Виды ременных передач: открытая, перекрёстная, полуперекрёстная и угловая — как схема привода определяет выбор ремня

Автор: Сергей Майоров

Какие схемы расположения валов бывают и как опознать свою на станке?

Снабженцу схема привода обычно не нужна, пока ремень не порвался. Потом выясняется, что на складе лежит тот же SPB 2000, что стоял раньше, а привод устроен так, что обычный ремень на нём живёт недолго, и никто не может объяснить, почему прежний ходил годами. Бывает и обратное: механик просит «ремень на угловой привод», а поставщик не понимает, о чём речь, и предлагает первое, что нашёл по длине. Знакомо? Такое бывает постоянно.

Опознать схему можно за минуту, ничего не разбирая, достаточно встать рядом с приводом и посмотреть на два признака: параллельны ли оси валов и пересекаются ли ветви ремня между шкивами, причём второй признак виден даже при снятом кожухе.

Оси параллельны, ветви идут рядом и не касаются друг друга — перед вами открытая передача. Таких приводов большинство: вентиляторы, насосы, компрессоры, станки. Оси параллельны, но в середине пролёта ремень перекручен на пол-оборота и ветви пересекаются — это перекрёстная передача, и встречается она редко.

Остаётся третий случай. Оси скрещиваются в пространстве, чаще под 90 градусов, и ремень на пути между шкивами поворачивается вместе с ними. Терминология здесь плавает: одни называют такую схему полуперекрёстной, другие угловой, а в англоязычных мануалах она проходит как quarter-turn, четверть оборота. В этой статье полуперекрёстной будем называть передачу, где ремень прямо скручивается между шкивами, а схему с направляющими роликами разберём отдельно.

Дальше по порядку. Каждая схема, затем сводная таблица «схема — ремень», затем список того, что назвать поставщику, чтобы подбор не превратился в угадайку. Ограничения по схемам описаны в руководствах производителей: Gates для клиновых ремней и Habasit для плоских. Все числа ниже взяты из этих двух документов, а где документа нет, так и сказано.

Расчёт длины и числа ремней для обычной открытой передачи уже разобран в статьях про длину ремня по межосевому расстоянию и число ремней в приводе. Здесь речь о случаях, когда схема нестандартная.

Открытая передача: почему она подходит почти любому ремню?

В открытой передаче ремень огибает оба шкива и не пересекается сам с собой, оба вала крутятся в одну сторону, а сам ремень гнётся всегда внутрь, и именно под такое изгибание рассчитаны клиновые, поликлиновые и зубчатые ремни. Простая геометрия.

Поэтому открытая схема принимает любой из массовых типов. Клиновой классического или узкого профиля, поликлиновой, зубчатый с трапециевидным или округлым зубом, плоский: на параллельных валах работает всё. Выбор между ними делается уже по другим признакам, по нагрузке, оборотам и требованию к синхронности.

Что проверять при заказе, зависит от того, какой ремень стоял раньше, и для клинового хватает профиля и расчётной длины, как у Gates SPB 2000 или узкого ContiTech SPZ 2400, а если профиль нужен поуже, откройте весь раздел ремней SPZ. Зубчатому добавляются шаг и ширина, и тут привычен ряд HTD, например Gates HTD 1000 8M 20: профиль 8M, ширина 20 мм, длина 1000 мм, и отдельно сверяют число зубьев.

Одна оговорка. Открытая не значит простая в монтаже.

Параллельность валов и совпадение плоскостей шкивов надо выставлять так же тщательно, как на любой другой схеме, потому что перекос шкивов убивает ремень независимо от того, как он проложен, и ни профиль, ни бренд тут не спасают. Как ставить и натягивать, описано в статье как натянуть приводной ремень.

Перекрёстная передача: зачем восьмёрка и что она делает с ремнём?

Единственная задача перекрёстной схемы — развернуть ведомый вал в обратную сторону без реверсивного редуктора: ремень перекручивается на пол-оборота между шкивами, и выходной вал крутится навстречу ведущему, хотя двигатель и шкивы остаются самыми обычными.

Цена простоты видна из геометрии. В точке пересечения две ветви трутся друг о друга, а сам ремень получает перекрут по всей длине пролёта. Широкая тонкая лента плоского ремня это переносит, пусть и со скромным ресурсом. Ремень с профилем? Нет.

Клиновой удерживается в канавке боковыми гранями, и перекрутить его между шкивами значит вывести из канавки. В руководстве Gates по проектированию приводов на клиновых ремнях схемы с перекрещиванием ветвей нет вообще: там есть четверть оборота, восьмая часть оборота, V-flat и обводные ролики, и всё. С зубчатым вопрос даже не стоит, потому что зубья должны войти во впадины шкива, а перекрученная ветвь набегает на шкив с перекосом.

Если нужно именно обратное вращение, у механика обычно три рабочих пути. Реверсивный электродвигатель или частотник. Редуктор. Либо промежуточный вал, на который ремень ложится в обычной открытой схеме, причём каждый из трёх вариантов стоит дороже одного ремня, но снимает с привода и перекрут, и трение ветвей, и вопрос, чем заменять порванный ремень в следующий раз. Перекрёстный плоский остаётся решением для старого оборудования, где он стоит с завода. Менять там схему ради одного обрыва никто не станет.

Что заказывать на такой привод, определяется по старому ремню: плоский, нужной ширины и длины, с готовым соединением или в виде метража. Про готовые кольца и открытый метраж написана отдельная статья, открытый ремень или замкнутый.

Полуперекрёстная и угловая передача: как ремень поворачивает на 90 градусов?

Когда валы скрещиваются под углом, есть два пути: либо ремень идёт на ведомый шкив напрямую и скручивается по дороге, либо на углу ставят направляющие ролики, которые огибает ремень, и тогда сам он остаётся прямым и лишь меняет плоскость движения на каждом ролике.

Habasit в руководстве по плоским ремням описывает оба варианта под разными названиями. «Угловой привод» (angular drive, он же mule drive) собирается с направляющими роликами. «Полуперекрёстный» (half-cross drive) передаёт мощность между валами, оси которых скрещиваются под углом от 1 до 90 градусов, без роликов.

Требования жёсткие.

Для полуперекрёстного привода Habasit называет такие условия: ремень должен набегать на шкивы строго перпендикулярно оси, реверс невозможен, отношение малого шкива к большому не должно превышать 0,4, межосевое расстояние желательно не меньше десяти ширин ремня, ширина шкива не меньше двух ширин ремня, шкивы цилиндрические, без бомбажа, а один из них должен уметь смещаться и поворачиваться при настройке.

Дальше то, что важно снабженцу. Читайте внимательно. Из-за перекоса одна кромка ремня растягивается сильнее другой, поэтому ремень в таком приводе нагружают только до 80 процентов его паспортной способности. Habasit предлагает учесть это двумя путями: сделать межосевое как можно больше и увеличить расчётную ширину ремня примерно на 20 процентов, то есть на угловой привод ремень заказывают шире, чем подсказывает обычный расчёт, и если поставщик этого не знает, он подберёт ремень впритык, и привод получит перегрузку. Запомните цифру 80.

Арамидный корд? Не рекомендован. Причина названа прямо: несущий слой из арамида боится скручивания и перегиба, а на таком приводе ремень скручивается по определению.

У углового привода с роликами требования мягче. Межосевое расстояние не меньше десяти ширин ремня, ширина шкивов в полтора-два раза больше ремня, направляющий ролик не уже двух ширин, шкивы с бомбажом, ролики цилиндрические. Плата всё равно есть: ремень на роликах гнётся в обе стороны, и срок службы от этого падает.

Выбор между двумя вариантами обычно диктует место, а не желание: прямому перекруту нужен длинный пролёт, и в тесном моторном отсеке станка или на раме, где межосевое задано габаритом, он просто не поместится. Тогда остаётся конический редуктор или ролики.

Четверть оборота на клиновых ремнях: можно ли и как собирают?

Можно. Из всех «перекрученных» схем только у этой в руководстве Gates есть полноценная методика для V-ремней: отдельный раздел про quarter-turn описывает приводы, у которых ведущий и ведомый валы стоят под прямым углом, а типичный пример из самого руководства — двигатель на вертикальный турбинный насос, где вал насоса вертикален, а вал двигателя горизонтален.

Рамки применимости такие.

Передаточное отношение. Простая схема подходит для отношений от 1,00 до примерно 2,50, когда ведущую или ведомую машину можно двигать для монтажа и натяжения. Если отношение выше 2,50, минимально допустимое межосевое получается слишком длинным, и тогда ставят промежуточный вал: четверть оборота с отношением до 2,50 между быстрым валом и промежуточным, а дальше обычный V-V или V-flat привод к тихоходному валу.

Минимальное межосевое. Для четверти оборота Gates даёт формулу C(min) = 5,5 × (D + W), где D — наружный диаметр большого шкива, W — ширина пакета ремней. Для восьмой части оборота, то есть валов под 45 градусов, множитель меньше: 4 × (D + W). Посчитаем. Возьмём условные цифры: большой шкив 400 мм, пакет 60 мм. Получается 5,5 × 460 = 2530 мм для четверти оборота и 4 × 460 = 1840 мм для восьмой. Диаметры выдуманы для примера, формула из руководства.

Канавки. Для отдельных ремней нужны шкивы с глубокой канавкой, для сборных ремней PowerBand шкивы берут обычные, и это важно уже на этапе заказа, потому что сборный ремень, по словам Gates, в глубокую канавку просто не встанет. Перепутаете — вернёте товар.

Направление вращения. Оно задано жёстко: ведущая ветвь привода должна быть снизу, а горизонтальный двигатель ставят так, чтобы нижняя точка его шкива уходила от вертикального вала. Реверс исключён.

Центровка. Если смотреть сверху, линия от центра вертикального вала должна проходить через середину ширины шкива на горизонтальном валу, а сам горизонтальный вал стоит под прямым углом к этой линии. Сбоку горизонтальный вал приподнимают на величину e над уровнем центра шкива вертикального вала. Величину берут из таблицы Gates, и растёт она с межосевым расстоянием.

Натяжение. После пуска проверяют, что средний ремень на ослабленной ветви под нагрузкой не проваливается ниже своей канавки на шкиве вертикального вала, и через несколько часов обкатки ремни подтягивают. Без этой подтяжки новый комплект быстро ослабнет.

Gates просит показывать любой такой проект своему представителю. Вывод для заказчика практичный: такой привод не считается по обычному калькулятору из таблицы длин и мощностей и не собирается по принципу «как получилось», потому что ошибка в межосевом или в высоте вала e проявится позже, в виде сработанных кромок.

Пример из руководства. Дизель 50 л.с. при 1500 об/мин приводит вертикальный турбинный насос на 800 об/мин, привод непрерывный, межосевое желательно не меньше 90 дюймов. Передаточное отношение 1,88, коэффициент режима для центробежного насоса 1,2, расчётная мощность 60. Gates берёт профиль 5V/5VX, сборные ремни PowerBand на обычных шкивах либо отдельные ремни на шкивах с глубокой канавкой. Как пример сборного ремня из нашего каталога подойдёт Gates 3V 1000/10 в исполнении PowerBand. Профиль там 3V, у Gates в примере 5V, так что это иллюстрация формата и готовым подбором под тот насос она не служит.

Что с зубчатым и поликлиновым ремнём на скрещенных валах?

Хуже. В руководствах, которые мы разбирали, расчётной методики четверти оборота для зубчатых ремней нет, а вся мощность идёт зацеплением зубьев, поэтому ремень должен ложиться на шкив ровно по ширине, и конструктивно такой привод под перекрут не рассчитан, так что заказывать зубчатый ремень на скрещенные валы без письменного подтверждения производителя нельзя.

Что остаётся, если вращение нужно передать под углом и синхронно? Конический редуктор. Угловая муфта. Или цепочка из двух обычных открытых передач на параллельных осях через промежуточный вал, где на каждом участке ремень лежит в нормальной схеме и обслуживается как любой другой, без особых допусков на перекос. На такой участок подойдёт зубчатый ремень, а если синхронность не нужна, то, например, поликлиновой ContiTech 10PK 1230.

С поликлиновым картина похожая. Методики четверти оборота для него, в отличие от клинового, мы не нашли и как схему под заказ не предлагаем. Зато поликлиновые ремни привычны на многошкивных схемах, где ремень огибает ролики, в том числе спинкой. Об этом следующий раздел.

Сам перечень поликлиновых ремней смотрите в каталоге, а как читать профиль PK, длину и число рёбер, описано в статье про ГОСТ 5813 и поликлиновые ремни.

Обводные ролики: когда они нужны и что отбирают у ремня?

Ролик не передаёт мощность. Он нужен, чтобы выбрать слабину при неподвижных осях, обойти препятствие, повернуть ремень за угол, погасить хлопанье длинной ветви или увеличить угол обхвата на нагруженном шкиве, и именно эти причины называет руководство Gates.

Там же стоит жёсткая оговорка: любой ролик добавляет ремню изгибающие напряжения, поэтому, если задачу можно решить иначе, лучше решить иначе. Подвижный двигатель дешевле ролика.

Если ролик неизбежен, правил несколько. Их немного.

Ставить его лучше на ослабленную ветвь, не на ведущую. Правило короткое. Подпружиненный или грузовой ролик допустим только на ослабленной ветви и только там, где нагрузка не реверсивна: при смене направления ослабленная ветвь становится ведущей, и пружина уже не держит.

Внутренний ролик уменьшает угол обхвата соседних шкивов, наружный увеличивает, но он всегда плоский и должен быть крупнее. Наружный ролик работает по спинке ремня, и Gates требует диаметр не менее чем на треть больше самого малого шкива, передающего мощность, и в любом случае не меньше табличного минимума для профиля. Допустим, малый рабочий шкив 150 мм: ролик по спинке тогда не меньше 200 мм.

Плоский ролик не бомбируют. Совсем. Если у него есть реборды, внутренние нижние углы не скругляют, иначе ремень выползает.

Сколько мощности съедает ролик? Руководство Gates даёт поправочный коэффициент на номинальную мощность ремня: 0,91 для одного ролика, 0,86 для двух, 0,81 для трёх. Проще говоря, один ролик отнимает 9 процентов номинала, два — 14, три — 19. Расчётное число ремней растёт вслед за этим, и если на чертеже привода было четыре ремня, то с двумя роликами покупать нужно уже больше, а сколько именно, покажет пересчёт по таблице производителя для вашего профиля. Закладывайте запас.

И самое частое в практике. Gates пишет, что слишком малый диаметр ролика остаётся самой частой причиной проблем на приводах с роликами, и ремень, который умер быстро после установки натяжного ролика, оказавшегося под рукой, читается как плохой ремень, а виноват диаметр.

Автомобильная «змейка» устроена так же: один поликлиновой ремень обходит много шкивов, и натяжитель прижимает его спинкой. Для станков и агрегатов действуют те же правила про диаметр и сторону установки, и первым делом при разборе такого привода стоит измерить именно диаметр ролика. Общее — в статье про ременную передачу в приводе.

V-flat: когда большой шкив можно оставить гладким?

V-flat — привод, где малый шкив канавочный, а большой, часто старый маховик или плоский шкив, гладкий. Такие приводы появляются при переводе плоскоременной передачи на клиновые ремни: большой шкив уже есть, выбрасывать его жалко, а новый шкив под ремни пришлось бы заказывать, растачивать и центровать заново, и вот тогда оказывается, что дешевле оставить старый маховик и подобрать к нему сборный клиновой ремень с правильным отношением диаметров к межосевому. Логично.

Условия у Gates такие. Главный показатель — отношение (D — d) / C, где D — эффективный наружный диаметр плоского шкива, d — наружный диаметр малого, C — межосевое. Если оно 0,5 и выше, большой шкив канавок не требует, лучше всего привод работает при значениях от 0,8 до 0,9, а ниже 0,85 нужно больше натяжения, хотя всё равно меньше, чем у плоскоременного. Считается за минуту.

Второе условие касается типа ремня. Gates пишет, что сборные ремни PowerBand для V-flat подходят идеально, а отдельные ремни Super HC не рекомендует: у узких профилей небольшая «подошва», и ремень может опрокинуться на плоском шкиве.

Третье: состояние самого шкива. Бомбаж допустим небольшой: не больше 1/8 дюйма на фут ширины обода. Больше — не годится.

Для заказа вывод простой: на V-flat берут сборный ремень вместо комплекта одиночных, иначе отдельные ремни могут перевернуться на гладком шкиве, и привод встанет. Про комплекты и подбор в целом написана статья комплект клиновых ремней.

Какой ремень на какую схему: сводная таблица

Сводим сказанное. Таблица опирается на руководства Gates для V-ремней и Habasit для плоских, строки «нет данных» означают, что в разобранных документах правила нет.

Для заказа «нет данных» означает одно: пришлите фото привода, габариты шкивов и маркировку старого ремня, и тогда инженер поставщика сможет сказать, есть ли у производителя допуск на вашу схему. Подбор по догадке тут не работает. Совсем.

Что сообщить поставщику при заказе ремня на нестандартную схему

Пять вещей, и подбор займёт один звонок вместо недельной переписки.

Первое — схема словами: «валы под 90 градусов, горизонтальный двигатель, вертикальный насос» говорит поставщику больше, чем «обычный привод», и сразу отсекает половину неподходящих ремней. Второе — направление вращения и то, какая ветвь ведущая, потому что на четверти оборота оно задано. Третье — диаметры обоих шкивов, межосевое расстояние и число канавок.

Четвёртое — старый ремень или хотя бы его маркировка, а если на ремне стёрлось всё, что можно было прочитать, измерение описано в статье как измерить ремень без маркировки.

Пятое, и его забывают чаще всего, — наличие обводного ролика, его диаметр и сторона, с которой он стоит, потому что от этого зависит и поправка на мощность, и число ремней в комплекте.

Порядок самой замены после обрыва описан в статье как заменить приводной ремень. Если же нужно понять, почему ремень вообще порвался, смотрите почему рвётся приводной ремень: на нестандартных схемах причина часто в самой схеме.

Для типовых применений в каталоге есть готовые разделы, где ремни уже отобраны по назначению привода и где проще найти нужную длину, если известна только область применения машины: ремни для насоса и ремни для компрессора.

Частые вопросы

Можно ли поставить клиновой ремень «восьмёркой», чтобы развернуть вращение?

Нет, даже на время. Клиновой ремень держится боковыми гранями в канавке, и перекрут между шкивами выводит его оттуда, так что работать такая восьмёрка не будет даже недолго. В руководстве Gates для V-ремней такой схемы нет. Для реверса используют двигатель с реверсом, редуктор или промежуточный вал.

Какое минимальное межосевое расстояние у привода под прямым углом?

Для V-ремней по руководству Gates минимум равен 5,5 × (D + W), где D — наружный диаметр большого шкива, а W — ширина пакета ремней, и если валы стоят под 45 градусов, то множитель уменьшается до 4. Для плоских ремней Habasit желательно не меньше десяти ширин ремня. Больше можно, меньше нельзя.

Можно ли ставить зубчатый ремень на привод с перекосом осей?

Не стоит. Зацепление требует, чтобы ремень лёг на шкив ровно по всей ширине, а расчётной методики четверти оборота для зубчатых ремней в разобранных руководствах нет, поэтому если нужен синхронный привод под углом, ставьте конический редуктор или промежуточный вал и держите зубчатый ремень на открытых участках, где он работает как положено.

На сколько снижает мощность обводной ролик?

По таблице Gates, один ролик снижает допустимую мощность ремня до 0,91 от номинала, два до 0,86, три до 0,81, а число ремней в комплекте приходится пересчитывать. Заново.

Какой ремень брать на привод с гладким большим шкивом?

Сборный. Это PowerBand. Gates не рекомендует для V-flat отдельные ремни узких профилей: у них небольшая подошва, и на гладком шкиве они могут опрокинуться, а сборный PowerBand Gates называет для таких приводов лучшим вариантом.

Реверсивен ли привод под прямым углом?

Нет. Для V-ремней по Gates направление задано: ведущая ветвь должна быть снизу, и при смене направления она окажется сверху, а для плоских полуперекрёстных приводов Habasit прямо пишет, что реверс невозможен. Если реверс нужен, привод проектируют иначе.