7. TRANSMISII PRIN CURELE 7.1. CARACTERIZARE. CLASIFICARE. DOMENII DE FOLOSIRE Transmisiile prin curele sunt transmisii mecanice, care realizeaz ă transmiterea mişcării de rotaţie şi a sarcinii, de la o roat ă motoare la una sau mai multe ro ţi conduse, prin intermediul unui element flexibil, f ăr ă sfâr şit, numit curea. Transmiterea mişcării se poate realiza cu alunecare (la transmisiile prin curele late sau trapezoidale) sau f ăr ă alunecare (la transmisiile prin curele din ţate). Transmiterea puterii se realizeaz ă prin intermediul frec ării care ia na ştere între suprafeţele în contact ale curelei şi roţilor de curea (în cazul transmisiilor cu alunecare) sau prin contactul direct dintre curea şi roată (în cazul transmisiilor f ăr ă alunecare). O transmisie prin curele se compune din ro ţile de curea – conduc ătoare 1 şi condusă 2 – elementul de legătur ă (cureaua) 3 (fig.7.1) şi sistemul de întindere; uneori se prev ăd şi apăr ători de protecţie. For ţa necesar ă de apăsare a curelei pe ro ţile de curea se realizeaz ă la montaj, prin întinderea (deformarea elastic ă) curelei. Comparativ cu celelalte transmisii mecanice, Fig.7.1 transmisiile prin curele prezint ă o serie de avantaje: se monteaz ă şi se întreţin uşor; funcţionează f ăr ă zgomot; amortizeaz ă şocurile şi vibraţiile; au randament relativ ridicat; necesit ă precizie de execu ţie şi montaj relativ reduse; costurile de fabricaţie sunt reduse; transmit sarcina la distan ţe relativ mari între arbori; permit antrenarea simultană a mai multor arbori; func ţionează la viteze mari; asigur ă protecţia împotriva suprasarcinilor. Dintre dezavantajele transmisiilor prin curele, se pot men ţiona: dimensiuni de gabarit mari, comparativ cu transmisiile prin ro ţi dinţate; for ţe de pretensionare mari, care solicit ă arborii şi reazemele; raport de transmitere variabil, ca urmare a alunec ării curelei pe roţi; sensibilitate mărită la căldur ă şi umiditate; coeficient de frecare variabil în func ţie de uzura curelei; durabilitate limitată; necesitatea utiliz ării unor dispozitive de întindere a curelei. Clasificarea transmisiilor prin curele, în func ţie de diferite criterii, este prezentată în tabelul 7.1. Tabelul 7.1 Clasificarea transmisiilor prin curele Criteriul de clasificare Tipul transmisiei Poziţie relativă a axelor arborilor Cu axe paralele Cu ramuri deschise Cu ramuri încruci şate Cu axe încruci şate Cu role de ghidare Făr ă rolă de ghidare 70
Tabelul 7.1 (continuare) Numărul arborilor condu şi Raportul de transmitere
Cu un arbore condus Cu mai mul ţi arbori condu şi Cu raport de transmitere tr ansmitere constant Cu raport de transmitere variabil
În trepte Continuu
Curelele, în func ţie de forma sec ţiunii, pot fi: late (fig.7.2, a); trapezoidale (fig.7.2, b); rotunde (fig.7.2, c); politriunghiulare (fig.7.2, d); din ţate (fig.7.2, e). Transmisiile prin curele late pot transmite puteri pân ă la P = 2000 kW, la viteze periferice v ≤ 12 m şi rapoarte de a b c transmitere i ≤ 6 (maxim 10). Utilizarea Utili zarea curelelor moderne, de tip compound, a dus la ridicarea performa ţelor acestora, domeniul lor de utilizare fiind: P ≤ 5000 kW; v ≤ 100 m/s; d e i ≤ 10 (maxim 20). Fi .7.2 Transmisiile prin curele trapezoidale pot transmite puteri până la P =1200kW, =1200kW, la viteze periferice v ≤ 50m/s, atunci când distan ţa dintre axe A<3m, iar raportul de transmitere maxim i ≤ 8 (maxim 10). Transmisiile prin curele late din ţate pot transmite puteri pân ă la P=400kW, la viteze periferice v ≤ 80 m/s şi rapoarte de transmitere i ≤ 8 (maxim 10). Transmisiile prin curele se utilizeaz ă în mai toate ramurile construc ţiei de maşini, putând fi întâlnite în componen ţa maşinilor unelte, ma şinilor agricole, autovehiculelor, ma şinilor textile, utilajelor chimice şi miniere, laminoarelor, navelor etc. În general, transmisiile prin curele se utilizează atunci când condi ţiile constructive impun dispunerea arborilor la distan ţe mari şi când raportul de transmitere nu trebuie s ă fie riguros constant.
7.2. ELEMENTE GEOMETRICE ALE TRANSMISIILOR PRIN CURELE O transmisie prin curele este caracterizat ă de următoarele elemente geometrice: distan ţa dintre axe A; lungimea curelei L; diametrul ro ţii conduc ătoare D1 (D p1) şi diametrul roţii conduse D 2 (D p2); unghiul de înf ăş ăşurare al curelei pe roata conduc ătoare β1 şi unghiul de înf ăş ăşurare pe roata condus ă β2. Elementele geometrice ale transmisiei prin curele se calculeaz ă pe baza următoarelor ipoteze: cureaua este perfect întins ă, este Fig.7.3
71
neelastică şi cu grosime mic ă; viteza oricărui punct al curelei este aceea şi. Geometria transmisiilor prin curele se analizeaz ă separat, în func ţie de pozi ţia relativă a axelor arborilor între care se transmite mi şcarea. Transmisii cu axe paralele şi ramuri deschise
ăşurare ale curelei pe cele dou ă roţi (fig.7.3) se determin ă cu relaţiile: Unghiurile de înf ăş (7.1) β1 = π − 2 ⋅ γ ; β 2 = π + 2 ⋅ γ , în care γ rezultă din triunghiul O 1O2A D − D1 sin γ = 2 (7.2) ≈ γ[rad] ; 2⋅A sinγ s-a înlocuit prin valoarea argumentului, în radiani, deoarece valorile uzuale ale unghiului γ sunt mici. Se obţine D − D1 . (7.3) β1, 2 = π − 2 A Lungimea curelei D D L = 2A cos γ + β1 1 + β 2 2 , (7.4) 2 2 iar dacă se ţine seama de rela ţiile (7.1), se ob ţine π L = 2A cos γ + (D1 + D 2 ) + γ(D 2 − D1 ) . (7.5) 2 Distanţa dintre axe A se determin ă în funcţie de lungimea L şi diametrele roţilor (se expliciteaz ă din (7.5)) For ţ e în transmisiile prin curele
O transmisie prin curele transmite sarcina, între cele dou ă roţi, prin intermediul for ţelor de frecare, care apar între curea şi roţile respective. Existen ţa for ţelor de frecare implic ă o apăsare relativă între curea şi roţi, care este asigurat ă de tensionarea ini ţială a curelei, cu o for ţă ţă F0, constantă pe întreaga lungime a curelei (fig.7.4, a). În timpul funcţionării, la roata condusă apare momentul de torsiune rezistent Mt2, pentru învingerea c ăruia trebuie să se aplice, la roata a b conducătoare, momentul motor M t1. Fig.7.4 Apariţia celor dou ă momente are ca efect creşterea for ţei din ramura activ ă (motoare) a curelei, la valoarea F 1 şi micşorarea for ţei din ramura pasivă, la valoarea F 2 (fig.7.4, b). Din condiţia de echilibru a ro ţii conducătoare, rezult ă 2M t 1 F1 − F2 = = Fu , (7.6) D1 unde Fu reprezintă for ţa periferică utilă, transmisă de curea. 72
Lungimea geometric ă a curelei este independent ă de sarcină, lungirea ramurii conduc ătoare, datorită creşterii for ţei din aceast ă ramur ă la valoarea F 1, fiind compensat ă de scurtarea corespunzătoare a ramurii pasive, datorit ă scăderii for ţei din aceast ă ramur ă la valoarea F 2. Deformaţiile care se produc în curea, datorit ă modificării for ţelor, sunt egale şi se consider ă în domeniul elastic. Considerând c ă modulul de elasticitate al curelei este constant pe toat ă lungimea acesteia şi că deformaţiile sunt propor ţionale cu sarcinile care le produc (F 1-F0, respectiv F 0-F2), rezultă că F1 − F0 = F0 − F2 sau F1 + F2 = 2F0 .
(7.7)
Din relaţiile (7.6) şi (7.7), rezult ă relaţiile de calcul pentru for ţele din ramurile curelei: F u ⎧ = + ; F F 1 0 ⎪⎪ 2 ⎨ ⎪ F 2 = F 0 − F u ⎪⎩ 2 şi o primă concluzie: pentru o func ţionare corespunz ătoare a transmisiei, este necesar s ă fie
(7.8)
Fu , stabilindu-se astfel, o prim ă relaţie pentru for ţa de 2 întindere iniţială F0, necesar ă transmiterii for ţei utile F u. îndeplinită condiţia F2>0, respectiv Fo >
7.3. TRANSIMISII PRIN CURELE LATE Elemente constructive. Materiale
Materialele din care se confec ţioneaz ă curelele late trebuie s ă îndeplinească o serie de condi ţii: să fie elastice, pentru ca la înf ăş ăşurarea curelei pe roat ă, tensiunile de încovoiere care iau na ştere să fie mici; coeficient de frecare, dintre curea şi roată, mare; să fie rezistente la uzur ă şi oboseală şi cu deformaţii plastice mici; s ă fie rezistente la ac ţiunea agen ţilor externi; să fie ieftine şi să nu fie deficitare. În funcţie de materialul din care sunt confec ţionate, se disting urm ătoarele tipuri de curele: din piele, din ţesături textile, din pânz ă cauciucată, din materiale plastice, din band ă de oţel. Curelele din piele. Sunt confec ţionate din piele de bovine, utilizându-se, de preferin ţă, zona spinării animalului (crupon). Se execut ă dintr-un singur strat (simple) sau din dou ă sau mai multe straturi (multiple), lipite între ele, pe toat ă lungimea. Pielea se t ă băceşte cu tananţi vegetali şi în cazuri speciale cu tanan ţi minerali, obţinându-se, în acest caz, o flexibilitate mai mare. Curelele din ţ es esă turi turi textile. Sunt confecţionate din ţesături textile şi pot fi într-un singur strat sau în mai multe straturi. În Î n cazul în care sunt executate din mai multe straturi, îmbinarea acestora – pe toat ă lungimea – se poate realiza prin coasere, printr-o contextur ă specială, sau prin lipire.
73
Materialul din care se execut ă cureaua poate fi un material textil natural (bumbac, celofibr ă, lână, păr de cămilă sau capr ă, cânepă, in, mătase natural ă etc.) sau fibre sintetice (vâscoz ă, poliamide, polisteri). Curelele din ţ es esă turi turi impregnate cu cauciuc . Sunt confec ţionate din mai multe straturi de şesături textile, solidarizate între ele prin cauciuc vulcanizat. Ţesăturile textile (inser ţii) reprezintă elementul de rezisten ţă al curelei. Inser ţia se poate realiza sub forma unor straturi paralele (fig.7.5, a), prin înf ăş ăşurare în mai multe straturi sub fom ă de spirală (fig.7.5, b) sau în straturi concentrice (fig.7.5, c). Aceste curele au între straturi şi la exterior cauciuc vulcanizat (fig.7.6) fiind rezistente la umezeală şi la medii acide sau bazice. Curelele sunt mai rigide dar au marginile mai rezistente decât cele stratificate. În afar ă de ţesătura textilă, inser ţia mai poate fi şi sub formă de şnur (fig.7.7), caz în care cureaua are flexibilitate m ărită.
a b c Fig.7.5
Fig.7.6
Fig.7.7
Curelele din materiale plastice. Se folosesc dou ă tipuri de curele din material plastic: curele numai din material plastic şi curele din material plastic şi alte materiale (compound = compuse). Materialele plastice folosite sunt materialele poliamidice şi poliesterice, utilizate sub form ă de folii de grosimi diferite sau sub form ă de fire împletite sau cablate. Materialele plastice prezint ă avantajul unor rezisten ţe la tracţiune şi uzare mai mari, dar nu prezintă o aderen ţă prea bună la roţi (coeficienţi de frecare mici). Din acest motiv, materialele plastice singure se folosesc în mai mic ă măsur ă la confecţionarea curelelor. Curelele compound sunt realizate dintr-o folie sau dintr-un strat de şnururi din poliamid ă sau poliester (fig.7.8), c ă ptuşit la interior cu un strat sub ţire din piele de înalt ă calitate (cromat ă special) şi dintr-un strat de protec ţie, dispus pe partea exterioar ă. Prin construc ţia lor, curelele compound însumeaz ă proprietăţile de rezisten ţă ale materialelor plastice cu cele de fricţiune ale pielii. Curelele compound sunt rezistente la produse petroliere, sunt foarte flexibile – putându-se înf ăş ăşura pe roţi de diametre foarte mici (D/h ≥ 10) – sunt antielectrostatice, func ţionează bine la temperaturi pân ă la Fig.7.8 1200, permit viteze periferice foarte mari (v > 100 m/s), suportă frecvenţe mari (până la 100 Hz), au o durabilitate mare şi sunt, practic, insensibile la umiditate.
74
Curelele late politriunghiulare (Poly-V). Au o construc ţie special ă, suprafaţa exterioar ă fiind netedă, iar suprafaţa interioar ă este profilată. Suprafaţa interioar ă prezintă proeminenţe, dispuse longitudinal, cu profil triunghiular. Elementul de rezisten ţă este un şnur din material plastic (fig. 7.9), înglobat în masa de cauciuc a curelei. Cureaua este acoperit ă la exterior cu un strat protector, realizat din material plastic, care asigur ă aderenţa şi rezistenţa la uzare a curelei. Benzile metalice. Se prezint ă sub forma unor benzi din o ţel Fig.7.9 de mare rezisten ţă (σr = 1300...1600 MPa), cu l ăţimi cuprinse între 20...250 mm şi grosimi între 0,6...1.1 mm. Transmisiile cu benzi metalice pot func ţiona la viteze foarte mari (apropiate de viteza sunetului), asigurând transmiterea unor puteri mari. Necesit ă for ţe de întindere, ini ţiale, foarte mari, o foarte ridicată precizie de execu ţie şi montaj a roţilor şi o rigiditate mare a arborilor. La transmisiile care func ţionează cu viteză foarte mare, pentru ca pierderile prin frecarea dintre elementele în mi şcare şi atmosfer ă să fie cât mai reduse, se recomand ă introducerea acestora în carcase cu un anumit grad de vid. Îmbinarea capetelor curelelor late Curelele late se realizeaz ă: sub forma unor benzi lungi, îmbinate la capete prin diverse metode. O transmisie prin curele poate utiliza întreaga capacitate portant ă a curelei numai atunci când îmbinarea capetelor acestora este f ăcută corespunzător. Problema îmbin ării corespunzătoare a capetelor curelelor se pune, în special, la transmisiile cu viteze ridicate şi la transmisiile cu ro ţi de diametre mici. O îmbinare trebuie s ă prezinte următoarele calit ăţi: să nu micşoreze durabilitatea curelei; să nu reducă flexibilitatea curelei; să nu produc ă vibraţii sau o func ţionare neregulat ă a curelei; să fie rezistentă la umiditate, la ulei şi unsoare; să reziste la temperatura de func ţionare a curelei; să se execute u şor şi repede. Îmbinarea capetelor curelelor late se poate realiza prin lipire, respectiv vulcanizare, prin coasere sau cu elemente metalice speciale. la Lipire este procedeul de îmbinare care se folose şte la curelele din piele, materiale plastice şi la cele de tip compound. Se folosesc adezivi sintetici, care asigur ă rezistenţă ridicată la tracţiune (σr ≥ 17 MPa). Înainte de lipire capetele curelei se sub ţiază sub formă de pană (fig.7.10, a), pe anumite lungimi, conform STAS 758-83. În cazul curelelor din piele formate din dou ă starturi, lipirea se realizează sub formă de pană (fig.7.10, b). La curelele din ţesături impregnate cu cauciuc, care se îmbin ă prin vulcanizare, capetele curelei se subţiază în trepte (fig.7.10, c), ţinând seama de structura stratificat ă a acestora. Îmbinarea capetelor curelelor prin coasere sau cu elemente metalice speciale se utilizează, în special, în cazul curelelor din ţesături textile, putându-se utiliza şi la curelele din piele. Îmbinarea mecanică se poate realiza cu agrafe de o ţel (fig.7.11) sau cu elemente suplimentare metalice, fixate cu şuruburi; acestea din urm ă nu sunt recomandate, întrucât produc şocuri şi vibraţii în transmisie, ceea ce face ca viteza maxim ă să fie limitată la v < 5...10 m/s.
75
a b c Fig.7.11
Fig.7.10
Ro ţ i pentru transmisiile prin curele late O roată de curea se compune din urm ătoarele păr ţi: obadă, disc sau spi ţe şi butuc. Ro ţile de curea trebuie s ă fie uşoare, să asigure transmiterea sarcinii, să fie bine echilibrate, s ă asigure un coeficient de frecare ridicat, s ă nu uzeze cureaua şi să suporte viteze periferice mari. Materialele folosite la realizarea ro ţilor pentru a b c transmisiile prin curele sunt: fonta (folosit ă cel Fig.7.12 mai des), o ţelul, aluminiul, materialele plastice, lemnul sau cartonul presat.. Cel mai frecvent se folosesc ro ţile din fontă. La viteze sferice v < 30 m/s se folosesc fontele cenu şii, iar la viteze mai mari fontele aliate. Ro ţile cu diametre relativ mici (D < 500 mm) se execut ă cu disc continuu (fig.7.12, a), cu g ăuri pentru uşurare (fig.7.12, b) sau în construcţie sudată (fig. 7.12, c).
7.4. TRANSMISII PRIN CURELE TRAPEZOIDALE Elemente constructive. Materiale
Cureaua trapezoidal ă are în sec ţiune transversal ă forma unui trapez isoscel şi este format ă din mai multe zone. Zona 1 reprezint ă elementul de rezistenţă al curelei, care poate fi realizat din ţesătur ă de bumbac (fig. 7.13, a), din şnur (fig. 7.13, b) sau din cablu (fig. 7.13, c). Elementul de rezistenţă este învelit într-o mas ă de cauciuc sintetic, care cuprinde zona de compresiune 2 (duritate 70...80 0 Sh) şi zona de întindere 3 Fig. 7.13 (duritate 60...70 0 Sh). La exterior, cureaua este protejată prin învelişul de protec ţie 4, format din unul sau mai multe straturi de pânz ă cauciucat ă. Curelele trapezoidale sunt standardizate, în func ţie de dimensiunile sec ţiunii, în: curele trapezoidale clasice şi trapezoidale înguste. 76
Ro ţ i pentru transmisiile prin curele trapezoidale Roţile de curea pentru transmisiile prin curele trapezoidale clasice şi înguste au dimensiunile canalelor standardizate (STAS 1162-84), diametrele minime şi maxime ale ro ţilor fiind limitate în funcţie de tipul curelei utilizate. Materialele utilizate pentru realizarea roţilor de curea sunt fonta, o ţelul, aliaje din metale u şoare şi unele materiale plastice. Roţile pentru curelele trapezoidale se pot realiza: în construcţie turnată (fig. 7.14, a), pentru diametre maxime de 300 mm; în construcţie sudat ă (fig. 7.14, b), Fig. 7.14 pentru diametre mai mari de 300 mm. Metodica de calcul a transmisiilor prin curele trapezoidale este standardizat ă (STAS 1163-71; STAS 6011-83), ca date de proiectare fiind puterea de intrare P; tura ţia roţii conducătoare; raportul de transmitere i; condi ţiile de lucru.
7.5. SISTEME DE TENSIONARE A CURELEI Pentru realizarea for ţelor de frecare dintre curea şi roţile de curea, pentru transmiterea momentului de torsiune, este necesar ă tensionarea ini ţială a curelei. Tensionarea curelei se poate realiza la montaj şi/sau în timpul func ţionării. Sistemele de tensionare folosite sunt de dou ă feluri: sisteme de tensionare permanent ă şi sisteme de tensionare automat ă. Sistemele de tensionare permanent ă ă realizează o tensionare ini ţială a curelei, cu for ţa F 0, corespunzătoare sarcinii de transmis. Func ţionarea transmisiei la alte valori ale sarcinii are loc cu o încărcare incomplet ă a acesteia sau cu patinare. For ţa de tensionare a curelei F 0 poate fi realizat ă prin elasticitatea curelei sau prin aplicarea unei for ţe exterioare de tensionare. Tensionarea prin elasticitatea curelei se poate realiza prin scurtarea curelei la montaj sau prin deplasarea (la montaj şi periodică) poziţiei motorului (fig.7.15, a şi b).
Fig. 7.15
77
Tensionarea permanent ă prin scurtarea curelei sau prin m ărirea distanţei dintre axe are dezavantajul c ă necesită, periodic, controlul st ării de tensionare şi reducerea transmisiei în limitele tensionării iniţiale. Slă birea tensionării iniţiale are loc datorit ă alungirii remanente a curelei sub efectul sarcinii transmise şi a stării de oboseal ă a materialului curelei. For ţele exterioare de tensionare se aplic ă prin intermediul unor role de întindere, asigurându-se o tensionare constant ă a curelei; prin modificarea pozi ţiei greutăţii G, se poate modifica for ţa de tensionare a curelei (fig.7.16). Rolele de întindere se monteaz ă pe ramura pasivă a transmisiei, cât mai aproape de roata conduc ătoare. Transmisia compensare
cu
rol ă
permanent ă
realizează a
o
alungirilor
Fig. 7.16
remanente şi o funcţionare permanent ă la performanţele transmisiei. ţă de tensionare variabil ă în funcţie de Sistemele de tensionare automat ă ă realizează o for ţă momentul rezistent. La func ţionarea în gol sau în repaus, tensiunile din ramurile curelei sunt nule, eliminându-se, astfel, dezavantajul principal al sistemelor de tensionare permanent ă. Aceste sisteme asigur ă funcţionarea transmisiei în zona coeficientului de trac ţiune optim ϕopt (indiferent de sarcina transmis ă) şi de aceea se recomand ă utilizarea lor în construc ţia transmisiilor care trebuie s ă funcţioneze cu alunec ări elastice minime. În fig.7.17, a este prezentat un sistem de tensionare automat, cu dou ă role care acţionează pe cele dou ă ramuri ale curelei şi care se afl ă în echilibru datorit ă tensiunilor din ramurile curelei. Tensionarea se realizeaz ă automat, în func ţie de sarcina transmis ă. Distanţa dintre role se men ţine constant ă a printr-un cadru rigid. În fig.7.17, b se prezint ă tot un sistem de tensionare automat, cu dou ă role, la care pozi ţia neschimbat ă dintre role se menţine prin intermediul unui mecanism patrulater. Aceste sisteme au dezavantajul c ă nu realizeaz ă protecţia b la suprasarcini a ansamblului transmisiei. Fig. 7.17
78
