Hihnakäyttö ja sen luokittelu | Voimansiirto | Konetekniikka

Voimansiirto hihnakäyttöisellä voimansiirrolla on yksi yleisimmistä ja yleisimmin käytetyistä voimansiirtomenetelmistä silloin, kun kaksi akselia on samansuuntaisia (enintään 10 m) toistensa kanssa kuvan 9.1 mukaisesti. Hihnaveto koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta akselista, ja kummallekin akselille on asennettu hihnapyörä.

Hihnapyörän pinnalla kulkee loputon hihna. Hihnojen välillä voi esiintyä liukumista, eikä sitä näin ollen voida kutsua positiiviseksi voimansiirroksi. Kun hihna kulkee hihnapyörän yli, hihnapyörän pinnan ja hihnan pinnan välillä on aina kitkaa, joka vaikuttaa liikkeen vastakkaiseen suuntaan. Hihna siirtää voimaa ainoastaan kitkan avulla. Hihnavetojärjestelmää voidaan käyttää, kun akselin keskipisteen välimatka on pitkä. Tehokasta voimansiirtoa varten hihnapyörän pinnan ja hihnan pinnan välisen kitkan on oltava mahdollisimman suuri.

Kuten hyvin tiedetään, useimmissa järjestelmissä kitka ei ole toivottava ilmiö ja sen tulisi olla mahdollisimman pieni.

1. Litteä hihnakäyttö:

Hihna on ohut nauha, joka on valmistettu nahasta, synteettisestä kumista, kankaasta tai kumiin tai balataan upotetusta langasta. Nämä hihnat ovat litteitä ja poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoisia. Hihnat tehdään päättymättömiksi yhdistämällä hihnan kaksi päätä nastoilla tai ompelemalla, kuten kuvassa 9.2 on esitetty.

Järjestelmää voidaan käyttää yksittäis- tai ryhmäkäyttöön. Yksittäistä hihnakäyttöä voidaan käyttää, kun jokaisella koneella on oma sähkömoottori. Ryhmäkäytössä suuritehoinen moottori pyörittää pääakseliksi tai virta-akseliksi kutsuttua yläpuolista akselia, ja pääakseli pyörittää toista vasta-akseliksi kutsuttua akselia, joka pyörittää toista koneen akselia.

Pyörimisvoima vetävältä hihnapyörältä vetävälle hihnapyörälle siirtyy hihnan pinnan ja hihnapyörän pinnan välisen kitkan vuoksi. Hihnalla on kaksi puolta, joista toinen puoli on jännittyneenä, jota kutsutaan jännityspuoleksi, kun taas toinen puoli on vähemmän jännittyneenä, jota kutsutaan löysäpuoleksi, kuten kuvassa 9.3 on esitetty.

Hihnan jännityspuoli (T1) ja löysä puoli (T2) riippuvat käyttöhihnapyörän pyörimissuunnasta.

Levyhihnojen edut ja haitat:

Hyötyjä:

i. Yksinkertainen menetelmä, yleisesti käytetty järjestely, toiminta on sujuvaa, jos hihna on oikean kokoinen.

ii. Alhaiset ylläpitokustannukset ja pitkä käyttöikä.

iii. Joustavuus on enemmän.

iv. Iskutaso on pienempi.

v. Sopii kahdelle rinnakkaiselle akselille.

vi. Soveltuu pitkille etäisyyksille kahden keskipisteestä keskipisteeseen olevan akselin välillä.

Haitat:

i. Loputon hihna tehdään yhdistämällä kaksi päätä nastoilla. Hihnalla on taipumus vaurioitua liitosten lähellä, mikä lyhentää sen käyttöikää. Tämä voi vaatia hihnan ajoittaista vaihtamista.

ii. Järjestelmä ei sovellu lyhyen matkan akselille.

iii. Hyötysuhde heikkenee liukumisen ja virumisen vuoksi, jos hihnan koko ei ole oikea.

iv. Järjestelmä ei ole positiivinen voimansiirto.

Levyhihnajärjestelyjä voi olla kahdenlaisia:

(a) Avoin tasohihnakäyttö ja

(b) Poikittainen tasohihnakäyttö.

(a) Avoin tasohihnakäyttö:

Kuvassa 9.3 esitetään avoin litteähihnavetojärjestely. Kahdelle yhdensuuntaiselle akselille on asennettu kaksi hihnapyörää. Litteä hihna kulkee hihnapyörien yli suoraan. Hihna kulkee jatkuvasti samaan suuntaan. Tämä järjestely soveltuu parhaiten silloin, kun kahden akselin keskiöetäisyys on suuri ja hihnan molemmat puolet ovat samansuuntaisia keskenään. Hihnapyörä A on ohjaava hihnapyörä ja B on vetävä hihnapyörä, ja sekä A:n että B:n kierto on myötäpäivään. Hihnan alaosa on kireä puoli, jonka jännitys on T1, ja hihnan yläosa on löysä puoli, jonka jännitys on T2, siten että T1 > T2.

(b) Poikittainen tasohihnajärjestely:

Kuvassa 9.4 on esitetty ristikkäisen litteän hihnan järjestely. Sitä käytetään, kun kaksi akselia on samansuuntaiset, mutta niitä on tarkoitus pyörittää vastakkaiseen suuntaan. Vetävän hihnapyörän akselia A pyöritetään myötäpäivään, kun taas vetävän hihnapyörän akselia B pyöritetään vastapäivään. Kahden akselin keskipisteen etäisyys toisistaan on L.

Tässä käyttöjärjestelmässä on risteyskohta, jossa hihnat risteävät keskenään, ja ne kuluvat, koska ne hankautuvat jatkuvasti käytön aikana. Tämä vaikutus on jatkuva. Hankausvaikutukset voidaan kuitenkin välttää kasvattamalla keskipisteen etäisyyttä 20 kertaa hihnan leveyden verran. Tällainen järjestelmä on sopiva, kun järjestelmää käytetään alhaisella nopeudella.

Hihnan luisto:

Jos hihnapyörän vanteen pinnan ja hihnan pinnan välinen kitkavastus on pienempi, molempien pintojen välisessä suhteellisessa liikkeessä syntyy ero, jota kutsutaan hihnan liukumiseksi. Hihnan luisto voidaan laskea hihnapyörän vanteen pinnan ja hihnapinnan lineaarisen nopeuden erotuksena. Tavallinen menetelmä on mitata prosentteina.

Hihnan luisto johtuu seuraavista syistä:

(a) Hihnan jatkuva kulku, hihnapyörän vanteen pinnasta tulee hyvin sileä,

(d) Kitkakertoimen pieneneminen näiden kahden pinnan välillä.

(c) Hihnan pituuden kasvu jatkuvan käytön vuoksi.

(d) Suuri ero kireän puolen (T1) ja löysän puolen (T2) jännityksessä.

Hihnakäytön käyristyminen:

Kierre johtuu hihnan tai hihnapyörän suhteellisesta liikkeestä. Se johtuu hihnan pituuden kasvusta. Toiminnan aikana hihna tai hihnapyörä kulkee jatkuvasti ja hihna supistuu ja venyy vuorotellen. Näin ollen syntyy tehohäviö. Hihnan virumisen vuoksi tehollista tehoa voidaan siirtää vähemmän, ja näin ollen nopeussuhde pienenee.

Kiekkohihnapyörä / välihihnapyörä:

Pientä hihnapyörää, joka on sijoitettu hihnan löysälle puolelle ja lähemmäs vetävää hihnapyörää B, kutsutaan jockey-hihnapyöräksi, kuten kuvassa 9.5 on esitetty. Hihnapyörä C on ohjaushihnapyörä, ja sitä kutsutaan myös tyhjäkäyntihihnapyöräksi.

Seuraavassa esitetään tyhjäkäyntipyörän edut ja haitat:

a) Se lisää hihnan löysän puolen jännitystä T2.

(b) Se lisää kosketuskulmaa.

(c) Se vähentää luistoa.

(d) Se lisää voimansiirron tehokkuutta.

(e) Se lyhentää hihnan käyttöikää, koska löysän puolen jännitys lisääntyy jockey-hihnapyörän sijoittamisen vuoksi.

Hihnapyöräjärjestelmä:

Porrastetussa hihnapyöräjärjestelmässä yksi hihnapyörä tehdään kolmessa vaiheessa, kuten kuvassa 9.6(a) on esitetty. Se on valmistettu valuraudasta. Kaksi tällaista hihnapyörää on asennettu kahteen yhdensuuntaiseen akseliin, kuten kuvassa 9.6 b esitetään.

Kuvassa 9.6(b) A on vetävä akseli ja B on vetävä akseli. Akselit on sijoitettu toistensa suuntaisiksi ja ne on kohdistettu siten, että A:n suurin hihnapyörä osuu juuri vastapäätä vetävän hihnapyörän B pienintä hihnapyörää. A:n ja B:n kaikkien askelmien halkaisijat on säädetty siten, että voidaan käyttää samaa hihnaa. Järjestely on hyödyllinen nopeussuhteen muuttamiseksi siirtämällä hihnaa portaalta toiselle. Joskus järjestelmää voidaan käyttää neliportaisella hihnapyörällä kolmiportaisen hihnapyörän sijasta.

Kartiohihnapyöräjärjestely:

Tämäntyyppisessä hihnapyöräjärjestelyssä on kaksi akselia, jotka on asennettu pitkällä kartiotumakkeella, kuten kuvassa 9.7(a) on esitetty, ja ne pidetään samansuuntaisina toistensa kanssa, mutta ne on sijoitettu vastakkaisiin suuntiin. Täydellinen kartiohihnapyöräjärjestely on esitetty kuvassa 9.7 b.

Tällaisessa järjestelyssä A on vetävä akseli ja B on vetävä akseli. Litteä hihna kulkee kartiotörmän pinnan yli tietyssä asennossa halutun nopeussuhteen mukaisesti. Niiden välissä on hihnanvaihtaja ”C”. Hihnaa voidaan siirtää nopeussuhteen muuttamiseksi sopivalla tavalla. Järjestely on erittäin hyödyllinen ja sitä käytetään yleisesti puun sorvauksessa.

Yhdistelmähihnavetojärjestelmä:

Yhdistelmähihnavetojärjestelyssä tiettyyn akseliin kiinnittyy kaksi tai useampia hihnapyöriä. Tällainen järjestely on esitetty kuvissa 9.8(a) ja 9.8(b).

Kuvissa 9.8(a) ja 9.8(b) olevassa A-B-yhdistelmässä A on vetävä hihnapyörä ja B vetävä hihnapyörä. C-D-yhdistelmässä C on vetävä hihnapyörä ja D on vetävä hihnapyörä. Kun nopeutta halutaan vähentää mahdollisimman paljon, yhdistelmähihnavetoasennelmaa pidetään tärkeimpänä menetelmänä. Siinä ei tarvita suurempaa vetävää hihnapyörää.

Tässä yhdistelmässä hihnapyörät B ja C ovat yhdistelmähihnapyöriä, eli hihnapyörä C on kiilattu samalle akselille, jolla hihnapyörä B on. D on toinen hihnapyörä. Hihna kulkee A-B:n yli ja toinen hihna kulkee C-D:n yli. Hihnapyörän B (nb) ja hihnapyörän C (nc) nopeus on sama, eli nb = nc.

Hihnapyörän D (nd) nopeus voidaan laskea seuraavasti:

missä na, nb, nc ja da, db, dc ovat vastaavasti hihnapyörien A, B ja C nopeus ja halkaisija; t on hihnan paksuus.

Nopea ja löysä hihnapyörä:

Hyvin organisoidussa työpajassa useita koneita käytetään yhdellä pääkäyttöakselilla (ns. linja-akselilla), ja melko usein yksi kone on pysäytettävä tai ajettava usein. Yhden koneen pysäyttämiseksi on pysäytettävä vetävä pääakseli, mikä haittaa muiden koneiden toimintaa. Tämä ongelma voidaan kuitenkin poistaa ottamalla käyttöön kuvan 9.9 mukainen tekniikka.

Järjestely helpottaa koneen ajamista tai pysäyttämistä tarpeen mukaan. Kuvasta 9.9 nähdään, että teho siirretään vetävältä hihnapyörältä A nopealle hihnapyörälle B hihnakäytön avulla. Nopean hihnapyörän akseli on yhdistetty pysäytettävään koneeseen. Tämän vieressä on vapaa/liikkumaton hihnapyörä, joka on vapaasti akselilla ja pyörii vapaasti.

Jos hihna siirretään hihnansiirtimellä vapaasti pyörivälle vapaalle hihnapyörälle, nopean hihnapyörän pyöriminen pysähtyy, jolloin koneen akselin pyöriminen pysähtyy. Hihna pyörii edelleen, mutta nopea hihnapyörä vapautuu ja kone pysähtyy nopeasti.

Levyhihnassa käytettävät symbolit ja kaavat:

Kuvan 9.10 mukaisesti oletetaan, että A ja B ovat kaksi hihnapyörää.

Tällöin:

da = vetävän hihnapyörän halkaisija, m

db = vedettävän vetimen halkaisija, m

ra = vetävän hihnapyörän säde

rb = vedettävän hihnapyörän säde

na = vetävän hihnapyörän pyörimisnopeus, kierrosta minuutissa

nb = vedettävän hihnapyörän nopeus, rpm

m = Hihnan massa/pituus (kg/m)

θa = Kosketuskulma hihnapyörällä A

θb = Kosketuskulma hihnapyörällä B

L = Vetävän ja vedettävän hihnapyörän välimatka

L0 = Hihnan pituus avoimessa hihnakäytössä

Lc = Hihnan pituus ristikkäisessä hihnassa

T1 = Kireän puolen kireys

T2 = Löysän puolen kireys

T = Hihnan maksimijännitys = T1 + T2

T0 = Hihnan alkujännitys = (T1 + T2)/2

Tc = Hihnan alkujännitys = (T1 + T2)/2

Tc = Keskipakovoima = mv2

Tco = Alkujännitys keskipakovoima huomioon ottaen

= (T1 + T2 + 2Tc )/2

T1 – T2= Hihnan netto- tai tehollinen jännitys

b = Hihnan leveys, m

t = Hihnan paksuus

v = Hihnan nopeus (m/s)

ωa = Vetävän hihnapyörän kulmanopeus = 2Πna

ωb = Vetävän hihnapyörän kulmanopeus = 2Πnb = 2Πnb

P = Välitettävän tehon määrä (kW) = (T1 – T2)v/1000

2. KUVA 2. Hihnatehon siirto. Kiilahihnakäyttö:

Kiilahihnat on todettu erittäin sopiviksi suuritehoisiin voimansiirtojärjestelmiin. Kiilahihnan poikkileikkaus tehdään puolisuunnikkaaksi kuvan 9.11 mukaisesti. Se on valettu puhtaasta kumista/synteettisestä kumista, jossa on kuitumateriaalia, kuten kuormaa kantavia nailoninaruja, joilla on kuitulujuus. Valmistajat muotoilevat kiilahihnat kuin loputtoman silmukan, jonka pituus on rajoitettu tarkasteltavasta järjestelmästä riippuen.

Kuvassa 9.12 on esitetty kiilahihna, joka on tiukasti asennettu ja kulkee kiilahihnapyörässä siirtämään suurta vääntömomenttia. Kuten nähdään, kiilahihnan kaksi pintaa koskettaa kiilahihnan urapintaa, mikä parantaa hihnan ja hihnapyörän välisiä kitkavoimia. Voimansiirron tehokkuus paranee huomattavasti tässä järjestelmässä.

Suurten kitkavoimien vuoksi kiilahihnan kuluminen lisääntyy, mikä vähentää hihnan käyttöikää. Valmistajat valmistavat kiilahihnoja eri kokoisina tarpeen mukaan. Kun kiilahihnaa käytetään voimansiirtoon, hihnapyörää muokataan siten, että siinä on kiilatyyppinen ura, jotta kiilahihna voi kulkea urassa.

Kuvassa 9.13(a) on kiilahihnapyörä, joka siirtää tehoa yhdellä kiilahihnalla, ja kuvassa 9.13(b) on tehonsiirto kolmella kiilahihnalla. ”Usean kiilahihnan voimansiirrossa” muut hihnat voivat välittää tehoja, vaikka yksi hihna vioittuisi.

Kiilahihnalla on seuraavat ominaisuudet:

(a) Kiilahihnoja käytetään suuren tehon siirtoon.

(b) Samalla hihnapyörällä käytettävien kiilahihnojen lukumäärä riippuu siirrettävästä tehosta.

(c) Kiilahihnaa voidaan käyttää pienellä keskipiste-etäisyydellä verrattuna tasohihnaan.

(d) Liukkaus puuttuu kokonaan verrattuna tasohihnaan.

(e) Sitä voidaan käyttää missä tahansa asennossa ja mihin suuntaan tahansa; jopa akselin akseli voi olla kalteva.

(f) Kiilahihnan asennus on helppoa.

(g) Kiilahihnan vaihto on helppoa.

(h) Kiilahihnakäyttö on erittäin tehokas ja vie vähemmän tilaa.

Kiilahihnan rajoitukset:

(a) Kiilahihnan käyttöikä on lyhyt kulumisen vuoksi.

(b) Se ei ole kovin kestävä.

(c) Kiilahihnan valmistus on monimutkaista ja vaatii erityistä tekniikkaa.

(d) Jos kiilahihna vaurioituu, vaihto on ainoa vaihtoehto, joka kasvattaa kustannuksia.

(e) Kiilahihnoja voidaan käyttää nopeusalueella 5-50 m/s.

(f) Hihnoja vaihdettaessa, jos yksi hihna vaurioituu, kaikki saman sarjan hihnat on vaihdettava.