Силы и напряжения в ремне

Окружная сила на шкивах (Н):

, ( 14.11 )

где T₁ – вращающий момент, Н м, на ведущем шкиве диаметром d₁, мм; P₁ – мощность на ведущем шкиве, кВт.

С другой стороны, F_t = F₁ - F₂, где F₁ и F₂ - силы натяжения ведущей и ведомой ветвей ремня под нагрузкой. Сумма натяжений ветвей при передаче полезной нагрузки не меняется по сравнению с начальной: F₁ + F₂ = 2F₀. Решая систему двух уравнений, получаем:

F₁ = F₀ + F_t/2, F₂ = F₀ – F_t/2. ( 14.12 )

Сила начального натяжения ремня F₀ должна обеспечивать передачу полезной нагрузки за счет сил трения между ремнем и шкивом. При этом натяжение должно сохраняться долгое время при удовлетворительной долговечности ремня. С ростом силы несущая способность ременной передачи возрастает, однако срок службы уменьшается.

Соотношение сил натяжения ведущей и ведомой ветвей ремня без учета центробежных сил определяют по уравнению Эйлера, выведенному им для нерастяжимой нити, скользящей по цилиндру. Записываем условия равновесия по осям x и y элемента ремня с центральным углом da (рис. 14.6). Принимаем, что и , тогда,

( 14.13 )

, ( 14.14 )

Рис. 14.6

где dF_n – нормальная сила реакции, действующая на элемент ремня от шкива; f –коэффициент трения ремня по шкиву. Из ( 14.13 ) имеем:

. Подставим значение в ( 14.14 ), пренебрегая членом в связи с его малостью. Тогда и

( 14.15 )

Интегрируем по дуге скольжения, подставляя пределы F₁, F₂, 0, b

, .

После потенцирования имеем: , ( 14.16 )

где e – основание натурального логарифма, b - угол, на котором происходит упругое скольжение, при номинальной нагрузке .

Полученная зависимость показывает, что отношение F₁/F₂ сильно зависит от коэффициента трения ремня на шкиве и угла . Но эти величины являются случайными, в условиях эксплуатации могут принимать весьма различные значения из числа возможных, поэтому силы натяжения ветвей в особых случаях уточняют экспериментально.

Обозначая и учитывая, что , имеем

и . ( 14.17 )

Ремни обычно неоднородны по сечению. Условно их рассчитывают по номинальным (средним) напряжениям, относя силы ко всей площади поперечного сечения ремня и принимая справедливым закон Гука.

Нормальное напряжение от окружной силы F_t:

, ( 14.18 )

где A – площадь сечения ремня, мм².

Нормальное напряжение от предварительного натяжения ремня

. ( 14.19 )

Нормальные напряжения в ведущей и ведомой ветвях:

и . ( 14.20 )

Центробежная сила вызывает нормальные напряжения в ремне, как во вращающемся кольце:

, ( 14.21 )

где s _ц – нормальные напряжения от центробежной силы в ремне, МПа; v₁ – скорость ремня, м/с; - плотность материала ремня, кг/м³.

При изгибе ремня на шкиве диаметром d относительное удлинение наружных волокон ремня как изогнутого бруса равно 2y/d, где y – расстояние от нейтральной линии в нормальном сечении ремня до наиболее удаленных от него растянутых волокон. Обычно толщина ремня . Наибольшие напряжения изгиба возникают на малом шкиве и равны:

. ( 14.22 )

Максимальные суммарные напряжения возникают на дуге сцепления ремня с малым (ведущим) шкивом:

. ( 14.23 )

Рис. 14.7

Эти напряжения (рис. 14.7) используют в расчетах ремня на долговечность, так как при работе передачи в ремне возникают значительные циклические напряжения изгиба и в меньшей мере циклические напряжения растяжения из-за разности натяжения ведущей и ведомой ветвей ремня.