Общие сведения о ременных передачах

 

4.2.1 Ременная передача относится к передачам трением. Она состоит из ведущего и ведомого шкивов и замкнутого ремня, одетого на эти шкивы (рисунок 4.1). Ведомых шкивов может быть несколько (рисунок 4.1б). Шкивы лежат обычно в одной плоскости, а оси их параллельны. Встречаются передачи, у которых оси шкивов перекрещиваются (рисунок 4.1в).

Ременные передачи проектируют обычно как понижающие (передаточные отношения 5…7, а иногда и больше), но встречаются довольно часто и повышающие передачи, как, например, в приводе автомобильного генератора. Передаваемые мощности – от долей до нескольких десятков киловатт, в редких случаях – более 100 кВт.

Для передачи окружного усилия трением ремень должен быть прижат к шкивам. Это прижатие достигается обязательным предварительным натяжением ремня, которое регулируется в начале эксплуатации передачи и затем поддерживается по мере вытяжки ремня одним из следующих основных способов:

а) периодическим перемещением и фиксацией в новом положении одного из шкивов (рисунки 4.2а, б);

б) применением устройства с натяжным шкивом (рисунок 4.2в), который периодически переставляется в новое положение или постоянно перемещается автоматически (грузом, пружиной и т.п.);

в) периодическим укорачиванием ремня и его перешивкой (способ пригоден только для плоских ремней).

Передачи: а – с одним ведущим и одним ведомым шкивами; б – с несколькими ведомыми шкивами; в – со шкивами, лежащими в разных плоскостях. 1 – шкив; 2 – ремень.

 

Рисунок 4.1 – Схемы ременных передач

Электродвигатель 1 по рисунку 4.2а, установленный на салазках 2, перемещается вместе со своим шкивом по направляющим салазок под воздействием отжимных винтов 3 и фиксируется в новом положении крепежными болтами 4.

На рисунке 4.2б электродвигатель 1 установлен на качающейся плите 5, которая поворачивается вокруг оси 6 и фиксируется установочным винтом 7.

В передаче по рисунку 4.2в натяжной ролик 8 вращается на оси, смонтированной в рычаге 9, который качается вокруг оси, закрепленной на стойке 10. Нажатие ролика на ремень осуществляется грузом 11, как показано на рисунке, либо пружиной.

1 – электродвигатель; 2 – салазки; 3 – винт отжимной; 4 – болт крепёжный; 5– плита качающаяся; 6 – ось качания плиты; 7 – винт установочный; 8 – ролик натяжной; 9 – рычаг; 10 – стойка; 11 – груз.

 

Рисунок 4.2 – Иллюстрация некоторых способов натяжения ремня

4.2.2 По форме поперечного сечения ремня различают передачи плоскоременные, клиноременные, поликлиновые, круглоременные, зубчатоременные. Заметим, что ремни, как правило, изделия стандартные.

Плоские ремни имеют прямоугольное сечение (рисунок 4.3а), при этом ширина ремня многократно больше его толщины δ. Наиболее распространены плоские прорезиненные ремни. Они состоят из нескольких слоёв прорезиненной ткани, соединённых между собой прослойками из вулканизированной резины. Реже применяются тканые хлопчатобумажные и шерстяные ремни, еще реже – кожаные. Все упомянутые ремни выпускают конечными, т. е. кусками определенной длины. Чтобы выполнить ремень замкнутым, его концы соединяют между собой (склеивают, сшивают, скрепляют металлическими скобами и т.п.). Место соединения остаётся наиболее слабым.

К прогрессивным конструкциям относятся бесконечные (замкнутые) плоские ремни, изготовленные из эластичных синтетических материалов и армированные синтетическими нитями или тонкой стальной проволокой. Они применяются при окружной скорости до 50 м/с и более, в то время как прорезиненные, тканые хлопчатобумажные и шерстяные, а также кожаные ремни применяют при окружной скорости не более 25 … 30 м/с.

Шкивы плоскоременных передач выполняют цилиндрическими, а зачастую слегка бочкообразными. Бочкообразная форма препятствует сползанию ремня со шкива.

Клиновые ремни (рисунок 4.3б) имеют поперечное сечение в форме трапеции, выполняются они только бесконечными. Основу клинового ремня составляет резина, армированная для восприятия растягивающих усилий слоями кордткани (кордтканевые ремни) или кордшнура (кордшнуровые ремни). Армирующие элементы располагаются приблизительно в плоскости, проходящей через центр тяжести сечения. Более прогрессивными по долговечности и нагрузочной способности являются кордшнуровые ремни. Снаружи клиновой ремень обвертывается несколькими слоями прорезиненной ткани. Эта ткань и армирующие элементы соединяются с резиновой основой посредством вулканизации.

Шкивы клиноременных передач выполняются с канавками трапецевидного профиля. Углы φ профиля канавки у шкива и поперечного сечения изогнутого ремня должны совпадать (рисунок 4.3б). У стандартных ремней в выпрямленном состоянии этот угол около 40°. При изгибе ремня форма его сечения меняется (рисунок 4.3д): наружные слои растягиваются и становятся уже, внутренние – сжимаются и становятся шире, угол профиля при этом уменьшается. Поэтому для канавки шкива угол профиля φ назначают (по справочнику) тем меньшим, чем меньше диаметр шкива.

Распространены передачи с несколькими клиновыми ремнями. Их нагрузочная способность растет медленнее, чем число ремней. Дело в том, что из-за производственных допусков ремни несколько различаются

по длине. В передаче более длинные ремни получают меньшее предварительное натяжение и недогружаются в случае номинальной нагруженности более коротких ремней. Число ремней в одной передаче не назначают обычно более 6. Допустимая скорость клиновых ремней зависит от их типа и находится в пределах 30...50 м/с.

 

Сечение ремней: а – плоского; б – клинового; в – поликлинового; г – круглого; д – сечение клинового ремня в выпрямлённом 1 и изогнутом 2 состояниях.

 

Рисунок 4.3 – Иллюстрация наиболее распространенных ремней и шкивов

Поликлиновые ремни (рисунок 4.3в) являются дальнейшим развитием конструкции клиновых ремней. Поликлиновый ремень компактно соединяет в себе несколько клиновых ремней одинаковой длины. Он имеет плоскую часть и продольные клиновые выступы-рёбра на внутренней поверхности. Число рёбер может достигать 50, но чаще оно не превышает 20. Основу поликлинового ремня составляет резина, армированная в плоской части шнуровым кордом из синтетического или стеклянного волокна. Ремни допускают окружную скорость до 50 м/с, выпускаются только бесконечными.

Круглые ремни (рисунок 4.3г) выпускаются с диаметрами от 3 до 12 мм (иногда и больше). Выполняют их из кожи, плетёными из синтетических волокон, из резины, армированной кордными нитями, и т.п. Применяют круглые ремни обычно по одному и чаще всего в маломощных передачах (швейные машины, приборы, магнитофоны и т.п.). Рационально применение круглых ремней в передачах с перекрещивающимися осями шкивов (рисунок. 4.1в). Такие круглоременные передачи в сельскохозяйственных машинах используют при мощностях в несколько кВт и окружных скоростях до 20 м/с.

 

КПД плоскоременных передач при полной нагрузке достигает величины 0,97, 0,98. Передачи клиноремённые и поликлиновые из-за дополнительного трения ремней о стенки канавок шкивов имеют несколько меньший КПД – 0,95…0,96.

Зубчатые ремни взаимодействуют с зубчатыми шкивами преимущественно за счёт зацепления (как цепи) и в малой степени – за счет трения. На рабочей поверхности ремней (рисунок 4.4) выполняются зубья, которые зацепляются с зубьями на шкивах.

Основу зубчатого ремня составляет эластичный материал, например резина, армированный в плоской части гибкими стальными канатами, воспринимающими растягивающие нагрузки. Снаружи ремни покрываются синтетической тканью.

Зубчато-ременные передачи малошумны, а их ремни, в отличие от ремней других типов, не проскальзывают на шкивах. Поэтому передаточное отношение зубчато-ременных передач постоянно, что позволяет широко применять их вместо цепных, например в двигателях внутреннего сгорания для привода кулачкового вала газораспределительного механизма.

Зубчатые ремни устанавливают с малым предварительным натяжением, поэтому они меньше нагружают валы и подшипники. Зубчато-ременные передачи по сравнению с другими ременными передачами более компактны, имеют несколько больший КПД, изготавливаются на мощности до 200 кВт и даже выше при скорости ремня до 80 м/с.

 

а – общий вид передачи;

б – конструкция зубчатого ремня

 

Рисунок 4.4 – Иллюстрация зубчато-ременной передачи

 

Силы и напряжения в ремне

 

4.3.1 Рассмотрим три случая нагружения ремня, иллюстрированные рисунком 4.5

Случай 1. Готовая к работе передача неподвижна. Её ремень упруго растянут силой предварительного натяжения F_o (см. рисунок 4.5а) и прижат этой силой к шкивам. В результате такого прижатия при последующей работе передачи между ремнём и шкивами возникает сила трения, которая передаёт окружную силу от ведущего шкива к ведомому.

Случай 2. Шкивы вращаются, но крутящие моменты Т₁ и Т₂ на шкивах нулевые (см. рисунок 4.5б). Окружная сила передачей пока не передаётся (если не считать весьма малой силы, затрачиваемой на преодоление трения в передаче). Это состояние называется холостым ходом.

Части ремня, лежащие на шкивах, совершают круговое движение и на них действует центробежная сила, эта сила, стремясь отбросить ремень от шкивов, уменьшает полезное действие предварительного натяжения F₀. Отрицательное влияние центробежной силы заметно сказывается при скорости ремня более 20 м/с и прогрессирует пропорционально квадрату скорости (см. формулу 4.1), уменьшая нагрузочную способность передачи. Центробежная сила уравновешивается дополнительно возникающим натяжением ремня

 

F_v = γ·A· ², (4.1)

 

где γ – плотность материала ремня в кг/м³;

А – площадь поперечного сечения ремня в м²;

– окружная скорость ремня в м/с.

Натяжение ремня на холостом ходу передачи остаётся постоянным по длине, но увеличивается на величину F_v и составляет F₀ + F_v.

Случай 3. Ременная передача работает под нагрузкой. Это можно представить себе, как если бы к ведомому шкиву приложили тормозящий его момент Т₂. Соответственно к ведущему шкиву при этом должен быть приложен движущий момент Т₁. Передаваемая под нагрузкой окружная сила

F_t , (4.2)

где Т₁ и Р₁ – соответственно крутящий момент и мощность на ве-

дущем шкиве;

d₁ и ₁ – диаметр расположения ремня на ведущем шкиве и соот-

ветствующая окружная скорость.

Очевидно, что под нагрузкой величины натяжения ремня на рабочей ветви F₁ (см. рисунок 4.5 в) и на холостой F₂ не могут быть одинаковыми. Их разность должна ровняться передаваемой окружной силе F_t, т.е. F₁ – F₂ = F_t.

В сравнении с холостым ходом, где натяжение обеих ветвей ремня было постоянным и равнялось F₀ + F_v, под грузкой рабочая ветвь увеличит натяжение на F_t / 2, а холостая – уменьшит натяжение на F_t / 2. В результате получится

F₁ = F₀ + F_v + F_t / 2, (4.3)

F₂ = F₀ + F_v – F_t / 2. (4.4)

 

При этом, обратите внимание, что F₁ – F₂ = F_t!

 

а – передача неподвижна, ремень упруго растягивается только силой предварительного натяжения F₀;

б – передача вращается вхолостую, к предварительному натяжению ремня F_{0 .} добавляется натяжение от центробежной силы F_v;

в – передача работает под нагрузкой, ремень растянут силами F₁ и F₂ соответственно на рабочей и холостой ветвях.

1, 2 – ведущий и ведомый шкивы соответственно; 3, 4- – рабочая и холостая ветви ремня соответственно.

 

Рисунок 4.5 – Эпюры сил, растягивающих ремень

4.3.2 В предыдущем пункте 4.3.1 силы, растягивающие ремень на рабочей и холостой ветвях, выражены формулами (4.3) и (4.4). Если обе части этих формул разделить на величину поперечного сечения ремня А, то получим растягивающие напряжения в рабочей и холостой ветвях ремня соответственно

 

; (4.5)

 

, (4.6)

 

где σ₀ – напряжение от предварительного натяжения ремня;

σ_v – напряжение в ремне от центробежных сил;

σ_t – полезное напряжение от передаваемой окружной силы.

Помимо представленных выше растягивающих напряжений, в тех частях ремня, которые изогнуты на шкивах, действуют напряжения изгиба. Их можно вычислить по формуле /2, с. 213...217/

 

σ_u = E · δ / d, (4.7)

 

где Е – модуль упругости материала ремня;

δ – толщина ремня;

d – диаметр изгиба ремня, т.е. диаметр шкива.

Из формулы (4.7) следует, что наибольшее напряжение изгиба действует в той части ремня, которая расположена на шкиве с меньшим диаметром (рисунок 4.6а).

Изгибающие и растягивающие напряжения суммируются. Наиболее напряженное сечение ремня располагается на рабочей ветви в месте её набегания на меньший шкив (см. рисунок 4.6б). Здесь величина напряжения

 

σ _max = σ_u + σ₀ + σ_v + σ_t / 2. (4.8)

 

Из материалов подраздела 4.3 о силах и напряжениях в ремне следует уяснить следующее:

– в каждом сечении ремня за его пробег по всем шкивам напряжение меняется несколько раз;

– такой переменный характер напряжений приводит к усталостному разрушению ремня;

– чтобы повысить долговечность ремня, нужно снизить в нем максимальные напряжения;

– это достигается прежде всего уменьшением напряжений изгиба посредством ограничения минимального диаметра шкивов, а также дозированием величины предварительного натяжения ремня, о чём речь в последующих материалах.

 

 

а – эпюры изгибающих напряжений в ремне на меньшем и на большем шкивах соответственно σ_u1 и σ_u2;

σ – суммарные напряжения в ремне: на рабочей ветви – σ₁, на холостой – σ₂, максимальное – σ_{ma x};

1 – рабочая ветвь; 2 – холостая ветвь.

 

Рисунок 4.6 – Эпюры напряжений в ремне при работе передачи под нагрузкой