Ременные передачи

В результате изучения студент должен знать:
- разновидности ременных передач;
- типы ремней;
- критерии работоспособности ременной передачи;
- основы силового расчета ременной передачи.

7.1 Общие сведения

Ременная передача относится к передачам трением с гибкой связью. Состоит из ведущего и ведомого шкивов, огибаемых ремнем рис.2.6.1. Нагрузка передается силами трения, возникающими между шкивом и ремнем вследствие натяжения последнего.
 

Рисунок 2.6.1 Геометрические параметры ременной передачи

7.2 Область применения ременных передач

Ременные передачи применяют в большинстве случаев для передачи движения от электродвигателя, когда по конструктивным соображениям межосевое расстояние а должно быть достаточно большим, а передаточное число и не строго постоянным (в приводах станков, транспортеров, дорожных и строительных машин и т. п.).

Мощность, передаваемая ременной передачей, обычно до 50 кВт и в редких случаях достигает 1500 кВт. Скорость ремня u = 5...50 м/с, a в сверхскоростных передачах может доходить до 100 м/с.

Ограничение мощности и нижнего предела скорости вызвано большими габаритами передачи. В сочетании с другими передачами ременную передачу применяют на быстроходных ступенях привода.

7.3 Классификация ремённых передач

В зависимости от формы поперечного сечения ремня передачи (рис.2.6.2) бывают: 
1) плоскоременные (рис.2.6.2.а), 
2) клиноременные (рис.2.6.2.б), 
3) круглоременные (рис.2.6.2.в), 
4) поликлиноременные (рис.2.6.2.г). 

В современном машиностроении наибольшее применение имеют клиновые и поликлиновые ремни. Передача с круглым ремнем имеет ограниченное применение (швейные машины, настольные станки, приборы).
 

Рисунок 2.6.2 Формы поперечного сечения ремня

По расположению валов в пространстве:
1) передачи с параллельными валами: открытые рис.2.6.3.а, перекрёстные рис.2.6.3.б;
2) передачи со скрещивающимися валами – полуперекрёстные рис.2.6.3.в;
3) передачи с пересекающимися осями валов – угловые рис.2.6.3.г.
Разновидностью ременной передачи является зубчатоременная, передающая нагрузку путем зацепления ремня со шкивами.



Рисунок 2.6.3 Схемы расположения валов ременных передач

7.4. Достоинства ремённых передач

1. Простота конструкции и малая стоимость. 
2. Возможность передачи мощности на значительные расстояния (до 15 м).
3. Плавность и бесшумность работы.
4. Смягчение вибрации и толчков вследствие упругой вытяжки ремня.

7.5. Недостатки ремённых передач

1.Большие габаритные размеры, в особенности при передаче значительных мощностей. 
2. Малая долговечность ремня в быстроходных передачах. 
3. Большие нагрузки на валы и подшипники от натяжения ремня. 
4. Непостоянное передаточное число из-за неизбежного упругого проскальзывания ремня. 
5. Неприменимость во взрывоопасных местах вследствие электризации ремня.

7.6. Типы ремней

Материалы ремней должны обладать достаточной прочностью, износостойкостью, эластичностью, долговечностью и иметь низкую стоимость. Плоскоременная передача имеет простую конструкцию и вследствие большой гибкости ремня обладает повышенной долговечностью. Эта передача рекомендуется при больших межосевых расстояниях до 15м и высоких скоростях до 100 м/с. Для плоскоременной передачи применяют следующие ремни:
1) кордошнуровые прорезиненные (рис.2.6.4) – большой диапазон мощностей и  ;

Рисунок 2.6.4 Кордошнуровый прорезиненный ремень

2) синтетические тканые (рис.2.6.5) (из капроновой ткани, покрытой полиамидной пленкой с высоким коэффициентом трения) – в быстроходных и сверхбыстроходных передачах из-за малой массы при  ;



Рисунок 2.6.5 Синтетический тканый ремень

4) текстильные ремни - хлопчатобумажные и шерстяные – обладают низкой тяговой способностью и долговечностью, поэтому не находят широкого применения;
5) кожаные - обладают высокой тяговой способностью и долговечностью. Их применяют для передачи переменных и ударных нагрузках, дефицитны. Концы ремней соединяют путем склеивания, сшивания, скрепления.

Клиноременная передача благодаря повышенному сцеплению ремня и шкива передает большую мощность, допускает меньший угол обхвата на малом шкиве, следовательно, может иметь по сравнению с плоскоременной передачей меньшее межосевое расстояние. Долговечность клиновых ремней меньше. Из-за их высоты большие потери на трение и деформации изгиба. Клиновые ремни бывают двух типов:

1) кордтканевые (рис.2.6.7.а);
2) кордшнуровые (рис.2.6.7.б).



Рисунок 2.6.7 Виды клиновых ремней

Кордтканевые ремни более долговечны, но в передачах с малыми диаметрами шкивов применяют кордшнуровые ремни.

Все клиновые ремни в сечении имеют форму трапеции с углом профиля 400. Поликлиновые ремни (рис.2.6.7.в) сочетают достоинства плоских и клиновых ремней. Благодаря высокой гибкости они допускают применение шкивов малых диаметров, могут работать при  .

Зубчато-ременные передачи.
Зубчатые ремни (рис. 2.6.8) представляют собой ленту с зубьями на внутренней поверхности. Они состоят из стальных тросов и эластичного материала – резины или пластмассы. Зубья ремня имеют форму трапеции. Передача движения происходит не за счет силы трения, а зацеплением зубьев. Поэтому в зубчато-ременных передачах отсутствует скольжение ремня, и обеспечивается постоянство передаточного отношения. В такой передаче уменьшается влияние межосевого расстояния на тяговую способность, что снижает габариты передачи. Мощность, передаваемая зубчатым ремнем до 100кВт, .

Рисунок 2.6.8 Передача зубчатым ремнем

7.7. Геометрические соотношения в ременной передаче

1. Межосевое расстояние а (рис. 2.6.1) определяется конструкцией привода для плоскоременных передач: (2.6.1),
для клиноременных и поликлиноременных передач: (2.6.2),
где d1 и d2 — диаметры шкивов;
h — высота сечения ремня.

2. Расчетная длина ремня L равна сумме длин прямолинейных участков и дуг обхвата шкивов

(2.6.3)

При наличии сшивки длину ремня увеличивают на L= 100...400 мм.

3. Угол обхвата ремнем малого шкива 

(2.6.4)

Для плоскоременной передачи - , для клиноременной и поликлиноременной - .

7.8. Силы в передаче. Передаточное отношение

Для создания трения между ремнем и шкивом ремню после установки создают предварительное натяжение F0 (рис. 2.6.9.а).
 

Рисунок 2.6.9 Силы в ветвях ремня

После приложения основной нагрузки происходит перераспределение натяжений в ветвях ремня. Ветвь, набегающая на ведущий шкив (ведущая) натягивается F1, натяжение в ведомой ветви уменьшается F2 (рис.2.6.9.б). Силы натяжения ветвей ремня Fn (рис. 2.6.10) нагружают валы и подшипники, что является недостатком ременных передач.

Рисунок 2.6.10 Схема для определения нагрузки на валы

В ременной передаче возникают два вида скольжения: упругое и буксование. Упругое скольжение неизбежно при нормальной работе передачи. В процессе работы напряжение ремня на ведущем шкиве падает, ремень укорачивается и отстает от шкива. Возникает упругое скольжение. На ведомом шкиве натяжение ремня падает, и тоже возникает упругое скольжение. Упругое скольжение возникает в результате разности натяжений ведущей и ведомой ветви. По мере роста окружной силы , ремень начинает скользить по всей длине дуги обхвата, то есть по всей поверхности касания ремня с ведущим шкивом, то есть буксует. Ведомый шкив при этом останавливается, к.п.д. падает до нуля. Упругое скольжение характеризуется коэффициентом скольжения  , который представляет потерю скорости на шкивах, а, следовательно, непостоянство передаточного отношения. Поэтому передаточное число ременной передачи определяется по формуле:  (2.6.5).

7.9. Напряжения в ремне

При работе ременной передачи напряжения по длине ремня распределяются неравномерно. При огибании шкивов в ремне возникают напряжения изгиба  (рис. 2.6.11). Волокна ремня на его внешней стороне растягиваются. Максимальное напряжение изгиба возникает в поперечном сечении ремня при его набегании на ведущий шкив. Чем меньше диаметр шкива и больше высота ремня, тем большие напряжения возникают, тем менее долговечен ремень. На практике рекомендуют отношение толщины ремня к диаметру шкива D1 в пределах 1/25…1/30.

Рисунок 2.6.11 К изгибу ремня на шкиве

Критерии работоспособности ремённых передач

Основными критериями работоспособности ремённых передач являются 
1) тяговая способность – надёжность сцепления со шкивами,
2) долговечность ремня, которая определяется в основном его сопротивлением усталости.

Тяговая способность ременной передачи обусловливается сцеплением ремня со шкивами. Исследуя тяговую способность, строят графики-кривые скольжения и к.п.д.; на их базе разработан современный метод расчета ременных передач.

Тяговая способность характеризуется кривыми скольжения и КПД передачи  от полезной нагрузки (окружной силы Ft), которую выражают через коэффициент тяги  , показывающий, какая часть предварительного натяжения ремня полезно используется для передачи нагрузки. Кривые скольжения для всех типов ремней получают экспериментально рис.2.6.12.

Рисунок 2.6.12 Кривые скольжения

По оси абсцисс откладывают нагрузку, выраженную через коэффициент тяги  ,а по оси ординат – коэффициент скольжения  и к.п.д.. При постоянном натяжении постепенно повышают полезную нагрузку Ft, а следовательно, и коэффициент тяги  и измеряют значение коэффициента ,а (точнее, 1 и 2), а также КПД передачи  .При возрастании коэффициента тяги от нуля до критического значения  наблюдается только упругое скольжение, которое пропорционально нагрузке, и кривая скольжения имеет прямолинейный участок. Передача работает нормально. 

При дальнейшем увеличении коэффициента тяги от  до  к упругому скольжению добавляется частичное буксование. Нормальная работа передачи нарушается. Зона частичного буксования определяет способность передачи переносить кратковременные перегрузки, например при пуске. При предельном значении  наступает полное буксование, ведомый шкив останавливается.

В зоне частичного буксования КПД резко снижается вследствие увеличения потерь на скольжение, при этом ремень быстро изнашивается. Поэтому рабочую нагрузку рекомендуется выбирать вблизи критического значения. В этом случае значение КПД принимают: для плоскоремённой передачи  = 0,93…0,98; для клино- и поликлиноремённой  = 0,92…0,97.

7.10. Долговечность ремня

Долговечность ремня определяется в основном его сопротивлением усталости, которое зависит не только от значений напряжений, но также и от частоты циклов напряжений, т. е. от числа изгибов ремня в единицу времени. Под влиянием циклического деформирования и сопровождающего его внутреннего трения в ремне возникают усталостные разрушения — трещины, надрывы. Ремень расслаивается, ткани перетираются. На сопротивление усталости ремня оказывает влияние и высокая температура, которая повышается от внутреннего трения в ремне и скольжения по шкивам. Для уменьшения напряжения изгиба рекомендуется выбирать возможно больший диаметр малого шкива d1, что благоприятно влияет на долговечность, а также и на тяговую способность передачи.

Расчёт на долговечность выполняют как проверочный. За основу создаваемых в настоящее время методов расчёта ремней на долговечность принято уравнение наклонного участка кривой усталости

(2.6.6)

где  - максимальное напряжение цикла; С – опытная постоянная,  - число циклов нагружения за полный срок службы (до усталостного разрушения). Частота цикла напряжений равна частоте пробегов ремня:



(2.6.7)

где U – действительная частота пробегов ремня, 
с-1  - скорость ремня, м/с; Lp – длина ремня, м;
[U] – допускаемая частота пробегов ремня, с-1, при которой не появляется признаков усталостного разрушения.

Установлены ограничения на допускаемую частоту пробегов ремня: 
для резинотканевых ремней  с-1, 
для синтетических  c-1;
для клиновых и полуклиновых  с-1. Если , то увеличивают Lp.