2.2. Ремённые передачи

ВИДЫ РЕМЁННЫХ ПЕРЕДАЧ, МАТЕРИАЛЫ РЕМНЕЙ И ШКИВОВ. Ре­мённая передача относится к механическим передачам с гибкой связью, в ко­торых гибкими промежуточными звеньями могут быть ремни, цепи или кана­ты. Ремённые передачи плоским ремнём получили распространение в XIX веке для привода текстильных и токарных станков. Затем были предложены клино­вые и зубчатые ремни. По принципу работы различают ремённые передачи трением (большинство передач) и зацеплением (зубчато-ремённые передачи).

Приступая к изучению этой темы, прежде всего, следует уяснить отличие ремённой передачи от всех других. Это отличие состоит в том, что при увели­чении нагрузки основная деталь передачи - ремень - до конца использует свою тяговую способность, определяемую силой трения между ремнём и шкивом, а затем начинается буксование шкива по ремню. В результате сильного нагрева ремень может быть разрушен и передача выходит из строя.

Ремённая передача (рис. 21, а) состоит из двух шкивов 1 и 2, ремня 3 и на­тяжного устройства 4. Механическая энергия от ведущего шкива к ведомому шкиву передаётся за счёт сил трения, возникающих при надевании ремня на шкивы с предварительным (монтажным) натяжением Fo. По форме поперечно­го сечения ремней различают передачи с плоским (рис. 21,6), клиновым (рис. 21, в), поликлиновым (рис. 21, г) и зубчатым ремнём (см. рис. 23).

Рис. 21. Ремённая передача (а) и форма поперечного сечения ремней: б - плоского, в - клинового, г - поликлинового

Обычно ремённые передачи используют в качестве первой от двигателя ступени привода. В этом случае её габариты и масса оказываются сравнительно небольшими. Достоинства ремённой передачи трением: возможность работы с высокими скоростями, предохранение узлов привода от перегрузок, простота конструкции, бесшумность при работе, дешевизна. Недостатки: малая долговечность ремня в быстроходных передачах, большие габариты передачи, зна­чительные усилия на валы и опоры.

К материалам ремней предъявляются требования высокой прочности при переменных напряжениях, износостойкости, максимального коэффициента трения по рабочей поверхности шкива, минимальной изгибной жёсткости. Область применения плоскоремённых передач - быстроходные переда­чи при высоких требованиях к плавности работы.

Высокоскоростные плоскоремённые передачи применяют как ускоритель­ные в приводах быстроходных технологических машин, например, шлифо­вальных станков, центрифуг и др. При скорости ремня v > 30 м/с передача мощности может и должна осуществляться только плоскими тонкими бесшов­ными (бесконечными) ремнями в виде замкнутой ленты определённой длины. Никакие сшивки или другие виды соединения концов ремня высокоскоростных передач недопустимы, так как ремни неизбежно рвутся от динамических воздействий в местах соединения. Быстроходные ремни выполняют тонкими из соображений долговечности, требующей минимальных напряжений изгиба, от которых, главным образом, при большом числе перегибов ремня в секунду за­висит усталостная прочность материала ремня.

Современными типами плоских бесконечных ремней являются синтетические тканые (рис. 22, а, вверху) и прорезиненные кордшнуровые ремни (рис. 22, а, внизу). Благодаря высокой упругости материала они хорошо амортизи­руют колебания нагрузки и вибрации деталей. Ширина синтетических тканых ремней от 10 до 100 мм, толщина ремня 0,8 или 1 мм, диапазон длин от 250 до 3350 мм. Допустимая скорость до 75 м/с. Ширина прорезиненных кордшнуровых ремней от 30 до 60 мм, толщина 2,8 мм, внутренняя длина от 500 до 5600 мм. Допустимая скорость до 35 м/с. При расчёте плоскоремённой передачи определяют размеры поперечного сечения ремня. Изменением ширины плоского ремня Ь_р можно варьировать нагрузочную способность передачи.

Рис. 22. Конструкции поперечного сечения тяговых ремней: а - плоских, б - клиновых, в - поликлиновых

Клиноремённые передачи имеют универсальное назначение. Клиновые ремни обеспечивают большую тяговую способность и меньшие габариты передачи для одинаковой мощности по сравнению с передачами плоским ремнём. Распространение получили кордтканевые и кордшнуровые ремни (рис. 22, б) слойной конструкции, изготовляемые бесконечными. Клиновые ремни в пере­даче применяют от 2 до 8 штук в комплекте, чтобы варьировать нагрузочную способность передачи. Из-за «рассеяния» длин ремней нагрузка между ними в комплекте распределяется неравномерно, поэтому в клиноремённых передачах требуется подбирать ремни с минимальным отклонением по длине. Клиновые ремни выполняют с углом φ = 36...40°. Отношение большего основания трапециевидного сечения к высоте b_p/h ≈ 1,6 (ремни нормального сечения) или b_p/h ≈ 1,2 (узкие клиновые ремни). Узкие клиновые ремни вслед­ствие большей гибкости дают возможность заменить ремни нормальных сече­ний, уменьшить количество ремней в комплекте и размеры передачи.

Поликлиновой ремень (рис. 22, е) — плоский бесконечный ремень со шну­ровым кордом и клиновыми выступами на нижней стороне. Он имеет строго фиксированное и постоянное положение нейтрального слоя, а также ширину и длину рабочих клиньев. Это гарантирует спокойную работу, позволяет приме­нить шкивы меньших диаметров и работать при скоростях до 40 м/с. Ширина поликлинового ремня при передаче такой же мощности значительно меньше ширины комплекта обычных клиновых ремней.

Тип клинового ремня - ремень нормального сечения (Z, А, В, С, D, Е, ЕО), узкий клиновой ремень (сечения УО, УА, УБ или УВ) или поликлиновой ре­мень (сечения К, Л или М) - назначают в зависимости от величины вращающе­го момента на ведущем шкиве Т₁, Н∙м. При расчёте клиноремённой передачи определяют не размеры поперечного сечения ремня, а количество клиновых ремней z_p в комплекте или количество клиньев z поликлинового ремня.

Зубчато-ремённая передача (рис. 23) соединяет в себе достоинства ре­мённых и цепных передач. По названию и конструкции тягового органа эту пе­редачу относят к ремённым, а по принципу работы - к цепным передачам. Та­кая передача компактна, работает плавно и почти бесшумно, не требует смазы­вания и тщательного ухода. Принцип зацепления устраняет проскальзывание ремня на шкивах, нет необходимости и в большом предварительном натяжении ремня.

Зубчатый ремень представляет собой плоскую ленту с трапецеидальным или полу­круглым профилем зубьев на внутренней по­верхности. Такие ремни изготовляют из маслостойких искусственных материалов и арми­руют стальными проволочными тросами (диаметр троса 0,36 или 0,75 мм, он свивается из проволоки диаметром 0,12 мм), которые и воспринимают основную нагрузку, передаваемую ремнём. Для работы в лёгких условиях применяют ремни, армированные полиамидным кордом.

Рис. 23. Привод с зубчато-ремённой передачей и форма профиля зубчатого ремня

Шкивы ремённых передач всех видов могут быть монолитными или состоять из обода, ступицы, диска или спиц. Обычно их изготовляют из серого чугуна (например, марки СЧ20) или из стали, а при высоких окружных скоро­стях - из лёгких сплавов или пластических масс.

Кинематика и геометрические параметры передачи. Кинематически­ми параметрами ремённых передач являются: передаточное отношение и окружная скорость

Здесь ε = 0,01...0,03 - коэффициент упругого скольжения ремня по шкиву.

Основные геометрические параметры передачи:

• диаметры шкивов: ведущего и ведомого d₂ =d_1ст∙u_peм =>d_2cт; значения расчётных диаметров округляют до бли­жайшей величины из стандартного ряда;

• межосевое расстояние а_рем ≈ 2(d_l + d₂); его можно увеличить в зависимо­сти от конструкции машины или её привода;

• длина ремня l_р; расчётную величину l_р согласовывают со стандартным зна­чением длин ремней.

КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЁТА РЕМЁННОЙ ПЕРЕДАЧИ:

• тяговая способность (определяется коэффициентом тяги φ,

• максимальные на­пряжения в ремне (σ_mах),

• долговечность ремня (L_h).

Тяговую способность ремня принято характеризовать кривыми скольже­ния ремня по шкиву и КПД. Кривые скольжения (рис. 24), получаемые опыт­ным путём, показывают зависимость величины упругого скольжения ε от отно­сительной нагрузки - коэффициента тяги φ. На этих графиках выделяют кри­тические значения коэффициента тяги φ_к, которые разделяют график на зону упругого скольжения (нормальной работы передачи) и зону буксования. В правильно спроектированной передаче ремень должен работать на грани пробуксовывания и сохранять работоспособность при выполнении

Условия

Для плоскоремённых передач φ_к = 0,4...0,6, для клиноремённых передач φ_к = 0,7...0,9.

Полезное окружное усилие в ремённой передаче можно рассчитать по следующей формуле F_t= F₁ -F₂ =2000T₁/d₁.

Рис. 24. Кривые скольжения ремня и КПД ременной передачи

Нагрузка на детали ремённой передачи. При работе ремень нагружен силами: предварительного натяжения F_o, полезной окружной силой F_t, центро­бежной силой F_v и изгибающим усилием F_из, которые создают соответствую­щие напряжения в ремне. Соотношение между усилием F₁ в ведущей, набегаю­щей на шкив ветви ремня, и усилием F₂ в ведомой ветви ремня (рис. 25) описы­вается формулой Л. Эйлера F₁/F₂ =e^f’a, где f'^’ - приведённый коэффи­циент трения ремня по шкиву; а угол охвата шкива ремнём. Леонард Эйлер (1707...1783 гг.) - великий математик, физик и ас­троном, имел немецко-швейцарское происхождение. В 1727 г. он был при­глашён Екатериной II в Россию, и до 1741 г. работал в Петербургской Ака­демии наук. В моменты острой политической ситуации нашёл прибежище у Фридриха II в Потсдаме. В 1766 г. возвратился в Петербург и плодо­творно работал в Академии наук, несмотря на потерю Зрения, отягчившую конец его жизни и деятельности. Он обладал почти невероятной работо­способностью и научной продуктивностью: его работы и научные статьи публиковались после его смерти ещё в течение 40 лет.

Усилие Fe, действующее на валы ремённой передачи, значи­тельно больше, чем, например, в зубчатых передачах. Рассчитать нагрузку на валы ремённой пере дачи (см. рис. 25) можно по формуле

Рис. 25. К расчёту усилий на валах ремённой передачи

где α₁ - угол охвата ремнём меньшего шкива.

Максимальные напряжения в ремне не должны превышать допускаемого значения, т.е. должно выполняться условие

где S_p - площадь поперечного сечения ремня, мм²;

ρ - плотность материала ремня, кг/м³;

Е - модуль упругости ремня при изгибе, МПа;

у - расстояние от наружной поверхности до нейтрального слоя ремня, мм.

Основные этапы расчёта ремённых передач:

• выбирают тип и материал плоского ремня или тип, сечение и материал кли­нового (поликлинового) ремня в зависимости от передаваемого вращающего момента Т₁ на ведущем шкиве;

• определяют расчётные диаметры d₁ и d₂ шкивов и рассчитывают межосевое расстояние передачи или назначают его из конструктивных соображений больше, чем a_peм ≈ 2(d₁ + d₂);

• вычисляют длину ремня l_р с округлением её значения до большего ближай­шего значения из стандартного ряда;

• для плоскоремённой передачи определяют размеры поперечного сечения ремня b_рхδ_р, а для клиноремённой передачи - количество ремней в комплек­те при выполнении условия z_p < [z_p] или число клиньев поликлинового ремня z при выполнении условия z < [z];

• оценивают суммарные напряжения в ремне и его долговечность;

• разрабатывают конструкции шкивов передачи.