Synchroniczne przekładnie pasowe w napędach

-- niedziela, 01 maj 2005

Podstawowe zagadnienia

  • Trapezoidalne i krzywoliniowe profile zębów pasków.
  • Właściwe naprężenie gwarantuje dopasowanie paska do koła zębatego.
  • W sytuacjach wyjątkowych można mieszać paski i koła zębate o nieco odmiennych specyfikacjach.
  • Wymiana zużytych kół zębatych przedłuża okres użytkowania paska.

Wiele komponentów zespołów synchronicznych pasów transmisyjnych współdziała ze sobą, generując parametry specyfikacji. Dla konstrukcji paska bardzo ważne są różne materiały elastomerowe oraz szkielety wzmacniające. Jednak często pomijaną cechą paska jest profil zębów. 

Aby zrozumieć znaczenie profilu zębów, konieczna jest znajomość systemów synchronicznych pasków pędnych. 

Przemysł urządzeń do przenoszenia mocy nie ma agencji rządowej, dyktującej zgodność ze standardami i regulacjami, jednak istnieje kilka organizacji przemysłowych, które spisują sugerowane i dobrowolne wytyczne. W USA należą do nich Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji (Society of Automotive Engineers –  SAE) oraz Stowarzyszenie Producentów Wyrobów Gumowych (Rubber Manufacturers Association – RMA). W Europie i w Polsce normy SAE zastępowane są najczęściej odpowiednikami ISO, rzadziej DIN, stanowiąc bazę normatywną dla standardów lokalnych (BN – branżowe normy, ZN – zakładowe normy). 

 

Rys. 1. Prawidłowe zazębianie się zębów paska i koła zębatego

Podstawy 

Każdy system transmisji mocy, wykorzystujący przekładnie pasowe synchroniczne lub też pasy napędowe, jest zaliczany do przekładni precyzyjnych. Koła zębate, których zadaniem jest napędzanie lub bycie napędzanymi w systemie, mają określoną, precyzyjną liczbę wyprofilowanych zębów, równomiernie rozmieszczonych po obwodzie koła.

Okrąg podziałowy koła zębatego znajduje się zawsze tuż poza zewnętrzną średnicą koła, co jest przeciwieństwem kół zębatych napędzanych łańcuchem, w których okrąg podziałowy znajduje się zawsze wewnątrz, w obrębie średnicy zewnętrznej koła, o jedną średnicę rolki wyżej nad średnicą stopy zęba. 

Zębaty pasek synchroniczny jest odlewany wraz z zębami, które mają pasować do zębów koła zębatego. Po dokładnym zbadaniu okazuje się, że prosta część paska wygląda jak przekładnia. Kiedy pasek wchodzi na koło zębate, przyjmuje kształt okrągłej przekładni z zębami skierowanymi do środka, znajdującymi się dokładnie w środku koła podziałowego przekładni, na którą wchodzi. Kiedy pasek i koło schodzą się razem, dwa pasujące do siebie profile zębów zrównują się (dopasowują się wzajemnie), co w rezultacie zapewnia sprawne przekazanie napędu i prędkości kątowej (rys. 1).

Większość projektów stosowanych obecnie profili pasków i kół zębatych zmierza ku ewolwentowym profilom zębów. Projekt taki został wybrany, ponieważ upraszcza produkcję kół zębatych i form na paski oraz wspomaga zasprzęglanie i rozsprzęglanie zachodzących na siebie zębów przy minimalnej rozbieżności kształtu powierzchni kontaktowych i utracie wydajności spowodowanej tarciem.  

Profile zębów 

Popularne obecnie profile zębów różnią się wizualnie (rys. 2). Profil trapezoidalny, stosowany do systemów pasków synchronicznych od roku 1950, jest używany do dzisiaj, szczególnie w aplikacjach o małym stopniu specjalizacji i zaawansowania technologicznego, w których precyzja systemu nie jest najważniejsza. Profil ten jest zdefiniowany w specyfikacji RMA IP-24. Istnieje jego metryczny odpowiednik, nazywany T lub AT, który czasami można spotkać w europejskich obrabiarkach. 

Nowoczesne profile zębów nazywamy ogólnym terminem – krzywoliniowe. Profile te są zdefiniowane w specyfikacji RMA IP-27 jako profile H, R oraz S. W porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami trapezoidalnymi, projekty te oferują lepsze dopasowanie czy też precyzję napędu, opór zapadkowy oraz wyższą gęstość mocy, co jest mierzone jako „obciążenie na jeden cal szerokości” (według europejskiego systemu SI odp. na centymetr). Producenci pasków mogą się specjalizować w jednym rodzaju lub też mogą oferować kilka profili. Do nich należy kierować zapytania dotyczące szczegółów specyfikacji produktów. 

Jeśli system pasków synchronicznych jest opisywany jako precyzyjny system przekładni zębatych, konieczne jest rozważenie stopnia precyzji każdego elementu w systemie. Precyzja metalowych kół zębatych jest zazwyczaj ustalona parametrami produkcji kół, jednak na skutek rozszerzalności cieplnej przekładni podczas pracy następuje zmiana wymiarów.  

Naprężenie 

Elastomeryczna natura pasków stwarza pewne względy specjalne, istotne dla precyzji dopasowania pasków do przekładni. Wyprodukowane  z najlepszych materiałów, o niskiej rozciągliwości, nowo założone paski zaczynają pracę w warunkach relaksacyjnych. Jednak pasek nie zazębi się z kołem zębatym we właściwy sposób, z 90° kątem opasania, bez obciążenia wstępnego. Aby osiągnąć właściwe dopasowanie pomiędzy paskiem a kołem zębatym, należy precyzyjnie przestrzegać zaleceń dotyczących naprężania. 

Właściwe naprężenie daje obciążenie wstępne, niezbędne do precyzyjnego dopasowania paska i koła. Po sukcesywnym powtarzaniu obciążenia wstępnego, wymiary pasków synchronicznych drugiej i trzeciej generacji stabilizują się. 

Dopasowanie podziałki zębatki i profilu zapewnia swobodne łączenie się i rozłączanie paska i koła zębatego. Materiały, z których wykonany jest pasek, są dobierane pod kątem zapewnienia wytrzymałości i stabilności w danym zakresie roboczym, przy równoczesnym bezpieczeństwie przenoszenia zaprojektowanego obciążenia. Zalecenia dotyczące naprężania są podawane, by utrzymać dopasowanie pomiędzy paskiem a kołem zębatym.  

Rys. 2. Typowe profile pasków

Dopasowanie

Dopasowanie komponentów oraz przestrzeganie zalecanych kryteriów instalacyjnych daje w rezultacie właściwie działający, najbardziej wydajny i ekonomiczny system synchronicznego napędu paskowego. 

Czasami, jeśli dana aplikacja wymaga kompromisów, mogą pojawić się problemy. Oczywiście nikt celowo nie poszukuje takich rozwiązań, które mogą wpływać na podstawowe bezpieczeństwo. Ale jeśli decyzja jest oparta tylko i wyłącznie na względach ekonomicznych, może się okazać, że dopuszczalne są drobne zmiany.  Jeśli chodzi o profil paska, to gdzie można pozwolić sobie na kompromis i jakich rezultatów można się spodziewać? Oczywiście podziałka zębatki musi pasować. Pasek z podziałką 14 mm nie wejdzie na koło o podziałce 8 mm, podobnie jak łańcuch sworzniowy tulejkowy o podziałce NR 60 nie będzie pracować na kole zębatym dla łańcucha NR 35.

Ponadto, jest rzeczą równie oczywistą, że pasek o szerokich zębach nie może pracować na kołach zębatych przeznaczonych do wąskich zębów. Pasek nie będzie pasować lub też przeciwnie, tarcie spowoduje niedopuszczalny wzrost temperatury, który przejdzie na wszystkie elementy systemu napędowego. 

Ogólnie rzecz biorąc, system pasków synchronicznych jest stosowany z uwagi na swoją pozytywną charakterystykę napędową, ale istnieje subtelna, jednakże zasadnicza różnica pomiędzy prostym eliminowaniem poślizgu a utrzymaniem precyzyjnego dopasowania pomiędzy wałami. Na przykład eliminacja poślizgu może być postrzegana jako sposób na oszczędność energii, podczas gdy utrzymanie precyzyjnego dopasowania zwiększa dokładność maszyn.  

Odpowiednie profile

Jeśli wymagane jest precyzyjne dopasowanie, bardzo ważne jest dobranie najlepszego profilu zębów (tabela 1). Integralność i precyzja systemu mogą być utrzymane przez zapewnienie dokładnego dopasowania profili pomiędzy elementami. Nie można pozwolić sobie na żadne substytuty. To samo dotyczy napędów pracujących z bardzo dużymi prędkościami. 

Potrzebne są informacje o wartościach znamionowych aktualnego systemu pasków synchronicznych oraz o obciążeniu niezbędnym do przeniesienia napędu. Jeśli przenoszony moment obrotowy lub moc (w kW lub w koniach mechanicznych; 1 KM = 0.75 kW) wynosi 80% lub więcej podawanej wartości znamionowej systemu paska, nie wolno mieszać profili. W szczególny sposób dotyczy to sytuacji, w których awaria paska mogłaby spowodować zagrożenie bezpieczeństwa lub poważne konsekwencje finansowe. I tutaj również należy bezwzględnie przestrzegać dopasowania profili pomiędzy komponentami. 

Rys. 3. Nieprawidłowe zazębianie się paska skraca okres jego użytkowania

Gdy szukamy zamienników profili (tabela 2), okazuje się, że możliwości są ograniczone. Producenci większości pasków czy kół zębatych podają, że nie ma możliwości zamiany, jednak oni nie mają do czynienia z konkretnymi sytuacjami spotykanymi u klientów. 

Istnieje możliwość kompromisów, zamiany pomiędzy profilami H i R. Niektórzy producenci oferują profile zębów, które nie są ściśle zgodne ze standardowymi konfiguracjami. Dokładne informacje o wymiarach tych produktów nie są łatwo dostępne. Jeśli w grę wchodzi zdobycie pewnego doświadczenia, bezpieczeństwo jest bardzo istotne. Należy skonsultować się z producentem, który oferuje produkty uniwersalne. Trzeba iść na rozsądne kompromisy, ale też mieć na względzie możliwe konsekwencje, np. skrócenie okresu użytkowania sprzętu. 

Oprócz skrócenia okresu użytkowania pasków, zamiana może również wpłynąć na inne parametry, takie jak zwiększony poziom hałasu czy wibracji. Hałas wpływa przede wszystkim na personel pracujący w pobliżu, a wibracje na jakość produktów, łącznie z wykończeniem powierzchni. Nadmierne wibracje mogą również wpływać na czas użytkowania łożysk wałów. 

Tabela 1. Wybór profili zęba

Tabela 2. Możliwe zamienniki

Zużyte koła zębate

Bardzo zużyte i wyrobione metalowe koła zębate również uniemożliwiają właściwe dopasowanie zębów (rys. 3). Nowy pasek, pracujący na bardzo zużytym kole, nawet jeśli według oryginalnych specyfikacji stanowiło ono doskonałe dopasowanie, zużyje się bardzo szybko. 

Koła zębate należy zaliczać do części eksploatacyjnych. Zasadą jest, że drugi pasek może bezpiecznie pracować na pierwotnym zestawie kół. Jednak przed założeniem kolejnego paska, a może nawet wcześniej, jeśli istnieją trudne warunki pracy, należy dokładnie sprawdzić koła zębate pod kątem zużycia. 

Jeśli widać ślady wyrobienia, szczególnie na powierzchniach bocznych, należy wymienić koła zębate przed założeniem nowego paska. Jeśli ta czynność zapobiegawcza nie zostanie wykonana, inwestycja w nowy pasek będzie zmarnowana. 

Artykuł pod redakcją Adama Majczaka

Autor: Ron Francis, inżynier projektowy, Goodyear Engineered Products