Зубчатые ременные передачи

Зубчатые ременные передачи работают с пониженным уровнем шума при высоких скоростях, имеют малую вытяжку, что упрощает конструкцию натяжного устройства передачи. Зубчатые ремни передают крутящий момент при зацеплении зубьев ремня с зубьями шкивов. Односторонний зубчатый ремень представляет собой плоский ремень с зубьями на внутренней поверхности.

Зубья могут иметь трапецеидальный или криволинейный, например полукруглый, профиль. При работе зубчато-ременной передачи, после входа в зацепление зубьев ремня в шкивы, происходит полный контакт поверхностей зубьев ремня и шкива. Однако при входе и выходе ремня из зацепления со шкивом наблюдается деформирование зубьев ремня и скольжение последних по поверхности зубьев шкива. Это приводит к потерям мощности передачи и износу зубьев ремня.

Для работы в сложных контурах передач с несколькими ведомыми органами применятся двусторонние зубчатые ремни. Двухсторонние зубчатые ремни позволяют менять направление вращения нескольких синхронизированных шкивов с помощью одного ремня. Работая зацеплением, без скольжения, они обеспечивают синхронное вращение валов. Зубчатые ременные передачи применяют для передачи мощности до 100 кВт. Они работают в диапазоне скоростей от 5м/с до 80 м/с, передаточные числа до 12, обладают большим КПД до 0,98.

Тянущий слой зубчатого ремня, как правило, из металлического троса или синтетических волокон, заключен в резиновый массив на основе бутадиен-нитрильных каучуков, наирита или полиуретана. Зубья для повышения их износостойкости покрывают нейлоновой или другой тканью. Для кинематических передач применяют ремни с тянущим шнуровым слоем из стекловолокна или полиэфирного волокна. Материал ремней стоек к воздействию масел. Зубчатые ремни применяются в передачах станков, промышленных и бытовых установок, приборах, а также в механизмах автомобильных двигателей. Главная особенность зубчато-ременных передач - синхронность и возможность передачи высоких нагрузок при небольших начальных натяжениях. Это позволяет уменьшить нагрузку на опоры валов и подшипники механизма передачи.

Условно зубчатые приводные ремни можно представить в виде гибкой зубчатой рейки, свернутой в кольцо. Соответственно и шкив такой передачи будет аналогом обычного зубчатого колеса. Приводные ремни зубчатого исполнения могут иметь как внутренний, так и наружный зуб, а также быть двустороннего исполнения одновременно.

При проектировании ременной передачи, прежде чем выбрать тип приводного ремня, нужно четко определиться с условиями работы механизма, с характером и динамикой его нагрузки, с ответственностью его работы в составе цепи всего оборудования, с требованиями по надежности и безопасности. Каждый тип ременной передачи рассчитан на свои условия эксплуатации и нагрузки. Необоснованный выбор клинового приводного ремня или зубчатого вместо плоского приведет к удорожанию всего узла. А если применить плоскоременную передачу вместо ременной зубчатой, можно не выйти на требуемые показатели мощности и производитель-ности.

а б

Рис. 3 Конструкция зубчатого ремня

Размеры ремня и параметры передачи зависят от модуля m - основного конструктивного параметра передачи: m = р/π, где р - шаг ремня, мм, рис.3 а, б.

Требуемое значение модуля вычисляют, исходя из усталостной прочности зубьев ремня

m=kVP₁C_p / n₁, где:

Р₁ — номинальная мощность на ведущем валу, кВт;

С_р — коэффициент динамичности и режима работы (С_р = 1,3... 2,4);

n^-1 — частота вращения малого шкива, мин^-1;

k = 35 — для ремней с трапецеидальной формой зубьев,

k = 25 — для ремней с полукруглой формой зубьев.

Полученное значение модуля округляют до стандартного значния: 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 7; 10.

Основные размеры зубчатого ремня показаны на рис.3. а,б: Н - толщина ремня, h (h₁) - высота зуба, R₁ — радиус профиля зуба.

Число z₁ зубьев меньшего шкива принимают на основе данных в зависимости от модуля m и частоты вращения n₁. Число зубьев большого шкива z₂ = z_lu. где u — передаточное число. Диаметры делительных окружностей шкивов, измеряемые по расположению осей тянущих тросов: d₁ = mz_l; d₂ =mz_2. В соответствии с выбранным межосевым расстоянием и шагом р вычисляют число z_p зубьев ремня, которое затем выбирают из стандартного ряда. Определяют расчетную длину ремня: L_p =z_pp. Расчетная сила, передаваемая зубчатым ремнем, Н:

F_p =2·10³C_pT₁ / d₁.

Ширину b ремня вычисляют из условия износостойкости. Для передачи без натяжного ролика

b= ψF_р / (z_оh[р]), где

ψ - коэффициент неравномерности распределения окружной силы между зубьями по дуге обхвата ψ = 1,1... 1,2; z_o = z₁α / 360^o · число зубьев ремня, находящихся в зацеплении с малым шкивом;

α₁ — угол обхвата на малом шкиве;

h — высота зуба, мм;

[р] — допустимое среднее давление на зубьях ремня, МПа:

[Р]= k_mσ_в / (φ_t , где

k_m = 1,7 при значениях модуля m≤ 3мм и k_m = 2,1 при m ≥ 4 мм;

σ_в — временное сопротивление связи материала зубьев с каркасом, МПа: при стальном металлотросе (стеклокорде) σ_в = 3... 4 МПа, при латунированном - σ_в = 5... 7 МПа.

Расчетное число циклов нагружения (ресурс) зубьев ремня при переменном режиме нагружения

N_к = 60z₁ z_p^-1 ∑[t_i n_1i (F_pi / F_p )], где

z₁ — число зубьев меньшего шкива;

z_p — число зубьев ремня;

F_pi, t_i, n_1i — соответственно расчетная сила (Н), время работы (ч) и частота вращения (мин^-1) меньшего шкива на i-м режиме;

F_p — максимальная из длительно действующих расчетных сил (Н).

Коэффициент, учитывающий снижение прочности адгезионной связи материала зубьев ремня с каркасом из-за нагрева вследствие внутреннего трения,

φ_t = при условии φ_t ≥ 1.

Рассчитанную ширину b ремня округляют до ближайшего большего стандартного размера. Шкивы выполняют с рабочей шириной на один модуль большей, чем ширина ремня. На малом шкиве выполняют фланец, удерживающий ремень от бокового спадания, а в передачах с вертикальным расположением осей валов и при u ≥ 3 делают фланцы на обоих, шкивах.

Сила F_в, направлена по линии центров и численно значительно меньше, чем в передаче клиновым ремнем:

F_в = (1,1... 1,З) F_р

Предварительное нaтяжение F_o в передаче необходимо для устранения зазоров в зацеплении и обеспечения правильного набегания ремня на шкивы. Оно должно быть больше значения натяжения от центробежной силы, чтобы под действием последней не нарушалось зацепление ремня со шкивом. С этой целью применяют прижимной ролик.