контакт между штифтом и втулкой – это не линия, а точка, что позволяет штифтам цепи продавливаться сквозь втулки, а затем и ролик, что в конечном итоге приводит к обрыву цепи. Такая конструкция необходима, поскольку механизм переключения передач в этой трансмиссии требует, чтобы цепь одновременно изгибалась вбок и скручивалась, что возможно благодаря гибкости узкой цепи и относительно большим свободным участкам на велосипеде. Поломка цепи представляет меньшую проблему в системах с планетарной передачей, поскольку цепь не изгибается, а параллельные штифты имеют большую площадь контакта с втулкой, что увеличивает срок службы. Планетарная передача также обеспечивает полную защиту, что значительно улучшает смазку и предохраняет от грязи.

Прочность цепи

Наиболее распространенным показателем прочности роликовой цепи является предел прочности на разрыв. Предел прочности на разрыв показывает, какую нагрузку цепь может выдержать при однократном воздействии до разрушения. Не менее важна, чем предел прочности на разрыв, усталостная прочность цепи. Критическими факторами, определяющими усталостную прочность цепи, являются качество стали, используемой для ее изготовления, термическая обработка компонентов цепи, качество изготовления отверстий под пальцы, тип дроби и интенсивность дробеструйной обработки звеньев. Другими факторами могут быть толщина звеньев и их конструкция (профиль). Общее правило для роликовых цепей, работающих в непрерывном приводе, заключается в том, что нагрузка на цепь не должна превышать 1/6 или 1/9 от ее предела прочности на разрыв, в зависимости от типа используемых соединительных звеньев (с натяжной посадкой или с зазором). Роликовые цепи, работающие в непрерывном приводе при превышении этих порогов, могут и, как правило, выходят из строя преждевременно из-за усталостного разрушения звеньев. Стандартный минимальный предел прочности на разрыв для стальной цепи по стандарту ANSI 29.1 составляет 12 500 x (шаг, в дюймах)². Цепи с X- и O-образными кольцами значительно снижают износ за счет внутренних смазочных материалов, увеличивая срок службы цепи. Внутренняя смазка вводится вакуумным способом при сборке цепи клепкой.