Часть №1. Базовая конструкция цепи
- Спойлер
- Сразу скажу, что существует много разновидностей цепных приводов. И даже в главной передаче мотоцикла в разное время и для разных условий применялись цепи разных конструкций. Причем речь идет не о различии формы сальников, а реально разных конструкциях, передающих рабочую нагрузку. (см. рис. 1)
Но сегодня мы разберем работу только одной конструкции - наиболее распространенных мотоциклетных цепей. Это сальниковые втулочно-роликовые цепи.
Посмотрим на следующий рисунок, показывающий составные части цепи.
На рисунке мы видим:
- деталь №3 - пин, имеющий форму цилиндра
- деталь №4 - втулка, представляющая собой отрезок стальной трубки
- деталь №5 - ролик, который также является отрезком стальной трубки, но большего диаметра
- детали №1 и №2 - боковые пластины. При кажущемся сходстве пластин №1 и №2 они имеют различия и один вид пластин предназначен для сборки так называемых "внутренних звеньев", а другой - для внешних.
Кроме того, в набор деталей входят кольцевые сальники о форме и работе которых мы поговорим, когда будем обсуждать смазку цепи.
Как из перечисленных деталей собирается цепь, можно понять из следующего рисунка
В две боковые пластины "2" (нумерация по предыдущему рисунку) запрессовываются две втулки "4", на которые предварительно надеваются свободно вращающиеся ролики "5". Таким образом формируется так называемое "внутреннее звено". Отдельно изготавливается открытое "внешнее звено", состоящее из пластины "1" и запрессованных в него двух пинов "3". После этого на пины надеваются по одному кольцевому сальнику и по одному внутреннему звену. Далее на выступающие концы пинов (которые длиннее втулок) надеваются еще по одному сальнику, после чего вся конструкция закрывается напрессовкой второй пластины "1".
И таким образом добавляя звенья формируют всю цепь нужной длины.
Часть №2. Дополнительные особенности конструкции и работы цепи.
- Спойлер
- Теперь, когда конструкция цепи в целом понятна, остановимся на особенностях ее эксплуатации и вытекающих из этого нюансах конструкции. На следующем рисунке показан цепной привод целиком. Т.е. две звезды и набегающая на них цепь.
Вместе с предыдущими, этот последний рисунок позволяет понять некоторые нюансы эксплуатации цепи.
Прежде всего, обратим внимание, что в работе цепи и звезд возникают три вида контактных пар
1. Пара пин-втулка. Это пара скольжения, передающая основное тяговое усилие. Как можно увидеть из последнего рисунка, эта пара находится в нагруженном состоянии на всей длине рабочей (верхней) ветви цепи, а в момент набегания на звезду подвергается еще и истиранию из-за небольшого поворота звеньев относительно друг друга.
2. Пара втулка-ролик. Это пара скольжения, которая также участвует в передаче тягового усилия, Однако, в отличие от первой пары, она работает только при контакте со звездой и нагружена в меньшей степени.
3. Пара ролик-звезда. Это пара качения, которая работает практически только при набегании цепи на звезду.
Также следует учесть, что неравномерность движения мотоцикла по неровностям, работа сцепления и тормоза и ряд других моментов создают ударные нагрузки.
Таким образом, звенья цепи должны противостоять следующим нагрузкам.
- геометрическая деформация под воздействием растягивающих усилий
- износ под воздействием истирающих усилий от взаимного проворота звеньев
- мгновенное разрушение (раскалывание) под действием ударных нагрузок.
Исходя из этого элементы цепи должны быть прочными, упругими и стойкими к истиранию, но не хрупкими.
Это достигается путем использования вязкой сердцевины и очень твердой поверхности, получаемой благодаря технологиям поверхностного упрочнения. Наверняка многим знакомы такие понятия, как поверхностная закалка, цементирование, диффузное легирование и т.д. Такая обработка существенно продлевает срок службы трущихся пар. Ведь упрочненный поверхностный слой пинов и втулок истирается очень медленно. Но возникает и дополнительный эффект.
Т.к. упрочненный поверхностный слой имеет ограниченную толщину, когда он протрется насквозь, нагрузка ляжет на внутреннюю вязкую (но не износостойкую) часть материала. Скорость износа возрастет в десятки раз.
Также на скорость износа пинов и втулок влияет работа пары "ролик-звезда".
Если посмотреть схему набегания цепи на звезду, то можно увидеть, что как только очередной ролик набегает на очередной зуб звезды, нагрузка на предыдущей паре "пин-втулка" существенно снижается. Таким образом, проворачивание и истирание пинов под нагрузкой происходит только до момента контакта ролика с зубом звезды. Дальнейший взаимный "проворот" звеньев до полного укладывания цепи в ложе звезды идет при уменьшенной нагрузке. Т.е. ролики выполняют не только функцию смягчения ударных нагрузок при набегании на звезду, но и поддерживающую функцию, снижающую длительность и интенсивность истирающих нагрузок в соседней (предыдущей) паре пин-втулка.
Такие особенность конструкции и работы цепи приводят к тому, что в процессе ее эксплуатации возникает несколько явно выраженных периодов с разными режимами и различными внешними проявлениями.
Часть №3. Периоды эксплуатации цепи.
- Спойлер
- 1. Период притирки
Детали с поверхностным упрочнением хорошо притираются. При этом происходит небольшое сглаживание ("зализывание") поверхности, которое немного снижает толщину упрочненного слоя, но еще больше повышает его стойкость к истиранию.
Притирка деталей цепи продолжается несколько сотен км. В это время желательно эксплуатировать цепь очень бережно и без резких стрессовых нагрузок. Это влияет на ресурс цепи.
Во время этого периода цепь немного растягивается (удлиняется) за счет сглаживания, но износа, как такового, в цепи нет, так же как нет его и в звездах (он минимален).
2. Период стабильной работы
В этом периоде притертые упрочненные поверхности практически не изнашиваются. Скорость и величина износа минимальны. Для практических целей можно считать, что износа и растяжения цепи вообще нет. По крайней мере, нет растяжения, требующего подтяжки цепи. Если в начале периода цепь натянута нормально, то к концу периода ее натяжение также остается в пределах допуска (хотя величина прогиба естественно слегка растет). В этот период также минимален и износ звезд (кстати, у звезд венец также может иметь упрочнение). Производители часто указывают на такую "безисносную" эксплуатацию своей цепи. Типа "наши цепи не требуют подтяжки".
Период стабильности продолжается в зависимости от качества цепи до нескольких десятков тысяч км.
В первой части этого периода, так же как и во время притирки, цепь можно менять независимо от звезды.
Но нужно понимать, что такой период стабильности есть только у хороших цепей и только при правильной эксплуатации. Сильные ударные нагрузки способны нарушить эту идиллию. Ну а некачественные цепи вообще не имеют этого периода. Их эксплуатация начинается сразу с третьего периода.
3. Период равномерного износа.
Тут все понятно по названию. Это то самое время, когда работа цепи идет в пределах истирания рабочего поверхностного слоя. Все начинается с постепенного износа звезды. Открытая цепная передача подвержена действию дорожных абразивов и по мере износа зубьев, поддерживающая функция роликов снижается. Соответственно, возрастает длительность и интенсивность истирающих нагрузок в паре пин-втулка.
В этот период скорость истирания всех звеньев цепи примерно одинаковая. Цепь равномерно вытягивается в процессе эксплуатации. Одновременно идет и износ звезд. В этом периоде при замене цепи уже нужно менять и звезды. Продолжительность этого периода также зависит от качества цепи (толщина упрочненного слоя и качество сальников) и от условий эксплуатации/обслуживания.
4. Период неравномерного (прогрессивного) износа
Вот тут начинается самое интересное. При равномерном износе звезды притираются к цепи и набегание цепи на звезду происходит без ударов. Однако, рано или поздно одно звено оказывается слабее. Тут сказывается сочетание исходной разницы в толщине поверхностного слоя и случайно ударное разрушение какой либо детали этого звена или ее упрочненного слоя. В результате поверхностный слой заканчивается и скорость износа этого конкретного звена возрастает. Оно становится концентратором локального растяжения. Удлинение одного конкретного звена быстро становится более значимым, чем удлинение остальных звеньев цепи. При этом звезда, притертая под общий равномерно изношенный шаг цепи, не соответствует шагу данного конкретного звена. При набегании этого растянутого звена на звезду ее "задний" ролик не ложится сразу в межзубцовую выемку, а упирается в вершину зуба. Чтобы он лег во впадину нужно дополнительное усилие. Набегание сопровождается локальным ударом (кстати, его можно услышать по характерному хрусту), приводящим к ускорению износа пары пин-втулка под этим роликом. А это приводит к удлинению соседнего звена. Возникает "волна прогрессивного износа". Износ очередного звена провоцирует ускорение износа следующего.
Именно поэтому более изношенные звенья располагаются не вразнобой, а подряд, и именно поэтому цепь получает локальное удлинение на одном участке. То самое неравномерное вытягивание, которое так удивляет многих владельцев мотоциклов.
Такое "ползучее" распространение удлинения цепи может продолжаться довольно долго (до 10% расчетного времени эксплуатации), пока не появится еще одно "плохое" звено и от него не пойдет вторая волна растяжения.
Однако, как правило этого нового плохого звена не ждут, а меняют цепь. Ведь есть характерные признаки - необходимость более частой подтяжки и характерный хруст.
5. Период катастрофического износа
Легко догадаться, что если продолжать эксплуатацию цепи, то когда-нибудь появится еще одно слабое звено, которое пустит свою волну, потом еще и еще, все чаще и чаще. Вместо одного локального провисания цепи мы получим постоянно меняющийся шаг цепи. При этом износ будет охватывать все больше звеньев и идти все быстрее, т.к. все больше звеньев будут терять упрочненный поверхностный слой. И очень быстро все звенья потеряют этот слой. Износ/удлинение цепи станут "скоростными".
Обычно до такого состояния цепи не доживают. Их меняют раньше. Но в моей практике был случай, когда при возвращении из дальнего путешествия цепь перешла в режим катастрофического износа и на последнем участке перед домом мы ее подтягивали каждые 10 км.
Эксплуатация цепи в режиме катастрофического износа крайне опасна, т.к. цепь может порваться в любую минуту. И хорошо, если при этом она не повредит ни вашу ногу, ни мотоцикл, а просто слетит на землю.
Часть №4. Смазка цепи.
- Спойлер
- В этой части мы еще немного уточним, как работают пары трения в цепи и как исходя из этого их нужно смазывать.
Основная пара - это "Пин-втулка"
Это высоко нагруженная пара трения с узкой зоной истирания (в пределах сектора 30%) и смазкой не подверженной вымыванию благодаря сальникам. Сальники не только защищают соединение от проникновения любых составов и частиц извне, но и удерживают смазку весь период эксплуатации. Таким образом, смазка этой пары закладывается при производстве цепи и не возобновляется весь период эксплуатации.
Дополнительная пара - это пара "Втулка-ролик"
Эта пара является средне нагруженной парой трения с комбинированной зоной истирания (пин по сектору, ролик по кругу) и возобновляемой смазкой, подверженной вымыванию из-за отсутствия защиты в виде сальников.
Исходя из этого для первой пары нужна консистентная смазка с низкой текучестью и добавлением частиц для сухого трения и не имеющая агрессивных компонентов, разрушающих резиновые сальники.
Это смазка, аналогичная той, которая применяется в шрусах. Либо на основе кальцинированного масла с добавлением графита, либо на основе литиевой смазки с добавлением диоксида молибдена.
Совсем другая смазка нужна для второй пары.
Тут нужна смазка, способная проникнуть в узкий зазор между роликом и втулкой и одновременно безвредная для сальников (на которые она неминуемо попадает).
В настоящее время для этой цели рекомендуют использовать аэрозольную смазку с добавлением тефлона и силикона. Она хорошо проникает к смазываемым поверхностям и неплохо удерживается на них при работе. При этом она никак не влияет на смазку в паре пин-втулка и единственное требование к ней со стороны этой пары - это безвредность для сальников. Такая периодическая смазка в течение всего срока службы цепи называется эксплуатационной.
Можно сказать, что цель эксплуатационной смазки - это безвредное для сальников основной пары смазывание роликов.
Теперь уточним, как нужно смазывать цепь и какие смазочные материалы кроме аэрозольной смазки можно и нужно применять.
Многие мануалы ничего не пишут про аэрозоль, а рекомендуют использовать для смазки цепи трансмиссионное или даже моторное масло. В качестве аргумента сторонники такой смазки упоминают работу моторных цепей в двигателях. Действительно, там цепи ходят без замены десятки тысяч километров. Определенный резон в таких рекомендациях есть, и раньше для смазки цепи использовали именно такие масла. Однако, нужно учитывать ключевое отличие условий эксплуатации моторной цепи и приводной цепи ГПМ.
Моторная цепь смазывается горячим маслом путем постоянного воздействия масляной ванны или масляной взвеси. При этом цепь защищена от внешних абразивов и грязи. При таком режиме эксплуатации высоко текучее масло постепенно заполняет все зазоры между трущимися поверхностями. При этом моторные цепи - это многорядные цепи, которые нагружены не так сильно, как цепь ГПМ.
Цепь ГПМ нагружена сильнее и подвержена воздействию внешних абразивов. При этом масла с малой текучестью плохо заполняют зазоры в трущихся парах, а масла с высокой текучестью заполняют эти зазоры быстрее, но еще быстрее вытекают из них. Возникает противоречие между требованиями к маслу по его текучести в процессе нанесения и в процессе работы.
Приведенные различия требуют более сложных действий для смазки цепи ГПМ и поддержания ее в рабочем состоянии. Приведем несколько методов смазки цепи.
Метод №1. Классический.
В этом методе мы используем уже упомянутое трансмиссионное масло, но с учетом описанного выше противоречия с текучестью берем более тяжелое и вязкое масло, но наносим его в более текучем разогретом состоянии по следующей технологии.
- При каждом ТО снимаем цепь, промываем ее вайт-спиритом (он же керосин) в течение 10 минут путем погружения в теплую ванну, непрерывно "болтая" цепь в емкости с керосином. (Допускается использование мягкой щетки. Плоскость цепи нужно постоянно менять.)
- После промывки тщательно высушиваем цепь в течение 2-х часов
- Далее "провариваем" цепь в емкости с трансмиссионным при температуре 90 градусов в течение 15-20 минут. Положение цепи строго "горизонтальное".
- После этого вынимаем цепь и даем излишкам стечь в течение часа.
- Устанавливаем цепь на мотоцикл.
В процессе эксплуатации в течение сезона используем керосиновую смывку для "пролива" цепи и удаления поверхностных загрязнений, а потом так же многократным "проливом" наносим жидкое разогретое масло, после чего даем излишкам стечь в течение 30 минут периодически прокручивая колесо на 1 оборот.
Примечание: допускается применение моторного масла, однако такое масло требует более частого смазывания.
Метод 2. Модифицированный.
Вместо жидкого масла при проварке используется графитовая смазка. Она не вымывается водой, имеет большую нагрузочную способность и служит дольше.
Для удаления излишков применяется не стекание, а мягкая ветошь
В процессе эксплуатации нужно добавлять ту же смазку либо в консистентном виде путем "набивки" (долго и не очень эффективно), либо проливом с небольшим разбавление вайт-спиритом (требует долгой сушки - мажем сегодня, а едем завтра). Также для упрощения процесса можно для пролива использовать трансмиссионное масло, как в первом методе.
Метод 3. Технологичный
Для обработки в рамках ТО отдать мотоцикл в сервис.
В процессе эксплуатации промывать с помощью специальной цепной аэрозольной смывки с сушкой в течение 10-15 минут.
Далее наносить специальную аэрозольную смазку с тефлоновыми присадками с обязательной сушкой в течение тех же 15 минут до устранения текучести и образования рабочей пленки. Такая смазка в аэрозольном состоянии обладает гораздо более высокой текучестью, чем разогретое трансмиссионное масло, а после сушки образовавшаяся пленка имеет гораздо более высокую стойкость, чем остывшее масло.
Примечание: Повышение технологичности в данном случае достигается как на этапе ТО за счет передачи работы в сервис, так и на этапе текущей эксплуатации за счет применения более технологичных материалов. Однако, при желании, можно выполнять смазку при ТО своими силами (как и в двух первых вариантах), а повышение технологичности использовать только при текущих работах.
Метод 4. Сверхтехнологичный
При этом методе способ смазки в процессе ТО не меняется. Изменяется только процесс текущей (оперативной) смазки. Данный метод использует те же составы смазки, что и метод 3, и отличается только использованием специального приспособления для пролива смывкой и маслом. Такое приспособление (см. рисунок) стоит не очень дорого и повышает качество обработки.
Метод 5. Непрерывный.
Специальная обработка в рамках ТО вообще не проводится. Только сезонная обработка перед началом эксплуатации. Ее можно выполнить в сервисе, или самостоятельно, как описано выше..
Для текущей эксплуатационной смазки использовать устройство "скот-ойлер" (см. рисунок).
Часть №5. Уточнения и дополнения.
- Спойлер
- В этой части мы кратко зафиксируем основные ошибки при смазке цепи и их последствия, а также рассмотрим краткую информацию по сальникам и упрочненным цепям.
1. Применение разрушающих смывок и масел.
Приводит к разрушению сальников и быстрому износу основных пар цепи.
2. Нарушение технологий смазки.
Приводит к недостаточному смазыванию или быстрому вымыванию смазки с последующим заклиниванием роликов.
3. Редкое смазывание.
Приводит к заклиниванию роликов.
Казалось бы, само по себе заклинивание/затирание роликов никак не влияет на работу основной пары пин-втулка и, следовательно, но увеличивает износ/вытягивание цепи. Однако, это не так.
При затирании пара втулка-ролик начинает сильнее изнашиваться (в пределе - до полного протирания и разрушения втулки), но главное - превращает контакт ролик-звезда из пары качения в пару скольжения. В результате ролик перестает накатываться на зуб звезды и начинает по нему скользить. Возникает ускоренный износ звезды (особенно с учетом дорожного абразива).
Контакт изношенной звезды и ролика перестает выполнять поддерживающую функцию, которую мы обсудили раньше. В результате истирающая нагрузка на пине в момент набегания не снижается, а сохраняется до полного укладывания ролика в ложе звезды. В результате интенсивность износа пина-втулки растет.
Это и приводит к более быстрому вытягиванию цепи.
Явление очень похоже на то, что происходит, если поставить новую цепь на старые звезды. Она точно так же быстро вытянется из-за отсутствия поддерживающей функции в момент набегания.
Ну и естественно, хотя эксплуатационная смазка не затрагивает впрямую работу основной пары, не стоит забывать о том, что срок службы этой пары тоже зависит от смазки. Только не от эксплуатационной, а от первичной, которая наносится при изготовлении цепи. А сохранность этой смазки определяется качеством уплотнений-сальников.
Простейший сальник - это o-ring. Он представляет собой по сути простое уплотнительное кольцо, которое плотно прижато к поверхностям пластин и изолирует смазанные внутренние поверхности от внешней среды. Однако, как бы мы ни старались, частички грязи попадают на это кольцо (сальник) и в результате постоянного взаимного проворачивания пластин и сальников так или иначе проникают внутрь. Аналогичное явление есть в любых соединениях, использующих сальниковые уплотнения и имеющие контакт со внешней средой.
Для решения этой проблемы сальники всегда дополнительно изолируют от внешней среды пыльниками. По сути, это еще одно уплотнительное кольцо, но уже не имеющее контакта с рабочей смазкой.
Аналогичное решение можно применить и в цепи. Т.е. поставить для уплотнения не одно кольцо, а два. С учетом конструкции цепи это будет кольцо больше диаметра, которое будет концентрически "охватывать" сальник. Кольцо в кольце. Но две детали вместо одной - это менее технологично при сборке и менее надежно при эксплуатации. Поэтому инженеры "склеили" два концентрических кольца и получили вместо круглого сечения восьмерку, которая в процессе разработки приняла форму креста. Получилось уплотнение x-ring с двумя зонами защиты. Потом для улучшения защиты добавили третье концентрическое кольцо и получили w-ring с тремя зонами защиты. Ну, и все дальнейшие изменения - это различные модификации формы колец, обеспечивающие больше зон защиты и более надежное прилегание уплотнительных выступов к поверхности пластин.
Основные виды уплотнений показаны на рисунке.
В заключение несколько слов об усиленных цепях.
Речь идет о цепях с большим сроком службы. А достигается такое увеличение срока службы путем одновременного усиления всех узлов и деталей цепи.
Более надежные сальники обеспечивают более долгую сохранность смазки
Улучшенное поверхностное упрочнение (с хромированием) повышает износостойкость пар трения.
Легирование пластин повышает их коррозионную стойкость
Утолщение пластин повышает устойчивость цепи к срезу и соответственно повышает общую нагрузочную способность.
Все это вместе и есть усиленная цепь. Хотя есть и более сложные методы усиления в виде изменения конструкции и превращения цепи в трехрядную. Но это уже отдельная тема.