Цепная передача vs зубчатая передача: всестороннее сравнение

Машину можно определить как совокупность механизмов, выполняющих задачи заданным способом за счет затраты энергии. Большинство функций машины осуществляются с использованием механической мощности, поставляемой первичными двигателями. Первичный двигатель преобразует одну форму энергии в механическую (вращательный момент). Первый пример — электродвигатель, где электрическая энергия превращается в механическую. Аналогично паровая турбина, гидротурбина, ветряки — первичные двигатели для тяжелых применений. Такие двигатели обычно находятся далеко от рабочих узлов, поэтому нужен другой способ передачи мощности к машинам.

Механическая система передачи мощности служит этому. Она забирает движение, момент и мощность от первичных двигателей и передает в нужные места рабочих узлов. Помимо передачи, может менять направление вращения и изменять скорость для точного выполнения требований. Система состоит из четырех базовых приводов: зубчатый, цепной, ременной, канатный. Для легкой и бесперебойной передачи также использует другие механические элементы: тормоз, сцепление, вал, шлиц, ключ, муфта и т.д. Каждый из четырех приводов дает определенные преимущества и подходит для специфических применений.

В отличие от трения (ременной и канатный), и цепной, и зубчатый — зацепление, где мощность передается последовательным зацеплением и расцеплением. В цепной передаче бесконечная цепь проходит через звездочки ведущего и ведомого валов, вводя гибкость в систему. Применяется для передачи на малые–средние расстояния. Хотя свободна от скольжения, полигональный эффект ограничивает постоянство передаточного числа. Зубчатый привод — жесткий привод из-за отсутствия промежуточного гибкого элемента. Подходит для малой дистанции, положительный привод. Различия в таблице.

Таблица: Различия между цепной и зубчатой передачей

Наличие промежуточного элемента и гибкость: Механические приводы классифицируются по наличию/отсутствию промежуточной связи. Гибкий привод — где есть гибкая промежуточная связь между ведущим и ведомым валами. Ременной, цепной, канатный — гибкие из-за ремня, цепи, каната как промежуточной связи. Такая связь вводит гибкость в привод, позволяя использовать для больших расстояний. Когда такой связи нет — жесткий привод. Зубчатый — пример жесткого: два жестких шестерни в прямом контакте через зубы. Промежуточный элемент не нужен, шестерни зацепляются напрямую.

Гашение вибраций: Преимущество любого гибкого привода — способность гасить вибрации. Обычно первичный двигатель дает ограниченные допустимые вибрации; но рабочий узел может производить чрезмерные. Ударная/шоковая нагрузка, несбалансированные силы, ослабленные соединения, динамические части, сломанные компоненты — главные источники вибраций в рабочем узле. Такие высокоамплитудные вибрации, если передадутся к первичному двигателю, могут вызвать серьезные повреждения. В каждом гибком приводе промежуточный гибкий элемент гасит вибрации естественным образом. Из-за отсутствия промежуточной связи в жестком приводе вибрации рабочего узла передаются к первичному двигателю. Цепная передача может изолировать ведущий узел, но зубчатая не может защитить от чрезмерных нежелательных вибраций.

Предпочтительное расстояние передачи: Базовая цель любого механического привода — передать движение и мощность. Расстояние между валами может варьироваться по факторам: планировка цеха, доступное пространство, безопасность. Каждый привод подходит для диапазона расстояний. Цепной — для малых–средних центровых расстояний, обычно 1–5 м в одной ступени. Можно для больших расстояний с дополнительными натяжными звездочками. Зубчатый — для малых центровых расстояний, обычно <1 м; иначе нужны громоздкие шестерни, потребляющие пространство и увеличивающие вес. Использование промежуточных зубчатых колес позволяет передавать на большее расстояние, но увеличивает вес и потери мощности, снижая КПД.

Передача между непарллельными валами: Валы могут иметь ориентации: (i) параллельные, (ii) пересекающиеся, (iii) непарллельные непересекающиеся. Подходящий привод выбирается по ориентации. Все три гибких (ремень, цепь, канат) подходят только для параллельных. Хотя четверть-поворот ремня можно для перпендикулярных, на практике редко используется из-за ограничений. Цепная передача только для параллельных валов. Зубчатая — для любой ориентации. Существует разные типы шестерен — каждый для конкретной ориентации. Прямые и косозубые цилиндрические — для параллельных; конические — для пересекающихся; червячные — для перпендикулярных непересекающихся.

Направление вращения: Еще одно требование — изменение направления вращения по необходимости. В машинах нужное направление может быть тем же или противоположным первичному двигателю. Одноступенчатая цепная передача вращает ведомый вал в том же направлении, что и ведущий. Если нужно несколько валов, цепная может дать вращение в обоих направлениях. Одноступенчатая зубчатая вращает ведомый только в противоположном направлении. Для получения вращения в том же направлении нужен промежуточный зубчатый колесо.

Положительный привод: Механический привод, дающий постоянное передаточное число, называется положительным. Постоянная скорость нужна во многих применениях: нарезка резьбы на токарном, автоматическая закладка винтов и т.д. Ни один трение не дает постоянного числа из-за скольжения. Цепная свободна от скольжения, но полигональный эффект может незначительно менять передаточное число. Не считается положительной. Зубчатая — единственный пример положительного привода.

Достижимое снижение скорости: Первичный двигатель обычно вращается гораздо быстрее, чем нужно рабочему узлу. Нужен понижение скорости, достижимое каждым приводом. Но у каждого есть предел. Цепная дает снижение 1:1 – 1:5 в одной ступени. Зубчатая — широкий диапазон 1:1 – 1:100. Прямые и конические для малого снижения, косозубые — среднего, червячные — крутого.

Смазка: Будучи зацеплением, два твердых тела в прямом контакте — тепловыделение и износ общие проблемы. Подходящее масло смягчает эффекты. Цепная требует частой смазки; большинство зубчатых — полной смазки, где узел частично или полностью погружен в масло.

Научное сравнение цепной и зубчатой передачи представлено в статье. Автор рекомендует обратиться к источникам:

1. Design of Machine Elements by V. B. Bhandari (Fourth edition; McGraw Hill Education).
2. Machine Design by R. L. Norton (Fifth edition; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design by R. S. Khurmi and J. K. Gupta (S. Chand; 2014).