Kompleksowy przewodnik po napędach łańcuchowych i typach łańcuchów: podstawowa wiedza dla inżynierów

​

Napędy łańcuchowe wyróżniają się jako kluczowe rozwiązanie w transmisji mechanicznej energii i są szeroko stosowane do przekazywania mocy pomiędzy komponentami – niezależnie od dużych odległości (takich jak w pięciopiętrowych silnikach okrętowych) czy krótkich (jak w rowerach). Znajdują się wśród pięciu najpowszechniej używanych metod mechanicznej transmisji mocy, obok sprzęgieł, napędów zębatych, przekładni pasowych i śrub napędowych. Każda z tych metod ma swoje specyficzne zalety i wady, dlatego inżynierowie muszą dokładnie rozważyć te czynniki, aby dokonać optymalnego wyboru dla konkretnego zastosowania. W tym artykule omówione zostały podstawy działania napędów łańcuchowych, ich klasyfikacja, najczęściej stosowane typy łańcuchów, kryteria doboru oraz najważniejsze zalety i wady.

Czym są napędy łańcuchowe?

Napęd łańcuchowy to system mechanicznej transmisji mocy, który wykorzystuje łańcuch do przekazywania energii z jednego miejsca w drugie. Typowy napęd łańcuchowy składa się z co najmniej dwóch zębatych kół (tzw. gwiazdek) oraz samego łańcucha – przy czym otwory w ogniwach łańcucha pasują do zębów gwiazdek.
Gdy silnik główny (np. silnik elektryczny lub silnik spalinowy) się obraca, obraca on również zapięty do swojego wału zębatki. Ten ruch obraca łańcuchem owiniętym wokół zębatki, który następnie przekazuje siłę mechaniczną na wał napędzany, skuteczzenie przekazując moc.

Najważniejsze porównania z innymi metodami przekładni

W porównaniu do przekładni paskowych: W przeciwieństwie do przekładni paskowych, przekładnie łańcuchowe nie posiadają poślizgu, zapewniając stały stosunek prędkości. Eliminuje to opóźnienie w przekazywaniu mocy, co czyni je idealnym rozwiązaniem w zastosowaniach takich jak łańcuchy rozrządu w silnikach spalinowych. Jedyną stratą mocy w przekładniach łańcuchowych jest tarcie pomiędzy ogniwami łańcucha i zębatek, co skutkuje wyższą sprawnością mechaniczną.
W porównaniu do przekładni zębatych: Przekładnie łańcuchowe są bardziej elastyczne pod względem odległości działania. Doskonale sprawdzają się, gdy wały są oddalone od siebie dalej niż w przypadku przekładni zębatych, a jednocześnie pozwalają zachować kompaktową konstrukcję. Dodatkowo, pojedynczy łańcuch może napędzać wiele wałów jednocześnie – cecha, której przekładnie zębate rzadko osiągają.

Rodzaje napędów łańcuchowych (ze względu na funkcję)

Napędy łańcuchowe dzielą się na trzy główne typy w zależności od ich podstawowej funkcji, z których każdy jest dopasowany do konkretnych potrzeb zastosowania:

1. Napędy łańcuchowe do przekazywania mocy

 Zaprojektowane wyłącznie do przekazywania mocy pomiędzy dwoma wałami, te napędy rozwiązują typowy problem: większość maszyn wytwarzających energię (np. silniki w pompach) nie może wykorzystać wytwarzanej mocy na miejscu.
Typowe zastosowania: Rowery, maszyny rolnicze, sprężarki i wałki rozrządu silników – wszystkie polegają na łańcuchach przekazujących moc z źródła do miejsca jej wykorzystania.

2. Napędy łańcuchowe do transportu materiałów

Napędy łańcuchowe do transportu materiałów są specjalnie zaprojektowane do manipulacji materiałami. Posiadają setki konstrukcji o dopasowanych właściwościach, takich jak niski współczynnik tarcia, odporność na wysoką temperaturę, odporność chemiczna, właściwości antystatyczne lub cechy magnetyczne. Łańcuchy mogą również być wyposażone w dodatkowe akcesoria dopasowane do różnych potrzeb.
Zastosowanie przemysłowe: Powszechnie stosowany w opakowaniach, produkcji samochodów, produkcji żywności i napojów, farmaceutycznym oraz tekstylnym do skutecznego transportu materiałów.

3. Łańcuchy nośne i napędowe

Te napędy łańcuchowe są stosowane w maszynach do podnoszenia i opuszczania ciężkich ładunków, często współpracując z bloczkami, aby zmniejszyć wysiłek. Przykładami są ręczne, elektryczne lub pneumatyczne wciągniki łańcuchowe, które są powszechne w warsztatach samochodowych, warsztatach, na placach budowy, w maszynowniach okrętowych i fabrykach – umożliwiające podnoszenie/opuszczanie ładunków o masie do 20 ton.
Łańcuchy podnoszące dzielą się dalej na dwa podtypy:

Łańcuchy eliptyczne (łańcuchy zwojowe): Stosowane do podnoszenia ładunków średnich i lekkich przy niskich prędkościach. Ich ogniwka są eliptyczne i połączone ze sobą przez spawanie. Łańcuchy o ogniwkach kwadratowych są czasem alternatywą, jednak zazwyczaj unika się ich stosowania z powodu niekorzystnego rozkładu naprężeń i tendencji do zaplątywania się.
Łańcuchy ze sworzniowcem: Preferowane w zastosowaniach o dużym obciążeniu. Każdy ogniwko posiada wbudowany sworzeń w swojej wewnętrznej szerokości, co zapobiega splątaniu i zwiększa wytrzymałość oraz trwałość. Są powszechnie stosowane w kotwicach statków i innym ciężkim sprzęcie podnoszącym.

Typowe rodzaje łańcuchów w napędach łańcuchowych

Pięć rodzajów łańcuchów dominuje w zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych, każdy z nich ma odrębna strukturę i zalety:

1. Łańcuchy rolek (łańcuchy tulejowo-rolkowe)

Najbardziej znany rodzaj łańcucha, łańcuchy rolek (lub łańcuchy tulejowo-rolkowe) są szeroko stosowane w przekładniach napędowych rowerów, motocykli i urządzeń transportowych. Są zazwyczaj wykonane ze stali węglowej lub stopów stali.
Konstrukcja: Składa się z płytek wewnętrznych (płytek rolek), płytek zewnętrznych (płytek sworzniowych), tulei, sworzni i rolek. Rolki są równomiernie rozmieszczone pomiędzy ogniwkami, współdziałając z zębami koła zębatego w celu przekazywania napędu.
Główne zalety: Rolek obracają się w razie potrzeby podczas kontaktu z zębatkami, minimalizując straty mocy. W przypadku łańcuchów napędowych wysokość tarcz rolkowych (po obu stronach rolek) przekracza średnicę rolki - zapobiega to dotykaniu bocznych płytek zębatkami i działa jako prowadnica, uniemożliwiając ślizganie się łańcucha. W przypadku łańcuchów rolkowych do transportu średnica rolki jest większa niż wysokość listew bocznych, eliminując kontakt między listwami bocznymi a torami transportowymi w celu zmniejszenia tarcia. Wieloobrotowe łańcuchy rolkowe są dostępne dla potrzeb wysokiej mocy, pozwalając na niższe prędkości i mniejsze skoki przy tych samych wymaganiach ładunkowych.

2. Łańcuchy ciche (łańcuchy o odwróconym zębie)

Tradycyjne napędy łańcuchowe są często hałaśliwe, co czyni je nieodpowiednimi dla środowisk wrażliwych na hałas, takich jak pomieszczenia zamknięte, kopalnie lub dzielnice mieszkalne. Łańcuchy ciche (lub łańcuchy o odwróconym zębie) rozwiązują ten problem, działając cicho i jednocześnie przekazując dużą moc przy wysokich prędkościach.
Konstrukcja: Składa się z płaskich płyt ułożonych w rzędy i połączonych jednym lub kilkoma kołkami. Spód każdego ogniwa ma profil odpowiadający zębatym kołom łańcuchowym, zapewniając płynne wchodzenie w zazębienie.
Właściwości: Nośność, wytrzymałość na rozciąganie i szerokość łańcucha rosną wraz z liczbą płaskich płyt w każdym ogniwie.

3. Łańcuchy liściowe

Najprostszy typ łańcucha, łańcuchy liściowe składają się wyłącznie z kołków i płyt – przy czym płyty naprzemiennie pełnią funkcję ogniw kołkowych i zawiasowych. Nie wchodzą w zazębienie z zębatkami; zamiast tego pracują na krążkach, które je prowadzą.
Zastosowanie: Idealne do podnoszenia i balansowania, na przykład w windach, wózkach widłowych, przenośnikach podajnikowych i masztach. Te maszyny o niskiej prędkości obciążają łańcuchy dużymi siłami statycznymi i niewielkimi obciążeniami roboczymi, a łańcuchy liściowe doskonale radzą sobie z uderzeniami i siłami bezwładności.
Ważny wymóg: Muszą wytrzymać duże naprężenia rozciągające bez wydłużenia ani pęknięcia oraz mieć wystarczającą ciągliwość, aby oprzeć się zmęczeniu. Podczas projektowania należy uwzględnić smarowanie oraz warunki środowiskowe.

4. Łańcuchy płaskotorowe

Służy wyłącznie do transportu, łańcuchy płaskowrzecionowe zastępują taśmy przenośnikowe i napędy pasowe - materiały można transportować bezpośrednio na ich ogniwach.
Konstrukcja: Indywidualne ogniwa są zazwyczaj wykonane z blach stalowych z wypukłościami w kształcie beczek na dolnej stronie. Przez te wypukłości przechodzą piny łączące sąsiednie ogniwa, umożliwiając ruch tylko w jednym kierunku. Specjalistyczne łańcuchy płaskowrzecionowe mogą się zginać bocznie (za pomocą zmodyfikowanej konstrukcji pinów), umożliwiając przenośnikowi pokonywanie zakrętów.
Zastosowanie: Stosowane w przenośnikach o niskiej prędkości do transportu materiałów na liniach montażowych.

5. Łańcuchy inżynieryjne stalowe

Rozwinięte w latach 80. XIX wieku, łańcuchy inżynieryjne stalowe zostały zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach środowiskowych i wymagających zastosowań. Wykonane są z blach stalowych walcowanych na gorąco (czasem poddanych obróbce cieplnej w celu zwiększenia wytrzymałości) i posiadają większe odstępy między komponentami, aby móc radzić sobie z pyłem, brudem i materiałami ściernymi podczas pracy.
Nowoczesne Zastosowanie: Najczęściej używane jako łańcuchy transportowe do przenoszenia materiałów, ale niektóre służą jako napędy. Można je znaleźć w przenośnikach, wózkach widłowych, podnośnikach kubłowych i wiertnicach naftowych – zwiększona wytrzymałość, odporność na zużycie, nośność i skok łańcucha pozwalają spełnić nowoczesne wymagania przemysłowe.

Jak dobrać odpowiedni napęd łańcuchowy

Wybór właściwego napędu łańcuchowego wymaga oceny potrzeb zastosowania w celu wyeliminowania niewłaściwych opcji. Należy wziąć pod uwagę następujące kluczowe czynniki:

1. Obciążenie

Należy określić moc, która ma być przekazywana – łańcuch musi wytrzymać moc generowaną przez urządzenie napędzające. Dokładne obliczenia są krytyczne dla bezpieczeństwa, dlatego zaleca się wystarczający współczynnik bezpieczeństwa.

2. Prędkość łańcucha

Nie wszystkie napędy łańcuchowe pracują z wysoką prędkością; niektóre są zaprojektowane do pracy z niską prędkością. Należy obliczyć wymaganą prędkość i upewnić się, że mieści się ona w zalecanym zakresie dla danego łańcucha, aby zawęzić wybór.

3. Ułożenie wałów

Większość napędów łańcuchowych działa tylko na równoległych wałach. Jeżeli wały są niewyjustowane, lepszą alternatywą mogą być napędy zębate.

4. Odległość osiowa między wałami

Zalecana odległość osiowa między wałami to 30–50 razy większa niż skok łańcucha. Dodatkowo należy zapewnić minimalny kąt opasania 120° na mniejszym zębniku; jeśli zębnik ma mało zębów, w każdym momencie muszą być w zazębieniu co najmniej pięć zębów.

5. Warunki eksploatacji

Środowisko eksploatacji decyduje o wymaganej odporności łańcucha na wilgoć, brud, ścieranie, korozję oraz wysoką temperaturę. Ma to również wpływ na drgania, poziom hałasu i wytrzymałość zmęczeniową. Na przykład w miejscach wrażliwych na hałas preferuje się stosowanie łańcuchów odwrotnozębatych (łańcuchów cichobieżnych).

6. Smarowanie

Większość napędów łańcuchowych wymaga smarowania w celu wydłużenia czasu użytkowania. Rodzaj łańcucha, jego wielkość, obciążenie i prędkość decydują o metodzie smarowania (ręczne, kroplowe, łaźnia olejowa lub smarowanie wymuszone). Dostępne są również łańcuchy samosmarujące – wykorzystują one tuleje wykonane z plastiku lub metalu nasycenego olejem, zapewniając ciągłe smarowanie bez konieczności konserwacji zewnętrznej.

Zaletą napędów łańcuchowych

Może przekazywać moment obrotowy na duże odległości.
Brak poślizgu (w przeciwieństwie do przekładni paskowych), co zapewnia stałą wydajność.
Bardziej kompaktowe niż przekładnie paskowe, mieszczą się w stosunkowo małych przestrzeniach.
Jedna przekładnia łańcuchowa może napędzać wiele wałów.
Wszechstronne, działa w wysokich temperaturach i różnych środowiskach (suchych, wilgotnych, ścierających, korozyjnych itp.).
System o niskim współczynniku tarcia, gwarantujący wysoką sprawność mechaniczną.

Wady przekładni łańcuchowych

Nie może być stosowane z wałkami nierównoległymi.
Podatne na hałas i wibracje podczas pracy.
Niewspółosiowość może powodować poślizg łańcucha.
Niektóre konstrukcje wymagają ciągłego smarowania.
Zazwyczaj wymagają obudowy do ochrony.
Okresowe napinanie (np. za pomocą rolek napinających) jest konieczne do utrzymania wydajności.

​