TERMÉNYBETAKARÍTÓ GÉPEKEN ALKALMAZOTT ÉKSZÍJAK ÉLETTARTAM NÖVELÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI

Átírás

1 Szent István Egyetem TERMÉNYBETAKARÍTÓ GÉPEKEN ALKALMAZOTT ÉKSZÍJAK ÉLETTARTAM NÖVELÉSÉNEK EGYES KÉRDÉSEI Doktori értekezés Kátai László Gödöllő, 001.

2 A doktori program címe: A mezőgazdasági gépészet alapjai vezetője: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár a mezőgazdasági tudomány doktora Témavezető: Dr. Szendrő Péter egyetemi tanár a mezőgazdasági tudomány doktora programvezető témavezető

3 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS A mezőgazdasági gépeken alkalmazott ékszíjhajtások jellemzése Az alkalmazott ékszíjtípusok Az ékszíjhajtás mechanikai viszonyai Az ékszíjak rugalmas tulajdonságai A gumi szerkezeti tulajdonságai Az ékszíj viszkoelasztikus modellje A szíjcsúszás elemzése Az ékszíjak élettartama, az élettartamot befolyásoló tényezők Az ékszíjak élettartamát befolyásoló tényezők hatásának elemzése Az ékszíjhajtás élettartamának empirikus meghatározása Ékszíjvizsgálati eljárások Az MSz által előírt vizsgálatok A hazai gyakorlatban alkalmazott ékszíjvizsgálati módszerek Külföldön alkalmazott ékszíjvizsgálatok A vizsgálati eljárások kritikai értékelése A KUTATÓMUNKA SORÁN ALKALMAZOTT ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK Kísérleti terv készítése a Box Wilson kísérlettervezési módszer alapján A vizsgálati paraméter és a faktorok meghatározása az ékszíj vizsgálatnál A vizsgálati modell megválasztása A párhuzamos kísérleti beállítások hibája A vizsgálati paraméter szórásnégyzete A szórásnégyzetek megegyezésének vizsgálata A modell adekvát voltának ellenőrzése Az együtthatók szignifikanciájának vizsgálata A vizsgálat során alkalmazott eszközök A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI A szíjcsúszás vizsgálata Az "A" szelvényű ékszíj vizsgálati eredményei A % feletti csúszás vizsgálata A % alatti csúszás vizsgálata A mérési eredmények, "B" szelvényű poliészter kordszálas ékszíj esetén A % feletti csúszás vizsgálata Az % alatti csúszás vizsgálata A mérési eredmények aramid kordszálas ékszíj esetén

4 Tartalomjegyzék Az 1% feletti csúszás vizsgálata Az 1% alatti csúszás vizsgálata Ékszíjhajlítgatási vizsgálat A hajlítgatási vizsgálat eredményei Az ékszíj belső súrlódási tényezőjének meghatározása hajlítóvizsgálattal A belső súrlódási tényező számítása Új tudományos eredmények AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA ÉS A KUTATÓMUNKA TOVÁBBVITELÉRE VONATKOZÓ ELKÉPZELÉSEK ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY M 1. melléklet: Irodalomjegyzék M. melléklet: A szlip vizsgálat mérési adatai és a statisztikai vizsgálat eredményei M 3. melléklet: Az ékszíjhajlítgatási vizsgálat tárcsaátmérő függvényeinek konstans értékei M 4. melléklet: Mérési eredmények és statisztikai ellenőrző számítások az ékszíjhajlítgatási vizsgálatok frekvencia függvényeihez...10 M 5. melléklet: A tárcsaátmérő hőmérséklet-emelkedés függvények különböző beállítások mellett...19 M 6. melléklet: Az ékszíj belső súrlódási tényező meghatározásának számítási részletei

5 Fontosabb alkalmazott jelölések Fontosabb alkalmazott jelölések Jelölés Megnevezés Mértékegység A keresztmetszet [mm ] c az ékszíj hosszirányú rugóállandója [N/mm] c 1 fajhő az ékszíj axiális terheléstől függő, radiális irányban értelmezett rugóállandója c 0 az ékszíj radiális és tangenciális terhelésektől függő, radiális irányban értelmezett rugóállandója 5 [J/kgK] [N/mm] [N/mm] C a centrifugális erőből származó [N] szíjhúzás d p az ékszíjtárcsa jellemző átmérője [mm] E rugalmassági modulus [N/mm ] E d dinamikus rugalmassági modulus [N/mm ] f a hiszterézis hurok területe [mm ] szíjfrekvencia [1/min] F kifáradási tényező - F H előfeszítő erő [N] F i futamidő [h] F t kerületi erő [N] h az ékszíj szelvény magassága [mm] i ismétlések száma - j a komplex szám képzetes egysége - K a gumi belső súrlódási tényezője [N/mm ] az ékszíj keresztmetszeti tényezője [mm 3 ] L h élettartam [üó] L p az ékszíj jellemző hossza [mm] m ékszíj élettartam tényező - n fordulatszám [1/min] n indexben, névleges érték P teljesítmény [W] q 0 fajlagos kerületi erő [N/mm] q élettartam kitevő - R az ékszíjtárcsa sugara [mm] s csúszás [%] t idő [s], [üó] T hőmérséklet [ o C], [K] T 1 a feszes ágban értelmezett szíjágerő [N]

6 Fontosabb alkalmazott jelölések T 0 a laza ágban értelmezett szíjágerő [N] T k környezeti hőmérséklet [ o C], [K] v szíjsebesség [m/s] v 1 a hajtó tárcsa kerületi sebessége [m/s] v a hajtott tárcsa kerületi sebessége [m/s] V térfogat [m 3 ] z t az ékszíjtárcsák száma - α az ékszíjtárcsa horonyszöge [ o ] felületi hőátadási tényező [J/m K] élettartam tényező - β átfogási szög [ o ] δ a semleges szál távolsága [mm] ε fajlagos nyúlás [%] ε' horonyhatással növelt feszültségi - viszony η az ékszíj belső súrlódási tényezője [Ns/m ] ϕ relatív belső súrlódási tényező - áthúzási fok - ϕ az ékszíjkeresztmetszet hajlítás során [rad] bekövetkező szögelfordulása µ súrlódási tényező - µ' horonyhatással növelt súrlódási - tényező ν i tárcsaátmérőtől függő kifáradási - tényező ρ az ékszíj sűrűsége [kg/m 3 ] súrlódási félkúpszög [ o ] σ mechanikai feszültség [N/mm ] ω körfrekvencia [1/s] 6

7 Bevezetés, célkitűzések 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A mezőgazdasági gépeken igen széles körben alkalmazzák az ékszíjhajtást. Viszonylag bonyolult hajtáselrendezések is megvalósíthatók, nagy tengelytávolságokat is át lehet hidalni és a hajtás kialakítása különösebb szerkezeti elemeket nem igényel. A teljesítmény-átvitel erőzáráson alapszik, ami néhány előnyös, de ugyanakkor bizonyos hátrányos tulajdonságot is okoz. Az erőzárás lényegéből fakad, hogy a teljesítmény-átvitelt a súrlódó erő eredményezi. Mivel hajtóelem rugalmas anyagokból épül fel, a hajtás rugalmas lesz, kisebb terhelési csúcsok alakulhatnak ki, túlterhelés esetén megcsúszással védi a hajtott oldalt. A mezőgazdasági gépeken történő alkalmazás esetén erre igen sok esetben szükség is van. Az erőzárás ugyanakkor azt eredményezi, hogy a szlip miatt az áttétel, tehát a hajtott berendezés fordulatszáma bizonyos határok között ingadozhat, így csak olyan helyen alkalmazható, ahol ez hátrányt nem jelent. Az 1. ábrán a különböző hajtások teljesítmény egységre eső tömege látható. Összehasonlítva más teljesítmény-átviteli megoldásokkal megállapítható, hogy csak a hidrosztatikus és a fogaskerék hajtások fajlagos teljesítménye kedvezőbb. 100 G/P [kg/kw] 10 1 Dörzshajtás Lánchajtás Ékszíjhajtás Hidrosztatikus hajtás Fogaskerékhajtás P [kw] 1. ábra: A különböző hajtások teljesítmény egységre eső tömegének összehasonlítása [3] 7

8 Bevezetés, célkitűzések További összehasonlítások tehetők más hajtásátviteli elemekkel az átvihető maximális teljesítmény (. ábra) és sebesség (3. ábra) tekintetében. Ezek az ábrák is igazolják, hogy az ékszíjhajtás miért terjedt el ilyen széles körben. Speciális kialakítású szíjakkal természetesen egy-egy hajtásátviteli jellemző még tovább javítható Fogaskerék Laposszíj Hidrosztatikus P[kW] Poli-V Többsoros ékszíj Görgôslánc Fogaslánc Dörzs Fogasszíj Klasszikus ékszíj Keskeny ékszíj. ábra: A különböző hajtásokkal átszármaztatható maximális teljesítmény értékek (a klasszikus és keskeny ékszíjakra vonatkozó értékek egy szíjágra értendők) [3] Fogaskerék Laposszíj Fogasszíj v [m/s] Keskeny ékszíj Poli-V Többsoros ékszíj Görgôslánc Klasszikus ékszíj Fogaslánc 3. ábra: A különböző hajtásokkal elérhető maximális kerületi sebesség értékek [3] 8

9 Bevezetés, célkitűzések Az alkalmazás helyétől függően eltérőek az ékszíjak érő környezeti hatások, és a kívánt élettartammal szemben is más-más követelményt támasztanak (1. táblázat). 1. táblázat: Az alkalmazási területtől függő ékszíj élettartam elvárások Ipari alkalmazás h Háztartási gépek h Mezőgazdasági gépek h Kertészeti gépek h Járművek h Ahhoz, hogy az előzőekben említett előnyös tulajdonságokat az ékszíjhajtás biztosítsa, a gyártás, tervezés és üzemeltetés során megfelelő követelményeket kell teljesíteni. Rendkívül fontos a szíjak gyártás utáni ellenőrzése, vizsgálata, hiszen így lehet megállapítani, hogy az adott szíj minősége megfelelő-e, milyen körülmények között alkalmazható és mennyi a várható élettartama. Továbbá ezek a vizsgálatok adnak alapot a gyártás és gyártmányfejlesztéshez is. Mindezek alapján értekezésemben az ékszíjhajtások vizsgálatával kapcsolatban eddig végzett kutató tevékenységem összegzéseként az alábbi részterületek tanulmányozására vonatkozó célkitűzések fogalmazhatók meg: az ékszíjhajtások működésével, vizsgálati módszereivel és az élettartamot befolyásoló tényezők hatásával kapcsolatos elméleti alapok tisztázása és ezek alapján mérési módszer és eljárás kidolgozása az élettartam vizsgálatokhoz; az ékszíjhajtásoknál alkalmazott különböző szíjkeresztmetszetek és keresztmetszet konstrukciók esetén, a terhelés, a csúszási és hőmérsékleti jellemzők közötti kapcsolat kísérleti úton történő meghatározása, a kapcsolatot leíró matematikai modell kidolgozása; egy új vizsgálati módszer kidolgozása, valamint vizsgálóberendezés tervezése az ékszíjban a hajlításból származó hiszterézis veszteség által okozott hőterhelés meghatározására; laboratóriumi vizsgálatokkal az ékszíj belső disszipációját jellemző csillapítóképességének a meghatározása, valamint az egyes hajtásjellemzők hőfejlődésre gyakorolt hatásának elemzése. 9

10 Bevezetés, célkitűzések Az értekezés az előbbiekben megfogalmazott célkitűzésekhez kapcsolódó - a Szent István Egyetem (korábban Gödöllői Agrártudományi Egyetem) Géptani Intézetében folytatott - kutatómunka eredményeinek összegzése. A doktori értekezésben megfogalmazott eredmények alapjául szolgáló kutatómunkám során Dr. Szendrő Péter témavezető professzorom, valamint a Géptani Intézetben, illetve a Gépészmérnöki Kar más tanszékein dolgozó kollégák és felkért opponenseim szakmai segítsége, tudományos elkötelezettsége, bíztatása és folyamatos kritikája, értékelése nélkülözhetetlen volt. Külön köszönetet szeretnék mondani azért a lehetőségért, hogy kutatómunkám egy részét Németországban a Claas KgaA, a Gates Co. vállalatoknál folytathattam, valamint azért, hogy az Arntz Optibelt KgaA kutató laboratóriumában saját vizsgálatokat is végezhettem. Meggyőződésem, hogy témavezető professzorom, valamint kollégáim személyes közreműködése, szakmai tapasztalatuk, valamint a különböző tudományos fórumokon és vitákon kifejtett hasznos tanácsaik nélkül ez az értekezés nem készülhetett volna el. Ezért valamennyiüknek köszönettel tartozom. Bízom benne, hogy a későbbiekben is megtisztelnek bizalmukkal és további közös kutatásaink során alkalmam nyílik majd támogató munkájuk viszonzására. 10

11 Szakirodalmi áttekintés. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS 1.1. A mezőgazdasági gépeken alkalmazott ékszíjhajtások jellemzése.1.1. Az alkalmazott ékszíjtípusok Az ékszíjkeresztmetszet kialakításánál a cél minél nagyobb szilárdságú vonóelem kialakítása és a méretek, a tömeg csökkentése, hogy a hajtás minél kisebb veszteséggel üzemeljen és a helyigény is csökkenjen. Így az összköltség csökkentésével a hajtás olcsóbbá tehető, bár előfordulhat, hogy maga az ékszíj drágább. Különböző ékszíjkeresztmetszeteket alakítanak ki, az élettartam, a működési környezet és a geometriai viszonyok optimális összhangjának a megteremtése érdekében. A klasszikus normál szelvényű ékszíjak mellett, ma már több más kialakítású szíjakat is használnak bizonyos előnyös tulajdonságaik miatt. A következőkben ezeket az ékszíjtípusokat ismertetem, kiemelve az alkalmazás sajátosságait, amelyek ismerete az optimális élettartam eléréséhez fontos követelmény. Normál szelvényű ékszíjak Az ékszíj keresztmetszet vázlata a 4.ábrán látható Burkolószövet Felsô gumiágyazóréteg Kordszál Alsó gumiágyazóréteg 4. ábra: Normál szelvényű ékszíj felépítése 11

12 Szakirodalmi áttekintés A normál szelvényű ékszíjak szélesség magasság viszonya kb. 1,6/1, profilszöge 40 o. Fontos megjegyezni, hogy a tárcsa horonyszöge mindig kisebb a szíj profilszögénél, az oldalfelületen történő megfelelő felfekvés érdekében, és az ékszíj üzemszerű állapotban sohasem feküdhet fel a tárcsahorony aljában. A különböző gyártók által ajánlott maximális sebesség kb. 30 m/s. Elterjedten alkalmazzák különböző mezőgazdasági gépek hajtásainál [, 11, 45]. Keskeny ékszíjak A keskeny ékszíjak felépítése (5. ábra) lényegében a normál szelvénnyel megegyezik, a lényeges eltérés az, hogy a szélesség magasság viszony csak 1,/1. Burkolószövet Felsô gumiágyazóréteg Kordszál Alsó gumiágyazóréteg 5. ábra: A keskeny ékszíj felépítése A nagyobb magasság a szíj keresztmetszetében a teherviselő szálak jobb megtámasztását eredményezi, növelhető a szíjfeszítés és ez természetesen az átszármaztatható teljesítményt is növeli, megfelelő tárcsakialakítással simább, rezgésmentes hajtást eredményez. A teljesítmény-átvitelhez kisebb szíjtömeg szükséges, így a megengedhető szíjsebesség növelhető, ajánlott maximális értéke 4 m/s körüli. A nagyobb oldalfelület jobb hőátadást eredményez, így a szíj kevésbé melegszik, ami az élettartam szempontjából meghatározó. A korábbi években elsősorban az iparban terjedt el, de kedvező tulajdonságai miatt fokozatosan a mezőgépészetben is teret nyer [, 11, 8, 43]. Az amerikai szabványnak (RMA, Rubber Manufacturing Association) megfelelő szíjkeresztmetszet A szíj felépítése az előző típushoz áll közel (6. ábra). 1

13 Szakirodalmi áttekintés Burkolószövet Felsô gumiágyazóréteg Kordszál Alsó gumiágyazóréteg 6. ábra: Az RMA szabványnak megfelelő szíjkeresztmetszet A lényegi különbség a szíj felső szélének a kialakítása, amely a tárcsahorony felett helyezkedik el, így a felső él mentén jelentkező vulkanizálásból eredő profilegyenlőtlenség a tárcsahoronyban történő egyenletes futást nem befolyásolja, a keresztmetszet szélességének az ingadozásából adódó plusz terhelés az ékszíj igénybevételét nem növeli []. Hexagonális ékszíj A hexagonális ékszíjakkal a különböző hajtásátviteli rendszerekben egyre ritkábban találkozni (7. ábra). Burkolószövet Gumiágyazóréteg Kordszál 7. ábra: A hexagonális ékszíj keresztmetszete Elsősorban olyan helyeken alkalmazzák ahol a hajtás kialakítása olyan, hogy a szíj hátoldala is tárcsát hajt, így viszonylag bonyolult elrendezés is megvalósítható. (Pl. ellentétes forgásirány szíjkeresztezés nélkül). A kétirányú hajlításnál azonban jelentős hátrányt jelent, hogy a semleges száltól a szélső szál távolsága nagy, ami a tárcsára futáskor hajlítási veszteséget okoz []. Többsoros ékszíjak Abban az esetben, ha párhuzamosan több ékszíjat kell alkalmazni, az ékszíjakat felső szélüknél egy rugalmas szalaggal összeköthetjük (8. ábra). 13

14 Szakirodalmi áttekintés 8. ábra: Többsoros ékszíj Kivitele megakadályozza az egyes szíjhurkok elcsavarodását, a keresztirányú lengéseket, így a párhuzamosan futó ékszíjak nyugodtabb, megbízhatóbb üzemet eredményeznek. Alkalmazása elsősorban pulzáló, lökésszerű igénybevételeknél ajánlott. Előnyös azonban abban az esetben is, ha a tengelyek függőleges helyzetűek. A mezőgazdasági gépeken elterjedten használják tengelykapcsolóként is, hiszen megfelelő konstrukciós kialakítással igen egyszerűen és megbízhatóan üzemeltethető. Hátrányos tulajdonsága, hogy nem öntisztító, így a szennyeződések az ékszíj-szalag átmenetnél megszorulhatnak [, 46, 9]. Különösen nagy figyelmet kíván ez a tulajdonsága a mezőgazdasági alkalmazás esetén, ahol fokozott környezeti szennyező hatásnak van az ékszíj kitéve. 60 o -os ékszíj A súrlódási tényező növelésére készítenek különleges ékszíjakat is öntött poliuretán elasztomerből, amelyben a vonóelemek poliészter szálak 9. ábra. 9. ábra: A 60 o -os ékszíj keresztmetszete Az acél tárcsahorony és a poliuretán között a súrlódási tényező igen nagy, ezért az önzárás elkerülésére a tárcsát és az ékszíjat 60 o -os profilszöggel készítik. A gyártott ékszíj igen pontos lehet, a kistárcsa mérettel egészen kis értékig le lehet menni. Kedvező a szíjanyag hajlítószilárdsága, jó a futáspontosság, a dinamikus erőhatásokra kedvezően viselkedik, azonban viszonylag nagy a gyártási költség. Mivel poliuretánból készül, ezért hőre érzékeny, magas hőmérsékletű helyen és jelentős szlippel nem üzemelhet, mert lágyulásra hajlamos [11]. 14

15 Szakirodalmi áttekintés Nyitott oldalfalú ékszíjak A klasszikus felépítésű gumi ékszíjakhoz képest alapvető különbség, hogy az oldalfelületen nincs textilburkolat (10. ábra). Burkolószövet Kordszál Polikloroprén szállal erôsített alsó gumiágyazóréteg 10. ábra: A nyitott oldalfalú ékszíj felépítése A legtöbb esetben formafogazott kivitelben készülnek. A gumi ágyazóanyagban polikloroprén szálak találhatók, amelyek nagy keresztirányú merevséget biztosítanak, így a teljesítményátvitel is növelhető. Ezt bizonyítja az 11. ábra, amelyen hagyományos és nyitott oldalfalú formafogazott keskenyékszíjak teljesítményátviteli képességét hasonlíthatjuk össze. (Az XP jelölés a fogazott keskeny ékszíjra, az SP jelölés a hagyományos felépítésű keskeny ékszíjra utal). P[kW] fogazott (XPA) hagyományos (SPA) n[1/min] 11. ábra: Hagyományos és formafogazott keskenyékszíj teljesítményátviteli képessége (d p =90mm, i=1) [] A fogazásnak köszönhetően nő a flexibilitás, kedvezőbb a hőátadás, és akár i=1 áttétel is megvalósítható. Ezt a tulajdonságot saját vizsgálataim is igazolják. Egy két tárcsából álló nyitott hajtás esetén, azonos hajtásátviteli jellemzők mellett vizsgáltam 15

16 Szakirodalmi áttekintés a szíjban kialakuló hőmérsékletet. A 1. ábra szerint, a fogazott ékszíjnál (AVX 10) alacsonyabb lesz az üzemi hőmérséklet, mint a hagyományos ékszíjnál (Z 10) T[ o C] AVX 10 Z s [%] 1. ábra: Formafogazott (AVX 10) és hagyományos (Z 10) ékszíj szlip hőmérséklet diagramja [1] Hátrányos tulajdonság a magas gyártási költség, amit a jelentős hulladék és a költséges gyártóberendezés okoz. Széles ékszíjak A széles ékszíjakat (13. ábra) a fokozatnélküli hajtóművekben alkalmazzák. A teljesítményátvitelt az oldalfelület határozza meg, azaz a szélességük túlméretezett. 13. ábra: A széles ékszíjak keresztmetszete A nagy szélességi méretre a nagy szabályozási tartomány növelése miatt van szükség, azonban a keresztirányú merevség korlátozó hatásként jelentkezik. A profilszög is kisebb értékű mint a hagyományos szíjaknál, ott 40 o körüli érték itt, 6-16

17 Szakirodalmi áttekintés 8 o. A variátor ékszíjakat mind hagyományos burkolt, mind nyitott oldalfallal készítik [, 38, 8]. A mezőgazdasági gépeken igen elterjedten alkalmazzák és egyre nagyobb teljesítményátviteli képességet kívánnak meg ezektől a szíjaktól. Ennek megfelelően három generációt különböztethetünk meg. Az első a hagyományos felépítésű, szövetburkolattal ellátott szíj, amely nem rendelkezik megfelelő merevséggel, így túl nagy teljesítményátvitelre sem alkalmas. A második nyitott kivitelben készül, fogazott, így nagy keresztmetszet mellett is hajlékony és a polikloroprén gumikeverék nagyobb keresztirányú merevséget eredményez. A harmadik generáció szintén nyitott kivitelű, azonban a felső része is fogazott és keresztirányú merevítő szálakat is tartalmaz, ami természetesen az átvihető teljesítményt jelentős mértékben fokozza []..1.. Az ékszíjhajtás mechanikai viszonyai A teljesítményátvitel meghatározásához igen fontos tisztázni az ékszíjra ható erőket. A terhelés és a teherbírás elemzésénél nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt, hogy az ékszíj teherbírása a keresztmetszetben alkalmazott anyagok szilárdsági sajátosságai, valamint az anizotrópia miatt csak valószínűségi változóként kezelhetők. Az igénybevétel, azaz a szíj terhelése is változik az idő függvényében, terhelési csúcsok jelentkezhetnek, ami szintén indokolja, hogy az igénybevételt is valószínűségi változóként kezeljük. Ennek megfelelően a terhelés és teherbírás Szendrő szerint az alábbi módon szemléltethető (14. ábra). 17

18 Szakirodalmi áttekintés σ i élettartam eloszlás σ áll σ if idõtartam szilárdság f( σ if ) eloszlás (teherbírás) σ i igénybevétel eloszlás (terhelés) f( σ i ) σ m N=áll. log N 14. ábra: Normális eloszlású valószínűségi változóként kezelt terhelés (σ i ) és teherbírás (σ if ) [37] A szíjágak terhelésére levezetett összefüggéseket csak a fenti megszorításokkal együtt értelmezhetjük. Az elemi ékszíjdarabra ható erők elemzéséből, a következők szerint írható fel a szíjágerők között értelmezett ismert összefüggés [3, 38, 45, 46]: T C T 1 µ ' β = e = ε 0 C ahol: ε' - feszültségi viszony; T 1 - a feszes ágban értelmezett szíjágerő; T 0 - a laza ágban értelmezett szíjágerő; C - a centrifugális erőből származó szíjhúzás; µ µ' - a horonyhatással növelt súrlódási tényező, µ ' = ; α sin α - a tárcsa horonyszöge; β - átfogási szög. ', (.1) Az ε' az ún. horonyhatás miatt megnövekedett feszültségi viszony a szíjágerő növekményt fejezi ki. Mezőgazdasági gépeken alkalmazott ékszíjhajtásoknál átlagos körülményeket figyelembe véve az ékszíjgyártó cégek kísérleti eredménye szerint ε'=5 értékkel számolhatunk ß=180 o átfogási szög esetén, ami µ=0,17 súrlódási tényezőnek felel meg [10]. Ilyen peremfeltételek mellett szemlélteti a 15. ábra az elérhető feszültségi viszony értékét az átfogási szög függvényében, ami a hajtás megfelelő méretezése érdekében igen fontos alapadatot jelent. 18

19 Szakirodalmi áttekintés Elérheto feszültségi viszony ε' Átfogási szög (fok) 15. ábra: A feszültségi viszony változása az átfogási szög függvényében (µ=0,17) [10] Mivel az előzőekben levezetett összefüggés a relatív csúszást nem veszi figyelembe, ezért a pontosabb méretezéshez különösen indokolt a szíjcsúszással kapcsolatos vizsgálatok folytatása, amit a kutatómunkám célkitűzéseiben meg is fogalmaztam Az ékszíjak rugalmas tulajdonságai Az ékszíjhajtás egyik lényeges előnyét a rugalmas tulajdonságainak köszönheti, ami szíj felépítéséből következik, és elsősorban a teherviselő szál sajátosságaira vezethető vissza. Fontos szem előtt tartani, hogy a rugalmassági modulus értéke a szíjnál nem állandó, a Hooke-törvényt csak egy szűk alakváltozási intervallumon belül követi, azaz a fajlagos nyúlás függvényében nem lineáris a feszültség-változás, hanem anyagtól függően, attól eltérő, a 16. ábrának megfelelően. 19

20 Szakirodalmi áttekintés 16. ábra: Különböző szíjanyagok fajlagos nyúlása [38] Ezért a számításoknál egy adott terhelési intervallum közepéhez meghatározott iránytangenssel, vagyis közepes rugalmassági modulussal számolunk. Az ékszíjak rugalmassági tulajdonságát, mint a fentiekben elhangzott elsősorban a teherviselő szál határozza meg. A gyártó cégek különböző kordszálakat alkalmaznak, amelyek szilárdsági tulajdonságai igen eltérőek. A leggyakrabban alkalmazott kord anyagok a poliészter és az aramid. A korábbi években alkalmazták még a rayont is. Az átlagos, normál viszonyok között működő ékszíjak esetén a poliésztert használják, még nagy terhelésű speciális esetekben az aramid használata előnyös lehet. A. táblázatban a két kordanyag néhány jellemző tulajdonsága szerepel. 0

21 Szakirodalmi áttekintés. táblázat: A poliészter és aramid kordszál néhány mechanikai jellemzője (A=1mm ) [3] Kordszál anyaga Maximális terhelő erő [N] Szakadási nyúlás [%] Poliészter Aramid Lényeges azonban megjegyezni, hogy az aramid kb. 4-szer drágább, mint a poliészter. Az aramid teherviselő szálat olyan helyeken érdemes alkalmazni, ahol nagy a terhelés, viszonylag kicsi a rendelkezésre álló hely, hiszen egy lépcsővel kisebb szíjkeresztmetszettel is átvihető kb. ugyanakkora teljesítmény, mint a poliészterrel. A teljesítményátviteli képességet a 17. ábra szemlélteti. Névleges teljesítmény P [kw] N Aramid kordszál Poliészter kordszál Fordulatszám n [1\min] 17. ábra: A poliészter és az aramid teljesítményátviteli tulajdonsága (d p =00mm, i=1,57) [] 1

22 Szakirodalmi áttekintés A rugalmas tulajdonságok közötti eltérést a saját mérési eredményeim is igazolták. Két azonos tárcsából álló hajtást vizsgáltam, rögzített tengelytáv mellett (18. ábra) ábra: A hajtáselrendezés 1. hajtó tárcsa;. vizsgált ékszíj; 3. hajtott tárcsa; 4. feszítőorsó. Adott előfeszítés (F H =1750 N) beállítása után mértem a tengelyterhelés változását az idő függvényében 19. ábra. 000 Előfeszítő erő [N] poliészter kordszál aramid kordszál Idő [min] 19. ábra: A tengelyterhelés változása [4] A fenti ábra is igazolja, hogy a beállított előfeszítés a poliészter kordszállal ellátott ékszíj esetében nagyobb mértékben csökken, azaz nagyobb mértékű a relaxáció. A poliészter azonban sajátos tulajdonsággal rendelkezik. A hőmérséklet növelés hatására a hossza csökken, zsugorodik. Ezt a tulajdonságot használják ki az autóiparban alkalmazott ékszíjaknál, hiszen így ún. szervizmentes ékszíjakat készítenek.

23 Szakirodalmi áttekintés Ugyanez a jelenség azonban a mezőgazdasági gépeken tengelykapcsolóként használt ékszíjaknál már rendkívül kedvezőtlen, hiszen üzemi hőmérsékleten esetleg nem megfelelően old a tengelykapcsoló, ami a szíj rendkívül gyors kopását eredményezi. Az aramid kord alkalmazásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a nagyobb terhelést csak megfelelően megerősített gumikeverékkel tudja felvenni, azaz speciális szíjkeresztmetszet kialakítást igényel (0. ábra). Burkolószövet Polikloroprén szállal erôsített felsô gumiágyazóréteg Kordszál Polikloroprén szállal erôsített alsó gumiágyazóréteg 0. ábra: Aramid kordszálas szíjkeresztmetszet felépítése [, 3] A kordszál és az ékszíj keresztmetszetét alkotó gumikeverék közötti adhézió a poliészter esetén lényegesen kedvezőbb, a két anyag együttdolgozása jobb, ezért bonyolult hajtáselrendezés megvalósítása aramid teherviselő elemmel nem szerencsés, mert az élettartam csökkenését eredményezi A gumi szerkezeti tulajdonságai A gumi természetes vagy mesterséges kaucsukból és ún. ingrediensekből (töltőanyagok, vulkanizáló anyagok, vulkanizálást gyorsítók) áll. Az erőátvitelt szolgáló gumi alkatrészekben a gumi munkaképességét a következő főbb tulajdonságok határozzák meg: a gumi rugalmassága, kifáradási határa és az ismétlődő igénybevételek során fellépő hiszterézis veszteségek. Ez utóbbi tulajdonság igen nagy jelentőséggel bír az ékszíjak esetén, hiszen a szíj melegedését, a szíjban az ismétlődő hajlítások miatti hőfejlődést meghatározza. Az üzemi feltételektől függően gyakran nagy jelentőségűek az olyan tulajdonságok, mint a 3

24 Szakirodalmi áttekintés hőállóság (alacsony vagy magas hőmérsékleten), vagy éppen az olajállóság. Ilyen speciális követelményeket kielégítő ékszíjakat is készítenek. A következőkben az erőátviteli szerkezetekben használatos gumi bizonyos mechanikai tulajdonságait elemzem, mert az élettartam szempontjából a teherviselő szál mellett meghatározó a keresztmetszet alakját adó gumianyag viselkedése, elsősorban az ismételt igénybevételként jelentkező hajlítás során. Igen fontos megjegyezni, hogy a gumi tulajdonságai dinamikus és statikus terhelésekkor különbözők. Példaként vizsgáljuk meg egy próbatest olyan harmonikus törvény szerinti, dinamikus terhelés okozta alakváltozását, amelynél minden egyes ciklusban az alakváltoztatás nagysága ε 0 - ε-tól ε 0 + ε-ig változik és az alakváltozás ε amplitúdója kicsi. 1. ábra: Hiszterézishurok a gumi ciklikus alakváltozásakor [34] Az ε, σ koordináta-rendszerben (1.ábra) állandósult feltételek mellett az alakváltozási ciklus zárt görbével ábrázolható. Ezt a görbét két érték jellemzi. Az egyik a feszültségi és az alakváltozási amplitúdók hányadosa, vagyis az iránytangens: σ = E d = tgα. (.) ε 4

25 Szakirodalmi áttekintés Ezt a hányadost Ponomarjov szerint [34], amely adott alakváltozási törvényszerűség mellett jellemzi a gumi merevségét, rendszerint dinamikus rugalmassági tényezőnek nevezzük. A hiszterézis veszteségek nagyságát jellemezhetjük a hiszterézis hurok kétszeres területének és az alakváltozási amplitúdó négyzetének a hányadosával: f K =, (.3) ( ε ) ahol, K a gumi belső súrlódási tényezője [N/mm ]; f: a hiszterézis hurok területe. A gyakorlatban gyakran használjuk az ún. viszonylagos belső súrlódási tényezőt is (ϕ), amely az egy ciklus folyamán bekövetkező munkaveszteségnek (azaz a hiszterézis hurok f területének) és az alakváltozás csúcsértékének megfelelő 1/ σ ε rugalmas alakváltozási munkának a hányadosa: f ϕ =. (.4) σ ε A ϕ viszonylagos belső súrlódási tényező, az E d dinamikus rugalmassági tényező és a K belső súrlódási tényező kapcsolatát a következőképpen határozhatjuk meg. A (.3) összefüggésből: f = K ( ε ). A (.) és (.4) összefüggések felhasználásával: ( ε ) K ϕ =, σ ε K ϕ =. E d 5 (.5) Mind a dinamikus rugalmassági tényező, mind pedig a belső súrlódási tényező értéke függ a hőmérséklettől, a deformáció nagyságától és az igénybevétel frekvenciájától továbbá a dinamikus igénybevételre szuperponált sztatikus előfeszültségektől.[8]. Ezek közül a tényezők közül az egyik igen fontos az ékszíjak szempontjából, a frekvencia, hiszen a különböző hajtáskialakításoknál eltérő lehet az ún. szíjfrekvencia, azaz az időegység alatti hajlítgatások száma, tehát az alakváltozás gyakorisága. A. ábra a dinamikus rugalmassági tényező (E d ) változását mutatja az alakváltozási frekvencia függvényében. Az ábrából is jól látható, hogy alacsony frekvencia tartományban a dinamikus rugalmassági tényező számottevően változik. Ez a tartomány Ponomarjov szerint kb. 30 Hz, márpedig a gyakorlatban használt ékszíjhajtások ebben a frekvencia tartományban üzemelnek, azaz a méretezés szempontjából igen fontos ennek a frekvenciafüggőségnek az ismerete.

26 Szakirodalmi áttekintés E d f [Hz]. ábra: A gumi dinamikus rugalmassági tényezőjének változása az alakváltozási frekvencia függvényében [34] A dinamikus rugalmassági modulustól függően a hajlításkor fellépő igénybevétel és az ezzel arányos veszteség más és más, azaz ennek megfelelően változik a frekvencia változásával az ékszíj melegedése is, ezért szerepel célkitűzéseim között ennek a hatásnak a vizsgálata Az ékszíj viszkoelasztikus modellje Az ékszíj reológiai tulajdonságainak ismerete igen lényeges az élettartam elemzéséhez. Az ékszíjban jelentkező hőterhelés egyik okozója az ismétlődő hajlító igénybevétel során jelentkező veszteség, amit a belső súrlódás hoz létre. A deformáció ciklus alatt fejlődő hő függ az anyag belső súrlódásától, a deformáció nagyságától és a deformáció sebességétől. Ez az ékszíjhajtás esetén a szíj anyagát (viszkoelasztikus tulajdonságát), a tárcsaátmérőt és a szíjfrekvenciát jelenti. Az ékszíjat viszkoelasztikus lineáris modellként kezelhetjük [8]. A modell a 3. ábra szerint jellemezhető. 6

27 Szakirodalmi áttekintés 3. ábra: Az ékszíj mechanikai modellje Az 1. ábrán látható modell egyenlete: dε σ = E ε + η. (.6) dt Az egyszerűbb felírás miatt bevezetve a d = s operátort, dt σ = E ( 1 + s η' ) ε = E( s) ε, (.7) ahol, η - E () s = E( 1+ s η' ) - operátoros rugalmassági modulusz, és η ' =. E A célkitűzések között a hajlítás során keletkező melegedés meghatározását fogalmaztam meg, így ennek megfelelően azt vizsgálom, hogy az adott viszkoelasztikus modell hogyan viselkedik a hajlító igénybevétel során. Egy x hosszúságú ékszíj szakasz hajlítása a 4. ábra szerint értelmezhető: 4. ábra: Az ékszíjszakasz hajlító igénybevételének értelmezése Feltételezhető, hogy a feszültség és a nyúlás lineárisan változik, és ennek megfelelően a feszültség: 7

28 a nyúlás pedig, Szakirodalmi áttekintés σ y =, (.8) ( y) σ ( δ ) δ ( y) ( ) ε δ ε = y. (.9) δ Az elfordulás 4. ábra szerinti szöge: x ϕ = ε( δ ). (.10) δ A hajlítónyomaték a (3) és (4) összefüggések alapján: ( δ ) σ ( δ ) σ M = σ ( y) yda = y da = A δ A ahol: - A - az ékszíj keresztmetszet felülete [mm ]; - K - az ékszíj keresztmetszeti tényezője [mm 3 ]. A fenti egyenletekből a nyomaték az alábbi alakban írható fel: δ K, (.11) K M = E() s ϕ. (.1) x Tehát az ékszíj egy mechanikai impedanciaként értelmezhető, ahol az M nyomaték, ϕ szögelfordulásnak megfelelő "áramot" hoz létre, a 5. ábra szerint: Z K =. (.13) x () s E() s 5. ábra: Az ékszíj mechanikai impedanciaként történő értelmezése 8

29 Szakirodalmi áttekintés.1.6. A szíjcsúszás elemzése A szíjhajtásokat kísérő jelenség a szíjcsúszás. Nemcsak a lapos-, hanem az ékszíjhajtások is bizonyos csúszással, szlippel üzemelnek. A szlip értékét az alábbi összefüggéssel lehet értelmezni. v1 v s = 100[ %], (.14) v1 ahol: v 1 - a hajtó tárcsa kerületi sebessége; v - a hajtott tárcsa kerületi sebessége. A csúszás két összetevőből állhat: - rugalmas csúszás (mikrocsúszások sorozata); - tényleges csúszás. A tényleges csúszás azt jelenti, hogy az ékszíj elmozdul a horonyban és ez már az üzemszerű állapot megszűnését jelenti. A rugalmas csúszás azonban a szíj rugalmas tulajdonságaival függ össze, a rugalmas hosszváltozásból származik [38, 46]. Teljesítményátvitelkor a laza és feszes ágban erőkülönbség lép fel és ez természetesen azt eredményezi, hogy az ékszíj a tárcsára való ráfutáskor megnyúlik. Ez az alakváltozás a hajtott oldalon bizonyos fordulatszám csökkenést okoz, azaz a hajtás kismértékű csúszással üzemel [4]. A nyúlás mértéke a laza és a feszes ágban jelentkező erők arányától, azaz a korábban értelmezett feszültségi viszonytól függ. Vagyis minél nagyobb a feszültségi viszony, annál nagyobb lesz a rugalmas csúszás mértéke is. Pl. ha a feszültségi viszony 1, tehát a két szíjágban az erő egyenlő, nem lesz különbség a szíjágakban jelentkező nyúlások között, de ekkor teljesítményátvitelről sem beszélhetünk. A rugalmas csúszást szemlélteti a 6. ábra, a feszültségi viszony függvényében. 9

30 Szakirodalmi áttekintés fordulatszám változás [%] 1,5 1 0, feszültségi viszony [ε] 6. ábra: A rugalmas csúszás a feszültségi viszony függvényében [5] A megcsúszás, azaz a tényleges csúszás határát Tochtermann [43] az Eytelweinegyenlet felírásával értelmezi: T µ 'β 1 T e, (.15) µ ' β ahol a feszültségi viszonyt - ε' = e -, mint konstrukciós jellemzőként értelmezett megengedett értéket kezelhetjük. Ha a feszültségi viszony lényegesen megnő, vagyis túl nagy teljesítményt szeretnénk átszármaztatni, azaz túlterheljük a hajtást, az ékszíj megcsúszik a horonyban. Ekkor általában egy hirtelen bekövetkező sebesség csökkenést figyelhetünk meg, a teljesítmény átszármaztatás pedig bizonytalanná válik [5]. Nagyon fontos szem előtt tartani, hogy az ékszíj csúszását az előfeszítés lényegesen befolyásolja, sőt egy megfelelően tervezett hajtásnál annak beállítása fogja meghatározni. A nem megfelelő előfeszítésnél a kívánt teljesítményt átszármaztatni nem tudjuk, már viszonylag alacsony feszültségi viszony esetén megcsúszik a szíj. Az ékszíj tényleges csúszása a korábban említetteknek megfelelően a hajtás előnyös tulajdonságát is jelentheti abban az értelemben, hogy véd a túlterheléstől. A teljesítményátvitel során állandóan jelenlévő rugalmas csúszás azonban az áttételt kis mértékben bizonytalanná teszi. A tényleges csúszás rendkívül káros, az ékszíj 30

31 Szakirodalmi áttekintés jelentősen melegszik és intenzív kopás is jelentkezik, ami egyértelműen az élettartam csökkenését eredményezi. A szíj csúszását az egységnyi tengelyhúzással átvehető kerületi erő - áthúzási fok - függvényében Kutzbach vizsgálta. A róla elnevezett diagram szemlélteti a 7. ábrán, hogy a terhelés növelésével a csúszási görbe egy határ után meredekebbé válik, és bekövetkezik a tényleges csúszás. s [%] tényleges csúszás rugalmas csúszás Ft ϕ = F H 7. ábra: A Kutzbach-féle áthúzási fok diagram [38] A hajtás megfelelő élettartama szempontjából igen fontos a rugalmas és tényleges csúszási határ megállapítása különböző konstrukciójú ékszíjak esetére. A tényleges csúszás a szíj jelentős melegedését eredményezi, így az említett csúszási határpont vizsgálatát a hőmérséklet oldaláról közelítettem meg és a megfogalmazott célkitűzéseknek megfelelően végeztem vizsgálatokat. 31

32 Szakirodalmi áttekintés.. Az ékszíjak élettartama, az élettartamot befolyásoló tényezők..1. Az ékszíjak élettartamát befolyásoló tényezők hatásának elemzése Az ékszíjak meghibásodását, tönkremenetelét három kategóriára lehet osztani: 1. kifáradás;. kopás; 3. szakadás. A kifáradás az ékszíjak esetén sajátosan jelentkező jelenség, amit az ékszíj szelvény felépítése indokol. Mivel ún. társított/erősített rendszerben működő kompozit anyagokról van szó, a kifáradással jellemzett tönkremenetel oka, az egyes rétegek szétválása, az együttdolgozás megszűnése. Ez a folyamat az ékszíj belsejében indul el, a kordszálak és az ágyazóanyag között. A folyamat hatására a hajtás terhelhetősége, futáspontossága romlik és az ékszíjat hibásnak kell minősíteni, bár a teljesítmény-átviteli képessége teljesen még nem szűnt meg. A kopás, mint tönkremenetel elsősorban beállítási hiba következménye lehet. A tárcsák párhuzamossági, vagy éppen szöghibája okozza, valamint a nem megfelelő előfeszítés - vagy túlterhelés - hatására fellépő tényleges csúszás. A szakadás az extrém túlterhelés hatására következhet be, de a kifáradási folyamat vége is lehet, amennyiben nem ismerik fel a folyamatot időben, a fent említetteknek megfelelően az alkotó elemek szétválása végső stádiumban szintén szakadáshoz vezethet. Az egyes tönkremeneteli kategóriákat célszerű FMEA (Failure Mode Effects Analysis) hibafeltárási módszerrel elemezni, a hiba előfordulási valószínűsége, a hiba hatásának jelentősége és felismerhetősége alapján. A 3. táblázat segítségével egy ún. rizikó prioritási mutató határozható meg, amellyel feltárható a legkritikusabb tönkremeneteli kategória. 3

33 Szakirodalmi áttekintés 3. táblázat: A hiba minősítése az egyes tönkremeneteli kategóriák esetén Tönkremeneteli A hiba minősítése kategória Előfordulási valószínűség 1 Következmény, jelentőség Felismerhetőség 3 (c) (a) (b) Kifáradás Kopás Szakadás valószínűtlen:1, csekély:4-6, valószínű:9-10; alig észrevehető:1, súlyos:10; 3 nyilvánvaló:1, csak méréssel:7-8, rejtett:10 A rizikó prioritási mutató az alábbi összefüggéssel határozható meg: RPZ = a b c (.16) Az egyes tönkremenetelek mutatói a 3. táblázat adatai szerint: RPZ kifáradás =810, RPZ kopás =88, PRZ szakadás =40. A fenti elemzésnek megfelelően a legfontosabb tönkremeneteli kategóriának a kifáradás minősül. A továbbiakban célszerű az élettartamot, azaz a tönkremenetelt befolyásoló hatásokat elemezni. A ható tényezőket két fő csoportra lehet osztani: hajtás beállítási (installálási) tényezők (pl. tárcsák párhuzamossági-, vagy szöghibája, helytelen előfeszítés, stb.) mechanikai, fizikai tényezők. A dolgozatomban a hajtás beállítási tényezők hatásával nem foglakozom, csak a mechanikai, fizikai tényezőket elemzem. Ezeket a tényezőket célszerű az ékszíj maximális igénybevételének felírásával megközelíteni. A maximális igénybevétel a laposszíjaknál ismert összefüggéshez hasonló módon írható fel Kudrjacev [31] szerint: ε Ft δ σ max = + ρ v + E, (.17) ε 1 A d p ahol: - ε - feszültségi viszony (normál szelvény esetén, ε 5); - F t - kerületi erő [N]; - A - az ékszíj keresztmetszete [mm ]; 33

34 Szakirodalmi áttekintés - ρ - az ékszíj sűrűsége [kg/m 3 ]; - v - szíjsebesség [m/s]; - E - az ékszíj rugalmassági modulusa [N/mm ]; - δ - a semleges szál távolsága a szíj szélétől [mm]; - d p - a hajtásban szereplő legkisebb tárcsaátmérő [mm]. A ható tényezőket és az élettartamra gyakorolt várható hatásukat a 4. táblázatban foglaltam össze. 4. táblázat: Az ékszíjak élettartamát befolyásoló tényezők és hatásuk Ható tényező Élettartam várható Megnevezés Változás változása 1. Terhelés (kerületi erő) nő csökken. Ékszíj keresztmetszet mérete anyaga nő erősebb nő (de csökkenhet is) nő 3. Szíjsebesség nő csökken (de növekedhet is) 4. Szíjhossz nő nő 5. Tárcsaátmérő nő nő 6. Hőmérséklet nő csökken Egyes tényezők elemzésével a szakirodalom is részletesen foglakozik. 1. Terhelés A szíjágak terhelése, adott esetben túlterhelése lényegesen befolyásolja az élettartamot. Az Optibelt ékszíjgyártó cég vizsgálatai szerint, a számított névleges terheléshez képest 10 % túlterhelés hatására az élettartam kb. feleződik. Ezt a jelenséget mutatja a 8. ábra. 34

35 Szakirodalmi áttekintés Élettartam [üó] Terhelés [%] 8. ábra: Az ékszíjhajtás túlterhelésének az élettartamra gyakorolt hatása [] A feszes ágban értelmezett névleges szíjágerő növekedésének hatását vizsgálta Horowitz és Gheorghiu [14], akik az alábbi összefüggést határozták meg: Ln T1 = L h T 1n, (.18) ahol: - q - kitevő kísérletekkel meghatározott érték (q 5); - L h - élettartam [üó]; - T 1 - szíjágerő a feszes ágban [N]; - n (indexben) - névleges érték. Szintén a terhelés hatását elemezve, Schrimmer [35] a következő összefüggést publikálta: q L L n h = e T 1 α 1 T1 n ahol: - α - kísérletekkel meghatározott érték (α 1). (.19). Ékszíj keresztmetszet A 4. táblázatban megadottak szerint, az ékszíj keresztmetszet méretének az élettartamra gyakorolt hatása több irányú is lehet. A méret növelése a maximális feszültség összefüggés első tagja szerint, a feszültség érték csökkenését okozza. A nagyobb keresztmetszet azonban nagyobb szelvény magasságot is jelent, ami a hajlítófeszültség értékét (maximális feszültség 35

36 Szakirodalmi áttekintés harmadik tagja) növekedését vonja maga után. A hajtás tervezésekor ezeket a hatásokat együttesen kell figyelembe venni, és a szíjak darabszámával, valamint a megfelelő tárcsátmérő megválasztásával kell az optimális megoldást megtalálni. Az ékszíj hosza mentén a keresztmetszet egyenlőtlenség hatását vizsgálta Tope [44]. Méréssel meghatározta, hogy a keresztmetszet egyenlőtlenség milyen mértékű sebesség ingadozást okoz a hajtott oldalon. A keresztmetszet szélesség növekedése rögzített tengelytáv mellett a szíjágerő növekedését is eredményezi. Ezt a hatást az előzőekben részletezett összefüggéssel (.18) írja le [14]. A szíjágerők és a keresztmetszet jellmezőinek a figyelembevételével Gerbert [1, 13] meghatározta a szíj rugalmas csúszását: ( α + ρ ) 1 ctg + c s = + c R c1 0 ( T T ) 1 0, (.0) ahol: - c - az ékszíj hosszirányú rugóállandója [N/mm]; - ρ - a súrlódási félkúpszög; - c 1 - az ékszíj axiális terheléstől függő, radiális irányban értelmezett rugóállandója [N/mm]; - c 0 - az ékszíj radiális és tangenciális terhelésektől függő, radiális irányban értelmezett rugóállandója [N/mm]; - R - az ékszíjtárcsa sugara [mm]. A csúszás mind a szíj kopását és a melegedésen keresztül a kifárádását is okozhatja. 3. Szíjsebesség A szíjsebesség szintén összetett módon gyakorol hatást az élettartamra. A sebesség növelése az időegység alatti hajlítgatások számát, azaz a szíjfrekvenciát növeli, ami az élettartam csökkenését eredményezi [31]. Az élettartamra gyakorolt hatás leírását tartalmazó összefüggést a... fejezet tartalmazza. Az egységnyi teljesítmény átviteléhez szükséges kerületi erő azonban csökkenthető a szíjsebesség növelésével. Ez a sebességnövelés azonban, csak az ún. optimális szíjsebességig jelent előnyt, hiszen a szíjsebesség-teljesítmény függvény eddig emelkedik, további sebesség növeléssel már csökken [8]. 36

37 Szakirodalmi áttekintés 4. Szíjhossz A szíjhossz növelésével az előző pontban említett szíjfrekvencia érték csökkenthető, ami az élettartam növekedését eredményezi. 5. Tárcsaátmérő A tárcsaátmérő hatása a maximális igénybevétel harmadik tagja szerint meghatározott hajlítással fordítottan arányos. A tárcsák és görgők átmérői egy hajtásnál konstrukciós szempontból többnyire behatároltak. A nagyobb tárcsaátmérők alkalmazása általában alacsony tengelyterheléshez, kisebb tengelytávhoz és jobb hajtásviszonyokhoz vezetne. Azonban csak ritkán lehet a tárcsa átmérőjét olyan nagyra választani, hogy a hajtásnál ezzel káros összhatás ne lépjen fel. Ez csak abban az esetben lenne így, ha a centrifugális erő és a csekélyebb hajlító igénybevétel kiegyenlítenék egymást. A lehetséges legkisebb tárcsaátmérőre az ékszíjgyártók javaslatot tesznek. A hajlítás hatására bekövetkező hiszterézis veszteség egyik meghatározó tényezője a tárcsaátmérő, és mivel a szakirodalom részletes elemzést ez irányban nem tartalmaz, kutatásaim során ezzel a hatással részletesen is foglalkozom. 6. Hőmérséklet A mezőgazdasági gépeken alkalmazott ékszíjhajtások jelentős része ki van téve a környezeti hatásoknak. A gépek egy része tiszta és viszonylag hidegebb környezetben működik, másik része viszont szennyezett és melegebb környezetben. A különböző üzemi körülmények miatt az azonos hajtásgeometria és terhelés mellett sem kaphatunk azonos értéket a szíj élettartamára. A hőmérséklet hatása rendkívül jelentős. 70 o C felett a hőmérséklet növekedése erős élettartam csökkenést eredményez. A 9. ábrán is látható, hogy 0 o C-os növekedés esetén az élettartam kb. a harmadára csökken []. 37

38 Szakirodalmi áttekintés 5000 Élettartam [üó] Hőmérséklet [ o C] 9. ábra: A hőmérséklet és az élettartam összefüggése Az ékszíjban kialakuló hőmérsékletet a környezeti hatások és az előzőekben említett jellemzők együttesen határozzák meg, hiszen az ékszíj hőmérséklete a keletkezett és a leadott (W keletkezett és Q leadott ) hőmennyiségek egyensúlyi állapotától függ. A felsorolt jellemzők hőmérsékletre gyakorolt hatásával a szakirodalom nem foglalkozik, ezért fektettem hangsúlyt a dolgozatomban ezeknek hatásoknak az elemzésére.... Az ékszíjhajtás élettartamának empirikus meghatározása Az ékszíjhajtás élettartamának meghatározása közvetlenül kapcsolódik az előző fejezetben elemzett tényezőkhöz. Természetesen az élettartamot nagy pontossággal és teljes biztonsággal nem lehet előre meghatározni, ezért általában várható élettartamról beszélhetünk. Az egyes gyárak, kutató intézetek kísérletek, mérési sorozatok alapján írnak fel összefüggéseket, amelyek alapján a várható élettartam becsülhető. Számos módszer létezik, ezek közül szeretném a legfontosabbakat - amelyeket a gyakorlatban is alkalmaznak - ismertetni. Orosz szakirodalmi források szerint az ékszíjak várható élettartama az alábbi összefüggéssel határozható meg [31]. L h m σ meg 10 7 ν i = v σ és (.1) max 3600( L ) z t σ = max σ + h σ, hajl 38

39 Szakirodalmi áttekintés ahol: ν i - a tárcsaátmérőtől függő kifáradási tényező; tárcsakörülfordulás (alapciklus); v/l - szíjhajtogatás [1/s]; z t - ékszíjtárcsák száma; m - az ékszíj típusától függő tényező; σ h - húzófeszültség [MPa]; Ft q0 σ h = + + σ c, (.) A h ahol: σ c - a centrifugális erőből származó feszültség; σ c =10-6 ρv ; ρ - az ékszíj sűrűsége [kg/m 3 ]; F t - kerületi erő [N]; A - az ékszíj keresztmetszete [mm ]; q o - a megengedett fajlagos kerületi erő [N/mm]; h - a szíj magassága [mm]; σ hajl - hajlító feszültség [MPa]; Ehajlδ σ hajl =, (.3) d p ahol: E hajl - hajlítási rugalmassági modulus [N/mm ]; δ - a semleges szál távolsága a szíj szélétől [mm]; d p - a szíjtárcsa átmérője [mm]; L h - az ékszíj élettartama [óra]. Ez az összefüggés a klasszikus elmélet szerint határozza meg a szíj igénybevételeit, azonban az empirikus tényezőkről kevés magyarázatot ad, így alkalmazása igen nehézkes. Természetesen az egyes gyártó cégek is kísérletsorozatok segítségével igyekeznek meghatározni a várható élettartamot. A Gates ékszíjgyártó cég az alábbi összefüggést publikálta [5, 9, 36]: T1 K v log F = K 1 K log v K d 10000, (.4) ahol: v - szíjsebesség [m/s]; F - kifáradási tényező; T 1 - húzóerő a feszes ágban [N]; K 1, K 4 - az ékszíj keresztmetszet szerkezetétől függő állandók; K - a szíjkeresztmetszet méretétől függő hajlítási tényező; 39

40 Szakirodalmi áttekintés K 3 - a szíjkeresztmetszet méretétől függő centrifugális erő tényezője. Az ún. kifáradási tényező F meghatározása után az élettartamot számítani lehet. Ehhez figyelembe kell venni, ha az ékszíj az élettartama során különböző körülmények között üzemel. A teljes üzemóra arányában ismerni kell az egyes üzemi viszonyok arányát (pl. eltérő fordulatszám), - valamennyihez meghatározandó a kifáradási tényező - majd a következő képlettel számolható a várható élettartam. L h 100 L p =, (.5) n ti % Fi i= ahol: L h - a várható élettartam [üó]; L p - a jellemző szíjhossz [mm]; F i - az eltérő üzemi körülményekhez tartozó kifáradási tényező; t i - a különböző körülmények között futott üzemidő [üó]. Az egyes állandók a gyártó cég adott szíjtípusra vonatkozó adatai, amelyek nem minden esetben állnak a tervező mérnök rendelkezésére, így ez az összefüggés inkább a gyártó cég számára nyújt hasznos információt, a gyakorlati alkalmazása nehézségekbe ütközhet. A szíjak tönkremenetelét általában a kifáradás okozza. A kifáradáshoz a szíjat érő ismétlődő igénybevételek vezetnek. Ezt az elvet felhasználva is közelíthető az élettartam. A kifáradás szempontjából az ékszíj csúcsterhelése a mérvadó. A szíj hossza mentén a terhelés a következő összetevőkből határozható meg: a szíjág húzó terhelése (T i ), amit az előfeszítés és az átszármaztatott nyomaték határoz meg; hajlító terhelés (T hi ), a szíj tárcsára való ráfutásakor jelentkezik és függ az átmérő nagyságától; a centrifugális erőből származó húzás (T c ),a szíj sűrűségétől és a szíjsebességtől függ.. A szíj hossza mentén ezeknek a terheléseknek az eloszlását szemlélteti a 30. ábra. 40

41 Szakirodalmi áttekintés D T C B T 3 T 1 E A T B H1 T T C H1 H T E T D T3 Szíj egy teljes körülfordulása T3 H T 1 T H3 F G T H3 A Hajtó 30. ábra: A szíjágak terhelése [9, 36] T C Különböző hajtásjellemzők esetén meghatározható a csúcsterhelés. Ennek figyelembevételével a 31. ábra alapján a kifáradási tényező leolvasható, és a fordulatszám valamint a szíjhossz ismeretében az élettartam is számítható. Terhelés kifáradási tényezõ (F) 31. ábra: A csúcsterhelés alapján a kifáradási tényező meghatározása [9].3. Ékszíjvizsgálati eljárások A különböző ékszíjvizsgálati eljárásokat, illetve azok csoportosítását a 3. ábra szemlélteti. Ez alapján jól áttekinthető, hogy milyen vizsgálati módszereket és 41

42 Szakirodalmi áttekintés elveket alkalmaznak. A vizsgálati módszereknél a statikus és kvázistatikus eljárás a szíj álló helyzetétében történő vizsgálatot jelent, míg a dinamikus módszer alatt az értendő, amikor már a szíj sebesség nem nulla. Vizsgálati módszerek Statikus és kvázistatikus Dinamikus Szakítószilárdság Rugalmas tulajdonság Alakjellemzõk Rövid idejû vizsgálatok Tartós vizsgálatok Súrlódási tényezõ meghatározása Hossz, szög keresztmetszet Teljesítményvizsgálatok Élettartamvizsgálatok Rögzített tengelytáv Változtatható tengelytáv 3. ábra: Ékszíjvizsgálati módszerek [3] Teljesítményátvitel nélkül Teljesítményátvitellel.3.1. Az MSz által előírt vizsgálatok A nemzeti szabvány (MSz ) a következő ellenőrző vizsgálatokat írja elő: szelvényméret; hosszméret, hossztűrés; a burkolószövet állapota; futásteljesítmény, nyúlás próbapadi futtatásnál; profilegyenletességi fokozat. Ezek közül csak a futásteljesítmény, nyúlás és a profilegyenletesség vizsgálatával foglalkozom, mert a célkitűzéseimben is a dinamikus vizsgálati módszerekhez 4