Гибкие передачи (ременные, цепные, канатные)

Гибкие передачи

ГИБКИЕ ПЕРЕДАЧИ, передачи вращения от одного вала к другому с помощью гибкой ленты, огибающей с некоторым натяжением шкивы на обоих валах (фиг. 1). В зависимости от рода гибкой ленты гибкие передачи разделяются на: ременные передачи, передачи проволочными и непроволочными канатами, а также цепные передачи. Первые три формы представляют передачу силой трения, возникающего между лентой и рабочей поверхностью шкивов. Лента обычно надевается с известным натяжением; иногда применяются различные натяжные приспособления, прижимающие ленту к шкиву.

В состоянии покоя натяжение обоих концов ленты одинаково, при движении же натяжение Т1 ведущего конца больше натяжения Т2 ведомого конца на величину силы трения между лентой и шкивом; зависимость, связывающая силы Т1 и Т2, выражается формулой:

Gibkie peredathi 1

где е - основание натуральных логарифмов, μ - коэффициент трения и α - угол обхвата ленты. Эта зависимость получена в предположении, что собственный вес ленты не оказывает влияния на передачу. В действительности, в ленте, лежащей на шкиве, во время движения развивается центробежная сила, стремящаяся отжать ленту от шкива и этим уменьшить силу трения. При учете веса ленты, натяжения ее концов определяются по формулам:

Gibkie peredathi 2

где q - вес погонной единицы ленты, v - скорость ее, g - ускорение силы тяжести, Р - окружное усилие.

Величина окружного усилия равна

Величина окружного усилия

Из этой формулы видно, что для получения большей величины Р, при том же значении Т1, выгодно увеличивать коэффициент трения μ и угол обхвата α. Угол α зависит от расстояния между валами и от диаметров шкивов. Поэтому передаточное число, равное отношению диаметров, не следует делать большим. Чтобы получить в работе необходимые натяжения Т1 и T2, лента должна иметь натяжение в покое Т0, равное

Gibkie peredathi 4

Натяжение ленты вызывает давление в шейках валов R, равное сумме T1 + Т2 и уменьшенное на величину центробежной силы:

Gibkie peredathi 5

Работа, передаваемая лентой, равна:

Работа, передаваемая лентой

откуда

Gibkie peredathi 7

где N - число л. с., D - диаметр, а n - число оборотов в мин. ведомого шкива. Из (6) видно, что при том же Р выгодно увеличивать скорость движения ленты v. Однако, такое увеличение возможно лишь до известного предела, т. к., благодаря возрастанию центробежной силы, в ленте возникают большие напряжения. При наиболее выгодной скорости напряжение от центробежной силы равно приблизительно трети полного напряжения ленты в работе. Во всякой передаче гибкой связью неизбежна потеря некоторой части работы, а именно: 1) относительная потеря от трения в опорах валов

Gibkie peredathi 8

где ϱ1 и ϱ2 - радиусы шеек, а r1 и r2 - радиусы шкивов: 2) относительная потеря вследствие изменения в скорости, возникающая благодаря упругим свойствам ленты, т. е. изменению упругих деформаций под влиянием меняющихся натяжений T1 и T2, что влечет за собой разницу скоростей v2 ведомого конца и v1 ведущего, вычисляется по формуле:

Gibkie peredathi 9

Где F – поперечное сечение ремня и Е – модуль его упругости; 3) потеря от перегибания ремня: при набегании на шкив лента обвивает его, на что затрачивается работа

Gibkie peredathi 10

работа движущей силы в секунду равняется Pv, следовательно, относительная потеря для двух шкивов вычисляется так:

Относительная потеря для двух шкивов

где I - момент инерции сечения ленты, а w1 и w2 - угловые скорости вращения валов; 4) остальные потери - от сопротивления воздуха движению ленты и вращению шкива, от электризации ленты, жесткости ее и т. д. Учет этих потерь очень труден, так как в каждом отдельном случае числовое значение КПД будет зависеть от целого ряда причин, как форма спиц шкива, скорость ленты, форма сечения ленты и т. д. Обычно эти потери принимаются равными ~1%.

Гибкая передача

Ременная передача. В этой передаче в качестве гибкой ленты служит ремень. Чаще всего встречаются ремни кожаные, разделяющиеся по форме своего сечения на плоские, круглые и трапецеидальные. Реже употребляются ремни из верблюжьей шерсти, хлопчатобумажные, шелковые и т. д. Достоинством последних ремней является меньшая чувствительность к изменениям температуры и влажности воздуха в рабочем помещении, но срок службы их меньше. Ременные передачи применяются в разнообразных случаях передачи работы, от очень малых до очень больших мощностей. Передача ремнями м. б. выполнена при произвольном расположении валов в пространстве. Если желательно иметь экономную и спокойную передачу, то расстояние между валами должно быть не особенно велико; при параллельном расположении валов крайним пределом является 15 м. Ведущий конец ремня при горизонтальной или наклонной установке, располагают внизу, так как ведущий, более натянутый конец провисает немного, а верхний провисает больше, поэтому угол обхвата увеличивается. При установке ременной передачи обязательно выполняется требование, чтобы набегающий на шкив конец имел направление в средней плоскости шкива, а сбегающий отклонялся от нее в сторону не более чем на 25°.

При выполнении этих условий можно установить передачу между двумя скрещивающимися валами без направляющих роликов. Наиболее распространенные формы передач: открытая (фиг. 1), при которой вращение обоих валов направлено в одну сторону, и перекрестная (фиг. 2), при которой валы вращаются в разные стороны.

Перекрестная передача

В последнем случае каждый конец ремня должен по пути повернуться на 180°. При малых расстояниях между валами возможно трение кромок ремня друг о друга, вызывающее относительно быстрый износ ремня, что особенно заметно на ремнях плетеных. Угол обхвата при перекрестной передаче значительно увеличивается. Полуперекрестная передача (фиг. 3) применяется для валов, скрещивающихся под углом (обычно 90°).

Полуперекрестная передача

Для установки такой передачи без направляющих роликов необходимо, чтобы расстояние между валами было не менее двойного диаметра большого шкива, иначе угол отклонения сходящего ремня получится значительным. Благодаря перекручиванию ремня и неравномерному вытягиванию его по ширине срок службы его при полуперекрестной передаче понижается. На фиг. 4 показана передача между двумя параллельными валами, но при условии, что шкивы сдвинуты друг относительно друга. Соединение производится при помощи двух направляющих роликов, посаженных наклонно, что дает возможность вращения в обе стороны.

Передача между двумя параллельными валами

Расчет ременной передачи начинается с ленты. Благодаря ряду причин (неравномерная структура ленты, нецентричное растяжение ее, изгиб ленты на выпуклом шкиве и т. п.), работающий ремень не может быть рассчитан только на основании теоретических зависимостей. Приходится вводить данные опыта, подтверждаемые наблюдениями над громадным количеством уже работающих установок. Обычно заданными величинами являются мощность на ведомом валу и число его оборотов. Задаваясь диаметрами шкивов так, чтобы передаточное число не было выше 4—5, а наименьший диаметр D ≥ 40см (в случае трансмиссионной передачи), во избежание больших напряжений в ленте от изгиба, находят окружное усилие Р по формуле (7). Далее, по формуле Р = bk, где b - ширина ремня и k - допустимое напряжение, находят b. Скорости для ремня можно брать приблизительно следующие:

Скорости для ремня

Толщиной ремня δ задаются, и после этого определяется суммарное напряжение по формуле:

Gibkie peredathi 17

где К1 - напряжение от растяжения силой

Gibkie peredathi 18

К2 - напряжение от изгиба ленты на шкиве. Суммарное напряжение К3 не д. б. выше допустимого предела. Значения для К3 в кг на погонный см (по Геркенсу) приведены в таблице.

Gibkie peredathi 19

Для кожи сопротивление разрыву колеблется от 260 до 460 кг/см2, для тканых ремней 300—500 кг/см2. В случае если скорости ремня выше 8—10 м/сек, нужно учесть центробежную силу ремня и пользоваться для значения Т1 формулой (1). Потери в ременной передаче вычисляются по вышеприведенным формулам, практически же при предварительных подсчетах КПД передачи η можно принять равным 0,94—0,98, в зависимости от качества опор, от условий смазки их, от сечения спиц и обода, и т. д.

Натяжные ролики вводятся в ременную передачу для увеличения угла обхвата при больших передаточных числах и малом расстоянии между валами (фиг. 5); следствием их введения является возможность уменьшить начальное натяжение ленты.

Gibkie peredathi 20

Устройство натяжных роликов бывает весьма разнообразно. На фиг. 5 ролик нажимает собственным весом. На фиг. 6 ролик сидит на ломаном рычаге с грузом Q.

Gibkie peredathi 21

На фиг. 7 ролик с грузом служит также для уменьшения колебаний ремня. В некоторых случаях применяются в качестве ремня тонкие стальные ленты. Большое сопротивление разрывающему усилию позволяет передавать значительные мощности при малом сечении ленты и при больших скоростях.

Ролик с грузом служит для уменьшения колебаний ремня

Обычно пользуются углеродистой сталью с временным сопротивлением на разрыв К ~ 12000—15000 кг/см2. Толщина ленты может быть от 0,2 до 1 мм при ширине 12—250 мм. Коэффициент трения ленты о чугунный шкив μ ~ 0,15—0,18; для его увеличения обод шкива покрывается пробковой обшивкой. Скорости в ленточных передачах доходят до 40 м/сек, причем потеря в скорости совершенно ничтожна. Возможность пользоваться высокими скоростями позволяет допускать меньшее натяжение концов ленты, благодаря чему уменьшается трение в опорах. Концы ленты скрепляются особым замком. На фиг. 8 показано американское устройство ленточной передачи в прядильном ватере для передачи вращения веретенам. Одна лента вращает 4 веретена, придавая им до 10000 об/мин. Угол обхвата получается ~90°, тем не менее установка работает вполне хорошо. Во избежание толчков концы ленты соединяются специальной сшивкой.

Американское устройство ленточной передачи в прядильном ватере для передачи вращения веретенам

Канатная передача представляет собой удобное средство для раздачи и распределения работы, развиваемой главным двигателем, по отдельным этажам фабрики и м. б. выполнена для произвольно большой мощности. Передаточные канаты изготовляются из пеньки и хлопка и обычно бывают круглыми, сплетенными из трех прядей, но встречаются и треугольные, четырехугольные и др. сечений. Круглый канат, ложась под действием силы S в ручей шкива (фиг. 9), вызывает на его щеках трение, равное

Gibkie peredathi 24

Благодаря силе трения и является возможность передать вращение и работу с ведущего на ведомый вал.

Gibkie peredathi 25

Концы каната заплетаются на длине 2—3 м или соединяются различными патентованными замками. Последние, набегая на шкив, производят удар; кроме того, замок является концентрированной массой и вызывает дополнительное натяжение в канате под влиянием центробежной силы.

Канатная передача

Канатная передача бывает двух систем: параллельная, когда ставится несколько канатов, срощенных каждый в кольцо и работающих параллельно (фиг. 10), и последовательная, когда канат представляет одно замкнутое кольцо, причем один и тот же канат охватывает все ручьи, как на ведущем, так и на ведомом шкивах (фиг. 11).

Канатная передача

В первой системе весьма трудно достигнуть одинакового натяжения параллельно работающих канатов, а, следовательно, и одинаковой нагрузки на них. Расчет параллельной передачи не отличается от расчета ременной. Натяжение концов находится по формулам (1) и (2), но для коэффициента трения, вследствие защемления каната в ручье, принимается величина μ1, определяемая по формуле:

Gibkie peredathi 28

где μ имеет значения от 0,16 до 0,18; обычно μ ≈ 0,32. Предварительно канат рассчитывается по формуле:

Gibkie peredathi 29

где d - диаметр каната. Коэффициент 0,62 вводится потому, что живое сечение материала F0 меньше площади круга Gibkie peredathi 30 и, в среднем, принимается F0 = 0,62F. Значения для К1 берутся следующие: К1 = 4,5 кг/см2 при D/d ≥ 30, и К1 = 6,5—8 кг/см2 при D/d ≥ 50. Определив диаметр каната, находят вес его и по формулам (1) и (2) вычисляют точные значения Т1 и Т2. Наиболее выгодные скорости для канатов 15—20 м/сек. Практически применяются канаты диаметром в 4—5,5 см. Т. к. канатная передача располагается наклонно, то приходится принять во внимание собственный вес каната, дающий дополнительное натяжение (фиг. 12).

Канатная передача

С этой поправкой формула (1) принимает вид:

Gibkie peredathi 32

В последовательных передачах канат натягивается специальным оттяжным приспособлением (фиг. 11), благодаря чему ведомые концы его работают с одинаковым натяжением. Как видно из фиг. 11, ведущий конец Т1 ведомого шкива О2, обогнув ведущий шкив, переходит в Т4, т. е. ведомый конец шкива О3, и т. д. Для определения натяжений имеются уравнения:

Т1–Т2 = Т1–Т4;
Т3–Т4 = Т3–Т6;
Т5–Т6 = Т5–Т8;
Т4–Т8 = Т4–Т2;
Т2 = Т4 = Т6 = Т8 = Q/2.

Следовательно, зная груз Q, находят все натяжения. Для предварительных расчетов потери в канатной передаче принимаются в среднем 10—8% и КПД η в 0,90—0,92. Обода шкивов для канатной передачи снабжаются ручьями (фиг. 9).

Передача проволочными канатами применяется почти исключительно при параллельных валах, расположенных на большом расстоянии. Проволочный канат сплетается из стальной проволоки с диаметром приблизительно в 1—2 мм. Натяжение, необходимое для получения трения между канатом и ободом шкива, вызывается собственным весом каната. Поэтому рекомендуется проволочную передачу устанавливать горизонтально или под небольшим углом.

Передача проволочными канатами

Возможны две системы передач (фиг. 13): в одной канат огибает два шкива и поддерживается холостыми роликами, а в другой расстояние АВ разбивается на отдельные участки. Верхний конец всегда работает как ведомый, т. к. вследствие больших пролетов канат сильно провисает. Провес при пролете в 100 м принимается: f1 = 1,5 м для ведущего и f2 = 3 м для ведомого. Благодаря твердости проволочного каната его не защемляют в ручье, а кладут на дно его. Для увеличения трения дно ручья делают деревянным или кожаным; коэффициент трения μ тогда получается от 0,3 до 0,38. Проволочная передача рассчитывается обычным путем, как и ременная. Скорости принимаются не ниже 25 м/сек. При горизонтальном расположении принимают кривую провеса за параболу и определяют его стрелку прогиба из соотношения:

Gibkie peredathi 34

где S - усилие, растягивающее канат в наинизшем сечении, а I - пролет между осями. При заданном f определяется усилие S и натяжение от провеса К = S/F, причем

Gibkie peredathi 35

где z - число проволок и δ - их диаметр. Проволочные передачи удобны для работ на открытом воздухе, так как на них не влияет изменение влажности. Но с развитием электропередач проволочные передачи постепенно выходят из употребления.

Цепные передачи употребляются в тех случаях, когда необходимо передать точное число оборотов. Передача производится цепью, захватывающей зубцы колес, сидящих на соединяемых валах; поэтому ведомый конец не нагружается вовсе. Благодаря этому давление на опоры равно натяжению ведущего конца, т. е. окружному усилию Р. Цепная передача завоевала себе прочное место в автомобилях, велосипедах, чесальных и других машинах. Расчет цепи производится на растягивающее усилие Т1 = Р, определяемое обычным путем. При налегании цепи на колесо (или звездочку) ее звенья поворачиваются на штифтах; при значительном усилии и частом поворачивании возможно снашивание штифтов. Это ведет к некоторому увеличению шага цепи и нарушению правильности передачи. Поэтому для роликовых цепей не рекомендуются большие окружные скорости; обычно принимают v = 3 м/сек. Потерей в цепной передаче, помимо трения в опорах, является работа трения при упомянутом повороте звеньев. Если обозначить диаметр стержня, на котором пластинки цепи поворачиваются, через d, средний диаметр колес через D и коэффициент трения через μ, то добавочная нагрузка р к силе Р выразится для одного колеса соотношением:

Gibkie peredathi 36

Так как диаметр d зависит от условий прочности, то можно сказать, что потеря в цепной передаче будет тем меньше, чем больше диаметр колес. Пластинки для цепи рассчитываются на растяжение по ведущему усилию Т1. Зубцы колес рассчитываются так же, как для зубчатых колес, с той только разницей, что усилие считается приложенным не к вершине зуба, а к середине. Цепи в работе производят резкий шум, поэтому при больших скоростях применяются специальные бесшумные цепи.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.