6.9. Расчет клиноременных передач

В машиностроении пре­имущественно применяют пере­дачи клиновым или поликлино­вым ремнем.

Клиновые ремни имеют трапециевидное поперечное се­чение (рис. 6.9), а шкивы канавки соответствующего ремню про­филя. Профили ремней и канавок шкивов имеют контакт только по боковым (рабочим) поверхностям ремней и боковым граням канавок шкивов. Между внутренней поверхностью ремня и дном канавки шкива должен быть зазор. В передаче часто применяют несколько клиновых ремней (ком­плект).

Достоинством этой передачи по сравнению с передачей пло­ским ремнем является то, что благодаря повышенному (до трех раз) сцеплению ремня со шкивами, обусловленному эффектом клина, она может передавать большую мощность, допускает меньший угол обхвата на малом шкиве, а следовательно, и меньшее межосевое расстояние а, допускает бесступенчатое регулирование скорости (ременные вариаторы).

Рис. 6.9. Поперечное сечение клинового ремня

Недостатками являются большие напряжения изгиба вследст­вие значительной высоты ремня, большие потери на внешнее и внутреннее трение, большая стоимость изготовления шкивов и не­одинаковая работа ремней в комплекте вследствие отклонений в их длине.

Рекомендуется применять передачи клиновыми ремнями при малых межосевых расстояниях, больших передаточных числах, вертикальном расположении осей валов. Клиновые передачи применяют для мощностей до 200 кВт.

Типы ремней. Клиновые ремни состоят (рис. 6.9) из несущего слоя – корда 1 на основе материалов из химических волокон (кордшнур или кордовая ткань), резины 2 и оберточной ткани 3, свулканизированных в одно целое. В зависимости от конструкции несуще­го слоя, расположенного в зоне нейтральной линии, клиновые ремни бывают двух типов: кордтканевые и кордшнуровые. В кордтканевых корд состоит из нескольких рядов вискозной, капроновой или лавса­новой ткани. В кордшнуровых ремнях корд состоит из одного ряда навитых по спирали шнуров из полиэфирных или полиамидных во­локон; для передач с высокой нагрузкой – из кевлара.

Кордтканевые ремни характеризует меньший модуль упругости, они лучше работают при ударной и вибрационной нагрузке.

Клиновые ремни выпускают бесконечными. Перспективными являются ремни без обертки 3 (рис. 6.9). Коэффициент трения при этом в 2 раза выше, чем при наличии обертки, что увеличивает тяговую способность, позволяет уменьшить натяжение и тем самым по­высить долговечность.

Основные размеры клиновых ремней: расчетная ширина w_P и расчетная длина L_P по нейтральному слою, расположенному на рас­стоянии у₀ от большего основания трапеции. В зависимости от от­ношения w_P к высоте h (рис. 6.9) стандартные клиновые ремни из­готовляют нормального (w_P /h = 1,4), узкого (w_p /h = 1,06 ... 1,10) и широкого (w_p/h = 2,0 ... 4,5) сечений.

Клиновые ремни нормальных сечений обозначают (в порядке увеличения поперечного сечения): Z, А, В, С, D, Е. В зависимости от применяемых материалов и технологии изготовления ремни выпус­кают четырех классов (в порядке повышения качества): I, II, III и IV.

Из-за большой массы скорость их ограничена (до 30 м/с).

Вследствие большой относительной высоты ремни нормальных сечений имеют ограниченную долговечность. Большая высота ремня приводит к значительным деформациям сечения при изгибе, проги­бу ремня в канавке, неравномерному распределению нормальных давлений в зоне контакта ремня со шкивами и неравномерному рас­пределению нагрузки по нитям корда.

Клиновые ремни узких сечений изготовляют четырех сечений: SPZ, SPA, SPB, SPC. Благодаря меньшему отношению ширины рем­ня к высоте имеют более равномерное распределение нагрузки по ни­тям корда. Поэтому узкие ремни допускают большие натяжения, пере­дают при той же площади сечения в 1,5–2 раза большую мощность, что делает возможным уменьшить число ремней в комплекте и ширину шкива. Узкие ремни хорошо работают при скоростях до 50 м/с.

Широкие клиновые ремни предназначены для вариаторов.

Для двигателей автомобилей, тракторов и комбайнов применя­ют вентиляторные ремни.

Расчетная длина L_P соответствует длине клинового ремня на уровне нейтральной линии. Допускаемые отклонения длины ремней значительны, поэтому требуется тщательно подбирать комплекты ремней по длине. Например, при L_P = 1250 ... 1900 мм допускают разность длин ремней одного комплекта до 4 мм. При разрушении одного ремня заменяют весь комплект. Использование новых ремней с ремнями, бывшими в употреблении, недопустимо. Ремни, бывшие в употреблении, подбирают отдельным комплектом.

Поликлиновые ремни – бесконечные плоские ремни с продоль­ными ребрами – клиньями, входящими в кольцевые клиновые ка­навки на шкивах (рис. 6.10). В поликлиновых ремнях корд 1 из высокопрочного полиэфирного шнура расположен в тонкой пло­ской части. Резина 2 над кордом и по ребрам ремня защищена оберткой 3. Выпускают также ремни без обертки, обеспечивающие коэффициент трения в 2 раза выше, чем при наличии обертки, что уве­личивает тяговую способность, позволяет снижать предварительное натяжение.

Изготовляют ремни трех сечений (в порядке увеличения высоты Н ремня, высоты h ребра, шага р: К, Л и М). Размер δ определяет положение нейтрального слоя.

Рис. 6.10. Поперечное сечение поликлинового ремня

Поликлиновые ремни сочетают достоинства ремней плоских I (гибкость) и клиновых (высокая тяговая способность). Благодаря высокой гибкости допускают применение шкивов малых диаметров. Поликлиновые ремни могут работать при скоростях до 65 м/с.

Рабочая поверхность расположена по всей ширине ремня, что обусловливает высокую нагрузочную способность: при одинаковой передаваемой мощности ширина b поликлинового ремня существен­но меньше ширины комплекта клиновых ремней нормальных сечений. Поликлиновую передачу применяют при мощностях до 1000 кВт.

Малая масса ремня способствует снижению уровня его колебаний. Однако передачи поликлиновыми ремнями чувствительны к относительному осевому смещению шкивов и отклонению от параллельности осей валов.

В настоящее время в машиностроении получили наибольшее распространение передачи клиновыми (нормального и узкого сечения) и поликлиновыми ремнями. Скорость клиновых ремней не должна превы­шать 25–30 м/с, а поликлиновых ремней – 40 м/с. При одинаковых га­баритных размерах передача узкими клиновыми ремнями в 1,5–2 раза выше по тяговой способности, чем передача клиновыми ремнями нор­мального сечения.

Согласно ГОСТ 1284.3-96 производится подбор типа и числа клиновых ремней и расчет передачи.

Расчет передачи клиновым и поликлиновым ремнем ведут из условий тя­говой способности и долговечности.

Основным расчетом ремней считается расчет по тяговой способности.

Расчет ремней на долговечность проводится как прове­рочный.

Определен следующий порядок расчета.

1. Выбрать сечения ремня.

Сечение ремня выбирают в зависимости от передаваемой мощности Р₁ и частоты вращения меньшего шкива п₂.

При передаче мощности Р₁ < 2 кВт применяют ремни с сечением 0, при Р₁> 200 кВт – сечением Е. Сечение выбирают по графику (рис. 6.11) или по табл. 6.1. Основные характеристики ремней приведены на рис. 6.12 и в табл. 6.2.

Рис. 6.11. Области применения клиновых ремней нормального сечения

Таблица 6.1

Области применения клиновых ремней нормального сечения

Обозначение сечения ремня (длина L0, мм)	Минимальный диаметр малого шкива d1, мм	Номинальная мощность Р0, кВт при скорости ремня v, м/с
		5	10	15	20	25
0 (L0 = 1320)	63 71 80	0,49 0,56 0,62	0,82 0,95 1,07	1,03 1,22 1,41	1,1 1,37 1,60	– 1,40 1,65
А (L0 = 1700)	90 100 112	0,84 0,95 1.05	1,39 1,60 1,82	1,75 2.07 2,39	1,88 2,31 2,74	– 2,29 2,88
Б (L0 = 2240)	125 140 160	1,39 1,61 1,83	2,26 2,70 3,15	2,80 3,45 4,13	– 3,83 4,73	– – 4,88
В (L0 = 3750)	200 224	2,77 3,15	4,59 5,36	5,8 6,95	6,33 7,86	– 7,95

Рис. 6.12. Сечение ремня

Таблица 6.2

Характеристики ремней

Обозначение сечения	Расчетная ширина lp	Ширина W	Высота Т0 = h	Расчетная длина Lp		Площадь сечения А1, мм^2
				min	max
Z	8,5	10	6	400	2500	47
A	11	13	8	560	4000	81
B	14	17	10,5	800	5300	138
C	19	22	13,5	1800	10600	230
D	27	32	19	3150	15000	476
E	32	38	23,5	4500	16000	692

Примечание: Ряд расчетных длин ремней L_p, мм: 400;(425); 450(475); 500(530); 360(600); 630; (670); 710; (750); 800, (850); 900; (950); 1000; (1060);1120 (1180); 1250; (1320); 1400; (1500); 1600; (1700) 1800; (1900); 2000; (2120); 2240; (2360); 2500; (2650); 2800; (3000); 3150 (3350); 3550; (3750); 4000; (4250); 4500'(4750); 5000; (5300); 5600, (6000); 6300; (6700); 7100.

Размеры в скобках использовать в тех­нически обоснованных случаях.

2. Выбрать диаметр меньшего шкива d₁, мм.

С целью повышения ресур­са работы передачи рекомендуется устанавливать меньший шкив рас­четного диаметра d₁ > d_min (см. табл. 6.1) из стандартного ряда: 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1120, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000, 2240, 2500, 2800, 3150, 3550, 4000, 4500, 5000.

Следует помнить, что с увеличением d₁ растут масса и габариты передачи.

3. Определить диаметр большого шкива d₂ = d₁и. Значение d₂ округлить до ближайшего стандартного значения.

4. Уточнить передаточное число с учетом относительного сколь­жения ξ ≈ 0,01:

.

Определить расхождение и′ от заданного и: ∆ и = | и – и′ |.

5. Провести сравнение ∙100 % ≤ 5 %:

• если условие не выполняется, то перейти к пункту 3 и выбрать другое значе­ние из стандартного ряда;

• если условие выполняется, перейти к следующему пункту расчета.

6. Определить ориентировочное значение межосевого расстоя­ния

а^′ ≥ 0,55 (d₁ + d₂ ) + Т₀,

где – Т₀, высота сечения клинового ремня.

7. Определить ориентировочное значение длины ремня:

.

Принять по стандарту из ряда по ГОСТ 1284.1-89, ГОСТ 1284.2-89, ГОСТ 1284.3-96 для ремней нормального сечения, РТМ51-15-15-70 для ремней узкого сечения и РТМ 38-40528-74 для поликлиновых ремней выбрать ближайшее стан­дартное сечение ремня L.

8. Уточнить межосевое расстояние:

,

где ∆₁ = 0,5π (d₁ + d₂); ∆₂ = 0,25π (d₂ – d₁) или (что то же самое):

7. Определить скорость ремня:

v , м/с,

где d₁ в м.

10. Определить частоту пробегов ремня υ в секунду:

υ = ν/ L_р ≤ [υ], здесь L в м.

11. Осуществить проверку ременной передачи на долговечность по числу пробегов υ = ν/ L_р ≤ [υ], где [υ] = 10с^-1 :

• если условие не выполняется, то перейти к п. 7 и увеличить длину ремня по стандарту;

• если условие выполняется, перейти к следующему расчету.

12. Определить угол обхвата ремнем малого шкива:

.

13. Провести проверку α ≥ 120°: если условие не выполняется, то необходимо применить устройства, увеличи­вающие угол обхвата, например, натяжной ролик; если условие выполняется, то перейти к следующему блоку.

14. Определить окружную силу на шкивах:

, Н.

15. Определить ориентировочное значение числа устанавливае­мых ремней:

– для клиновых ремней по выражению:

;

– для поликлиновых ремней определяется число ребер ремня по выра­жению:

,

где [k] = k₀с_ас_р – допустимое полезное напряжение; A₁, A₁₀ – пло­щади поперечного сечения ремней (табл. 6.3); k₀ – полезное на­пряжение ремня, МПа;

– для нормальных клиновых и поликлиновых ремней:

;

– для узких клиновых ремней:

,

где v – скорость ремня, м/с, (см. п. 9); υ – частота пробегов ремня, (см. п. 10); b_p = l_p – ширина ремня по нейтральному слою (см. табл. 6.2); k_и – коэффициент влияния передаточного числа (см. табл. 6.3); с_α – коэффициент, учитывающий влияние угла обхвата на тяго­вую способность (табл. 6.4); с_р – коэффициент режима работы (табл. 6.5). Перегрузка при пуске определяется как ∙100 % (см. график нагрузки в техническом задании).

Таблица 6.3

Коэффициенты влияния передаточного числа k_и

и	kи	и	kи
1,02…1,05	1,02	1,16…1,2	1,07
1,06…1,1	1,04	1,21…1,3	1,09
1,11…1,15	1,06	1,31…1,5	1,11
1,51…2,0	1,12	2,1 и выше	1,14

Таблица 6.4

Коэффициент с_α

сα	α°	сα	α°	сα	α°
0,64	80	0,83	120	0,95	160
0,69	90	0,86	130	0,98	170
0,74	100	0,89	140	1,00	180
0,79	110	0,92	150	1,05	190
1,10	200	1,15	210	1,20	220

Таблица 6.5

Коэффициент режима работы с_р

Характер нагрузки	Перегрузка при пуске, %	ср
Спокойная	до 120	1,0
Умеренные колебания	до 150	0,9
Значительные колебания	до 200	0,8
Неравномерная ударная	до 300	0,7

В ГОСТ 1284.3-80 и РТМ 38.40545-79 учитывается, что в многоручьевых передачах нагрузка распределяется по ремням неравномерно. Поэтому вводят коэффициент числа ремней С_z (табл. 6.6). Тогда окончательно число ремней:

.

Значение z следует округлить до целого числа в большую сторону.

Таблица 6.6

Коэффициент числа ремней С_z

z'	2…3	4…6	Более 6
Сz	0,95	0,9	0,85

16. Провести сравнение z ≤ [z], где [z] – допустимое число ремней для данного сечения:

• если условие не выполняется, то следует перейти к п. 2 и выбрать сечение боль­шего размера, а затем повторить расчет ремня;

• если условие выполняется, перейти к следующему пункту.

17. Определить силы, действующие на валы:

,

где A₁ – площадь поперечного сечения одного ремня, для поликлиновых ремней

; k₀ – полезное напряжение в ремне (см. п. 15);

γ = 180°– α – угол между ветвями ремня (угол а – см. п. 12).