Зубчатые ремни и шкивы: виды, материалы и выбор для принтера и ЧПУ
Из чего делают зубчатые ремни, чем различаются их профили и корды, как устроены шкивы и натяжители и почему в 3D-принтерах прижился ремень GT2.
Как работает зубчато-ременная передача
Зубчатый ремень передаёт крутящий момент не трением, а зацеплением: его зубья входят во впадины шкивов. Ведущий шкив тянет ремень, а тот вращает один или сразу несколько ведомых. Сам ремень представляет собой ленту с зубьями на внутренней стороне. Внутри неё проходит корд, то есть каркас из стального троса или синтетического шнура, который и воспринимает тяговое усилие; вокруг корда находится эластичный связующий материал. У резиновых ремней зубья иногда покрывают нейлоновой тканью, чтобы они медленнее изнашивались. Такие передачи ценят за плавный синхронный ход, КПД от 94 до 98 %, малый шум и вибрации, работу без смазки и небольшую нагрузку на валы и подшипники.
Материал ремня и корда
Основных материалов два. Первый — резина на основе неопрена (хлоропренового каучука). Такие ремни химически стойки и годятся для агрессивных сред, сохраняют свойства при нагреве, не боятся озона и хорошо противостоят открытому огню. Второй материал — износостойкий полиуретан. Полиуретановые ремни считаются самыми прочными, у них надёжная связь материала с кордом, точный шаг и малые допуски. Они компактны, передают большую мощность на высоких оборотах, работают тихо и плавно и могут быть не только приводными, но также протяжными и транспортирующими.
Корд делают из полиэстера, нейлона, стекловолокна, углеволокна и других волокон либо из стали. Неметаллический корд оставляет ремень гибким, поэтому его можно использовать со шкивами и роликами как малого, так и большого диаметра. Стальной корд прочнее, но хуже гнётся, и для таких ремней шкивы и ролики выбирают крупнее.
Профиль, шаг и ширина
Зуб ремня может быть трапецеидальным, полукруглым или криволинейным. Полукруглый профиль равномернее распределяет напряжения, мягче входит в зацепление и позволяет поднять нагрузку на 40 % по сравнению с трапецеидальным. У трапецеидальных ремней свои доводы: шире диапазон шагов и проще технология изготовления. Внешне похожие профили разных производителей могут немного расходиться в размерах зуба, поэтому при замене обычно советуют брать ремень того же производителя.
Важен и размер зуба. Крупный зуб надёжнее сцепляется со шкивом и реже проскальзывает, но усиливает вибрации. На 3D-принтере это проявляется волнами на поверхности модели, на лазерном гравере — потерей детализации изображения. Тяговую способность ремня оценивают допускаемой удельной силой на миллиметр ширины; она зависит от шага зубьев (модуля). С шириной передаваемое усилие растёт пропорционально.
Разновидности по конструкции и назначению
- Открытые (конечные) ремни ставят в линейные и реверсивные приводы с точным позиционированием, в транспортную технику и подъёмные механизмы.
- Замкнутые стыкованные полиуретановые ремни получают сваркой фигурно подрезанных концов в формующем устройстве. Корд при этом остаётся разомкнутым.
- Замкнутые бесшовные ремни имеют непрерывный корд и применяются там, где нужна максимальная синхронность при высокой мощности.
- Протяжные и транспортирующие ремни имеют бесшовное покрытие, подобранное под перемещаемый продукт; транспортирующие дополняют перфорацией, проточками или перегородками.
По расположению зубьев ремни делятся на стандартные с прямым зубом и самоцентрирующиеся. Первым нужны шкивы с ребордами — боковыми дисками, которые не дают ремню соскочить. Вторые (с центральной направляющей, со смещёнными, закруглёнными или шевронными зубьями) обходятся без реборд, и передача получается компактнее.
Шкивы, ролики и натяжение
Шкив — это зубчатое колесо со срезанными головками зубьев. Шкивы бывают ведущими и ведомыми, одинарными и двойными, с ребордами по обеим сторонам или только с одной. Материал — преимущественно алюминий, сталь или чугун. Профиль шкива должен соответствовать профилю ремня; лучше всего при длительной работе ведут себя пары от одного производителя. Ролики, гладкие или зубчатые, вращаются на радиальных подшипниках, задают форму контура и могут служить для натяжения.
От силы натяжения зависят долговечность, тяговая способность и КПД передачи. Открытый ремень можно периодически подтягивать вручную. В натяжителях перемещается один из роликов или шкивов. В передачах с самонатяжением постоянное усилие создаёт масса одного из элементов, и оно не меняется при износе и вытягивании ремня. При малом межосевом расстоянии применяют натяжные и оттяжные ролики, создающие дополнительный перегиб.
Какие ремни ставят в 3D-принтеры и станки с ЧПУ
В FDM-принтерах чаще всего работает неопреновый ремень GT2 шириной 6 мм, реже 9 мм, с волокнистым кордом. Неопрен уступает полиуретану в прочности, но заметно дешевле, а нагрузки в принтере невелики. Стальной корд здесь почти не используют: стекло- и углеволокно справляются с задачей и допускают шкивы с малым числом зубьев и ролики малого диаметра. Профиль GT2 полукруглый, что даёт упомянутый запас по нагрузке в 40 % относительно трапецеидального.
Всё это относится к принтерам с осями до 300 мм. При рабочей области примерно от 300×300×300 до 500×500×500 мм желательна ширина хотя бы 9–10 мм, а если печатающая голова весит от килограмма, стоит перейти на ремень с большим шагом. В лазерных граверах и резаках нагрузки на порядок выше, поэтому там применяют широкие ремни с крупным шагом и зубом, часто со стальным кордом.