Шкивы: типы, назначение и материалы для изготовления

Шкив - это устройство, которое используется для передачи крутящего момента от приводного ремня. Ременная передача была известна людям еще в античные времена, а средневековье принесло ее широкое распространение в деревенских прялках. С началом промышленной революции шкивы были оснащены на каждом станке.

В настоящее время шкивы широко применяются в различных устройствах, таких как двигатели внутреннего сгорания, станки, бытовые приборы и ручные электроинструменты. Приводные ремни и колеса стандартизованы для достижения взаимозаменяемости. Правила и приемы изображения деталей на чертежах также подверглись стандартизации.

Понятие шкива и его применение

Шкивы используются для передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый. Для работы такого привода оба вала располагаются параллельно друг другу. На каждый вал надевается и закрепляется плоское колесо, их располагают в одной плоскости и соединяют бесконечным гибким приводным ремнем. При вращении приводного шкива сила трения заставляет двигаться ремень, который облегает часть его поверхности. Это движение передается ведомому шкиву, заставляя его вращаться.

Ременная передача широко используется в бытовой технике, механизмах станков малой и средней мощности, а также в различных двигателях внутреннего сгорания.

Преимущества использования ременной передачи включают:

• Простое устройство;
• Возможность передачи значительной мощности (современные клиноременные пары транслируют до 400 кВт);
• Высокую скорость вращения до 50 м/с;
• Плавный и малошумный ход;
• Демпфирование вибраций и рывков приводного вала при передаче вращения;
• Проскальзывание при перегрузках срабатывает как предохранительный механизм.

Шкив - это диск на валу, состоящий из двух основных частей: обода и ступицы. Обод - это внешняя часть детали, которая входит в зацепление с ремнем. В зависимости от типа привода, обод может быть плоским или иметь углубление по форме ремня. Боковые выступы над ободом называются щеками, и они удерживают ремень от соскальзывания. Если привод клиновой, то щеки делают наклонными, чтобы увеличить площадь зацепления.

Если используется зубчатый привод, то на поверхности обода делают зубья соответствующей формы. Такой тип привода обеспечивает более точную передачу момента, но требует большей точности в изготовлении и монтаже.

В целом, шкивы представляют собой незаменимую деталь механизмов и устройств, которые используются в различных отраслях промышленности. Они имеют множество различных конструкций и используются в зависимости от условий и требований к приводу.

Разновидности шкивов и их изготовление

При использовании нескольких ремней на одном шкиве, на его ободе делают несколько канавок.

Ступица является внутренней частью шкива и имеет отверстие для крепления на валу. Часто обод и ступица изготавливаются в виде единой детали, которая отливается, вытачивается или фрезеруется.

Для уменьшения веса шкива его тело может содержать пустоты, которые формируют спицы. При изготовлении из дерева наличие спиц определялось технологией изготовления.

Для обеспечения взаимозаменяемости типоразмеры, технологические требования и маркировка шкивов стандартизованы. Они описаны в ГОСТ 20889-94 «Шкивы для приводных клиновых ремней» и ГОСТ Р 50641-94 (ИСО 4183-89).

Шкивы и их классификация

Стандартная маркировка шкивов включает в себя несколько параметров, включая число ручьев, профиль приводного ремня, диаметр (рассчитывается по корду) и обозначение втулки. Например, маркировка 8 SPC 500 обозначает восьмиручьевый шкив с профилем SPC и диаметром 500 мм.

Стандартизованы также правила изображения шкивов на чертеже, чтобы деталь можно было изготовить, точно соблюдая форму и размер.

За тысячелетия применения конструкторы разработали множество конструкций шкивов ременных передач. Классификация шкивов проводится по различным признакам, включая тип используемого ремня.

Клиновидные шкивы и их характеристики

Клиновидные шкивы являются самым распространенным типом и применяются с клиновидными ремнями. Боковые щеки на шкивах увеличивают площадь зацепления и позволяют передавать больший крутящий момент и скорость вращения. Наклон канавки обязательно указывается на чертеже детали.

Для уменьшения габаритов передачи или увеличения ее мощности, можно использовать многоручьевые шкивы, которые имеют несколько канавок. Также возможна поликлиновая передача, когда на шкив надевается единый ремень с несколькими клиновидными выступами.

На чертеже необходимо указывать количество канавок и давать подробное изображение только одной из них.

При превышении допустимой нагрузки начинается проскальзывание, которое защищает оборудование от повреждения.

Клиноременные передачи обеспечивают передачу наибольшего крутящего момента.

Зубчатые шкивы и их преимущества

Зубчатые шкивы имеют на внутренней поверхности ремня зубчатые выступы, которые соответствуют зубьям на поверхности обода. Эти шкивы позволяют передавать больший крутящий момент и обеспечивают точность передачи углового положения вала. Поэтому они широко применяются в газораспределительных механизмах двигателей внутреннего сгорания.

Обод зубчатого шкива может быть изготовлен методом фрезерования или обкатки. Однако, зубчатые шкивы не обладают защитной функцией от перегрузок.

На чертеже детали обязательно следует указать точные параметры зуба, его шаг, высоту и профиль.

Плоские шкивы: особенности конструкции и применения

Плоские шкивы являются классической конструкцией и использовались в самых первых передачах. Они обладают низким уровнем шума, а также способны гасить вибрации и динамические нагрузки от ведущего вала. Однако у таких шкивов ограничен момент и скорость вращения.

С помощью дополнительных роликов можно связывать ведомые и ведущие валы, находящиеся в разных плоскостях и не соосные, а также изменять направление вращения. Это позволяет заменить карданные и червячные передачи. Чертеж такого изделия прост в изготовлении, однако на нем следует указать радиусы сопряжения обода и щек, если они предусмотрены. Иногда щеки не используются, а профиль обода делается выпуклым, в таком случае на чертеже следует указывать его радиус.

Круглоременные

Передающее колесо с полукруглым профилем канавки на ободе называется круглоременным шкивом. Такие передачи применяют при небольших крутящих моментах и скоростях вращения, а также для изменения направления вращения и связывания осей, находящихся в разных плоскостях. На чертежах круглоременных шкивов указывается только радиус проточки канавки.

Вариаторные

Вариаторные передачи - это наиболее сложные устройства по конструкции. Они состоят из двух шкивов, обод которых выполнен в виде конуса с перемещающейся конической щекой. Клиноременное кольцо может перемещаться по конусу в осевом направлении от меньшего радиуса к большему. Второй шкив имеет обратную конусность, и привод перемещается с меньшего радиуса на больший. При этом передаточное число передачи меняется. Щеки обоих шкивов могут двигаться и в обратном направлении, меняя передаточное число в обратную сторону.

Преимущество такой конструкции заключается в том, что передаточное число можно менять без остановки вращения и не снимая нагрузки с привода. Трехмерное моделирование позволяет дополнять модели кинематическими симуляциями, наглядно демонстрирующими взаимодействие деталей механизма. На чертежах таких устройств сложно понять принцип действия, поэтому требуются дополнительные иллюстрации и схемы.

Шкивы могут быть различными по способу установки на вал:

1. Под втулку. Такие шкивы могут быть установлены на стандартный вал путем подбора соответствующей втулки с нужным внутренним диаметром. Замена втулки достаточна в случае повреждения посадочного места, что значительно упрощает и ускоряет процесс ремонта.
2. Под расточку. Эти шкивы имеют маленькое центральное отверстие, которое растачивают или рассверливают под диаметр вала. В случае повреждения посадочного места их ремонт затруднителен.
3. Под фиксированный диаметр. Эти шкивы обычно имеют проточку под шпоночное крепление или шлицы, что обеспечивает быстрый монтаж и демонтаж. Однако они требуют точного соответствия диаметров и не позволяют использовать облегченные детали.

Для изготовления деталей ременных передач используются различные материалы, среди которых:

• Чугун. Широко применяется для изготовления клиновых шкивов благодаря своей высокой прочности, низкой цене и удобству обработки.
• Сталь. Используется в механизмах, подвергающихся сильным динамическим нагрузкам и большим перепадам температуры.
• Алюминий и его сплавы. Применяются для малонагруженных передач в механизмах, где важны габариты и вес, и не подвержены коррозии.
• Пластмассы. Используются в малогабаритных устройствах с небольшими передаваемыми моментами и скоростями.
• Композитные материалы. Применяются в передовой технике, где требуется высокая прочность, низкий вес, стойкость к динамическим нагрузкам и неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Однако, композитные материалы отличаются высокой стоимостью.

На чертежах деталей указывают марку материала, а также его способ обработки, твердость, чистоту поверхности и необходимость закалки и другие детали.

Дерево, как традиционный материал для ременных передач, в настоящее время выходит из употребления. Оно может использоваться только для реконструкции исторических механизмов и в самоделках. Иногда склеенные из фанерных дисков приводные колеса используются в качестве временной ремонтной детали в домашних мастерских.

Шкивы широко применяются в различных механизмах и устройствах с высоким крутящим моментом и угловой скоростью. Клиновые приводы наиболее распространены в двигателях внутреннего сгорания, а также вентиляторах, кондиционерах, компрессорных установках, транспортных системах зданий, сельскохозяйственной технике, дорожно-строительной и горной технике, промышленных установках, станках, бытовой технике, ручном электроинструменте и других отраслях.

Зубчатые передачи применяются в случаях, когда необходимо передавать большой крутящий момент без проскальзывания. Такой тип передач не требует высокого натяжения для обеспечения надежного сцепления и при этом создает меньшую радиальную нагрузку на ось в сравнении с другими типами ременных передач.

Зубчатые передачи широко используются в:

• механизме газораспределения автомобильных двигателей;
• силовых приводах промышленных механизмов и станков;
• технологических установках пищевой, химической и фармацевтической промышленности.

Поликлиновые шкивы применяются в так называемых серпантинных передачах, когда один привод должен обеспечивать вращение нескольких потребителей, расположенных по извилистой траектории. Они могут передавать значительные моменты и достигать больших оборотов без увеличения габаритов, что позволяет использовать их в широком диапазоне машин и устройств, как в тяжелом машиностроении, так и в бытовой технике.

Приводные колеса с изменяемым передаточным числом, или вариаторные, находят применение в широком спектре механизмов, где необходимо плавно изменять обороты и крутящий момент без остановки вращения и снятия нагрузки. Они наиболее распространены в таких областях, как:

• транспортные системы, включая автомобили, мотоциклы и другие транспортные средства с колесным приводом;
• конвейеры и прочие системы перемещения материалов;
• точные станки для обработки металла, дерева и других материалов;
• сельскохозяйственные машины и оборудование.

Современные вариаторы превосходят своих предшественников, такие как ручные и гидравлические трансмиссии, по эксплуатационным характеристикам и эффективности.

Приводы с плоскими ремнями используются там, где требуется передача вращения на большие расстояния (до 7-9 м) и гашение ударов, толчков и других динамических нагрузок, передаваемых от ведущего вала к ведомому или в обратном направлении. Они находят применение:

• в прессовом и другом кузнечном оборудовании;
• в приводах лесопилок;
• в технологическом оборудовании текстильной промышленности;
• в мощных центробежных насосах.

Круглопрофильные ременные передачи применяются для малонагруженных передач в точных приборах, бытовой электронике и технике. Они также легко скрещиваются и, с помощью дополнительных пассивных шкивов, позволяют связывать ведомые и ведущие валы, находящиеся в разных плоскостях и под углом друг к другу, а также изменять направление вращения.

Чтобы на чертежах полностью понимать устройство, размеры и способ изготовления изделий, необходимо указывать обозначение шкивов. Для нестандартных шкивов чертеж должен соответствовать определенным требованиям. Специалисты используют стандартный ряд уклонов для правильного выбора угла канавки шкива на чертеже. Шкивы обычно изображаются на чертежах в виде разреза, проходящего через ось вращения и вида сбоку. Для шкивов со спицами можно изображать только их количество. На разрезе шкива указываются основные размеры и параметры, такие как диаметр обода и ступицы, профиль клинового ремня, радиусы сопряжения, уклоны канавки и т. д. Дополнительный вид чертежа показывает сечение спицы и место крепления под шпонку. Если вместо спиц в детали предусмотрены отверстия, то их число и размеры указываются на разрезе шкива. Вид сбоку на чертеже можно не указывать.