Сравнение ременных передач MXL и S2M (с трапецеидальными и криволинейными зубьями)

1. Введение

Ременные приводы с трапецеидальными зубьями были впервые разработаны американской компанией Uniroyal Rubber в 1964 году и постепенно стали применяться в механических трансмиссиях.

Рисунок 1: Профиль зубьев синхронного ремня с трапецеидальными зубьями

В этом типе зубчатого ремня, характеризующемся трапециевидным профилем зубьев, боковые поверхности зубьев представляют собой прямые линии. Такая специфическая геометрия профиля приводит к сильной концентрации напряжений у корней зубьев, что на высоких скоростях снижает как срок службы ремня, так и его несущую способность. Кроме того, во время передачи эти ремни генерируют высокий уровень шума и вибрации, тем самым ограничивая максимальную рабочую скорость. Последующий фотоупругий анализ напряжений показал, что распределение напряжений внутри трапециевидного профиля зубьев крайне неравномерно, демонстрируя значительную концентрацию напряжений у корня; это делает зубья склонными к разрушению и поломке. Более того, фактическая площадь контакта трапециевидного зуба с нагрузкой занимает лишь около одной трети общей поверхности боковой поверхности зуба, что указывает на то, что данная конструкция не позволяет в полной мере использовать весь несущий потенциал зубьев ремня.

В 1973 году компания Uniroyal разработала зубчатый ремень с одинарными криволинейными зубьями (известный как HTD; соответствующий национальному стандарту JB/T 7512.1). Эта конструкция эффективно уменьшила «эффект многоугольника», присущий ременным передачам, и обеспечила более рациональное распределение напряжений, что привело к ее все более широкому распространению. Однако впоследствии было замечено, что при увеличении скорости передачи выше определенного порога эти криволинейные зубчатые ремни снова начинают издавать шум и демонстрируют заметное снижение эффективности передачи. Следовательно, в 1977 году американская компания Goodyear модифицировала этот профиль зубьев, создав зубчатый ремень с плоскими криволинейными зубьями (STPD). Эта конструкция значительно улучшила динамику воздушного потока в момент зацепления между зубьями ремня и зубьями шкива, тем самым существенно уменьшив сопротивление демпфированию воздуха — явление, обычно связанное с высокоскоростным зацеплением.

Рисунок 2: Профиль зубьев синхронного ремня STPD с изогнутыми зубьями

В последние годы в Китае наблюдается стремительный рост внутреннего рынка оборудования для видеонаблюдения, систем видеоконференцсвязи, принтеров и копировальных аппаратов, что приводит к все более широкому применению зубчатых ремней в этих устройствах. Поскольку эти компактные устройства, как правило, требуют относительно низкой мощности передачи и работают на умеренных скоростях, в них преимущественно используются ремни малого размера. Помимо требования к низкому уровню шума, наиболее важными показателями производительности для этих применений являются срок службы и точность угловой передачи. Серии зубчатых ремней MXL, S1.5M и S2M специально разработаны для удовлетворения именно этих требований. В настоящее время отечественные производители, в том числе известные, по-прежнему широко используют зубчатые ремни MXL. В отличие от них, зарубежные производители, особенно в Японии, уже широко внедрили зубчатые ремни STPD в малогабаритные электронные устройства, такие как внутренние механизмы финансового оборудования, принтеров и копировальных аппаратов.

Хотя профили зубьев зубчатых ремней MXL и S2M различаются, их шаг очень похож: шаг MXL составляет 2,032 мм, а шаг S2M — 2,000 мм. Следовательно, их можно использовать в одних и тех же приводных системах. По этой причине я выбрал эти два типа ремней для сравнительного анализа, что позволяет четко оценить соответствующие преимущества и недостатки этих двух различных категорий зубчатых ремней. На основе более чем десятилетних исследований и сравнительных испытаний в приводных системах финансового и охранного оборудования, ремень S2M неизменно превосходит ремень MXL как по сроку службы, так и по точности передачи.

2. Сравнительный анализ

2.1 Сравнение профилей зубов

Для начала сравним профили зубьев двух ремней. На рисунке ниже темная линия представляет профиль зубьев зубчатого ремня S2M, а светлая линия — профиль зубьев зубчатого ремня MXL. Толщина основания обоих ремней одинакова и составляет 0,6 мм; однако зубья ремня S2M заметно шире, чем зубья ремня MXL, особенно у основания. Кроме того, радиус скругления зуба S2M (R0,2) больше, чем у зуба MXL (R0,13). Предполагая, что материалы ремней одинаковы, ремень S2M обладает большей структурной прочностью по сравнению с ремнем MXL, что позволяет ему передавать большую мощность. И наоборот, если требования к передаче мощности одинаковы, ремень S2M обеспечит более длительный срок службы, чем ремень MXL.

По сравнению со шкивами, прочность и износостойкость самого зубчатого ремня, как правило, несколько ниже; следовательно, ремень часто является ограничивающим фактором с точки зрения общего срока службы и несущей способности приводной системы. Это связано с тем, что в структуру ремня обычно входят усиливающие элементы, такие как стальные проволоки или стекловолоконные корды, в результате чего зубья остаются относительно более слабыми структурными компонентами.

Рисунок 3: Сравнение двух профилей зубьев синхронного ремня (трапецеидальные зубья MXL и изогнутые зубья S2M).

Система зубчатого ремня с дугообразными зубьями решает эту проблему за счет увеличения толщины зубьев ремня для повышения его структурной целостности, одновременно незначительно уменьшая толщину зубьев шкива (тем самым незначительно снижая структурную прочность шкива). Такой подход к проектированию более эффективно соответствует требованиям практического применения, что приводит к общему улучшению как срока службы, так и несущей способности. Конкретные данные по этому вопросу можно также получить из технических руководств компании Mitsuboshi Belting (Япония); пожалуйста, обратитесь к таблицам ниже (показан частичный выбор):

• Рисунок 4: Базовая пропускная способность зубчатых ремней MXL (частичное изображение)

• Рисунок 5: Базовая пропускная способность зубчатых ремней S2M (частичное изображение)

• Рисунок 6: Допустимый крутящий момент для приводных ремней MXL (частичное изображение)

• Рисунок 7: Допустимый крутящий момент трансмиссии для зубчатых ремней S2M (частичное изображение)

Обратите внимание, что стандартная ширина показанного выше зубчатого ремня S2M составляет 4 мм, тогда как стандартная ширина зубчатого ремня MXL — 6,4 мм. Независимо от того, рассматривается ли допустимая мощность или допустимый крутящий момент, ремень S2M превосходит ремень MXL как минимум на 50%. Если бы эти показатели были нормализованы к общей ширине ремня, преимущество ремня S2M над ремнем MXL было бы еще более очевидным.

2.2 Сравнение характеристик построения сетки

Далее сравним характеристики зацепления зубчатых ремней и соответствующих им шкивов.

• Рисунок 8: Сравнение условий зацепления для двух типов зубчатых ремней (MXL и S2M)

• Рисунок 9: Основные размеры двух типов зубчатых шкивов (MXL и S2M)

Сравнение реальных фотографий сетки:

• Рисунок 10: Фактическое зацепление зубчатого ремня и шкива MXL.

• Рисунок 11: Фактическое зацепление зубчатого ремня и шкива S2M.

Как видно — и в соответствии с теоретическими профилями зубьев — между зубчатым ремнем MXL и его шкивом имеется заметный зазор; при ручном перемещении ремня ощущается отчетливое, незначительное проскальзывание. В отличие от этого, между зубчатым ремнем S2M и его шкивом видимого зазора нет; при ручном перемещении ремня проскальзывание не заметно невооруженным глазом. Зубчатый ремень MXL демонстрирует отчетливые зазоры как на боковых поверхностях, так и на кончиках зубьев, что приводит к более выраженному «многоугольному эффекту» по сравнению с зубчатыми ремнями с криволинейным профилем зубьев.

Как показано на рисунках выше, профиль зубьев ремня ГРМ MXL меньше профиля канавки шкива. Теоретическая сумма зазоров с обеих сторон зуба ремня составляет приблизительно 0,2 мм, что означает, что зазор составляет примерно 18% от ширины зуба. Кроме того, высота зуба 0,51 мм меньше соответствующей глубины канавки 0,64 мм. Когда ремень ГРМ S2M входит в зацепление со шкивом, размеры зубьев ремня и канавок шкива практически идентичны, что приводит к минимальному зазору. Теоретически, суммарный зазор с обеих сторон одного зуба ремня составляет приблизительно 0,08 мм — зазор, эквивалентный примерно 6% от ширины зуба. Кроме того, высота зуба и глубина канавки идеально совпадают на уровне 0,76 мм, обеспечивая нулевой зазор в вертикальном (высота зуба) направлении.

На основе этого анализа зазора зацепления становится очевидно, что если натяжение ремня ГРМ недостаточное, что приводит к проскальзыванию между ремнем и шкивом, точность передачи неизбежно пострадает. Теоретически, точность передачи системы ремней ГРМ MXL несколько ниже, чем у системы S2M. Строго с геометрической точки зрения, угловая погрешность для ремня MXL составляет приблизительно (где Z2 — количество зубьев на ведомом шкиве) 18% × 360°/Z2; напротив, угловая погрешность для ремня S2M составляет приблизительно 6% × 360°/Z2. Однако на практике натяжение ремня часто поддерживается на относительно высоком уровне, минимизируя проскальзывание, а это означает, что фактическая достигаемая точность обычно превышает эти теоретические значения.

В зубчатых ремнях MXL контакт происходит исключительно между корнями зубьев и вершинами шкивов; это приводит к относительно сильной концентрации напряжений, тем самым ограничивая максимальное натяжение, которое может выдержать ремень. В отличие от них, зубчатые ремни S2M контактируют со шкивом как на кончиках, так и на корнях зубьев, что приводит к более равномерному распределению силы. Это значительно уменьшает «эффект многоугольника». Кроме того, процесс зацепления, облегчаемый криволинейным профилем зубьев ремня, значительно более плавный; следовательно, ремни S2M с такими криволинейными зубьями обладают превосходной несущей способностью и увеличенным сроком службы.

3. Эмпирическая проверка

Для этой оценки была выбрана PTZ-камера видеонаблюдения (с возможностью панорамирования, наклона и масштабирования), чтобы оценить точность ее предварительно заданных возможностей позиционирования. Были протестированы две различные системы передачи: одна с зубьями профиля MXL, а другая с зубьями профиля S2M. В обеих системах использовались идентичные модели двигателей; за исключением конкретных приводных шкивов и ремней, все остальные компоненты в сборке оставались точно такими же. Система передачи камеры работает через две оси вращения, как показано на рисунке 12. В частности, объектив камеры способен к непрерывному вращению на 360° вокруг оси Z, а также к возвратно-поступательному вращению в диапазоне 110° вокруг оси Y; оба движения приводятся в движение зубчатыми ремнями. Для целей этого теста мы сосредоточились на механизме вертикального вращения, который имеет передаточное отношение 1:4 (состоящий из 20-зубчатого ведущего шкива и 80-зубчатого ведомого шкива). Использовалась лента MXL модели "180MXL" (с шагом 365,76 мм), а лента S2M — модели "S2M364" (с шагом 364 мм). Объектив камеры располагался на расстоянии 15,6 метров от эталонной шкалы, используемой для измерений.

Заданное положение — это способ привязки ключевой зоны наблюдения к рабочему состоянию PTZ-камеры. В ручном или программном режиме PTZ-камера может поворачиваться в любое угловое положение, которое затем можно настроить и сохранить как заданное положение. Вызов заданного положения — стандартная функция PTZ-камер видеонаблюдения. Независимо от направления, в котором в данный момент направлен объектив камеры, после вызова предварительно настроенного положения камера быстро повернется в это конкретное место.

Рисунок 12: Схема испытаний для сравнения точности зубчатых ременных передач.

Когда с помощью программного обеспечения запрашивается предварительно заданное положение, PTZ-камера поворачивается в соответствующее место; однако часто происходит отклонение от первоначально заданного положения. Помимо влияния программного обеспечения и двигателя, основным фактором, способствующим этому отклонению, является ошибка передачи ремня в механизме PTZ-камеры. Чтобы исключить влияние программного обеспечения и двигателя, испытания проводились с использованием одной и той же PTZ-камеры, оснащенной одной и той же моделью двигателя. Менялись только зубчатые шкивы и зубчатые ремни; таким образом, шкивы и ремни были единственными переменными в эксперименте. Фактическое отклонение, измеренное во время этих испытаний, служит прямым индикатором точности передачи в реальных условиях, достигаемой системой зубчатых ремней MXL по сравнению с системой зубчатых ремней S2M.

Как показывают данные испытаний в таблице 1, зубчатый ремень S2M демонстрирует значительно более высокую точность, чем зубчатый ремень MXL при идентичных условиях эксплуатации. При натяжении ремня более 25 Н дальнейшее увеличение натяжения приводит лишь к незначительному улучшению точности; при натяжении более 30 Н влияние увеличения натяжения на точность становится еще менее значительным. Примечательно, что зубчатый ремень S2M способен обеспечить превосходную точность передачи даже при относительно низком натяжении. Кроме того, было замечено, что характеристики демпфирования системы движения оказывают существенное влияние на точность передачи.

Таблица 1: Тестовые данные об отклонениях при запоминании заданных положений (см. исходные данные в статье)

4. Данные испытаний на прочность при растяжении

Как показано на рисунке ниже, предоставленном компанией Bando Chemical Industries: ремни ГРМ MXL и S2M изготовлены из резины и имеют одинаковую толщину основания 0,6 мм. Учитывая их идентичный состав материала, их прочность на разрыв (в технических чертежах обозначается как «предел прочности на разрыв») практически одинакова. (Примечание: значения толщины ремня, указанные на схемах, включают высоту зубьев; в частности, хотя оба ремня, MXL и S2M, имеют толщину основания 0,6 мм, общая толщина, включая зубья, составляет 1,1 мм для ремня MXL и 1,31 мм для ремня S2M.)

• Рисунок 13: Материалы и конструкция зубчатого ремня MXL

• Рисунок 14: Материалы и конструкция зубчатого ремня S2M

5. Резюме и обсуждение

В заключение, зубчатый ремень S2M с криволинейными зубьями превосходит зубчатый ремень MXL с трапецеидальными зубьями по точности передачи; это является существенным преимуществом криволинейных ремней. Требования к установке криволинейных ремней аналогичны требованиям к трапецеидальным, однако они обеспечивают более длительный срок службы и позволяют использовать более широкий диапазон настроек натяжения. С точки зрения стоимости — хотя вес на единицу ширины зубчатого ремня S2M немного выше, а стоимость эквивалентной ширины может быть незначительно больше (примерно 1,18:1) — его можно изготавливать с более узким профилем. Следовательно, фактическая стоимость не обязательно выше, чем у зубчатого ремня MXL; на самом деле, она часто может быть ниже, что обеспечивает явные преимущества с точки зрения уменьшения общего объема трансмиссионной системы. На основе расчетов пропускной способности, зубчатый ремень S2M шириной 4 мм может эффективно заменить подавляющее большинство зубчатых ремней MXL шириной 6,4 мм, потенциально снизив фактические затраты более чем на 25%.

Хотя в Китае уже установлены национальные стандарты для зубчатых ремней серии HTD с криволинейными зубьями, их применение остается относительно редким; кроме того, наблюдается заметный недостаток установленных стандартов для зубчатых ремней с криволинейными зубьями микро- и малого диаметра (в частности, тех, которые меньше серии 3M).

Конструкция с криволинейными зубьями получила дальнейшее развитие в серии RPP, отличающейся параболическим профилем зубьев с вогнутой верхней частью, что обеспечивает еще более низкий уровень шума, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15: Параболический профиль зуба RPP с вогнутой верхней частью

6. Заключение

Ремни с трапецеидальными зубьями имеют более долгую историю применения в Китае и остаются более широко используемыми. Однако неоспоримое превосходство ремней с криволинейными зубьями. Поэтому необходимо активно внедрять политику, направленную на продвижение и поддержку использования ремней с криволинейными зубьями в качестве замены ремней с трапецеидальными зубьями — особенно в малом масштабе — с целью ускорения разработки соответствующих стандартов и содействия модернизации и совершенствованию отечественного производственного сектора.