КЛИНОВИДНЫЙ РЕМЕНЬ
WEDGE-SHAPED BELT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в клиноременных передачах.
Для обеспечения сцепления со шкивом в клиноременной передаче создается натяжение ремня. Для регулировки натяжения к ремню прикладывается поперечное усилие, создаваемое пружиной /Пат. США №4634407, F16Н 7/10, опубл. 1987 г.; Пат. США №4985010, F16Н 7/08, опубл. 1992 г.; Заяв. Японии №18065, F16Н 13/04, опубл. 1992 г.; Заяв. Франции №2676790, F16G 1/00, опубл. 1993 г./, гидроцилиндром / Заяв. ЕПВ №0234732, F16Н 7/08, опубл. 1988 г.; Заяв. Германии №4035202, F16Н 7/08, F16L 7/08, опубл. 1992 г.; Пат. США №4985010, F16Н 7/08, опубл. 1992 г./ и т.п.
Недостатком указанных технических решений является необходимость использования специальных натяжных устройств, состоящих из нескольких элементов (гидроцилиндра или пружины, толкателя, ролика или колодки и т.д.).
Известны также конструкции приводных ремней, исключающие необходимость применения натяжных устройств.
В частности, известен клиновидный ремень /А.с. СССР №1709144, F16G 3/00, F16G 5/22, опубл. 1992 г./, содержащий эластомерную основу, состоящую из слоев сжатия и растяжения, несущий слой и предварительно натянутый на заданную величину слой эластомера.
Недостатком известного устройства является сложность изготовления, связанная с необходимостью предварительного натяжения на заданную величину слоя эластомера ремня.
Известны также конструкции приводных ремней /Заяв. Германии №4038465, F16Н 7/08, опубл. 1988 г.; Заяв. Японии №1-56297, F16G 1/08, опубл. 1990 г./, имеющие натяжной элемент в виде скрученного корда, который предварительно подвергают тепловой обработке при начальном растягивающем усилии.
Недостатком данных устройств является сложность изготовления, связанная с необходимостью термомеханической обработки корда.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является клиновидный ремень /Пат. США №4708702, F16G 5/08, опубл. 1987 г. - прототип/, содержащий несколько групп слоев эластомерного материала, каждая из которых состоит из трех слоев с отрезками армирующих волокон (кордных нитей). В одном слое волокна расположены поперек ремня, обеспечивая стабильность его поперечного размера при продольном растяжении, а два других слоя имеют косоугольное армирование посредством волокон, расположенных в противоположных направлениях под углом к продольной оси ремня, выбираемом в диапазоне 0-45°.
Недостатком прототипа является отсутствие автоматического натяжения ремня, так как в известном устройстве рост передаваемой нагрузки не сопровождается увеличением силы сцепления ремня со шкивом. Это обусловлено тем, что поперечный размер ремня не увеличивается при его растяжении, что обусловлено косоугольным армированием в плоскости, перпендикулярной плоскости шкивов и армирующим действием поперечных волокон, расположенных перпендикулярно к продольной оси ремня. Кроме того, конструкция прототипа отличается сложностью, так как включает несколько групп слоев эластомерного материала с двумя типами укладки армирующих волокон (косоугольным и поперечным).
Задачей изобретения является обеспечение автоматического натяжения приводного ремня и увеличение максимального передаваемого момента без использования специального натяжного устройства.
Поставленная задача решается тем, что приводной ремень выполнен из косоугольно армированного эластомерного материала, причем армирование выполнено в плоскости, параллельной продольной оси ремня и плоскости вращения шкивов.
Поставленная задача решается также тем, что угол между направлением армированием и продольной осью ремня составляет 20°.
На фиг.1 показана схема ременной передачи, состоящей из ведомого 1 и ведущего 2 шкива и охватывающего их бесконечного ремня 3; на фиг.2 показано поперечное сечение ремня в зоне контакта со шкивом; на фиг.3 приведена схема косоугольного армирования ремня и вид образца; на фиг.4 показана зависимость коэффициента Пуассона от угла армирования; на фиг.5 показана схема испытания (стрелками показано направление сил трения); на фиг.6 показан фрагмент образца; на фиг.7 показано закрепление образца в клиновой захват испытательной машины; на фиг.8 показана зависимость усилия от перемещения образца ремня из материала с косоугольным армированием по предлагаемому способу.
Как показано на фиг.2 и 3, клиновидный ремень содержит эластомерную основу 4 и кордные нити 5, расположенные по схеме косоугольной укладки в плоскости, совпадающей с плоскостью вращения шкива.
При использовании предлагаемой схемы армирования растяжение ремня приводит к увеличению его размера в плоскости, перпендикулярной плоскости армирования /Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор). // Механика композиц. Матер. и констр. - 2004. - Т.10, №1. - С.35-69/. В пренебрежении деформацией межслойного сдвига и учетом того, что жесткость эластомерной матрицы существенно меньше жесткости наполнителя /Шилько С.В., Черноус Д.А., Конёк Д.А., Бодрунов Н.Н. Ауксетичные материалы на полимерной основе: расчетно-экспериментальное определение деформационных характеристик. // Полимерные композиты Поликом-2000: Тез. докл. межд. научн. конф., Гомель, 11-13 сент. 2000 г. / Акад. наук Респ. Беларусь. Ин-т механики металлопол. систем. - Гомель, 2000. - С.17-18/, коэффициент Пуассона косоугольно армированного материала определяется следующей приближенной зависимостью от угла армирования:
,
где θ - угол армирования.
Из вышеуказанной зависимости, график которой приведен на фиг.4, следует, что коэффициент Пуассона в рассматриваемой плоскости является отрицательным и его минимум достигается при значении угла θ=20°.
Таким образом, предлагаемая конструкция ремня придает ему свойство расширения в поперечной плоскости при увеличении продольного усилия, что приводит к увеличению сил сцепления и автоматическому натяжению ремня в результате его удаления от центра вращения шкива. Максимальный эффект достигается при значении угла армирования θ=20°.
Устройство работает следующим образом.
Ведущий шкив 1 посредством ремня 3 сообщает вращение ведомому шкиву 2. При возрастании передаваемой нагрузки происходит увеличение продольного усилия в ремне. В результате растяжения ремня с косоугольным расположением кордных нитей происходит его поперечное расширение в направлении, перпендикулярном плоскости армирования. Ограничивающее действие рабочих поверхностей жесткого шкива приводит к возрастанию сил трения на контактирующих поверхностях, уменьшая проскальзывание ремня по шкиву. Кроме того, вследствие наклонной боковой поверхности клиновидного ремня в результате его расширения увеличивается вертикальная силовая реакция, вызывающая перемещение (подъем) ремня в ручье шкива. При этом увеличивается расстояние между осью вращения шкива и зоной контакта ремня со шкивом. В результате возрастает максимальный передаваемый момент и обеспечивается натяжение ремня без использования специального натяжного устройства.
Предлагаемое устройство испытывалось в лабораторных условиях ГНУ ИММС НАН Беларуси. Был изготовлен образец участка ремня в виде призмы, склеенной из четырех однонаправленных резинокордных монослоев толщиной 1,5 мм, получаемых в условиях шинного производства на ОАО «Белшина». Наслаивание производилось по схеме косоугольного армирования с углом между направлением укладки и продольной осью образца, равным 20° с последующей вулканизацией. Это обеспечивало теоретически минимальное значение коэффициента Пуассона и соответственно максимальное увеличение поперечного размера ремня при растяжении в плоскости, перпендикулярной плоскости армирования.
Для оценки несущей способности фрикционного контакта образцы материалов с известной и предлагаемой схемой укладки армирующих волокон устанавливались в зажим, имитирующий шкив ременной передачи с одинаковым усилием предварительной затяжки, и клиновые захваты испытательной машины Instron 5567. Затем производилось нагружение соединения растягивающим усилием до выхода образца из клинового захвата. Испытания проводились при скорости нагружения 100 мм/мин.
При сравнении полученных силовых характеристик установлено, что предложенное техническое решение обеспечивает существенное повышение предельного усилия, передаваемого ременной передачей, без использования специальных натяжных элементов.