Зубчатые ремни

Ременная передача — один из наиболее эффективных приводов, обеспечивающих надежную связь между валами двигателя и исполнительного механизма. Зубчатый ремень работает в таком же режиме, как приводная цепь, но практически бесшумно. Прорезанные на ремне зубья входят в зацепление с впадинами на шкиве, что исключает проскальзывание привода, как случается с клиновидными ремнями. Это позволяет использовать ременную передачу в машинах, где требуется как большое усилие передачи энергии, так и точность положения ведущего и ведомого шкивов (например, в системах ГРМ автомобиля).

Ремни отличаются долговечностью, отлично выдерживают постоянную и переменную нагрузку, не боятся коррозии и не требуют обслуживания. Используют ременную зубчатую передачу на разных видах машин и оборудования, как стационарных, так и мобильных. Работают ремни в широком диапазоне скоростей и нагрузок, что привело к появлению десятков модификаций, отличающихся:

материалом изготовления;
длиной;
размером и профилем зуба;
направлением вращения;
назначением;
расположением зуба;
допустимой скоростью перемещения;
наличием дополнительных элементов для транспортировки сыпучих грузов.

Все отличия перечислить сложно. Остановимся на характерных особенностях, служащих ориентирами при выборе нужной для конкретного случая использования разновидности зубчатого ремня.

Материалы изготовления

Свойства ременной передачи выдвигают определенные требования к характеристикам материала, из которого изготовлена тяга. Это:

эластичность;
прочность;
достаточная твердость, необходимая для нарезки зуба;
сохранение гибкости в широком температурном диапазоне;
стойкость к возгоранию;
сопротивление действию воды, ультрафиолета, растворителей и ГСМ.

Этим требованиям лучше всего соотвествуют два материала — резина и полиуретан.

Корды

Но сами по себе материалы не гарантируют должной прочности и стойкости к растяжению, что очень важно для сохранения шага зуба. Ремни армируются специальной нитяной прослойкой — кордом. Нити располагаются в определенном порядке, исключающем деформацию ремня в продольном, угловом и поперечном направлении, снижают степень истирания.

Для армирования ремней используют различные синтетические и натуральные нити, не снижающие гибкости привода. Это:

полиэстер;
нейлон;
арамид;
кевлар;
углеволокно (карбон);
стекловолокно;
шелк.

Для приводов на шкивы большого диаметра со значительной нагрузкой предназначены ремни со стальным кордом. Они отличаются меньшей гибкостью, но на порядок прочнее приводов с нитяным армированием, за исключением некоторых синтетических материалов, которые по прочности мало уступают стали.

Если рассматривать структуру ремня, то корд можно назвать главным слоем. Всего таких слоев три:

корд;
массив ремня;
рабочая поверхность.

Все слои соединены в процессе вулканизации и четкой границы между ними не существует, поэтому зубчатые ремни хороших марок не расслаиваются даже при критических нагрузках. За прочность отвечает несущий слой — корд.

Профиль

Форма зуба влияет не только на силу зацепления шкива и ремня, но и на скорость вращения. Приходящаяся на зуб нагрузка должна равномерно распределяться на корд и массив материала, что повышает долговечность работы и снижает риск разрыва. Самые распространенные профили зуба:

трапециевидный;
полукруглый;
криволинейный.

Трапециевидный зуб обеспечивает хороший контакт со шкивом и наименьшие потери передачи усилия. Но распределение нагрузки на несущую часть носит неравномерный характер. При больших скоростях вращения возможно возникновение вибраций, что нежелательно для точных механизмов, например, принтеров 3D печати.

Полукруглый профиль отличается меньшей шумностью, лучшим распределением нагрузок и гибкость. По общим характеристикам ремень с полукруглым профилем зуба обладает способностью выдерживать более значительные рабочие нагрузки в стабильном и периодическом режимах. Разница может составлять до 40%.

Ремни криволинейного (волнистого) профиля занимают промежуточную позицию между трапециевидными и полукруглыми, как по сложности технологии производства, так и по техническим возможностям. Но разница ощущается только при использовании привода с зубьями приблизительно равных геометрических размеров. Если варьировать профиль, шаг и профиль ремней, то можно получить практически идентичные результаты.

Стандарт ISO предусматривает четыре профиля ременного привода:

С – трапецеидальный;
R – полукруглый;
BM – полукруглый с желобком для снижения шума;
LT- трапецеидальный с закругленным ребром.

При выборе ремня для автомобиля или иного механизма зарубежного производства необходимо учитывать отличия гибкого привода по ГОСТ и изготовленного по европейским и американским стандартам. Часто мельчайшие отличия в профиле, шаге или модуле приводят к серьезным поломкам, особенно опасным в высокодобротных механизмах и двигателях внутреннего сгорания.

Шаг и модуль зубчатого ремня

Один из важных параметров привода — расстояние между центрами соседних зубьев. Это шаг ремня. Он должен идеально соответствовать профилю шкива. В этом случае зуб полностью заходит во впадину на шкиве и принимает нагрузку всей площадью зуба. Усилие равномерно передается на основание, что исключает не только проскальзывание, но и разрыв привода.

В зависимости от шага зуба определяют приведенную удельную силу, или тяговую способность ремня. Это величина силы, которая приходится на 1 миллиметр ширины привода. Например, для ремня шагом 2 мм приведенная сила составляет 5 Н/мм, а для шага в 7 мм – 32 Н/мм. Ширина ремня не случайно взята за базовую характеристику — чем шире ремень, тем более высокую нагрузку он способен выдержать. При покупке ремня обращайте внимание на систему измерения, используемую в маркировке, метрическая, или дюймовая.

Открытые или конечные зубчатые ремни

В эту категорию входят приводы, которые ничем, кроме длины не отличаются от бесконечных, соединенных в замкнутую окружность на заводе. Конечные ремни продают в бухтах, или мерных отрезках (лентах), которые нужно соединить на механизме привода самостоятельно. Для монтажа выпускаются специальные фиксирующие пластины. Профиль и шаг зуба конечных и бесконечных ремней не отличается, что позволяет использовать их на стандартных шкивах.

Преимущество бесконечных ремней состоит в том, что с их помощью можно оборудовать линейные приводы, в которых шкивы находятся на значительном расстоянии, превышающем размеры стандартных конечных ремней.

Бесконечные или замкнутые соединенные полиуретановые зубчатые ремни

Кольцеобразные, или замкнутые ремни из полиуретана выпускают в широком диапазоне размеров. Очень важно правильно выполнить стыковку концов зубчатой ленты. В заводских условиях для фиксации используют специальные стыковые машины (формирующие устройства). В процессе подготовки ленту по торцам разрезают в виде зубчатого профиля и совмещают выступы одного среза с впадинами противоположного. Соответствие ответных частей должно быть идеальным.

После совмещения полиуретановая лента поступает в нагревательную камеру станка, где полимер размягчается при температуре плавления и плотно сжимается, без деформации приводных зубьев. После охлаждения стык становится практически незаметным. Но у такого способа соединения есть один важный недостаток — ткань корда остается разорванной, что существенно снижает прочность ремня. В спецификации привода указано максимально допустимое усилие натяжения с учетом этой особенности технологии производства.

Бесконечные или замкнутые бесшовные ремни

Указанного выше недостатка лишены резиновые и полиуретановые ремни, изготовленные по бесшовной технологии. При соединении тела ремня, корд тоже спаивается. Технология производства таких ремней более сложная — корд изготавливается на ткацком оборудовании в виде рукава заданного диаметра. Затем основа покрывается резиновой смесью и вулканизируется, или заполняется полиуретаном. В процессе вулканизации или заливки формируется зубчатая часть заданного профиля.

По ширине ремни нарезают как на заводе, согласно требованиям ГОСТ (или ISO), или поставляют заказчику в виде рукава. Нарезка на месте производится по необходимости, в зависимости от особенностей оборудования, где предполагается использование привода. Бесшовные гибкие тяги производят в разном исполнении:

жесткие;
полужесткие;
мягкие (эластичные);
полуэластичые.

Часто полосы покрывают слоем силикона или термопласта, увеличивающим прочность и стойкость к износу.

Функциональные различия

Зубчатые ременные приводы используют в самых разных сферах промышленности и техники, в том числе и высокоточных механизмах. Это определяет необходимость классификации ремней по назначению.

Протяжные зубчатые ремни

В эту категорию изделий входят ремни, которые использую не только для передачи усилия, но и для транспортировки (протяжки) определенных материалов. От стандартных приводных они отличаются:

наличием на поверхности специального покрытия;
профилированием внешней стороны;
перфорацией, проточками, выступами на зубчатой и наружной частях.

Для покрытия внешней поверхности используют различные вещества: резину, полиуретан, красную мягкую резину Linatex, кожу, поливинилхлорид). Такая оболочка исключает растяжение и проскальзывание ремня, повышает температурную стойкость, защищает от пыли и влаги, повышает уровень защиты от химических реагентов.

На поверхности протяжных ремней могут быть сформированы перегородки, зубчатый или конический рельеф, поперечная и продольная проточка. Механическая обработка используется в случаях, когда нужно обеспечить захват транспортирующихся веществ, или улучшить характеристики ремня, например, точность позиционирования.

Транспортирующие зубчатые ремни с бесшовным покрытием

Обычно изготовлены из полиуретана и покрыты снаружи сплошным бесшовным полимерным слоем. Для покрытия используются разные виды эластичных полимеров, отличающихся высоким коэффициентом трения по отношению к перемещаемому материалу. Используются в технологических и транспортных линиях, упаковочном оборудовании. Отличительные признаки — небольшой вес, гибкость, отсутствие швов на внешней поверхности.

Транспортирующие зубчатые ремни с перегородками

Ремни узкого назначения, предназначенные для точного позиционирования перемещаемых деталей в процессе производства или упаковки. Часто используются на станках с ЧПУ. Наружная часть ремня покрыта перегородками, выступами или захватами иного рода, точно соответствующими по размеру конкретному виду изделий. Выпускают ремни как с фиксированными литыми или фрезерованными перегородками, так и сменными, которые закрепляют при помощи специальных планок.

Различия по расположению зубьев

В зависимости от формы шкива и требований по надежности передачи усилия, силе тяги, точности позиционирования и центровки, производят тяги с разной конфигурацией зубьев:

прямой;
косой;
со смещением;
шевронной;
комковатой.

Установка ремня с особой формой зуба возможна только на шкивы с соответствующей нарезкой поверхности.

Стандартные зубчатые ремни с прямым расположением зубьев

Наиболее популярный вид ремней, у которых зубья расположены в виде параллельных выступов, идущих по всей ширине ремня. При некотором ослаблении привода возможно соскальзывание ремня со шкива, что может привести к неравномерному износу, или обрыву. Чтобы такого не случилось, в схеме привода используют специальные шкивы с доковыми дисками, выступающими над плоскостью зубчатой нарезки. Диски (реборды) ограничивают боковое смещение ремня, не создавая при этом избыточной силы трения. Повреждение полосы ребордой возможно только при нарушении соосности шкивов и натяжных роликов.

Самоцентрирующиеся зубчатые ремни

Во многих механизмах и машинах большое значение имеет точное позиционирование привода. Здесь используют самоцентрирующиеся ремни, обычно с шевронным зубом. Нагрузки распределяются таким образом, что ремень постоянно занимает центральную позицию точно по осевой линии. Шкивы с ребордами здесь не применяют, но огромное значение имеет точный подбор контактных пар.

Зубчатые шкивы и ролики

Комплектные части зубчато-ременного привода — шкивы и ролики. Ведущий шкив насаживается на вал двигателя или редуктора и входит в зацепление с ремнем, передавая на него приводное усилие. Ведомый шкив соединен с валом исполнительного механизма и приводит его в движение. Размеры шкивов могут отличаться, в зависимости от требований к изменению скорости вращения и коэффициенту передачи тяги. Но на обоих шкивах шаг и профиль зубьев должен точно соответствовать параметрам приводного ремня.

Глубина впадин на шкиве должна быть на уровне нейтральной части зуба ремня, это так называемая делительная окружность. Максимальный диаметр шкива соотвествует глубине впадины на насечке гибкой тяги. Такое разделение позволяет устранить риск повышенного сопротивления из-за сил трения, обеспечивая захват только рабочих поверхностей зубьев.

Для предотвращения соскальзывания ремня на шкив может быть оснащен одним или двумя боковыми дисками-ребордами. В этом случае ширина ремня должна точно соответствовать спецификации механизма. Большинство шкивов производятся по определенным стандартам и найти для них тягу не составляет труда. Но есть и шкивы, которые созданы только под конкретный вид ремня, обычно такую пару выпускает один производитель, что характерно для оборудования и техники премиального сегмента.

В ряде приводов одна тяга приводит в действие насколько шкивов, вращающих валы отдельных узлов механизма, работающих синхронно. Пример — автомобильный двигатель, где один привод передает усилие на ГРМ, помпу системы охлаждения и кондиционер, или другой агрегат. Материал изготовления шкивов — сталь, чугун, алюминий, реже — цветные металлы, например, титан, медь, латунь.

Ролики

Детали передачи, которые не передают тягового усилия, а служат для направления движения ремня и его натяжения. У большинства роликов рабочая поверхность гладкая, но встречаются и зубчатые модели. Монтируют ролик на подшипнике, оснащают натяжной пружиной, или жестко фиксируют на кронштейне. Главная задача ролика — придать ремню нужное направление и натяжение, не создавая при этом избыточного сопротивления, которое может привести к перегреву тяги и разрыву.

Натяжение

Система ременно-зубчатого привода работает надежно и эффективно только в случае равномерного и постоянного натяжения ремня. Это обеспечивает полноценное зацепление зубьев шкива и тяги, исключает проскальзывание. Для натяжения используют разные кинематические схемы:

смещения одного из шкивов или роликов;
применения специальных пружинных натяжителей;
изменение длины ремня вручную;
использовать силу тяжести — один из узлов свободно висит на ремне, натягивая его собственным весом.

При правильном натяжении привода достигается максимальный КПД и вырабатывается полный ресурс, предусмотренный производителем.