Детали машин





Силовые факторы в ременных передачах



Силы в ременной передаче

При монтаже и эксплуатации ременной передачи в ней возникают силовые факторы, так или иначе снижающие долговечность машины, агрегата или отдельных узлов и деталей. Основные нагрузки на детали и узлы вызываются натяжением ремня, которое неизбежно присутствует как в неработающей передаче, так и при ее холостом и рабочем ходе.


Предварительное натяжение ремня

натяжение ремня в ременной передаче

Для создания трения между ремнем и шкивами ремню, после установки на передачу создают предварительное натяжение силой F0. Чем больше сила F0, тем выше тяговая способность передачи и ее КПД, но меньше долговечность ремня.
В состоянии покоя или холостого хода передачи каждая ветвь ремня натянута одинаково с силой F0 (см. рис. 1а).

Натяжение ремня в передачах осуществляют регулировочными устройствами, позволяющими перемещать шкивы относительно друг друга, при помощи пружин или сил тяжести узлов, натяжными роликами, установкой двигателя на качающуюся плиту, а также устройствами, позволяющими автоматически изменять натяжение ремня в зависимости от нагрузки в передаче.


Рабочее натяжение ремня

При приложении рабочего вращающего момента Т1 происходит перераспределение сил натяжения в ветвях ремня: ведущая ветвь дополнительно натягивается до силы F1, а натяжение ведомой ветви уменьшается до силы F2 (см. рис. 1б). Из условия равенства моментов относительно оси вращения получим уравнение:

- Т1 + F1d1/2 – F2d1/2 = 0 или F1 – F2 = Ft,       (1)

где Ft = 2×103Т1/d1 – окружная сила на шкиве, Н. Здесь Т1 – в Н×м; d – в мм.

Общая геометрическая длина ремня не зависит от нагрузки и во время работы передачи остается неизменной. Дополнительное удлинение ведущей ветви компенсируется равным сокращением ведомой ветви. Следовательно, насколько возрастает сила натяжения ведущей ветви ремня, на столько же снижается сила натяжения ведомой ветви, т. е.

F1 = F0 + ΔF и F2 = F0 – ΔF, или F1 + F2 = 2F0.       (2)

силы, действующие в ременной передаче

Решая совместно уравнения (1) и (2), получаем:

F1 = F0 +Ft/2;     F2 = F0 – Ft/2.


Натяжение ремня центробежной силой

При обегании ремнем шкивов на него действует центробежная сила Fv:

Fv = ρAv2,

где: А – площадь сечения ремня, м2, ρ – плотность материала ремня, кг/м3, v – скорость ремня, м/сек.

Сила Fv отбрасывает ремень от шкива, понижая тем самым силы трения и нагрузочную способность передачи.

Таким образом, силы натяжения ведущей и ведомой ветвей ремня будут равны:
- при работе передачи: (F1 + Fv) и (F2 + Fv);
- на холостом ходу: (F0 + Fv).

***

Нагрузка на валы и подшипники в ременной передаче

Силы натяжения ветвей ремня нагружают валы и подшипники. Из треугольника Оab (см. рис. 2) суммарная сила Fn, действующая на валы в неработающей передаче,

Fn = 2F0 sin (α1/2),

где α1 – угол обхвата.

Направление силы Fn принимают по линии центров шкивов передачи. Обычно Fn в 2…3 раза больше окружной силы Ft, что является существенным недостатком ременных передач.

***



Скольжение ремня по шкивам

В ременной передаче различают два вида скольжения ремня: упругое скольжение и буксование.

Упругое скольжение

В процессе обегания ведущего шкива ремнем сила его натяжения уменьшается от F1 до F2 (см. рис.3). А так как деформация ремня пропорциональна силе натяжения, то при уменьшении последней ремень под действием силы упругости укорачивается, преодолевая сопротивления силы трения в контакте ремня со шкивом.
При этом ремень отстает от шкива – возникает упругое скольжение ремня по шкиву.
На ведомом шкиве также происходит скольжение, но здесь сила натяжения возрастает от F2 до F1, ремень удлиняется и опережает шкив.

упругое скольжение в ременной передаче

Упругое скольжение происходит не на всей дуге обхвата α, а лишь на части ее – дуге скольжения αc, которая всегда расположена со стороны сбегания ремня со шкива.
Длину дуги скольжения определяет условие равновесия сил трения на этой дуге и разность сил натяжения ветвей, т. е. окружная сила Ft = F1 – F2.
При нормальной работе ременной передачи αc1 = (0,5…0,7)α.

Со стороны набегания ремня на шкив имеется дуга покоя αn, на которой сила в ремне не меняется, оставаясь равной силе натяжения набегающей ветви, а сам ремень движется совместно со шкивом без скольжения. Сумма дуг αc и αn равна дуге обхвата α.

Скорости прямолинейных ветвей v1 и v2 равны окружным скоростям шкивов, на которые они набегают. Потерю скорости (v1 - v2) определяет скольжение на ведущем шкиве, где направление скольжения не совпадает с направлением движения шкива (см. рис. 3).

Таким образом, упругое скольжение ремня неизбежно в ременной передаче, оно возникает в результате разности сил F1 и F2, нагружающих ведущую и ведомую ветви ремня. Упругое скольжение приводит к снижению скорости и, следовательно, к потере части мощности, а также вызывает электризацию, нагревание и изнашивание ремня, сокращая его долговечность.

Упругое скольжение ремня характеризуется коэффициентом скольжения ξ:

ξ = (v1 – v2)/v1,

где v1 и v2 – окружные скорости ведущего и ведомого шкивов.

При нормальном режиме работы обычно ξ = 0,01…0,02.

Буксование ремня

По мере роста окружной силы Ft = F1 – F2 уменьшается дуга покоя αn1, следовательно, уменьшается и запас сил трения.
При значительной перегрузке дуга скольжения αc1 достигает значения дуги обхвата α1 и ремень скользит по всей поверхности касания с ведущим шкивом, т. е. буксует. При буксовании ремня на ведущем шкиве ведомый шкив останавливается – передача становится неработоспособной.

***

Кривые скольжения ремня и КПД ременной передачи

Кривая скольжения ремня (см. рис. 4) устанавливает связь между полезной нагрузкой и относительным скольжением ξ в передаче. Она отражает явления, происходящие в ременной передаче, и совместно с КПД характеризует ее работу в данных условиях.

кривые скольжения ремня и КПД ременной передачи

Если величина коэффициента относительной нагрузки (коэффициента тяги) φ находится в пределах от нуля до критического значения φк, в передаче имеет место только упругое скольжение.
Одновременно с увеличением φ возрастает и КПД передачи η.
При дальнейшем увеличении коэффициента тяги работа передачи становится неустойчивой (частичное буксование) и при достижении предельного значения возникает полное буксование ремня по ведущему шкиву.

Значение коэффициента тяги φ установлены для каждого типа ремня. Рабочую нагрузку рекомендуется выбирать вблизи критического значения.

КПД ременных передач зависит от степени загруженности передачи, от потерь на скольжение ремня по шкивам, на сопротивление воздух движению ремня и шкивов, на трение в подшипниках.
Наибольшая доля потерь приходится на внутреннее трение в ремне при изгибе, особенно для клиноременных передач. Эти потери не зависят от нагрузки, поэтому КПД ременных передач при малых нагрузках невысок (велики относительные потери).
Максимального значения КПД передачи достигает в зоне критического значения коэффициента тяги φк.

При нормальных условиях работы принимают:
- для передачи с плоским ремнем η = 0,95…0,97;
- для клиноременных и поликлиновых передач η = 0,92…0,95.

КПД клиноременных и поликлиновых передач ниже из-за повышенных потерь на внутреннее трение в ремне и на скольжение ремней по шкивам.

***

Методика расчета ременных передач