Плоский ремень vs В-образный ремень: ключевые различия и производительность

Машину можно определить как совокупность механизмов, выполняющих задачу за счет затраты энергии. Большинство машин приводятся механической мощностью — вращательным моментом вала. Первичный двигатель преобразует другую форму энергии в механическую. Например, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую мощность. Однако такие двигатели обычно расположены далеко от рабочего узла, поэтому нужна другая система передачи. Здесь появляется механическая система передачи мощности, передающая движение, момент и мощность от ведущего элемента (первичный двигатель) к ведомому (рабочий узел). Четыре механических привода: зубчатый, ременной, цепной, канатный.

Ременной привод — трение, где передача происходит за счет трения. Два шкива монтируются на ведущем и ведомом валах. Бесконечный ремень частично обвивает шкивы с нужным натяжением. Ременной привод подходит для передачи на малые–большие расстояния и естественным образом защищает систему от перегрузок и вибраций. Поскольку сила трения между шкивом и ремнем передает мощность, мощность ременного привода ограничена трением, углом обхвата и начальным натяжением. Один способ увеличить мощность — увеличить угол обхвата. Это делается заменой открытого ременного привода на перекрестный, если допустимо.

Другой способ повысить мощность — увеличить площадь контакта ремня с шкивом. Это реализуется В-образным ременным приводом. В плоском ремне используется соединенный ремень прямоугольного сечения, где только одна плоская грань контактирует со шкивом. Хотя мощность ниже, он преобладает для передачи на большие расстояния. Может иметь две схемы — открытую и перекрестную. В-образный ремень использует бесконечный ремень трапецеидального сечения с шкивами с соответствующими В-образными желобами. Здесь две боковые грани ремня контактируют со шкивом, увеличивая передаточную способность и уменьшая скольжение. Но особенно подходит, когда ведущий и ведомый валы на небольшом расстоянии. Различия в таблице.

Таблица: Различия между плоским ремнем и В-образным ремнем

Конфигурация ремня: Плоский ремень соединяется в одной точке (гайками/болтами) в бесконечный. Прямоугольное сечение, ширина >> толщины. Только внутренняя поверхность контактирует с шкивами. Шкивы цилиндрические, внешняя поверхность касается ремня. Трение между внешней поверхностью шкива и внутренней ремня передает движение и мощность. В-образный ремень — трапецеидальное сечение, ширина большей стороны ≈ толщине. Шкив имеет В-образный желоб. Угол В шкива должен совпадать с углом между непараллельными гранями ремня.

Шум и вибрация: Плоский ремень соединяется гайками/болтами. В месте соединения всегда есть канавка. Из-за несимметричной внутренней поверхности плоский ремень создает значительный шум и вибрацию. Это иногда ограничивает применение на очень высоких скоростях. В-образный ремень изготавливается бесконечным — нет соединения. Меньше вибрация, работа тихая.

Контакт ремня и шкива: Только внутренняя поверхность плоского ремня контактирует с внешней поверхностью цилиндрического шкива. Для В-образного — две наклонные поверхности одновременно контактируют с двумя боковыми поверхностями В-образного шкива.

Мощность передачи: Как у любого механического привода, цель — передать движение и мощность. Ременной привод — трение, мощность зависит от трения сопрягающихся поверхностей. Когда нагрузка превышает силу трения, происходит скольжение. Чем выше коэффициент трения, тем выше мощность; но тепловыделение и износ тоже выше. Вместо прямого увеличения коэффициента трения, его можно косвенно повысить, используя В-образный вместо плоского. Можно доказать, что эффективный коэффициент трения В-образного в 2–3 раза выше (зависит от угла В, обычно 40°) по сравнению с плоским того же материала. Соответственно В-образный передает существенно большую мощность без скольжения.

Расстояние между валами: Подходящий привод выбирается по центровому расстоянию. Например, зубчатый — для малых расстояний, обычно до 1 м. Цепной — для малых–средних, до 3 м с натяжными звездочками. Ременной — широкий диапазон: от <1 м до 15 м. Плоский ремень особенно подходит для больших расстояний; В-образный — для малых (обычно <1 м).

Снижение скорости: Рабочий узел приводится первичным двигателем. Обычно ведущий вал вращается быстрее, чем нужно ведомому. Нужно снижение скорости, достигаемое изменением диаметров шкивов. Но каждый привод может менять передаточное число в диапазоне. Плоский ремень дает снижение до 1:4; выше нежелательно увеличивает скольжение. В-образный дает большее снижение, даже до 1:7.

Переключение ремня: Иногда один рабочий узел требует переменной скорости на разных этапах. Или один первичный двигатель приводит несколько машин с разной скоростью. Тогда применяют ступенчатый шкив — несколько шкивов разного диаметра на одном валу. Если используется плоский ремень, его можно легко переключать с одного шкива на другой в движении. Таким образом, скорость ведомого вала меняется без остановки ведущего (механизированная регулировка длины ремня критически важна для поддержания натяжения). В В-образном приводе такого нет, так как нужны специализированные шкивы с В-образным желобом.

Экономический аспект: Конструкция плоского ремня и шкива простая. Длину плоского можно регулировать многократно (соединение гайками/болтами). Долговечность и простота делают этот привод дешевле. В-образный ремень и шкив дороже. Длину нельзя регулировать, поэтому срок службы короче.

Научное сравнение плоского и В-образного ремня представлено в статье. Автор рекомендует обратиться к источникам:

1. Design of Machine Elements by V. B. Bhandari (Fourth edition; McGraw Hill Education).
2. A Textbook of Machine Design by R. S. Khurmi and J. K. Gupta (S. Chand; 2014).