Paghahambing ng mga Transmisyon ng MXL at S2M Timing Belt (Mga Ngipin na Trapezoidal vs. Mga Ngipin na Kurvilinear)

1. Panimula

Ang mga trapezoidal-tooth timing belt ay unang binuo ng Amerikanong kumpanyang Uniroyal Rubber noong 1964 at unti-unting ginamit para sa mga aplikasyon ng mekanikal na transmisyon.

Pigura 1: Profile ng ngipin ng sinturon na may sabay na ngipin na trapezoidal

Sa ganitong uri ng timing belt—nailalarawan sa pamamagitan ng trapezoidal na profile ng ngipin—ang mga gilid ng ngipin ay tuwid na linya. Ang partikular na geometry ng profile na ito ay humahantong sa matinding konsentrasyon ng stress sa mga ugat ng ngipin, na, sa matataas na bilis, ay binabawasan ang parehong buhay ng serbisyo ng belt at ang kapasidad nito sa pagdadala ng karga. Bukod pa rito, sa panahon ng transmisyon, ang mga belt na ito ay lumilikha ng mataas na antas ng ingay at panginginig, kaya nililimitahan ang pinakamataas na bilis ng pagpapatakbo. Ang kasunod na photoelastic stress analysis ay nagpakita na ang distribusyon ng stress sa loob ng trapezoidal na profile ng ngipin ay lubos na hindi pantay, na nagpapakita ng malaking konsentrasyon ng stress sa ugat; ginagawa nitong madaling mabali at masira ang mga ngipin. Bukod dito, ang aktwal na load-bearing contact area ng trapezoidal na ngipin ay sumasakop lamang ng halos isang-katlo ng kabuuang flank surface ng ngipin, na nagpapahiwatig na ang disenyo na ito ay nabigong ganap na magamit ang buong potensyal na pagdadala ng karga ng mga ngipin ng belt.

Noong 1973, bumuo ang Uniroyal ng isang single-curvilinear-tooth timing belt (kilala bilang HTD; na katumbas ng domestic standard na JB/T 7512.1). Epektibong nabawasan ng disenyong ito ang "polygon effect" na likas sa mga transmisyon ng sinturon at nakamit ang mas makatwirang distribusyon ng stress, na humantong sa lalong laganap na paggamit nito. Gayunpaman, kasunod nito, naobserbahan na habang tumataas ang bilis ng transmisyon nang lampas sa isang tiyak na limitasyon, ang mga curvilinear-tooth belt na ito ay muling bubuo ng ingay at magpapakita ng kapansin-pansing pagbaba sa kahusayan ng transmisyon. Dahil dito, noong 1977, binago ng Amerikanong kumpanyang Goodyear ang profile ng ngipin na ito upang lumikha ng flat-top curvilinear-tooth (STPD) timing belt. Ang disenyong ito ay makabuluhang nagpabuti sa dinamika ng daloy ng hangin sa eksaktong sandali ng pagkakabit sa pagitan ng mga ngipin ng sinturon at ng mga ngipin ng pulley, sa gayon ay lubos na binabawasan ang resistensya ng air-damping—isang penomenong karaniwang nauugnay sa high-speed meshing.

Pigura 2: Profile ng ngipin ng STPD na may kurbadong ngipin at synchronous belt

Sa mga nakaraang taon, nasaksihan ng Tsina ang mabilis na paglago sa mga sektor sa loob ng bansa para sa mga kagamitan sa pagsubaybay sa seguridad, mga sistema ng video conferencing, mga printer, at mga photocopier, na humahantong sa lalong malawakang paggamit ng mga timing belt sa mga device na ito. Dahil ang mga compact device na ito ay karaniwang may mababang pangangailangan sa transmisyon ng kuryente at katamtamang bilis ng pagpapatakbo, pangunahing gumagamit sila ng maliliit na belt. Bukod sa pangangailangan para sa mababang antas ng ingay, ang pinakamahalagang sukatan ng pagganap para sa mga aplikasyong ito ay ang tagal ng serbisyo at katumpakan ng angular transmission. Ang serye ng mga timing belt na MXL, S1.5M, at S2M ay partikular na idinisenyo upang matugunan ang mga eksaktong kinakailangang ito. Sa kasalukuyan, ang mga lokal na tagagawa—kabilang ang mga kilalang tagagawa—ay malawak pa ring gumagamit ng mga MXL timing belt drive. Sa kabaligtaran, ang mga tagagawa sa ibang bansa—lalo na sa Japan—ay malawak nang nag-aampon ng mga STPD-profile timing belt drive para sa maliliit na elektronikong aparato, tulad ng mga panloob na mekanismo ng kagamitang pinansyal, mga printer, at mga photocopier.

Bagama't magkaiba ang mga profile ng ngipin ng mga timing belt ng MXL at S2M, ang kanilang mga pitch ay halos magkapareho: ang pitch ng MXL ay 2.032 mm, habang ang pitch ng S2M ay 2.000 mm. Dahil dito, maaari silang gamitin sa parehong mga drive system. Dahil dito, pinili ko ang dalawang uri ng belt na ito para sa isang paghahambing na pagsusuri, na nagbibigay-daan para sa isang malinaw na pagtatasa ng kani-kanilang mga kalamangan at disbentaha ng dalawang magkaibang kategorya ng timing belt na ito. Batay sa mahigit isang dekada ng pananaliksik at paghahambing na pagsubok sa loob ng mga drive system ng mga kagamitan sa pananalapi at seguridad na pagsubaybay, ang S2M belt ay palaging nakahigit sa MXL belt sa mga tuntunin ng parehong buhay ng serbisyo at katumpakan ng transmisyon.

2. Paghahambing na Pagsusuri

2.1 Paghahambing ng Profile ng Ngipin

Una, paghambingin natin ang mga profile ng ngipin ng dalawang sinturon. Sa pigura sa ibaba, ang madilim na linya ay kumakatawan sa profile ng ngipin ng S2M timing belt, habang ang mapusyaw na linya ay kumakatawan sa MXL timing belt. Ang kapal ng base ng parehong sinturon ay magkapareho sa 0.6 mm; gayunpaman, ang mga ngipin ng S2M belt ay kapansin-pansing mas malapad kaysa sa MXL belt—lalo na sa ugat. Bukod pa rito, ang fillet radius ng ngipin ng S2M (R0.2) ay mas malaki kaysa sa ngipin ng MXL (R0.13). Kung ipagpapalagay na magkapareho ang mga materyales ng sinturon, ang S2M belt ay nagtataglay ng higit na lakas ng istruktura kumpara sa MXL belt, na nagbibigay-daan dito upang magpadala ng mas malaking lakas. Sa kabaligtaran, kung magkapareho ang mga kinakailangan sa paghahatid ng kuryente, ang S2M belt ay mag-aalok ng mas mahabang buhay ng serbisyo kaysa sa MXL belt.

Kung ikukumpara sa mga pulley, ang lakas ng istruktura at resistensya sa pagkasira ng timing belt mismo ay may posibilidad na bahagyang mas mababa; dahil dito, ang belt ay kadalasang kumakatawan sa naglilimitang salik patungkol sa pangkalahatang buhay ng serbisyo at kapasidad ng pagdadala ng karga ng drive system. Ito ay dahil ang katawan ng belt ay karaniwang naglalaman ng mga elementong pampalakas—tulad ng mga alambreng bakal o mga fiberglass cord—na nag-iiwan sa mga ngipin bilang medyo mas mahinang mga bahaging istruktura.

Pigura 3: Paghahambing ng dalawang magkakasabay na profile ng ngipin ng sinturon (mga ngiping trapezoidal na MXL at mga ngiping kurbadong S2M)

Tinutugunan ng arc-tooth timing belt drive system ang isyung ito sa pamamagitan ng pagpapataas ng kapal ng mga ngipin ng sinturon upang mapahusay ang integridad ng istruktura ng sinturon, habang sabay na bahagyang binabawasan ang kapal ng mga ngipin ng pulley (sa gayon ay bahagyang binabawasan ang lakas ng istruktura ng pulley). Ang pamamaraang ito ng disenyo ay mas epektibo na naaayon sa mga praktikal na kinakailangan sa aplikasyon, na nagreresulta sa pangkalahatang pagpapabuti sa parehong buhay ng serbisyo at kapasidad ng pagdadala ng karga. Makakakuha rin tayo ng mga partikular na datos tungkol sa puntong ito mula sa mga teknikal na manwal na ibinigay ng Mitsuboshi Belting (Japan); mangyaring sumangguni sa mga talahanayan sa ibaba (ipinapakita ang isang bahagyang seleksyon):

• Pigura 4: Pangunahing Kapasidad ng Paghahatid ng Lakas ng mga MXL Timing Belt (Bahagi)

• Pigura 5: Pangunahing Kapasidad ng Paghahatid ng Lakas ng mga S2M Timing Belt (Bahagi)

• Pigura 6: Pinahihintulutang Torque ng Transmisyon para sa mga MXL Timing Belt (Bahagi)

• Pigura 7: Pinahihintulutang Torque ng Transmisyon para sa mga S2M Timing Belt (Bahagyang)

Tandaan na ang karaniwang lapad para sa S2M timing belt na ipinapakita sa itaas ay 4 mm, habang ang karaniwang lapad para sa MXL timing belt ay 6.4 mm. Kung isasaalang-alang man ang pinapayagang lakas ng transmisyon o ang pinapayagang torque ng transmisyon, mas mahusay ang S2M belt kaysa sa MXL belt nang hindi bababa sa 50%. Kung ang mga bilang na ito ay isasaalang-alang sa isang karaniwang lapad ng belt, ang bentahe sa pagganap ng S2M belt kumpara sa MXL belt ay mas magiging kapansin-pansin.

2.2 Paghahambing ng mga Katangian ng Meshing

Susunod, ating paghambingin ang mga katangian ng meshing ng mga timing belt at ng mga kaukulang pulley ng mga ito.

• Pigura 8: Paghahambing ng mga Kondisyon ng Meshing para sa Dalawang Uri ng Timing Belt (MXL vs. S2M)

• Pigura 9: Mga Pangunahing Dimensyon ng Dalawang Uri ng Timing Pulley (MXL vs. S2M)

Paghahambing ng mga Aktwal na Litrato ng Meshing:

• Pigura 10: Aktwal na Meshing ng MXL Timing Belt at Pulley

• Pigura 11: Aktwal na Meshing ng S2M Timing Belt at Pulley

Gaya ng mapapansin—at naaayon sa mga teoretikal na profile ng ngipin—mayroong kapansin-pansing clearance sa pagitan ng MXL timing belt at ng pulley nito; kapag manu-manong itinulak ang belt, isang malinaw at bahagyang pagdulas ang mapapansin. Sa kabaligtaran, walang nakikitang clearance sa pagitan ng S2M timing belt at ng pulley nito; kapag itinulak ang belt, walang pagdulas na makikita ng mata. Ang MXL timing belt ay nagpapakita ng natatanging clearance sa parehong gilid ng ngipin at mga dulo ng ngipin, na nagreresulta sa mas malinaw na "polygon effect" kumpara sa mga timing belt na nagtatampok ng curvilinear na profile ng ngipin.

Gaya ng ipinapakita sa mga pigura sa itaas, ang profile ng ngipin ng MXL timing belt ay mas maliit kaysa sa profile ng pulley groove. Ang teoretikal na kabuuan ng mga clearance sa magkabilang panig ng belt tooth ay humigit-kumulang 0.2 mm, ibig sabihin ang clearance ay bumubuo ng humigit-kumulang 18% ng lapad ng ngipin. Bukod pa rito, ang taas ng ngipin na 0.51 mm ay mas mababa kaysa sa katumbas na lalim ng groove na 0.64 mm. Kapag ang S2M timing belt ay nakakabit sa pulley nito, ang mga sukat ng mga ngipin ng belt at mga groove ng pulley ay halos magkapareho, na nagreresulta sa minimal na clearance. Sa teorya, ang pinagsamang clearance sa magkabilang panig ng isang belt tooth ay humigit-kumulang 0.08 mm—isang puwang na katumbas ng humigit-kumulang 6% ng lapad ng ngipin. Bukod pa rito, ang taas ng ngipin at lalim ng groove ay perpektong tumutugma sa 0.76 mm, na tinitiyak ang zero clearance sa patayong direksyon (ngipin-taas).

Batay sa pagsusuring ito ng engagement clearance, maliwanag na kung ang tensyong inilapat sa timing belt ay hindi sapat—na humahantong sa pagdulas sa pagitan ng belt at ng pulley—ang katumpakan ng transmisyon ay tiyak na maaapektuhan. Sa teorya, ang katumpakan ng transmisyon ng isang MXL timing belt system ay medyo mas mababa kaysa sa isang S2M system. Sa mahigpit na pananaw na heometriko, ang angular error para sa isang MXL belt ay humigit-kumulang (kung saan ang Z2 ay ang bilang ng mga ngipin sa driven pulley) 18% × 360°/Z2; sa kabaligtaran, ang angular error para sa isang S2M belt ay humigit-kumulang 6% × 360°/Z2. Gayunpaman, sa mga praktikal na aplikasyon, ang tensyon ng belt ay kadalasang pinapanatili sa medyo mataas na antas—na nagpapaliit sa pagdulas—ibig sabihin ang aktwal na katumpakan na nakamit ay karaniwang lumalampas sa mga teoretikal na halagang ito.

Sa mga MXL timing belt, ang pagkakadikit ay nangyayari lamang sa pagitan ng mga ugat ng ngipin at mga crest ng pulley; humahantong ito sa medyo matinding konsentrasyon ng stress, kaya nililimitahan ang pinakamataas na tensyon na kayang tiisin ng belt. Sa kabaligtaran, ang mga S2M timing belt ay nakikipagdikit sa pulley sa parehong dulo ng ngipin at mga ugat ng ngipin, na nagreresulta sa mas pantay na distribusyon ng puwersa. Malaki ang nababawasan nito sa "polygon effect." Bukod pa rito, ang proseso ng pagkakakabit—na pinapadali ng curvilinear tooth profile ng belt—ay kapansin-pansing mas makinis; dahil dito, ang mga S2M belt na may ganitong mga curvilinear teeth ay nag-aalok ng superior load-bearing capacity at mas mahabang buhay ng serbisyo.

3. Empirikal na Pagsubok

Para sa pagsusuring ito, isang PTZ (Pan-Tilt-Zoom) surveillance camera ang napili upang masuri ang katumpakan ng mga naka-set up na kakayahan nito sa pagpoposisyon. Dalawang magkaibang sistema ng transmisyon ang sinubukan: ang isa ay gumagamit ng mga ngipin na may MXL profile at ang isa naman ay gumagamit ng mga ngipin na may S2M profile. Ang parehong sistema ay gumamit ng magkaparehong modelo ng motor; bukod sa mga partikular na drive pulley at belt, lahat ng iba pang bahagi sa loob ng assembly ay nanatiling eksaktong pareho. Ang sistema ng transmisyon ng camera ay gumagana sa pamamagitan ng dalawang rotational axes, tulad ng inilalarawan sa Figure 12. Sa partikular, ang lens ng camera ay may kakayahang patuloy na 360° na pag-ikot sa paligid ng Z-axis, pati na rin ang reciprocating rotation sa loob ng 110° na saklaw sa paligid ng Y-axis; ang parehong paggalaw ay hinihimok ng mga timing belt. Para sa layunin ng pagsubok na ito, nakatuon kami sa mekanismo ng patayong pag-ikot, na nagtatampok ng transmission ratio na 1:4 (binubuo ng isang 20-tooth drive pulley at isang 80-tooth driven pulley). Ang ginamit na MXL belt ay ang modelong "180MXL" (na may haba ng pitch na 365.76 mm), habang ang ginamit na S2M belt ay ang modelong "S2M364" (na may haba ng pitch na 364 mm). Ang lente ng kamera ay nakaposisyon sa layong 15.6 metro mula sa reference scale na ginamit para sa pagsukat.

Ang isang naka-preset na posisyon ay isang paraan ng pag-uugnay ng isang mahalagang lugar na nasa ilalim ng surveillance sa katayuan ng pagpapatakbo ng isang PTZ camera. Sa ilalim ng manu-mano o naka-program na kontrol, ang PTZ camera ay maaaring umikot sa anumang angular na posisyon, na maaaring i-configure at iimbak bilang isang naka-preset na posisyon. Ang pag-recall ng isang naka-preset na posisyon ay isang karaniwang tungkulin ng mga surveillance PTZ camera. Anuman ang direksyon kung saan kasalukuyang nakaharap ang lente ng camera, kapag na-recall na ang isang naka-preset na posisyon, ang camera ay mabilis na iikot sa partikular na lokasyon na iyon.

Pigura 12: Iskema ng Pagsubok para sa Paghahambing ng Katumpakan ng mga Transmisyon ng Timing Belt

Kapag ang isang paunang natukoy na posisyon ay kinukuha sa pamamagitan ng software, ang PTZ camera ay umiikot sa kaukulang lokasyon; gayunpaman, madalas na nangyayari ang paglihis mula sa orihinal na na-configure na posisyon. Bukod sa mga impluwensya ng software at ng motor, ang pangunahing salik na nag-aambag sa paglihis na ito ay ang error sa transmisyon ng belt sa loob ng mekanismo ng PTZ camera. Upang maalis ang mga impluwensya ng software at ng motor, ang mga pagsubok ay isinagawa gamit ang isang PTZ camera unit na may parehong modelo ng motor sa buong proseso. Tanging ang mga timing pulley at timing belt lamang ang pinalitan; kaya, ang mga pulley at belt ang tanging mga baryabol sa eksperimento. Ang aktwal na paglihis na nasukat sa mga pagsubok na ito ay nagsisilbing direktang tagapagpahiwatig ng katumpakan ng transmisyon sa totoong mundo na nakamit ng MXL timing belt system kumpara sa S2M timing belt system.

Gaya ng ipinahiwatig ng datos ng pagsubok sa Talahanayan 1, ang S2M timing belt ay nagpapakita ng mas mataas na katumpakan kaysa sa MXL timing belt sa ilalim ng magkaparehong mga kondisyon ng pagpapatakbo. Kapag ang tensyon ng belt ay lumampas sa 25 N, ang pagtaas ng tensyon ay magbubunga lamang ng kaunting pagpapabuti sa katumpakan; lampas sa 30 N, ang epekto ng pagtaas ng tensyon sa katumpakan ay nagiging mas hindi gaanong makabuluhan. Kapansin-pansin, ang S2M timing belt ay may kakayahang makamit ang higit na katumpakan ng transmisyon kahit na sa ilalim ng medyo mababang mga kondisyon ng tensyon. Bukod dito, ang mga katangian ng damping ng sistema ng paggalaw ay naobserbahang may malaking epekto sa katumpakan ng transmisyon.

Talahanayan 1: Pagsubok sa Datos sa mga Paglihis Kapag Binabalikan ang mga Preset na Posisyon (sumangguni sa orihinal na datos sa artikulo)

4. Datos ng Pagsubok sa Lakas ng Tensile

Gaya ng inilalarawan ng datos na ibinigay ng Bando Chemical Industries sa pigura sa ibaba: Ang parehong MXL at S2M timing belt ay binubuo ng mga materyales na goma at may magkaparehong kapal ng base na 0.6 mm. Dahil sa magkaparehong komposisyon ng materyal, ang kanilang tensile strengths (tinutukoy bilang "breaking strength" sa mga teknikal na guhit) ay halos magkapareho. (Paalala: Ang mga halaga ng kapal ng belt na ipinapakita sa mga diagram ay kinabibilangan ng taas ng mga ngipin; partikular, habang ang parehong MXL at S2M belt ay may kapal ng base na 0.6 mm, ang kabuuang kapal—kabilang ang mga ngipin—ay 1.1 mm para sa MXL belt at 1.31 mm para sa S2M belt.)

• Pigura 13: Mga Materyales at Istruktura ng MXL Timing Belt

• Pigura 14: Mga Materyales at Istruktura ng S2M Timing Belt

5. Buod at Talakayan

Sa buod, ang S2M curvilinear-tooth timing belt ay mas mahusay kaysa sa MXL trapezoidal-tooth timing belt sa mga tuntunin ng katumpakan ng transmission; ito ay bumubuo ng isang pangunahing bentahe ng mga curvilinear-tooth belt. Ang mga kinakailangan sa pag-install para sa mga curvilinear-tooth belt ay katulad ng sa mga trapezoidal-tooth belt; gayunpaman, nag-aalok ang mga ito ng mas mahabang buhay ng serbisyo at umaakomoda sa mas malawak na hanay ng mga setting ng tensyon. Mula sa isang perspektibo ng gastos—bagaman ang bigat bawat yunit ng lapad ng S2M timing belt ay bahagyang mas mataas, at ang gastos para sa isang katumbas na lapad ay maaaring bahagyang mas malaki (humigit-kumulang 1.18:1)—maaari itong gawin na may mas makitid na profile. Dahil dito, ang aktwal na gastos ay hindi kinakailangang mas mataas kaysa sa MXL timing belt; sa katunayan, kadalasan ay maaari itong maging mas mababa, na nag-aalok ng mga natatanging bentahe sa mga tuntunin ng pagbabawas ng pangkalahatang volume ng sistema ng transmisyon. Batay sa mga kalkulasyon ng kapasidad ng transmission, ang isang 4 mm na lapad na S2M timing belt ay maaaring epektibong palitan ang karamihan ng 6.4 mm na lapad na MXL timing belt drives, na potensyal na mabawasan ang aktwal na gastos ng higit sa 25%.

Bagama't nakapagtatag na ang Tsina ng mga pambansang pamantayan para sa mga HTD-series curvilinear-tooth belt, ang paggamit nito ay nananatiling medyo bihira; bukod pa rito, mayroong kapansin-pansing kakulangan ng mga itinatag na pamantayan para sa mga micro at small-scale curvilinear-tooth timing belt (partikular na iyong mga mas maliliit kaysa sa 3M series).

Ang disenyo ng curvilinear-tooth ay lalong umunlad tungo sa serye ng RPP, na nagtatampok ng concave-top parabolic tooth profile na lumilikha ng mas mababang antas ng ingay, gaya ng inilalarawan sa Figure 15.

Pigura 15: RPP Concave-Top Parabolic Tooth Profile

6. Konklusyon

Ang mga trapezoidal-tooth belt ay may mas mahabang kasaysayan ng aplikasyon sa Tsina at nananatiling mas malawak na ginagamit. Gayunpaman, hindi maikakaila ang likas na kahusayan ng mga curvilinear-tooth belt. Samakatuwid, dapat na masigasig na ipatupad ang mga patakaran upang itaguyod at suportahan ang pag-aampon ng mga curvilinear-tooth belt bilang pamalit sa mga trapezoidal-tooth belt—lalo na sa maliliit na sektor—upang mapabilis ang pagbabalangkas ng mga kaugnay na pamantayan at mapadali ang pag-upgrade at modernisasyon ng industriya ng lokal na sektor ng pagmamanupaktura.