Wat is een ketting- en tandwielsysteem en hoe werkt het?

Een ketting- en tandwielaandrijving brengt vermogen efficiënter over en is beter bestand tegen schokken dan de meeste alternatieven, maar alleen als het systeem correct gedimensioneerd is. De meeste defecten aan aandrijvingen worden niet veroorzaakt door componenten van lage kwaliteit, maar door een mismatch tussen de eisen van de aandrijving en de gekozen specificaties.

Vraag naar de voorraadbeschikbaarheid van uw schijfspecificatie.

Een Taiwanese OEM van verpakkingsmachines is overgestapt van een riemaandrijving naar een rollenketting- en tandwielsysteem op hun nieuwe lijn voor het sealen van dozen in 2023. De beslissing werd ingegeven door één enkele eis: de aandrijving moest een exacte timing behouden bij een belastingvariatie van 4:1 tussen lege en volle dozen. De riemaandrijving die ze hadden getest, vertoonde een snelheidsvariatie van 1,5–2% onder belasting – acceptabel voor veel toepassingen, maar niet voor een lijmtoepassingsstation waar nauwkeurige timing direct van invloed is op de sealkwaliteit. De kettingaandrijving, mits correct gedimensioneerd, draaide met een constante snelheid, ongeacht de belastingvariatie. Dat is geen marketingtruc, maar een gevolg van de werking van een aandrijving met positieve vertanding.

Begrijpen wat een ketting- en tandwielsysteem Het maakt wel degelijk — mechanisch gezien, niet alleen beschrijvend — het verschil tussen de juiste keuze in één keer maken en drie maanden bezig zijn met het oplossen van problemen met een schijf die nooit geschikt bleek voor de toepassing.

Wat een ketting- en tandwielsysteem daadwerkelijk doet

Onderdelen van de rollenketting en de definitie van de steek.

Een ketting- en tandwielaandrijving is een mechanisch krachtoverbrengingssysteem met directe aangrijping. "Directe aangrijping" betekent dat de tanden van de ketting fysiek in de tanden van het tandwiel grijpen – er is geen slip, geen kruip en geen snelheidsvariatie als gevolg van belastingsschommelingen. Dit onderscheidt het van wrijvingsaandrijvingen zoals V-riemen en platte riemen, waarbij een toename van de belasting ervoor zorgt dat de riem over het poelieoppervlak kruipt, wat een evenredige snelheidsvermindering van de aangedreven as veroorzaakt.

Het systeem bestaat minimaal uit een aandrijftandwiel (gemonteerd op de aandrijfas), een aangedreven tandwiel (gemonteerd op de uitgaande as) en een rollenketting Ze verbinden ze met elkaar. Het aandrijftandwiel zet het rotatiekoppel om in een lineaire trekkracht op de gespannen kant van de ketting. De ketting brengt die lineaire kracht over op het aangedreven tandwiel, waar deze weer wordt omgezet in rotatiekoppel op de uitgaande as. De relatie tussen de twee assen – hun snelheidsverhouding en koppelverhouding – wordt volledig bepaald door de verhouding van het aantal tanden op de tandwielen.

De formule voor de overbrengingsverhouding is eenvoudig en het is de moeite waard om deze goed te begrijpen, omdat deze bepalend is voor elke ontwerpbeslissing bij een kettingaandrijving:

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

Waarbij: i = overbrengingsverhouding | N1, N2 = aantal tanden op aandrijf- en aangedreven tandwielen | n1, n2 = assnelheden (RPM) | T1, T2 = askoppels (Nm)

Als het aandrijftandwiel 19 tanden heeft en het aangedreven tandwiel 57 tanden, is de overbrengingsverhouding 3:1. De uitgaande as draait met een derde van de snelheid van de ingaande as, en het uitgaande koppel (vóór transmissieverliezen) is driemaal het ingaande koppel. Deze verhouding geldt exact bij alle belastingen, zonder slip. Dit maakt ketting en tandwiel de juiste keuze voor elke toepassing waar een nauwkeurige snelheidsverhouding of synchronisatie vereist is.

Aandrijftype Typische efficiëntie Slip onder belasting Schokbelastingscapaciteit Flexibiliteit in de afstand tot het centrum Smering vereist
Rollenkettingaandrijving 97–98.5% Nul (positieve betrokkenheid) Uitstekend Hoog — verstelbaar Ja — periodiek tot continu
V-snaaraandrijving 93–96% 1–3% bij nominale belasting Matig (gordel absorbeert een deel van de schokken) Matig — vast Nee
Synchrone riem 97–98% Nul (vertandingsmechanisme) Slecht (de riem kan overslaan of breken) Laag — vast Nee
Tandwielaandrijving 96–99% Nul Goed Zeer laag — vaste hartafstand Ja — continu

Hoe de ketting in het tandwiel grijpt — De mechanica in detail

tandwiel en ketting 2

Het aangrijpingsproces is complexer dan het lijkt. Wanneer de ketting het aandrijftandwiel nadert, glijdt elke binnenkomende rol niet soepel in de tandvoet – hij komt onder een hoek aan en valt met een kleine impactsnelheid in de zittingkromming. Deze impact is verantwoordelijk voor het karakteristieke geluid van een kettingaandrijving en draagt ​​bij aan de vermoeiingsbelasting op de rol en de tand van het tandwiel.

De ANSI B29.1-tandvorm is ontworpen om deze impact te minimaliseren door de rol initieel contact te laten maken met het tandoppervlak iets boven de zittingscurve, en vervolgens naar beneden te rollen in de tandvoet naarmate de kettingomwikkelhoek toeneemt. Deze geometrie waarbij de rol naar de zitting rolt, verdeelt de aangrijpingskracht over de eerste 15-20 graden van de tandwielrotatie, waardoor de piekimpactkracht wordt verminderd in vergelijking met een ketting die direct in de tandvoet valt.

Het polygooneffect is de belangrijkste dynamische eigenschap die kopers en ontwerpers steevast verkeerd begrijpen. Omdat de ketting is opgebouwd uit stijve schakels met een discrete steeklengte, beweegt de gespannen kant van de ketting niet in een rechte lijn, maar in een reeks kleine koorden naarmate elke schakel achtereenvolgens in het tandwiel grijpt. Dit produceert een sinusvormige snelheidsvariatie in de aangedreven as, zelfs wanneer de aandrijfas met een perfect constante snelheid roteert. De amplitude van deze snelheidsvariatie is afhankelijk van het aantal tanden van het tandwiel.

Tanden van het aandrijftandwiel Maximale snelheidsvariatie (%) Praktisch effect
9 tanden ±6.1% Hoorbaar geratel, aanzienlijke trillingen in de aangedreven machine.
11 tanden ±4.1% Merkbare trillingen, verminderde levensduur van de lagers op de aangedreven as.
17 tanden ±1,7% Minimum — ANSI-aanbevolen minimum voor een soepele werking
21 tanden ±1,1% Effectief gladmakend voor de meeste industriële toepassingen.
25 tanden ±0,79% Verwaarloosbaar — geschikt voor precisie-indexering en meetaandrijvingen
De efficiëntierealiteit die de meeste ingenieurs verrast: Kettingaandrijvingen zijn energiezuiniger dan V-riemaandrijvingen bij een gelijke belasting. Een ANSI-rollenketting met de juiste smering behaalt een mechanisch rendement van 97–98,51 TP3T – consistent beter dan de 93–961 TP3T die typisch is voor V-riemen bij hetzelfde vermogen. Het verschil in rendement wordt groter bij hogere belastingen: een V-riem die werkt met 801 TP3T van zijn nominale belasting verliest ongeveer 4–51 TP3T door slip- en buigverliezen, terwijl een correct gesmeerde rollenketting slechts 1,5–21 TP3T verliest door wrijving in de lagers en de rolinschakeling. Gedurende een jaar continu tweeploegenbedrijf vertaalt dit verschil in rendement zich in een meetbare vermindering van het energieverbruik van de motor – soms voldoende om de upgrade naar een kettingaandrijving alleen al op basis van energiekosten te rechtvaardigen.

Configuratieopties voor de kettingaandrijving: enkelstrengs, meerstrengs en dubbele steek.

Wanneer een enkelstrengs aandrijfketting de bovengrens van zijn opgegeven vermogen voor de betreffende snelheid bereikt, zijn er twee opties: de steek van de ketting vergroten (overstappen naar de eerstvolgende grotere ANSI-maat) of een tweede streng toevoegen (dubbelstrengs ketting). Deze twee opties zijn niet gelijkwaardig; ze hebben verschillende effecten op het aandrijfsysteem.

Het vergroten van de steek verhoogt de minimale breeksterkte en vermoeiingsweerstand van de ketting, maar het vergroot ook het polygonale effect bij een gegeven aantal tanden en vereist het vervangen van de tandwielen. Overstappen van een #60-ketting naar een #80-ketting op een aandrijftandwiel met 19 tanden verhoogt de snelheidsvariatie van 1,74% naar 1,74% (onveranderd, omdat het aantal tanden dit bepaalt, niet de steek) — maar de ketting met grotere steek vereist grotere tandwielen om dezelfde snelheidsverhouding te behouden, wat de buitendiameter van het aandrijfsysteem vergroot en mogelijk spelingproblemen kan veroorzaken.

Door een tweede tand toe te voegen (van simplex naar duplex) wordt de nominale werkbelasting verdubbeld zonder de steek of de buitendiameter van het tandwiel te veranderen. De tandwielen moeten worden vervangen door duplex-versies (zelfde steekcirkel, dubbele tandbreedte), maar de asafstanden blijven hetzelfde en de inbouwruimte verandert niet. Voor aandrijvingen waarbij het vergroten van de tandwieldiameter niet mogelijk is – vanwege beperkingen in de framegeometrie of de beschikbare ruimte onder de beschermkap – is de duplex-upgrade doorgaans de betere optie.

Dubbele steekketting Dubbele steekketting is een ander concept dan duplexketting en wordt er vaak mee verward. Dubbele steekketting heeft dezelfde roldiameter en binnenste schakelbreedte als de equivalente standaardsteekketting; het is de schakelafstand die verdubbeld is. ANSI #2060 (dubbele steek equivalent van #60) heeft een steek van 38,10 mm in plaats van 19,05 mm, maar gebruikt dezelfde rol van 11,91 mm als de standaard #60. Dubbele steekketting wordt uitsluitend gebruikt voor langzame transportbandaandrijvingen; hij weegt minder en kost minder per meter dan een standaardketting met dezelfde roldiameter, maar kan niet worden gebruikt bij snelheden boven de 100 meter per minuut zonder overmatig polygonale effect en lawaai. Dubbele steekketting op een hogesnelheidsaandrijving is een onderhoudsprobleem, geen kostenbesparing.

ketting- en tandwielanimatie

Waar tandwiel- en kettingsystemen de juiste keuze zijn

Landbouwmachines. Kettingaandrijvingen domineren in maaidorsers, rijstdorsmachines en zaaimachines om een ​​combinatie van redenen: ze zijn bestand tegen de schokbelasting door onregelmatige aanvoer van gewasmateriaal, ze zorgen voor een exacte timing tussen de aanvoer-, dors- en scheidingssystemen, en ze werken betrouwbaar in stoffige, natte en schurende omstandigheden die de oppervlakken van de transportbanden snel zouden aantasten. Rollenketting in ANSI- en ISO-steekmaten Het vormt de ruggengraat van de meeste aandrijfsystemen van Koreaanse landbouwmachines, van #40-aanvoerkettingen tot #100-aandrijfsystemen met grote spoed voor elevatoren.

Industriële transportbanden en materiaalbehandeling. Kettingaandrijvingen moeten een constante kettingsnelheid handhaven bij variabele belastingen – een vereiste waaraan een ketting beter voldoet dan een transportband vanwege de slipvrije eigenschap. Kettingen van de Engineer-klasse in sleepbanden, emmerliften en schraperbanden kunnen belastingen dragen die de nominale breeksterkte van een standaard rollenketting zouden overschrijden. Hiervoor worden speciaal ontworpen diameters en plaatdiktes gebruikt die een veiligheidsfactor van 5:1 bieden bij de nominale bedrijfsbelasting.

Motor- en powersportritten. De motorfiets ketting- en tandwielsysteem De kettingaandrijving is een van de meest prestatie- en onderhoudsgevoelige toepassingen. De ketting moet het maximale motorkoppel overbrengen onder dynamische acceleratiebelastingen, terwijl hij zo licht mogelijk moet zijn en bestand moet zijn tegen vervuiling door het wegdek. De steekaanduidingen 520, 530 en 630 geven de binnenbreedte aan – niet de steek – in de motorfietskettingnomenclatuur (de werkelijke steek is voor alle drie 5/8 inch, 15,875 mm). De juiste interpretatie van deze getallen voorkomt onjuiste bestellingen voor vervangende kettingen.

Automatisering en verpakkingslijnen. Servogestuurde kettinggeleidingssystemen vereisen tandwielen met minimaal 21 tanden of meer om de snelheidsfluctuatie als gevolg van het polygooneffect onder de tolerantie van de servocontroller te houden. Tandwielen met standaard boring en afgewerkte boring Behuizingen van aluminium of koolstofstaal bieden de combinatie van een laag rotatietraagheidsmoment en dimensionale precisie die servoaandrijfsystemen nodig hebben.

tandwiel- en kettingtoepassing 3

Ketting- en tandwielsystemen in agrarische toepassingen – waar tegelijkertijd een positieve aangrijping, schokbestendigheid en betrouwbare timing onder wisselende belastingen vereist zijn.

Een ketting- en tandwielaandrijving kiezen: de vierstappenmethode

ANSI B29.1 biedt een grafische vermogenstabel die elke combinatie van ontwerpvermogen en snelheid van het kleinste tandwiel koppelt aan een aanbevolen kettingsteek. Het proces werkt als volgt:

  1. Bepaal het ontwerpvermogen. Begin met het nominale vermogen van de motor en vermenigvuldig dit met de servicefactor voor uw type belasting: 1,0 voor een gelijkmatige belasting (compressoren, centrifugaalpompen), 1,3 voor een matige schokbelasting (transportbanden met een ongelijkmatige toevoer, mengers) en 1,7 voor een zware schokbelasting (persen, elevatorbanden, steenbrekers). Het ontwerpvermogen is altijd hoger dan het nominale vermogen van de motor – dit is opzettelijk.
  2. Selecteer de kettingsteek aan de hand van de tabel. Gebruik het ontwerpvermogen en het toerental van het kleinste tandwiel (RPM van de snelst draaiende as) om het snijpunt op de ANSI-vermogensgrafiek te vinden. Het gebied waarin dit punt valt, geeft de aanbevolen kettingsteek aan. Als het punt zich in de buurt van een grens tussen twee steekzones bevindt, kies dan voor de kleinere steek met meerdere strengen in plaats van de grotere steek met één streng.
  3. Kies het aantal tanden van het tandwiel. Het kleine tandwiel moet minimaal 17 tanden hebben. De verhouding tussen het aantal tanden bepaalt de snelheidsverhouding. Voor een zo soepel mogelijke werking kunt u het beste een oneven aantal tanden op één tandwiel gebruiken, zodat elke tand bij opeenvolgende omwentelingen een andere rol raakt en de slijtage gelijkmatiger over de tandwielen wordt verdeeld.
  4. Stel de hartafstand en de kettinglengte in. De aanbevolen hartafstand is 30-50 keer de steek van de ketting voor de meeste standaard aandrijvingen, met een minimum van 1,5 keer de steekdiameter van het grootste tandwiel. De kettinglengte in schakels wordt berekend op basis van de hartafstand, de steekdiameters van de twee tandwielen en de steek van de ketting. Het resultaat moet worden afgerond naar een even aantal schakels om een ​​standaard verbindingsschakel mogelijk te maken — halve schakels (offset-schakels) zijn zwakker dan volledige schakels en moeten worden vermeden bij toepassingen met hoge belasting.
De meest voorkomende dimensioneringsfout bij nieuwe schijfontwerpen: Het specificeren van de kettingsteek die exact voldoet aan het berekende ontwerpvermogen. De ANSI-vermogenswaarden zijn gepubliceerd voor kettingen die werken met periodieke smering en onder standaard bedrijfsomstandigheden. Elke afwijking – hogere omgevingstemperatuur, schurende omgeving, intermitterende smering – vermindert het effectieve vermogen. Een veiligheidsmarge van 25% boven het berekende ontwerpvermogen is de minimale gangbare praktijk; 50% is geschikt voor omgevingen waar de betrouwbaarheid van de smering niet kan worden gegarandeerd.

Veelgestelde vragen

Wat is de maximale snelheid waarmee een rollenkettingaandrijving kan draaien?
De maximale snelheid voor een rollenketting wordt bepaald door de steek van de ketting en het aantal tanden van het tandwiel. Als algemene praktische limiet kan een ANSI #25-ketting (steek 6,35 mm) tot 3600 toeren per minuut draaien op een tandwiel met 25 tanden onder continue smering met een oliebad – dit komt overeen met een kettingsnelheid van ongeveer 19 meter per seconde. Kettingen met een grotere steek hebben lagere snelheidslimieten. Een ANSI #80-ketting (steek 25,40 mm) bereikt zijn praktische bovengrens bij ongeveer 600-800 toeren per minuut op een tandwiel met 17 tanden (ongeveer 13 meter per seconde). Boven deze limieten wordt de impactsnelheid van de rollen het dominante slijtagemechanisme en neemt de levensduur van de ketting snel af, ongeacht de kwaliteit van de smering.
Hoeveel kettingdoorhang (catenary) moet er aan de slappe kant van een horizontale aandrijving zijn?
ANSI B29.1 adviseert een doorhang aan de slappe zijde van ongeveer 2% van de horizontale hartafstand voor standaard horizontale aandrijvingen. Bij een hartafstand van 500 mm is de juiste doorhang ongeveer 10 mm in het midden aan de slappe zijde. Te weinig doorhang (te strakke ketting) verhoogt de lagerbelasting en versnelt de slijtage van de ketting en het tandwiel, soms zelfs ernstiger dan bij een versleten ketting. Te veel doorhang zorgt ervoor dat de ketting kan oscilleren onder belasting, wat dwarstrillingen veroorzaakt en ervoor kan zorgen dat de ketting tanden overslaat op het kleine tandwiel. De aanbeveling voor de doorhang verandert voor hellende aandrijvingen: bij een hellende aandrijving van 45 graden daalt de aanbevolen doorhang tot ongeveer 1% van de hartafstand, en bij een bijna verticale aandrijving is een geleider of kettingspanner noodzakelijk.
Kan een kettingaandrijving zowel vooruit als achteruit draaien?
Ja, met een paar kanttekeningen. Standaard rollenkettingen kunnen vanuit structureel oogpunt goed omgaan met wisselende belastingen – beide zijden van het tandprofiel zijn ontworpen om belasting te dragen. Het probleem bij aandrijvingen die van richting veranderen, is het overgangsmoment waarop de ketting van strak aan de ene kant naar strak aan de andere kant verandert. Tijdens deze overgang heeft de voorheen slappe kant doorhang opgebouwd, en wanneer de aandrijving van richting verandert, kan de ketting even zo slap worden dat hij een tand overslaat voordat hij weer gespannen is. Voor toepassingen die frequent en snel van richting veranderen, gebruik een kleinere doorhanginstelling dan de standaard 2%-aanbeveling en overweeg een anti-terugloopspanner aan de slappe kant om te voorkomen dat de ketting slap wordt tijdens het afremmen. Het iets verkleinen van de hartafstand van de tandwielen (tot ongeveer 25 keer de steek van de ketting in plaats van de standaard 40 keer) helpt ook door de lengte van de slappe kant te verkleinen.
Welk type smeermiddel moet er gebruikt worden bij een rollenkettingaandrijving?
ANSI B29.1 specificeert vier smeercategorieën op basis van kettingsnelheid en vermogen: Type 1 (handmatige periodieke olietoevoer aan de slappe zijde), Type 2 (druppelsmering), Type 3 (oliebad of slingerschijf) en Type 4 (oliestroom of geforceerde circulatie). Voor de meeste gangbare industriële aandrijvingen is minerale olie SAE 30-50 geschikt. De viscositeit moet toenemen met de belasting en afnemen met de snelheid — een langzame, zwaarbelaste transportbandaandrijving vereist een viskeuzere olie dan een snelle, lichtbelaste verpakkingsmachineaandrijving. Vet is over het algemeen ongeschikt voor rollenkettingen — het dringt niet door capillaire werking door in de speling tussen de pen en de bus en smeert alleen de buitenoppervlakken. Kettingspecifieke olie, die een voldoende lage viscositeit heeft om door capillaire werking door te dringen in de speling tussen de pen en de bus, maar tegelijkertijd voldoende filmsterkte heeft om te voorkomen dat de olie bij hoge snelheid wegslingert, is technisch gezien het juiste smeermiddel voor de meeste toepassingen.
Is een kettingaandrijving geschikt voor omgevingen met hoge temperaturen?
Standaard rollenkettingen van koolstofstaal behouden hun nominale breeksterkte tot ongeveer 200 °C. Boven deze temperatuur begint het staal zachter te worden, waardoor de hardheid en vermoeiingsweerstand afnemen. De belangrijkste beperkende factor bij hoge temperaturen is de afbraak van het smeermiddel. Standaard minerale oliën beginnen boven de 100-120 °C te carboniseren, waardoor een harde laklaag in de speling tussen de pen en de bus ontstaat die als schuurmiddel werkt in plaats van als smeermiddel. Voor aandrijvingen die werken bij 120-300 °C is een hittebestendige kettingolie (doorgaans op basis van synthetische polyalfaolefinen of perfluorethers) vereist. Boven de 300 °C wordt een drooglopende, warmtebehandelde ketting met MoS2- of grafietimpregnatie gebruikt. Deze kettingen hebben een aanzienlijk lagere nominale draagkracht dan gesmeerde equivalenten, waardoor een grotere steek of extra strengen nodig zijn ter compensatie.
Welke invloed heeft de vereiste hartafstand op de prestaties van een kettingaandrijving?
De hartafstand beïnvloedt drie prestatieparameters tegelijk: de kettingomwikkelhoek op het kleine tandwiel, de kettingspanlengte (die de doorhang aan de slappe zijde en de eigenfrequentie bepaalt) en het aantal schakels dat contact maakt met elk tandwiel. Zeer korte hartafstanden (minder dan 20 keer de kettingsteek) verkleinen de omwikkelhoek op het kleine tandwiel tot onder de 120 graden. Volgens ANSI B29.1 is 120 graden het minimum voor het volledige nominale draagvermogen. Bij een omwikkelhoek van minder dan 120 graden daalt het effectieve aantal tanden dat in contact komt tot 2-3, waardoor de kettingbelasting op minder tanden geconcentreerd wordt en de slijtage van zowel de ketting als het tandwiel versnelt. Zeer lange hartafstanden (meer dan 80 keer de kettingsteek) creëren lange vrije overspanningen aan de slappe zijde, waardoor bij bepaalde snelheden resonantietrillingen ontstaan. De eigenfrequentie van de kettingspanlengte kan zich afstemmen op de tandinschakelfrequentie, wat staande golftrillingen veroorzaakt die leiden tot vermoeidheidsscheuren in de schakelplaten.

Heeft u ketting- en tandwielonderdelen nodig voor uw aandrijfsysteem?

Of u nu een geheel nieuwe aandrijving ontwerpt of versleten onderdelen in een bestaand systeem vervangt, het is belangrijk om de kettingserie, de tandgeometrie van het tandwiel en de boring te laten controleren voordat u bestelt. Dit voorkomt problemen die kunnen ontstaan ​​door onderdelen die qua afmetingen wel kloppen, maar niet aan de specificaties voldoen.

Redacteur: Cxm

VR-rondleiding door onze fabriek

TAGS:ketting | kettingtandwiel | Tandwiel