第10章带传动和链传动教案.docx

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第10章带传动和链传动教案

第10章带传动和链传动

1．教学目标

（1）带传动的受力分析、应力分析和弹性滑动。

（2）普通V带传动的设计计算和主要参数对传动性能的影响。

（3）滚子链传动的运动特点、失效形式。

（4）滚子链传动的设计计算和主要参数的合理选择。

2．教学重点和难点

同上。

3．讲授方法

多媒体和演示柜教学

4．讲授学时

8学时

10.1带传动主要特点、类型和应用

1．带传动的主要类型

（1）按传动原理分类

1）摩擦带传动靠传动带与带轮之间的摩擦力实现传动，如V带传动、平带传动等。

2）啮合带传动靠带内侧凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合实现传动，如同步带传动。

工作时，靠带的凸齿与带轮外缘上的齿槽啮合传动。

（2）按用途分类

1）传动带传递动力用。

2）输送带输送物品用。

（3）按传动带的截面形状分类

1）平带平带的截面形状为矩形，内表面为工作面。

常用的平带有胶带、编织带和强力锦纶带等，如书图10.3a。

2）V带V带的截面形状为梯形，两侧面为工作表面，如书图10.3b。

3）多楔带它是在平带基体上由多根V带组成的传动带。

多楔带结构紧凑，可传递很大的功率，如书图10.3c。

4）圆形带横截面为圆形，只用于小功率传动，如书图10.3d。

5）同步带纵截面为齿形，如书图10.3e。

2.带传动的特点和应用

带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震及过载打滑以保护其他零件等优点。

缺点是传动比不稳定，传动装置外形尺寸较大，效率较低，带的寿命较短以及不适合高温易燃场合等。

带传动一般不宜用于大功率传动（通常不超过50kw），且多用于高速级传动。

带的工作速度一般为5～30m/s，高速带可达60m/s。

平带传动的传动比通常为3左右，最大可达6，有张紧轮时传动比可达到10。

V带传动的传动比一般不超过7，最大达到10。

10.2普通V带和V带轮

10.2.1普通V带的结构和尺寸标准

普通V带的截面呈等腰梯形，V带的横剖面结构如图10.1所示，其中图a是帘布结构，图b是线绳结构，均由下面几部分组成：

图10.1V带结构

（1）包布层：

由胶帆布制成，起保护作用；

（2）顶胶：

由橡胶制成，当带弯曲时承受拉伸；

（3）底胶：

由橡胶制成，当带弯曲时承受压缩；

（4）抗拉层：

由几层帘布或浸胶的棉线（或尼龙）绳构成，承受基本拉伸载荷。

V带已标准化，按其截面大小分为7种型号，其截面尺寸见书表10.1。

10.2.2普通V带轮的结构

V带轮是普通V带传动的重要零件，它必须具有足够的强度，但又要重量轻，质量分布均匀；轮槽的工作面对带必须有足够的摩擦，又要减少对带的磨损。

带轮常用材料为灰铸铁HT150（v小于或等于30m/s）或HT200（v>30m/s）。

转速较高时可用铸钢或钢板焊接结构，小功率时可用铸铝或塑料。

带轮轮槽的尺寸见书表10.2所示。

表10.2中bd表示带轮轮槽宽度的一个无公差规定值，称为轮槽的基准宽度。

通常，V带节面宽度与轮槽基准宽度重合，即bp=bd。

轮槽基准宽度所在圆称为基准圆（节圆），其直径dd称为带轮的基准直径。

铸造带轮的结构见书图10.5所示。

带轮基准直径dd<（2.5～3）d（d为带轮轴的直径）时，可采用实心式；dd<300mm时，可采用腹板式，且当dd-d1>100（d为带轮轮毂的直径）时，可采用孔板式；dd>300mm时，可采用轮辐式。

V带轮的结构形式及腹板（轮辐）厚度的确定可参阅机械设计手册。

10.3带传动的基本理论

10.3.1带传动的受力分析

带传动的受力分析如图10.2所示。

图10.2带传动的受力分析

设带的总长度不变，紧边拉力的增量（F1—F0）应等于松边拉力的减少量（F0—F2），即：

（10—1）

或

（10—2）

带的紧边拉力F1和松边拉力F2之差称为有效拉力F，即：

（10—3）

将式（10—3）代人式（10—1）整理可得

（10—4）

（10—5）

带的有效拉力也等于带和带轮接触面上摩擦力的总和，它决定了带传动所能传递的功率P（kW）的大小，即：

（10—6）

式中：

F——有效拉力，单位N；

v——带的速度，单位m／s。

当带传动的工作载荷超过了极限摩擦力的总和时，带将在带轮上发生全面的相对滑动，这种现象称为打滑。

打滑将使带剧烈磨损与发热，从动轮转速急剧下降直至停止，传动因此而失效。

打滑一般首先发生在小带轮上。

即将打滑时，带传动中F1与F2的关系可利用柔韧体摩擦的欧拉公式表示：

（10—7）

式中：

e——自然对数的底，e=2.718；

f——带与带轮接触面间的摩擦系数（V带为当量摩擦系数fv）；

α——带在带轮上的包角，单位为rad。

将式（10—4）代人式（10—7）整理后，可得到初拉力为F0时，带所能传递的最大有效拉力为：

（10—8）

分析式（10—8）可知，带传动的最大有效拉力F与摩擦系数f、包角α和初拉力F有关。

增大f、α和F0，都可以提高带传动的工作能力，但F0过大将使带的磨损加剧，缩短带的寿命。

图10.3带与带轮间的法向压力

设平带传动与V带传动的初拉力均为F0，如图10.3所示，则平带工作时产生的摩擦力为：

（10—9）

V带工作时产生的摩擦力为：

（10—10）

式中，

——带轮轮槽角；

fv——当量摩擦系数；

f——摩擦系数；

FQ——正压力。

当轮槽角为32°、34°、36°、38°时，fv=（3．62～3．07）f，由此可知，在相同的条件下，V带的传动能力是平带的3倍以上。

所以，传递相同功率时，V带传动的结构紧凑，应用更广泛。

10.3.2带的应力分析

带传动工作时，带中的应力由三部分组成：

（1）拉应力

紧边拉应力

（10—11）

松边拉应力

（10—12）

式中，A为带的横截面面积（mm2）。

（2）离心应力

当带以速度v沿着带轮轮缘做圆周运动时，带自身的质量将产生离心力。

虽然离心力只产生在带做圆周运动的部分，但由离心力产生的离心拉力作用于带的全长。

离心应力可用下式计算：

（10—13）

式中：

q一—带单位长度的质量（kg／m）（见书表10.4）；

v——带的线速度。

（3）弯曲应力

带绕在带轮上时因弯曲而引起弯曲应力，如图10．4所示，其大小由下式计算：

（10—14）

式中，h——带的高度（mm）；

dd——带轮的计算直径，对于V带轮，dd为基准直径（mm）；

E——带的弹性模量。

图10.4带的弯曲应力

显然，带的弯曲应力因带轮的直径不同而不同，带轮的直径越小，带的弯曲应力越大。

为了避免带的弯曲应力过大，各种型号的V带都规定了最小带轮基准直径（见书表10.5）。

带工作时的应力分布情况如图10.5所示，各截面应力的大小用自该处引出的径向线或垂直线的长短来表示。

很明显，在传动过程中，带处于变应力状态下工作，最大应力发生在带的紧边开始绕入小带轮处，其值为：

（10—15）

在变应力的作用下，当应力循环次数达到一定值后，带将因此产生疲劳破坏而失效。

图10.5带的应力分析

10.3.3带的弹性滑动与传动比

弹性滑动导致从动轮的圆周速度v2（m/s）低于主动轮的圆周速度v1（m/s），其降低量用滑动率

表示：

（10—16）

（10—17）

（10—18）

式中：

n1、n2——分别为主、从动轮转速。

带传动的实际传动比

（10—19）

V带传动的滑动率

=0．01～0．02，一般可不考虑。

10.4V带传动的设计

设计V带传动时，一般给定的原始条件是：

传递的功率P、小带轮及大带轮的转速n1和n2（或传动比）、用途、载荷性质及工作条件等。

设计计算的主要任务是：

确定合适的V带型号、长度、根数、传动中心距、带轮的直径、结构尺寸等。

设计计算的一般步骤如下：

1．确定计算功率Pc，选择V带型号

按给定的传递功率P、载荷性质来确定计算功率Pc。

（10—20）

式中：

KA——工作情况系数，见书表10．6。

2．确定带轮的基准直径dd

带轮直径小，结构紧凑，但使带的弯曲应力增大，影响带的疲劳强度，所以要限制小带轮的基准直径dd1（见书表10.5）。

一般取ddl≥ddmin。

，dd2=dd1×i，dd1和dd2应符合带轮基准直径系列（见书表10.7a）。

注意，当dd1和dd2选用系列值后从动轮的转速将发生变化，但一般误差应控制在±5％以内。

3．计算V带的速度v

带速过高，离心力增大，摩擦损耗也增大，且应力循环次数增多，降低了带传动的工作能力；带速过低，在传递相同功率时，需要的有效拉力增大，将会增多带的根数。

故带的速度一般限制在5～25m/s。

带速按下式计算：

（10—21）

若带速超出规定范围，则应重选小带轮的基准直径。

4.确定中心距a0及基准长度Ld

一般推荐按下式初步确定中心距a0。

0.7（ddl+dd2）≤a0≤2（ddl+dd2）。

（10—22）

a0选定后，根据带传动的几何关系，按下式初步确定带的基准长度Ld′

（10—23）

根据计算的Ld′，由表10.3选取接近的标准带长Ld，其实际中心距可由下式近似计算

（10—24）

为了便于安装和张紧V带，中心距一般是可调的，其变动范围：

｝（10—25）

5.验算小带轮包角

小带轮包角

过小，会降低带传动的有效拉力，容易产生打滑。

一般要求

≥120°。

包角的大小由下式计算

≥120°（10—26）

6.确定V带的根数

V带的根数可由下式计算

（10—27）

7.计算V带初拉力

保持适当的初拉力是带传动正常工作的前提。

初拉力过小，带与带轮间的摩擦力小，容易打滑；初拉力过大，将增大轴和轴承的压力，并降低带的寿命。

初拉力由下式计算：

（10—28）

式中：

Pc——计算功率；

z——V带根数；

v——V带速度（m／s）；

q——V带每米长质量（kg／m）；

Kα——包角修正系数，见书表10．9。

图10.6带传动作用在轴上的载荷

8.计算作用在轴上的载荷

在设计V带轮轴及轴承时，需先确定带传动作用在轴上的载荷FQ。

若不考虑带两边的拉力差，如图10.6所示，FQ可由下式近似计算：

（10—29）

10.5带传动的安装、张紧和维护

10.5.1带传动的安装

选用V带时，要注意型号和基准长度，不要搞错。

否则会出现V带高出轮槽或者底面接触，造成传动能力降低或失去V带传动侧面工作的优点。

10.5.2常见的张紧装置

1．定期张紧装置

可采用改变中心距的方法来调节带的初拉力F0，使带重新张紧。

2．自动张紧装置

将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用电动机的自重，使带轮随同电动机绕固定轴摆动，以自动保持张紧力。

3．采用张紧轮的装置

当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧。

张紧轮一般放在靠近大带轮松边的内侧。

4．改变带长

对有接头的带，常采用定期截去带长的方法使带张紧。

10.5.3带传动的维护

1．带传动装置外面应加防护罩。

V带应保持清洁，不宜在有酸、碱等对橡胶有腐蚀或促使其老化的场合工作。

2．对V带传动应进行定期检查，发现不能继续使用时应及时更换，但必须使一组V带中各根带的实际长度尽量相近。

3．带传动不需要润滑，禁止往带上加润滑油或润滑脂，应及时清理带轮槽内及传动带上的油污。

10.6链传动

10.6.1链传动的特点及应用

1.链传动的组成和工作原理

如图10.7所示，链传动由主动链轮、从动链轮和链条组成。

它通过链和链轮的啮合来传递运动和动力，兼有齿轮传动和带传动的一些特点。

2.链传动的特点和应用

链传动与带传动相比，由于链传动是啮合传动，故没有弹性滑动和打滑现象，其平均传动比准确，效率较高；无需较大的初拉力，对轴的作用力较小；传递相同载荷时，结构更紧凑，装拆方便；能在高温、油污、粉尘和泥沙等恶劣的环境下工作。

图10.7链传动

链传动适用的一般参数范围为：

传动功率P≤100kW，链速v≤15m／s，传动比i≤8，中心距a≤5～6m，传动效率为0.95～0.98。

10.6.2滚子链与链轮

1.滚子链的结构和标准

滚子链由滚子1、套筒2、销轴3、内链板4、外链板5组成（书图10．13）。

外链板与销轴过盈配合固结成外链节，内链板与套筒用过盈配合固结成内链节。

而销轴与套筒，套筒与滚子之间均采用间隙配合，组成两转动副，相邻的内、外链节可以相对转动，使链条具有挠性。

当链节与链轮轮齿啮合时，滚子沿链轮齿廓滚动，减轻了链与轮齿的磨损。

为了减轻链条的重量并使链板各横截面强度相近（即近似符合等强度原则），内、外链板均制成“∞”字形。

链条的零件均采用碳素钢或合金钢制成，并经热处理（硬度≥HRC40），以提高其强度和耐磨性。

滚子链相邻两链节铰链副理论中心间的距离称为节距，用p表示，它是链传动的主要参数。

节距大，则链的各部分尺寸大，传递的功率大，但重量也大，冲击和振动也随着增加。

为了控制链传动的尺寸及减小传动时的动载荷，当传动的功率较大及转速较高时，可采用小节距的双排链或多排链，双排滚子链见书图10．15。

由于多排链的制造和安装精度的影响，多排链承受载荷不均匀，故排数不宜过多，一般应不超过四排。

相邻两排链条中心线间的距离称为排距，用Pt表示。

滚子链的标记方法规定如下：

链号——排数×链节数标准号

例：

A系列，节距31．75mm，双排，60节的滚子链标记为

20A——2×60GB／T1243—1997

链轮齿形已标准化，设计时主要是确定其结构尺寸，合理地选择材料及热处理方法。

图10.8滚子链的接头形式

2.链轮的基本参数和主要尺寸

链轮的基本参数是配用链条的节距p、滚子外径d1、排距Pt及齿数z。

链轮的主要尺寸计算公式如下：

分度圆直径

（10—30）

齿顶圆直径

（10—31）

齿根圆直径

（10—32）

3.链轮的齿形

目前应用较广的滚子链轮端面齿形如图10.17所示，由三段圆弧（aa，ab，cd）和一段直线（bc）组成。

这种齿廓形状具有较好的啮合性能和加工性能，而且国标规定有标准齿形刀具，只需在零件工作图上注明“齿形按3RGBl244--85规定制造”即可，不必画出端面齿形。

链轮平面齿形则须在工作图中画出，且齿形和尺寸也应符合GB／T1243—1997的规定（见书图10.18和书表10.10）。

4.链轮的结构

小直径链轮采用整体式（书图10.19a），中等尺寸链轮采用孔板式如书图10.19b，大直径链轮（da>200mm）常采用装配式结构，以便更换齿圈，装配方式可为焊接（书图10．19c），也可为螺栓连接见书图10.19d。

5.链轮的材料

在低速、轻载和平稳的传动中，链轮材料可采用中碳钢；中速、中载传动，也可用中碳钢，但需齿面淬火使其硬度大于40HRC；在高速重载且连续工作的传动中，最好采用合金钢齿面渗碳淬火（如采用15Cr，20Cr淬硬至50～60HRC）。

由于小链轮齿数少，啮合次数多，磨损、冲击比大链轮严重。

所以，小链轮材料及热处理要比大链轮的要求高。

选择链轮的材料，以保证轮齿具有足够的强度和耐磨性为原则。

链轮常用材料及应用范围见书表10．12。

10.6.3链传动的安装及维护

1.链传动的合理布置

链传动的布置是否合理，对链传动的工作能力及使用寿命都有较大影响。

合理布置的原则有：

（1）链轮轴线应平行，两链轮的转动平面应在同一垂直平面内；

（2）链轮中心线最好为水平或接近水平，倾角不大于45°；

（3）应使链条的紧边在上（与带传动不同），松边在下，以免松边垂度过大时干扰链与轮齿的正常啮合。

链传动的布置参见书表10．13。

2.链传动的张紧

（1）过调整链轮中心距来张紧链轮；

（2）拆除1～2个链节，缩短链长，使链张紧；

（3）使用张紧轮张紧。

当两链轮中心连线倾角大于60°时，应当设置张紧装置。

张紧轮常设置在链条松边外侧或内侧。

张紧最常用的方法是通过移动链轮的位置以增大两轮的中心距。

当中心距不可调时，可设张紧装置张紧，常用的张紧装置有：

1）张紧轮张紧

2）托板张紧

3.链传动的润滑

链传动的润滑是影响传动工作能力和寿命的重要因素之一，润滑良好能缓和冲击、减少铰链磨损、延长使用寿命。

润滑方式可根据链速和链节距的大小查相关手册。

润滑油应加于松边，以便润滑油渗入各运动接触面。

常用的链传动润滑剂有L-AN32、L-AN46、L-AN68油。

4.链传动的故障分析与维修

（1）链传动的失效形式

在正常的安装和润滑情况下，链传动的主要失效有以下几种：

1）链板的疲劳破坏。

链条在工作中受到应力的作用，当应力变化达到一定的循环次数后，链条各零件将发生疲劳破坏。

其中链板的疲劳破坏是链传动的主要失效形式。

2）链条铰链的磨损。

当链节进入或退出啮合时，链条的销轴与套筒相对转动产生磨损，使链条的节距增大而脱链。

磨损是开式链传动的主要失效形式。

3）销轴与套筒的胶合。

当链速过高、载荷很大或润滑不良时，销轴与套筒的工作面上将发生胶合，导致链传动失效。

4）链条的拉断。

重载或突然过载时，链条受到的拉力超过链条的静强度，将被拉断。

（2）链传动常见故障分析与维修示例见书表10.14。