Přesné polohování pomocí řemenových převodů

Synchronní řemeny – známější jako ozubené řemeny – časují, synchronizují otáčky dvou či více řemenic. Ozubením, které je v záběru s drážkami odpovídajících řemenic, řemeny synchronizují pohyby hřídelí. Je to ideální způsob, jak polohovat, nastavit stálé otáčky, odstranit prokluzy a jednoduše a účinně přenést krouticí moment na relativně velkou vzdálenost.

Přenášíme-li pohyb či otáčky synchronním řemenovým převodem, vždy klademe důraz na přesnost polohování. Ta je daná rozdílem úhlového natočení dvou řemenic a rozlišujeme statickou přesnost polohování synchronním řemenem a dynamickou přesnost. Statická přesnost polohování říká, jak přesně se převod posune či pootočí z původní do nové polohy, a je v zásadě závislá na vůli mezi zuby. Dynamická na druhé straně říká, jak přesně opakovaně polohujeme, a platí pro celou dobu používání převodu. Dynamická přesnost polohování závisí na prodloužení řemene, vůli mezi zuby a deformaci zubů. Při volbě synchronního řemenového převodu se musí zohledňovat obě– statická i dynamická – přesnost polohování.

Při určení přesnosti polohování u synchronního řemenového převodu bychom měli na prvním místě zvolit vhodný profil zubů. Na trhu jsou běžné lichoběžníkové, palcové či metrické profily. Velmi často používaný metrický HTD profil (High Torque Drive) a několik křivkových profilů, RPP, STD, PolyChain a jeho četné kopie. Kromě těchto existuje řada méně používaných profilů, jimž se nedostalo širokého užití.

Správná vůle mezi zuby řemene a drážkami řemenice umožňuje hladký vstup a výstup zubů z drážek. Hodnoty této vůle, určené výrobci, jsou velmi odlišné, co do rozteče (velikosti) zubů, ale obecně lze uvést, že se pohybují v řádech od 0,05 mm do 0,2 mm. Příliš velká vůle způsobí nepřesnost polohování, kdežto velmi malá vůle bude příčinou vyššího opotřebení, vibrací a hluku. Ideální profil zubu je s minimální vůlí, která neovlivňuje funkci a životnost řemenového převodu.

Lichoběžníkové profily pocházejí ze čtyřicátých let minulého století a jsou tak nazývané podle tvaru zubu řemene. Pokud nejde o reverzibilní převod, lichoběžníkové převody jsou ze začátku celkem přesné, nicméně tento profil má nevýhodu v nevhodném rozložení tlaku na zuby, styčné plochy se celkem brzy opotřebí, zhorší se přesnost a zkrátí životnost převodu. Kromě toho, pro tento profil zubů je charakteristický mělký záběr a úhel boků zubu omezuje únosnost těchto řemenů, které jsou při rázech a přetížení háklivé na přeskakování zubů u volné větve. Opak volné větve je větev tažná, část řemene od motoru do stroje. Nicméně, lichoběžníkové řemeny jsou stálé přítomné ve strojírenství i po 70 letech, hlavně u lehkých převodů, kde jde především o synchronizaci a ne o přenos výkonu.

Již zmíněný HTD profil, vyvinutý v sedmdesátých letech, byl určen především pro těžší převody, kde již nestačily řemeny lichoběžníkového profilu (nosnost HTD profilu je daná hlubším záběrem půlkulatého zubu s ostřejším úhlem záběru a větší styčnou plochou než profily lichoběžníkové). Tyto větší zuby vyžadují větší vůli pro plynulý vstup a výstup z drážek řemenice. A větší vůle obecně předurčila řemeny profilu HTD pro použití u strojů nevyžadujících nadměrně velkou přesnost polohování.

Začátkem osmdesátých let se objevil jiný profil, křivkový. Optimalizací profilu HTD se získal profil s menší výškou zubu, zvýšeným úhlem záběru a minimalizovanou vůli mezi zuby řemene a drážkami řemenice. A dále, mezizubí se podílí na tahu řemene spolu se stlačením zubu v drážce řemenice a zvýšilo odolnost na přeskočení zubů.

Stlačení, deformace zubu a prodloužení řemene jsou další dva činitele, které ovlivňují přesnost polohování. Bez ohledu na profil zubu, pokud se zub při zatížení deformuje, dochází k nepřesnostem v polohování. Přestože je tento vliv nesnadně měřitelný, závisí na zatížení, velikosti řemenice a na instalačním předpětí řemene. Obecně, o co tvrdší je materiál zubu, o to dochází k menší deformaci. Dva nejběžnější materiály používané pro výrobu synchronních řemenů – chloropren a polyuretan – jsou vyztužovány a tvrzeny až do té míry, kdy by přílišná tvrdost mohla mít záporný vliv na ohebnost řemene a zvýšila hlučnost převodu.

Prodloužení řemene má zásadní vliv na přesnost polohování. Řemen je zatížen na tah počátečním instalačním předpětím a následně i tažnou sílou od motoru či naopak brzdy. Hodnota protažení závisí na celkovém zatížení a na modulu pevnosti řemene/tažného prvku – kordu. Pevnost je větší u řemenů s větší roztečí zubů, záleží samozřejmě na konstrukci a materiálu kordu. Nicméně řemeny větších roztečí zubů mají menší ohebnost, nelze je použít pro polohování s řemenicemi o malých průměrech a při malé zástavbě převodu.

Nejvíce používaný materiál kordu pro synchronní chloroprenové řemeny je skleněné vlákno. Jde o materiál vysoké pevnosti v tahu, dostatečné pro většinu strojírenských aplikací, a přitom má vynikající ohebnost. Aramidové a ocelové kordy nabízející vyšší pevnost však mají horší ohebnost. Karbonové kordy se uplatňují stále více díky optimální kombinaci nejvyšší pevnosti a zároveň dobré ohebnosti. Ocelové kordy nacházejí uplatnění především u polyuretanových řemenů, aplikací statického charakteru, zdviží, pomaluběžných manipulátorů. Pro rychloobrátkové stroje se hodí skleněné vlákno. Pokud je zároveň požadován převod velkého krouticího momentu, optimální je použití karbonového kordu.

Všechny řemenice mají být vyráběny v úzkých tolerancích, aby se dosáhlo správného záběru zubů řemene a drážek řemenice. Přesnost výroby je bezpochyby závislá i na použitém materiálu řemenic. Například standardní kovové řemenice s obráběnými zuby jsou zpravidla vyráběny v dostatečné přesnosti. Naopak u plastových řemenic i přesná výroba nestačí, kvůli časté náchylnosti na rychlé opotřebení. V některých případech se konstruktéři rozhodnou zvýšit přesnost polohování zmenšením vůle v záběru zubů. Tato výhoda je vždy na úkor zvýšeného opotřebení a vyšší hlučnosti při vyšších otáčkách.

Další způsob, jak zlepšit přesnost polohování, je malé zvětšení vnějšího průměru řemenice (tzv. korekce průměru), takže rozteč řemenice je o málo větší než rozteč řemene. Na řemenici je rozteč vzdálenost mezi středy drážek a měřená je na roztečné kružnici řemenice. Zpravidla se při korigování řemenic vnější průměr navýší o hodnotu plusové tolerance a nová tolerance vnějšího průměru bývá polovinou původní tolerance. Korigované řemenice jsou tedy vyráběny ve vyšší přesnosti.

Takto vylepšený záběr zubů zvýší přesnost polohování. Například, pokud má standardní řemenice vnější průměr 141,00 +0,13/–0,00, pak nový vnější průměr bude 141,13 +0,065/–0,00.

Třetím způsobem je povrchová úprava řemenic za účelem zlepšení přesnosti polohování. Nanáší se povrchová vrstva niklu o tloušťce 0,01 až 0,05 mm. Povrchová vrstva Ni zvětší vnější průměr a zmenší vůli v drážce.

Volba správné rozteče zubu a provozního součinitele taktéž může zlepšit přesnost polohování. Když konstruktér volí rozteč, stejně tak i velikost řemenic a šířku řemene, musí brát v potaz reálné zatížení a rychlost. Za tímto účelem výrobci řemenů nabízejí výpočetní programy a konstrukční příručky. Většinou jsou dostupné zdarma ke stažení z firemních stránek.

V závislosti na míře dynamického zatížení a směnnosti provozu se volí provozní součinitel. Obecně, provozní součinitele 2,0 a vyšší se doporučují pro převody vysoce náročné na přesnost polohování. V převodech, které nejsou dostatečně dimenzované, se může řemen nadzvedávat v drážce řemenice a tím zhoršit přesnost polohování.

Pro konkrétní převod lze použít několik různých konstrukčních návrhů řemenových převodů, různých roztečí zubů. Například, převod lze uskutečnit s řemenem o rozteči 8 mm a šířce řemene 62 mm, ale také s řemenem o rozteči 14 mm a 37 mm šířky. Ve většině případů se pro přesnější polohování volí menší rozteč, hlavně kvůli menší vůli.

Sasha Kolouch
Andrew Dittmer

Gates

SASHA KOLOUCH
sashak@gates.com
www.Gates.eu