Какво е система от верига и зъбно колело и как работи?

Верижното задвижване със зъбно колело предава мощност с по-висока ефективност и по-голяма устойчивост на удари от повечето алтернативи - но само когато системата е правилно оразмерена. Повечето повреди в задвижването не се дължат на нискокачествени компоненти, а на несъответствие между изискванията към задвижването и избраната спецификация.

Получете наличност на склад за вашата спецификация на задвижването

Тайвански производител на опаковъчни машини премина от ремъчно задвижване към... система от ролкови вериги и зъбни колела на новата им линия за запечатване на кутии през 2023 г. Решението е продиктувано от едно-единствено изискване: задвижването трябва да поддържа точно синхронизиране при промяна на натоварването от 4:1 между празни и пълни кутии. Тестваната от тях ремъчна предавка показва промяна в скоростта от 1,5–2% под натоварване – приемливо за много приложения, но не и за станция за нанасяне на лепило, където точността на синхронизацията влияе пряко върху качеството на запечатването. Верижната предавка, след като е правилно оразмерена, работи с постоянна скорост, независимо от промяната в натоварването. Това не е маркетингово твърдение – това е следствие от това как работи задвижването с положително зацепване.

Разбиране какво е система от верига и зъбно колело всъщност – механично, не само описателно – прави разликата между избора на правилния вариант от първия път и прекарването на три месеца в отстраняване на неизправности на устройство, което никога не е било подходящо за приложението.

Какво всъщност прави системата от верига и зъбно колело

Компоненти на ролковите вериги и дефиниция на стъпката

Верижното задвижване със зъбно колело е механична система за предаване на мощност с положително зацепване. „Положително зацепване“ означава, че зъбите на веригата физически се зацепват със зъбите на зъбното колело – няма приплъзване, няма пълзене и няма промяна в скоростта, причинена от колебанията на натоварването. Това го отличава от задвижванията, базирани на триене, като V-образни ремъци и плоски ремъци, където увеличаването на натоварването кара ремъка да се пълзи по повърхността на ролката, което води до пропорционално намаляване на скоростта на задвижвания вал.

Системата се състои от минимум водещо зъбно колело (монтирано на входния вал на двигателя), задвижвано зъбно колело (монтирано на изходния вал) и ролкова верига свързвайки ги. Задвижващото зъбно колело преобразува въртящия се момент в линейна сила на опън от страната на веригата. Веригата предава тази линейна сила към задвижваното зъбно колело, където тя се преобразува обратно във въртящ момент на изходния вал. Връзката между двата вала – тяхното съотношение на скоростта и съотношението на въртящия момент – се определя изцяло от съотношението на броя зъби на зъбното колело.

Формулата за предавателното число е проста и си струва да се разбере именно защото тя определя всяко конструктивно решение във верижна предавка:

i = N2 / N1 = n1 / n2 = T2 / T1

Където: i = предавателно число | N1, N2 = брой зъби на водещото и задвижваното зъбно колело | n1, n2 = скорости на вала (об/мин) | T1, T2 = въртящи моменти на вала (Nm)

Ако водещото зъбно колело има 19 зъба, а задвижваното зъбно колело има 57 зъба, предавателното число е 3:1. Изходният вал се върти с една трета от скоростта на входящия вал, а изходният въртящ момент (преди загубите при предаване) е три пъти по-голям от входящия въртящ момент. Тази зависимост е валидна точно при всякакви натоварвания, без приплъзване – което прави веригата и зъбното колело правилният избор за всяко приложение, където се изисква прецизно съотношение на скоростта или синхронизация.

Тип устройство Типична ефективност Плъзгане под товар Ударно натоварване Гъвкавост на централното разстояние Необходимо смазване
Задвижване с ролкова верига 97–98.5% Нула (положително ангажиране) Отлично Високо — регулируемо Да — от периодично към непрекъснато
Задвижване с клинов ремък 93–96% 1–3% при номинално натоварване Умерено (коланът абсорбира част от ударите) Умерено — фиксирано Не
Синхронен ремък 97–98% Нула (назъбено зацепване) Лошо (ремъкът може да прескочи или да се скъса) Ниско — фиксирано Не
Зъбно задвижване 96–99% Нула Добре Много ниско — фиксирано междуосово разстояние Да — непрекъснато

Как веригата се зацепва със зъбното колело — механиката в детайли

зъбно колело и верига 2

Процесът на зацепване не е толкова прост, колкото изглежда. Когато веригата се приближи до зъбното колело на водещото колело, всяка входяща ролка не се плъзга плавно в основата на зъба — тя пристига под ъгъл и пада в кривата на лягане с малка скорост на удара. Този удар генерира характерния шум на верижната предавка и е отговорен за част от натоварването от умора на ролката и зъба на зъбното колело.

Формата на зъбите по ANSI B29.1 е проектирана да минимизира това въздействие, като позволява на ролката да осъществи първоначален контакт с повърхността на зъба малко над кривата на лягане, след което да се търкаля надолу в основата с увеличаване на ъгъла на обвиване на веригата. Тази геометрия на търкаляне в лягане разпределя натоварването на зацепване върху първите 15–20 градуса на въртене на зъбното колело, намалявайки пиковата сила на удара в сравнение с верига, която просто пада директно в основата.

Ефектът на полигона е най-важната динамична характеристика, която купувачите и проектантите постоянно погрешно разбират. Тъй като веригата е изработена от твърди звена с дискретна дължина на стъпката, стегнатата страна на веригата не се движи по права линия — тя се движи по поредица от малки хорди, като всяко звено последователно се зацепва със зъбното колело. Това води до синусоидално изменение на скоростта в задвижвания вал, дори когато задвижващият вал се върти с идеално постоянна скорост. Амплитудата на това изменение на скоростта зависи от броя на зъбите на зъбното колело:

Зъби на зъбното колело на водача Максимална вариация на скоростта (%) Практически ефект
9 зъба ±6.1% Чуемо тракане, значителни вибрации в задвижваната машина
11 зъба ±4.1% Забележима вибрация, намален живот на лагера на задвижвания вал
17 зъба ±1,7% Минимален — препоръчителният минимум на ANSI за безпроблемна работа
21 зъба ±1.1% Ефективно гладка за повечето индустриални приложения
25 зъба ±0,79% Незначителен — подходящ за прецизни индексиращи и измервателни задвижвания
Реалността на ефективността, която изненадва повечето инженери: Верижните задвижвания са по-енергийно ефективни от задвижванията с клиновиден ремък при еквивалентни натоварвания. Ролковата верига по ANSI, работеща с правилно смазване, постига механична ефективност от 97–98,51 TP3T — постоянно по-добра от 93–961 TP3T, типична за клиновидни ремъци при същата мощност. Разликата в ефективността се увеличава при по-високи натоварвания: клиновиден ремък, работещ с 801 TP3T от номиналното си натоварване, губи приблизително 4–51 TP3T поради загуби от приплъзване и огъване, докато правилно смазана ролкова верига губи само 1,5–21 TP3T поради триене в лагерите и зацепване на ролките. В продължение на една година непрекъсната работа на две смени, тази разлика в ефективността се изразява в измеримо намаление на консумацията на енергия на двигателя — понякога достатъчно, за да оправдае надстройката на верижното задвижване само поради разходи за енергия.

Опции за конфигурация на верижното задвижване: едножилна, многожилна и двойна стъпка

Когато едножилна задвижваща верига достигне горната граница на публикуваната си номинална мощност за дадената скорост, двете възможности са да се увеличи стъпката на веригата (премиване към следващия по-голям размер по ANSI) или да се добави втора верига (дуплексна верига). Това не са еквивалентни решения — те имат различно въздействие върху задвижващата система.

Увеличаването на стъпката увеличава минималното натоварване при скъсване и степента на умора на веригата, но също така увеличава ефекта на полигона за даден брой зъби и изисква подмяна на зъбните колела. Преминаването от верига #60 към #80 на 19-зъбо задвижващо зъбно колело увеличава вариацията на скоростта от 1.74% на 1.74% (непроменено, защото броят на зъбите определя това, а не стъпката) - но веригата с по-голяма стъпка изисква по-големи зъбни колела, за да се поддържа същото съотношение на скоростта, което увеличава външния диаметър на задвижващата система и може да създаде проблеми с хлабината.

Добавянето на втора нишка (симплекс към дуплекс) удвоява номиналното работно натоварване, без да се променя стъпката или външният диаметър на зъбното колело. Зъбните колела трябва да бъдат заменени с дуплексни версии (същата делителна окръжност, двойна ширина на зъбите), но центровете на валовете остават същите и монтажният диапазон не се променя. За задвижвания, където увеличаването на диаметъра на зъбното колело не е възможно — ограничено от геометрията на рамката или предпазните хлабини — дуплексната надстройка обикновено е по-добрият вариант.

Верига с двоен ход е различна концепция от дуплексната верига и често се бърка с нея. Веригата с двойна стъпка има същия диаметър на ролката и вътрешна ширина на звената като еквивалентната ѝ верига със стандартна стъпка — разстоянието между звената е удвоено. ANSI #2060 (еквивалент на #60 с двойна стъпка) има стъпка от 38,10 мм вместо 19,05 мм, но използва същата ролка от 11,91 мм като стандартната #60. Веригата с двойна стъпка се използва изключително за бавни задвижвания на конвейери — тежи по-малко и струва по-малко на метър от стандартната верига за същия диаметър на ролката, но не може да се използва при скорости над около 100 метра в минута без прекомерен полигонален ефект и шум. Веригата с двойна стъпка при високоскоростно задвижване е проблем с поддръжката, а не спестяване на разходи.

анимация на верига и зъбно колело

Къде системите със зъбни колела и вериги са правилният избор

Селскостопанска техника. Верижните задвижвания доминират в зърнокомбайните, вършачките за ориз и сеитбената техника по комбинация от причини: те понасят ударно натоварване от неравномерно подаване на реколтата, поддържат точно време между системите за подаване, вършене и разделяне и работят надеждно в прашни, влажни и абразивни условия, които биха могли бързо да влошат повърхностите на лентите. Ролкови вериги с размери на стъпката ANSI и ISO представлява гръбнака на повечето корейски задвижващи системи за селскостопанска техника, от захранващите вериги #40 до задвижванията на елеваторите с голяма стъпка #100.

Индустриални конвейери и обработка на материали. Верижните задвижвания на конвейерите трябва да поддържат постоянна скорост на веригата, докато работят с променливи товари - изискване, при което веригата се справя по-добре от ремъка поради характеристиката на нулево приплъзване. Веригите от инженерен клас в влачещи конвейери, кофови елеватори и скреперни конвейери носят товари, които биха надвишили номиналното натоварване на всяка стандартна ролкова верига, като се използват специално проектирани диаметри на цилиндричните цилиндъри и дебелини на плочите, които осигуряват коефициент на безопасност 5:1 при номинални работни товари.

Мотоциклетни и моторни спортни карания. The система от вериги и зъбни колела за мотоциклети е едно от най-критичните за производителността и чувствителни към поддръжка приложения на верижните задвижвания. Веригата трябва да предава максимален въртящ момент на двигателя при динамични натоварвания от ускорение, като същевременно тежи възможно най-малко и издържа на замърсяване на пътя. Обозначенията за стъпка 520, 530 и 630 показват вътрешна ширина, а не стъпка, в номенклатурата на мотоциклетните вериги (действителната стъпка и за трите е 5/8 инча, 15,875 мм). Правилното тълкуване на тези числа предотвратява неправилни поръчки за подмяна.

Автоматизация и опаковъчни линии. Системите за индексиране на вериги, задвижвани от серво задвижване, изискват зъбни колела с минимален брой зъби 21 или повече, за да се намали пулсацията на скоростта, породена от полигонален ефект, под допустимото отклонение на обратната връзка на серво контролера. Зъбни колела със стандартен отвор и с готов отвор от алуминий или въглеродна стомана осигуряват комбинацията от лека ротационна инерция и размерна прецизност, от която се нуждаят серво задвижващите системи.

приложение на зъбно колело и верига 3

Системи от вериги и зъбни колела в селскостопански приложения — където едновременно се изискват положително зацепване, устойчивост на удари и надеждно синхронизиране при променливи натоварвания.

Избор на верижно и зъбно колело за задвижване: Методът в четири стъпки

ANSI B29.1 предоставя графична диаграма за мощност, която съпоставя всяка комбинация от проектна мощност и малка скорост на зъбното колело с препоръчителна стъпка на веригата. Процесът работи по следния начин:

  1. Определете проектната мощност. Започнете с мощността на табелката на двигателя и я умножете по коефициента на обслужване за вашия тип натоварване: 1,0 за равномерно натоварване (компресори, центробежни помпи), 1,3 за умерено ударно натоварване (конвейери с неравномерно подаване, миксери) и 1,7 за силно ударно натоварване (преси, кофови елеватори, трошачки за камъни). Проектната мощност винаги е по-висока от мощността на табелката на двигателя – това е умишлено.
  2. Изберете стъпката на веригата от таблицата с номинални стойности. Използвайки проектната мощност и скоростта на малкото зъбно колело (обороти в минута на по-бързия вал), намерете пресечната точка на таблицата за мощност по ANSI. Областта, в която попада тази точка, показва препоръчителната стъпка на веригата. Ако точката попада близо до границата между две зони на стъпка, изберете по-малката стъпка с множество нишки, за предпочитане пред по-голямата стъпка с една нишка.
  3. Изберете брой зъби на зъбното колело. Малкото зъбно колело трябва да има минимум 17 зъба. Съотношението на броя зъби определя съотношението на скоростта. За най-плавна работа използвайте нечетен брой зъби на едно зъбно колело, така че всеки зъб да контактува с различен валяк при последователни завъртания, разпределяйки износването по-равномерно върху зъбите на зъбното колело.
  4. Задайте разстоянието между центровете и дължината на веригата. Препоръчителното разстояние между центровете е 30–50 пъти стъпката на веригата за повечето стандартни задвижвания, с минимум 1,5 пъти диаметъра на стъпката на голямото зъбно колело. Дължината на веригата в звена се изчислява от разстоянието между центровете, диаметъра на стъпката на двете зъбни колела и стъпката на веригата. Резултатът трябва да се закръгли до четен брой звена, за да се получи стандартно свързващо звено — половин звена (отместените звена) са по-слаби от пълните звена и трябва да се избягват при приложения с високо натоварване.
Най-често срещаната грешка при оразмеряването в новите конструкции на задвижвания: Определяне на стъпката на веригата, която точно отговаря на изчисленото изискване за проектна мощност. ANSI номиналните стойности за мощност са публикувани за вериги, работещи с периодично смазване и стандартни условия на експлоатация. Всяко отклонение - по-висока температура на околната среда, абразивна среда, периодично смазване - намалява ефективния капацитет на мощност. Минималната практика е безопасен запас 25% над изчислената проектна мощност; 50% е подходящ за среди, където надеждността на смазването не може да бъде гарантирана.

Често задавани въпроси

Каква е максималната скорост, с която може да работи ролково-верижното задвижване?
Горната граница на скоростта за ролкова верига се определя от стъпката на веригата и броя на зъбите на малкото зъбно колело. Като общо практическо ограничение, веригата ANSI #25 (стъпка 6,35 мм) може да работи с до 3600 об/мин на зъбно колело с 25 зъба при непрекъснато смазване в маслена баня - това съответства на скорост на веригата от приблизително 19 метра в секунда. Веригите с по-голяма стъпка имат по-ниски граници на скоростта. Веригата ANSI #80 (стъпка 25,40 мм) достига практическата си горна граница при около 600–800 об/мин на зъбно колело със 17 зъба (приблизително 13 метра в секунда). Отвъд тези граници, скоростта на удара при зацепване на ролката се превръща в доминиращ механизъм на износване и животът на веригата намалява бързо, независимо от качеството на смазването.
Колко провисване на веригата (контактната мрежа) трябва да бъде от страната на хлабавото на хоризонтално задвижване?
ANSI B29.1 препоръчва провисване от страната на хлабината от приблизително 2% от хоризонталното междуосно разстояние за стандартни хоризонтални задвижвания. За междуосно разстояние от 500 мм, правилното провисване е около 10 мм в средата на разстоянието от страната на хлабината. Твърде малкото провисване (преопъната верига) увеличава натоварването на лагерите и ускорява износването на веригата и зъбното колело, понякога по-силно от износена верига. Твърде голямото провисване позволява на веригата да се трепти при циклично натоварване, което произвежда напречни вибрации и може да доведе до прескачане на зъбите на веригата върху малкото зъбно колело. Препоръката за провисване се променя за наклонени задвижвания - при наклонено задвижване под ъгъл от 45 градуса препоръчителното провисване намалява до около 1% междуосно разстояние, а при почти вертикално задвижване става необходим водач или обтегач.
Може ли верижната предавка да работи както в предна, така и в задна посока?
Да, с някои уговорки. Стандартната ролкова верига се справя добре с обръщателни товари от структурна гледна точка - и двете страни на профила на зъбите са проектирани да носят товар. Проблемът с реверсивните задвижвания е преходният момент, когато веригата се променя от опъната от едната страна към опъната от другата. По време на този преход, преди това хлабавата страна е натрупала провисване и когато задвижването се обърне, веригата може за момент да се хлаби достатъчно, за да прескочи един зъб, преди да се опъне отново. За приложения, изискващи чести и бързи обръщания, използвайте по-малка настройка на провисването от стандартната препоръка 2% и помислете за обтегач против обратен ход от хлабавата страна, за да предотвратите хлабавенето на веригата по време на забавяне. Лекото намаляване на разстоянието между центровете на зъбното колело (до около 25 пъти стъпката на веригата, вместо стандартните 40 пъти) също помага чрез намаляване на дължината на обхвата от хлабавата страна.
Какъв тип смазка трябва да се използва за задвижване с ролкова верига?
ANSI B29.1 определя четири категории смазване според скоростта и мощността на веригата: Тип 1 (ръчно периодично нанасяне на масло от хлабавата страна), Тип 2 (капково масло), Тип 3 (маслена баня или диск за разпръскване) и Тип 4 (маслена струя или принудителна циркулация). За повечето общи промишлени задвижвания е подходящо минерално масло SAE 30–50. Вискозитетът трябва да се увеличава с натоварването и да намалява със скоростта - бавно, силно натоварено конвейерно задвижване се нуждае от по-вискозно масло от бързо, леко натоварено задвижване на опаковъчна машина. Гресът обикновено е неподходящ за ролкови вериги - той не прониква в хлабината между щифта и втулката чрез капилярно действие и смазва само външните повърхности. Специалното масло за вериги, което има достатъчно нисък вискозитет, за да проникне в интерфейса между щифта и втулката чрез капилярно действие, като същевременно има достатъчна здравина на филма, за да устои на изхвърляне при висока скорост, е технически правилният лубрикант за повечето приложения.
Подходяща ли е верижната предавка за среда с висока температура?
Стандартната ролкова верига от въглеродна стомана поддържа номиналното си натоварване до приблизително 200°C, над което състоянието на стоманата започва да омеква, намалявайки твърдостта и устойчивостта на умора. По-ограничаващият фактор при повишени температури е разграждането на смазочното вещество - стандартните смазочни материали от минерално масло започват да се карбонизират над 100–120°C, отлагайки твърд лак в хлабината между щифта и втулката, който действа като абразив, а не като смазка. За задвижвания, работещи при 120–300°C, е необходимо високотемпературно верижно масло (обикновено на базата на синтетичен полиалфаолефин или перфлуориран етер). Над 300°C се използва верига, работеща на сухо, термично обработена с MoS2 или графитна импрегнация - тези вериги имат значително по-ниска номинална товароносимост от смазаните еквивалентни вериги, което изисква по-голяма стъпка или допълнителни нишки за компенсиране.
Как необходимото междуосово разстояние влияе върху производителността на верижната предавка?
Междуцентровото разстояние влияе едновременно на три параметъра на производителност: ъгълът на обхват на веригата върху малкото зъбно колело, дължината на обхвата на веригата (която определя провисването от страната на хлабавото колело и собствената честота) и броят на звената в контакт с всяко зъбно колело. Много късите междуцентрови разстояния (под 20 пъти стъпката на веригата) намаляват ъгъла на обхват на малкото зъбно колело под 120 градуса — ANSI B29.1 определя 120 градуса като минимум за пълна номинална товароносимост. Под 120 градуса обхват, ефективният брой на зъбите в зацепване пада до 2–3, концентрирайки натоварването на веригата върху по-малко зъби и ускорявайки износването както на веригата, така и на зъбното колело. Много дългите междуцентрови разстояния (над 80 пъти стъпката на веригата) създават дълги свободни разстояния от страната на хлабавото колело, които развиват резонансни вибрации при определени скорости — собствената честота на обхвата на веригата може да се изравни с честотата на зацепване на зъбите, произвеждайки вибрации на стояща вълна, които причиняват пукнатини от умора в пластините на звената.

Нуждаете се от компоненти за верига и зъбно колело за вашата задвижваща система?

Независимо дали оразмерявате ново задвижване от нулата или подменяте износени компоненти в съществуваща система, потвърждаването на серията верига, геометрията на зъбното колело и спецификацията на отвора преди поръчка предотвратява повреди, които възникват от части с близки по размер, но неправилни по спецификация.

Редактор: Cxm

VR обиколка на нашата фабрика

ЕТИКЕТИ:верига | зъбно колело на веригата | Зъбно колело