Пластинчатые цепи обычно используются в качестве тяговых и отличаются от приводных удлиненным шагом и допускаемой максимальной скоростью работы. Обычно они работают на скоростях менее 5 м/c, чаще до 3 м/с и ещё меньше. В связи с этим профиль зубьев звездочек для таких цепей проще, чем для приводных, а сами звездочки имеют интересную особенность (Рис. 1).
Рис. 1. Пример превращения обычной звездочки для пластинчатой цепи М80-2-80-1 в двухкомплектную
Слева показана звездочка с восемью зубьями. Её делительный диаметр D соответствует известной формуле D = t / Sin(180º / z), где t – шаг цепи, а z – расчётное число зубьев. Видно, что зубья этой звездочки настолько велики в окружном направлении, что между каждыми двумя впадинами можно нарезать ещё одну и получить два комплекта зубьев. Именно так сделана средняя звездочка на рис. 1. У неё 16 зубьев, то есть два комплекта по 8.
Справа показана эта двухкомплектная звездочка в зацеплении с цепью. При её вращении постоянно работает один и тот же комплект зубьев. А при определённом износе этого комплекта, цепь можно переставить на один зуб. Тогда в постоянную работу вступит второй комплект зубьев, а изношенный первый будет выведен из работы. Отметим, что при любом расчётном числе зубьев z, суммарное число зубьев двухкомплектной звездочки оказывается чётным.
Самое интересное получается, если на «двухкомплектной» звёздочке добавить (или удалить) один зуб. Тогда через каждый оборот в работу будут автоматически вступать поочерёдно оба комплекта. В этом случае делительный диаметр определяется по формуле D = t / Sin(180º / (z ± 0,5)). Сначала это может показаться диким — как это число зубьев может быть, например, 8,5 или 7,5? Но синусу все равно, целый или дробный у него аргумент, так что на истинность формулы это не влияет. Тогда суммарное число зубьев двухкомплектной звездочки всегда оказывается нечётным. В нашем примере такая звездочка будет иметь 17 (8 + 9) или 15 (8 + 7) зубьев.
Понятно, что при прочих равных условиях двухкомплектная звёздочка имеет примерно в два раза больший ресурс по износу зубьев, чем обычная. Казалось бы, такое преимущество должно широко использоваться на практике. Однако, этого пока нет. Во всяком случае, мне довелось видеть применение таких звёздочек только на одном типе машин.
Более тридцати лет назад довелось проектировать машину для разработки мерзлых грунтов, в которой использовались запасные части от одного из тракторов ЧТЗ. Тогда обратил внимание на то, что шаг зубьев тяговой звездочки примерно в два раза меньше шага втулочной гусеничной цепи. Таким образом, при работе между двумя втулками цепи оказывается один «свободный» зуб звездочки, не зацепляющийся с цепью (Рис. 2).
Рис. 2. Трактор Т-130
Много позже и по другому поводу узнал о существовании ГОСТа 592-81 «Звездочки для пластинчатых цепей. Методы расчета и построения профиля зубьев. Предельные отклонения». Из этого документа узнал, что двухкомплектная звёздочка с чётным суммарным числом зубьев называется двухходовой, а с нечётным суммарным числом зубьев двухзаходной.
Надо сказать, это довольно странный ГОСТ. Начать с того, что в нём нет определения терминов двухходовая и двухзаходная звёздочки. Видимо, разработчики считают, что это вещи общеизвестные. Поэтому сразу приступают к расчету профиля зубьев для разных случаев, не объясняя зачем это может понадобится.
Между тем, мало кто, кроме разработчиков ГОСТа, знает эту терминологию. Попробуйте найти в сети ответ на вопрос «Что такое двухзаходная звёздочка?». Мне это не удалось. Поисковик выдавал только ссылки на этот самый ГОСТ. Не удалось ничего найти и в доступной литературе по деталям машин. Даже предприятия, специализирующиеся на производстве звездочек и заявляющие, что могут их сделать по любым стандартам, ничего о таких звездочках на своих сайтах не пишут.
Но вернемся к самому документу. Для выбора метода расчёта и построения профиля зубьев в нём вводится понятие «Геометрическая характеристика зацепления ƛ».
ƛ = t / Dц, где Dц — диаметр элемента зацепления цепи (втулки, ролика, катка и т. п.). Указано, что профиль для двухходовых и двухзаходных звёздочек строится при значениях ƛ ≥ 3,5. То есть считается, что если шаг цепи меньше чем в 3,5 раза превышает диаметр ролика цепи, на звёздочке не удаётся нарезать второй комплект зубьев, либо зубья получаются слишком слабыми. И вот в этом заключается основная странность документа.
Вот фрагмент ГОСТА:
Рис. 3. Иллюстрация к построению профиля зубьев
Далее в документе приведена таблица с опечатками в расчётных формулах. На рис. 4 показан результат попытки построения профиля по этим предписанным стандартом формулам, насколько это оказалось возможным.
Рис. 4. Профиль зубьев двухзаходной звездочки с общим числом зубьев двух комплектов 15, построенный для цепи М80-2-80-1
Шаг этой цепи t = 80 мм, диаметр ролика Dц = 25 мм, а ƛ = 80 / 25 = 3,2. Таким образом геометрическая характеристика зацепления существенно меньше рекомендованного документом значения 3,5. Поэтому наружный диаметр звездочки «не дотягивает» до значения по ГОСТу. Этот диаметр был назначен произвольно (206 мм), что на 11 мм меньше стандартного значения. Остальные параметры определены по расчётной таблице стандарта.
Зубья построенного профиля имеют меньшую высоту по сравнению с профилем по рис. 3. Однако их сравнение с зубьями реально работающих тяговых звездочек тракторов ЧТЗ свидетельствует о их нормальной работоспособности. У большинства этих машин геометрическая характеристика зацепления составляет 3,123, а у болотоходной модификации трактора даже 2,9.
Рис. 5. Двухзаходные тяговые звездочки болотоходной модификации трактора Т-130
Очевидно, что здесь не только геометрическая характеристика зацепления существенно меньше предписываемой ГОСТом, но и геометрия профиля явно отличается от стандартной и ближе к профилю, построенному нами для цепи М80.
В работоспособности тяговых звездочек тракторов ЧТЗ нет никаких сомнений, поскольку все машины этого завода, начиная с самой первой, оснащались звездочками именно такой системы. А всего их было выпущено более 1 200 000 штук. При этом система существовала ещё раньше, поскольку первая челябинская машина (Рис. 5), была почти точной копией трактора Caterpillar. Кроме того, такая же система применяется на многих гусеничных экскаваторах и других машинах с подобной ходовой частью.
Рис. 6. Первый трактор ЧТЗ «Сталинец» С-60
Считаю, что двухзаходные звёздочки могут найти широкое применение, например во многих цепных транспортёрах. А тому, что этого до сих пор нет, есть, на мой взгляд, две причины. Первая – незнание многими конструкторами возможностей построения двухзаходных звёздочек.
Вторая причина состоит в методах нарезания звёздочек. Если для звёздочек приводных цепей на рынке имеются стандартные червячные фрезы, которыми они нарезаются методом обкатки на зуборезных станках, то для звездочек пластинчатых цепей такого инструмента нет и они нарезаются специальными фрезами методом деления. В упомянутом ГОСТе есть рекомендации по конструированию таких фрез, изготовление которых по силам далеко не каждому предприятию.
Однако вторая причина в наше время становится не актуальной. Сегодня есть станки с ЧПУ, способные выполнить точный профиль двухзаходной звёздочки с помощью обычной фрезы, Кроме того, для нарезания тихоходных звёздочек всё чаще применяются установки плазменной или гидроабразивной резки. Есть и другие современные технологические возможности.
А ГОСТ 592-81 следовало бы пересмотреть. Чтобы привести определения используемой терминологии, изменить указания по применимости характеристик зацепления и по определению наружного диаметра звёздочек и заодно устранить имеющиеся опечатки.
11.01.2023 Д.Д.