《机械设计基础》CHAP8带传动和链传动.docx

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《机械设计基础》CHAP8带传动和链传动

第8章带传动和链传动

基本要求：

了解带传动的特点及使用场合；理解带传动弹性滑动特性，带传动的受力分析和运动分析，掌握带传动的设计方法及各项参数的选择方法

重点：

1、带传动的工作原理、受力分析

2、V带的结构和标准

3、带传动的弹性滑动和打滑、带传动的张紧与维护

4、Ｖ带传动的设计

难点：

Ｖ带传动的设计

学时：

课堂教学：

4学时.

教学方法：

课堂讲授，多媒体动画

作业：

§8-1带传动的类型和特点

带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动装置，工作时借助零件之间的摩擦（或啮合）来传递运动或动力。

一、结构组成

通常是由三部分组成：

带＋带轮＋张紧装置

二、工作原理：

靠摩擦（或啮合）传动

三、带传动的主要类型：

根据截面形状

1）平型带传动

截面形状：

扁平矩形

摩擦工作面：

带的内表面

特点：

i≤3～5中心距较大

2）圆形带传动

比平带传动能力小，适合于速度高、带轮直径小的场合。

3）V带传动：

截面形状：

梯形

摩擦工作面：

两侧表面特点：

i≤7运行较平稳

4）多楔带传动

具有V带的特点，适合于结构紧凑、功率大、重要的场合。

5）同步齿形带传动

靠啮合传动，传动比恒定，中心距要求严格。

四、带传动的优缺点

1）适合于中心距较大的传动

2）能缓和载荷冲击；运行平稳，无噪声；

3）过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；（具有过载保护作用）

4）结构简单，成本低廉

5）传动外廓尺寸较大

6）需要张紧装置

7）传动效率较低

8）不能保持准确的传动比

9）带的寿命较短。

五、带传动的应用范围

带传动的应用范围很广，其中V带传动应用最广。

一般带的工作速度为v=5～25m／s

传动比为i=7

传动效率为η=0.90～0.95

§8-2V带和带轮

一、V带的构造与规格

V带有普通V带、窄V带和宽V带、活络V带等类型。

一般多使用普通V带，现在使用窄V带的也日见广泛。

本章主要介绍普通V带传动的设计。

普通V带为标准件，有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。

1、普通V带构造：

两种结构：

帘布芯结构线绳芯结构

都由四个层构成

1）包布层

2）顶胶层

3）抗拉体（承载层）

4）底胶层

★帘布芯结构：

承载层是胶帘布——抗拉强度较高

★线绳芯结构：

承载层是线绳——绳芯结构柔韧性好，适用于转速较高，带轮直径较小的场合。

★V带制成无接头的环形。

基准长度Ld

★V带两摩擦面间的夹角——楔角，楔角都是40°

二、V带轮的材料和结构

制造V带轮的材料可采用灰铸铁、钢、铝合金或工程塑料，以灰铸铁应用最为广泛。

当带速v不大于25m/s时，采用HT150，v＞25~30m/s时采用HT200，速度更高的带轮可采用球墨铸铁或铸钢，也可采用钢板冲压后焊接带轮。

小功率传动可采用铸铝或工程塑料。

带轮由轮缘、轮辐、轮毂三部分组成。

V带轮按轮辐结构不同分为四种型式，如图8-6所示。

带轮基准直径dd≤（2.5~3）d0（d0为带轮轴直径）时可采用S型（实心带轮,图a）；dd≤300mm时可采用P型（腹板式带轮，图b）；且当dd－d1≥100mm时，可采用H型（孔板式带轮，图c）；dd＞300mm时可采用E型（轮辐式带轮，图d）。

每种型式根据轮毂相对腹板（轮辐）位置不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等几种，带轮的结构尺寸如表8-3所示。

带轮的轮缘尺寸如表8-4所示。

表中bd表示带轮轮槽的基准宽度，通常与V带的节面宽度bp相等，即bd=bp。

基准宽度处带轮的直径称为基准直径dd，

§8-3V带传动工作能力分析

1．带传递的有效拉力

F0——张紧力

F1——紧边拉力

F2——松边拉力

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

F0=（F1＋F2）/2

根据带的受力平衡条件

其有效拉力应等于带与带轮的接触弧上摩擦力的总和。

即

F＝F1－F2=Ff

在一定条件下，摩擦力有一极限值，如果工作阻力超过极限值，带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。

以v表示带速，m／s，P表示名义传动功率，kw；则有效拉力：

2、F1、F2和F的关系

不计带的质量

式中e——自然对数的底；e≈2.718

μ——带与带轮间的摩擦系数

α——带在带轮上的包角；

联立解式得紧边拉力F1和松边拉力F2为：

带即将开始打滑时，带上各力沿垂直方向各力的平衡式为

3．由离心力所产生的拉力Fc

（推导略）

q一每米带长的质量，kg／m。

4、作用在轴上的压力FQ

FQ由下式确定

FQ=2ZF0sinα1/2

式中

FO——单根带的张紧力；

Z——V带根数

α1——小带轮包角

二、带的应力分析

1．紧边应力σ1、松边应力σ2

式中A一带的截面面积。

2．离心应力σc

3．弯曲应力σb

式中：

E——带的弹性模量

r——带轮半径

y——由带中性层到最外层的距离。

显然，两个带轮直径不同时，带在小带轮上的弯曲应力比大带轮大。

4、带上应力分布规律

将带上各点处的应力用一线段表示

应力分布规律图表明：

带传动工作时，带是在变应力状态下工作的，

且最大应力发生在紧边进人小带轮处。

二、带传动的弹性滑动和传动比

1．带的弹性滑动

——由于带是弹性体，受力不同时伸长量不等。

当带自b点绕上主动轮时，带的速度和带轮表面的速度

是相等的，但当它沿bC继续前进时，带的拉力由F1降低到F2，

所以带的拉伸弹性变形也要相应减小，亦即带在逐渐缩短，带的速度要落后于带轮，因此两者之间必然发生相对滑动。

同样的现象也发生在从动轮上，但情况恰好相反，在带绕上从动轮时，带和带轮具有同一速度，但当带沿前进方向时，带的拉力由F2增大到F1，带被拉长，使带的速度领先于带轮。

两者之间也必然发生相对滑动。

■——这种由于拉力的变化造成带的弹性变形的变化，所引起的带在带轮上产生的相对滑动称为带的弹性滑动。

■——弹性滑动引起了下列后果

1）从动轮的圆周速度低于主动轮；（造成速度上的损失）

2）降低了传动效率；

3）引起带的磨损；

4）使带温度升高。

■——由于带传动是依靠摩擦力来传动的，由于摩擦力使带的两边所受的拉力不同，发生的拉伸变形不同的。

既然摩擦力是这类传动所必需的．所以弹性滑动是带传动固有的特性，是不能避免的。

弹性滑动是可以设法降低的，如：

选用弹性模量大的带材料，可以降低弹性滑动。

注意：

不能将弹性滑动和打滑混淆起来，

打滑是由于过载所引起的带在带轮上的全面滑动。

打滑可以避免；

■——带传动的功率越大，弹性滑动的程度越严重。

2．传动比

由以上分析，从动轮的圆周速度低于主动轮，

为了能够反映由于弹性滑动产生的速度损失的程度，将其相对降低率，称为滑动率。

用ε表示

式中i——传动比。

ε——带传动的滑动率。

一般为1％～2％。

§8-4普通V带传动设计计算

一、设计准则和单根V带的额定功率

1.设计准则

根据带传动工作能力分析可知，带传动的主要失效形式有：

①带在带轮上打滑，不能传递动力；②带发生疲劳破坏（经历一定应力循环次数后发生拉断、撕裂、脱层）。

因此带传动的设计准则为：

①带在传递规定功率时不发生打滑,即满足式（8-7）。

②具有一定的疲劳强度和寿命,即满足式（8-5）。

2.单根V带所能传递的额定功率。

经推导可得单根V带所能传递的额定功率为：

（8-8）

式中：

v为带速m/s。

在特定带长、使用寿命、传动比（i=1、

）以及在载荷平稳条件下，通过疲劳试验测得带的许用应力

后，代入式（8-8）便可求出特定条件下的P

二、带传动设计步骤和参数选择

设计V带传动的原始数据为带传递的功率P,转速n1、n2（或传动比

）以及外廓尺寸的要求等。

设计内容有：

确定带的型号、长度、根数、传动中心距、带轮直径以及带轮结构尺寸等。

设计步骤一般为：

1.确定设计功率Pc

（8-9）

式中：

P为带传递的额定功率（KW）；KA为工况系数

2.选择V带的型号

根据设计功率Pc和主动轮转速n1由图8-8、9选择带的型号。

3.确定带轮的基准直径dd1和dd2

小带轮直径dd1应大于或等于表8-6所列的最小直径dmin。

dd1过小则带的弯曲应力

较大，反之又使外廓尺寸增大。

一般在工作位置允许的情况下，小带轮直径取得大些

减小弯曲应力，提高承载能力和延长带的使用寿命。

由式（8-6）得：

dd1、dd2均应符合带轮直径系列尺寸，见表8-5。

4.验算带速v

（8-10）

带速太高离心力增大，使带与带轮间的摩擦力减小，容易打滑；带速太低，传递功率一定时所需的有效拉力过大，也会打滑。

一般应使

普通V带5m/s＜v＜25m/s

窄V带5m/s＜v＜35m/s

否则重选dd1。

5.确定中心距a和带的基准长度Ld

在无特殊要求时，可按下式初选中心距a0：

≤ao≤

mm（8-11）

由带传动的几何关系，可得带的基准长度计算公式：

mm（8-12）

按

查表8-2得相近的V带的基准长度Ld，再按下式近似计算实际中心距：

a≈a0+

（8-13）

当采用改变中心距方法进行安装调整和补偿初拉力时，其中心距的变化范围为

（8-14）

6.验算小带轮包角

≥

（8-15）

1与传动比

有关，

愈大（dd2－dd1）差值愈大，则

1愈小。

所以V带传动的传动比一般小于7,推荐值为2~5。

速比不变时，可用增大中心距a的方法增大

1。

7.确定V带根数z

z≥

（8-16）

式中：

Pc为设计功率，按式（8-9）计算；P0为特定条件下单根V带所能传递的功率（KW），查表（8-7）；ΔP0为i＞1时的额定功率增量（KW），查表（8-9）；K

为包角系数，考虑不是特定长度时，对传动能力的影响，查表（8-10）。

8.确定单根V带初拉力F0

（8-17）

9.计算带对轴的压力FQ

FQ

（8-18）

例8-1设计某机床上电动机与主轴箱的V带传动。

已知：

电动机额定功率P=7.5KW,转速n1=1440r/min,传动比i12=2,中心距a为800mm左右，三班制工作，开式传动。

8-5同步带传动

一、同步带传动的特点和应用

同步带是以细钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨脂或氯丁橡胶的环形带。

由于带的强力层承载后变形小，且内周制成齿状使其与齿形的带轮相啮合，故带与带轮间无相对滑动，构成同步传动。

同步带传动具有传动比恒定、不打滑、效率高、初张力小、对轴及轴承的压力小、速度及功率范围广、不需润滑、耐油、耐磨损以及允许采用较小的带轮直径、较短的轴间距、较大的速比，使传动系统结构紧凑的特点。

一般参数为：

带速v≤50m/s；功率P≤100KW；速比i≤10；效率η=0.92~0.98；工作温度－20~80℃。

二、同步带的参数、类型和规格

1.同步带的参数

（1）节距Pb与基本长度Lp。

在规定张紧力下，同步带相邻两齿对称中心线的距离，称为节距Pb。

同步带工作时保持原长度不变的周线称为节线，节线长度Lp为基本长度（公称长度），轮上相应的圆称为节圆。

如图8-10所示。

显然有Lp=Pbz。

（2）模数m。

与齿轮一样，也规定模数m=Pb/

。

2.同步带的类型和规格

同步带分为梯形齿和圆弧齿两大类，

标准同步带的标记包括：

型号、节线长度代号、宽度代号和国标号。

对称齿双面同步带在型号前加“DA”，交错齿双面同步带在型号前加“DB”。

图8-12对称双面齿和交错双面齿同步齿形带

标记示例：

聚氨酯同步带DA900H200GB/T11616-89

带宽代号200，带宽50.8mm

型号H,节距12.7mm

长度代号900，节线长2286mm

对称齿双面同步带

三、同步带轮

（1）同步带轮的材料及轮辐、轮毂结构同V带轮。

为防止齿形带工作时从带轮上脱落，一般推荐小带轮两边均有挡圈，而大带轮则无挡圈；或大小带轮均为单面挡圈，但挡圈各在不同侧，如表8-12所示。

（2）同步带轮轮齿形状有渐开线齿廓和直边齿廓两种（用于梯形齿同步齿形带），其中渐开线齿廓的同步带轮可借用齿轮刀具展成加工，齿廓具体尺寸请参阅有关手册。

（3）周节制同步齿形带轮的宽度如表8-12所示，直径如表8-14所示。

（4）周节制同步带轮标记由带轮齿数、带型号、轮宽代号和标准代号组成。

8-6带传动的安装、张紧和维护

一、带传动的张紧与调整

带传动的张紧程度对其传动能力、寿命和轴压力都有很大的影响。

V带传动初拉力的测定可在带与带轮两切点中心加以垂直于带的载荷G使每100mm跨距产生1.6mm的挠度，此时传动带的初拉力F0是合适的（即总挠度y=1.6a/100），如图8-14所示。

对于普通V带传动，施加于跨度中心的垂直力G按下列公式计算：

新装的带G=（1.5F0+△F0）/16

运转后的带G=（1.3F0+△F0）/16

最小极限值G=（F0+△F0）/16

图8-14初拉力的测定

带传动工作一段时间后会由于塑性变形而松弛，使初拉力减小、传动能力下降，此时在规定载荷G作用下总挠度y变大，需要重新张紧。

常用张紧方法有以下几种：

1.调整中心距法

（1）定期张紧。

如图8-15所示，将装有带轮的电动机1装在滑道2上，旋转调节螺钉3以增大或减小中心距从而达到张紧或松开的目的。

图8-16为把电机装在一摆动底座2上，通过调节螺钉3调节中心距达到张紧的目的。

（2）自动张紧。

把电动机1装在如图8-17所示的摇摆架2上，利用电机的自重，使电动机轴心绕铰点A摆动，拉大中心距达到自动张紧的目的。

2.张紧轮法

带传动的中心距不能调整时，可采用张紧轮法。

图8-18a）所示为定期张紧装置，定期调整张紧轮的位置可达到张紧的目的。

图8-18b）所示为摆锤式自动张紧装置，依靠摆捶重力可使张紧轮自动张紧。

V带和同步带张紧时，张紧轮一般放在带的松边内侧并应尽量靠近大带轮一边，这样可使带只受单向弯曲，且小带轮的包角不致过分减小。

如图8-18a）所示定期张紧装置。

平带传动时，张紧轮一般应放在松边外侧，并要靠近小带轮处。

这样小带轮包角可以增大，提高了平带的传动能力。

如图8-18b）所示摆锤式自动张紧装置。

§8—7传动链的类型和特点

链传动工作原理与特点

1、工作原理：

（至少）两轮间以链条为中间挠性元件的啮合来传递动力和运动。

但非共轭曲线啮合，靠三段圆弧（

）一直线啮合。

其磨损、接触应力冲击均小，且易加工。

2、组成；主、从动链轮、链条、封闭装置、润滑系统和张紧装置等。

3、特点（与带、齿轮传动比较）

优点：

①平均速比im准确，无滑动；②结构紧凑，轴上压力Q小；③传动效率高η=98%；④承载能力高P=100KW；⑤可传递远距离传动amax=8mm；⑥成本低。

缺点：

①瞬时传动比不恒定i；②传动不平衡；③传动时有噪音、冲击；④对安装粗度要求较高。

4、应用：

适于两轴相距较远，工作条件恶劣等，如农业机械、建筑机械、石油机械、采矿、起重、金属切削机床、摩托车、自行车等。

中低速传动：

i≤8（I=2~4），P≤100KW，V≤12-15m/s，无声链Vmax=40m/s。

（不适于在冲击与急促反向等情况下采用）

链传动的主要类型

1）按工作特性分：

起重链——用于提升重物——V≤0.25m/s；

牵（线）引链——运输机械——V≤2~4m/s；

传动链——用于传递运动和动力——V≤12~15m/s。

优点：

结构简单、重量轻、价廉、适于低速、寿命长、噪音小、应用广。

2）传动链接形式分：

套筒链；

（套筒）滚子链—属标准件

选用、合理确定链轮与链条尺寸，—短节距精密滚子链；

齿形链；成型链四种。

①套筒滚子链（结构与特点）

动配合，可相对运动，相当于活动铰链，承压面积A（投影）——宽×长

投影组成：

5滚子；4套筒；3销轴；2外链板；1内链板

动配合。

当链节进入、退出啮合时，滚子沿齿滚动，实现滚动摩擦，减小磨损。

套筒与内链板、销轴与外链板分别用过盈配合（压配）固联，使内、外链板可相对回转。

为减轻重量、制成“8”字形，亦有弯板。

这样质量小，惯性小，具有等强度。

磨损：

——主要指滚子与销轴截面之间磨损。

而内、外板之间留有间隙，保证润滑油进入，此润滑降低磨损。

P越大，承载能力越高。

参数：

P—节距，b1—内链板间距，C—板厚，d1—滚子直径，d2—销轴直径，P—排距

当低速时也可以不用滚子——称套筒链

多排链——单排链用销轴并联——称多排链（或双排链）

排数↑→承载能力↑

但排↑→制造误差↑→受力不均↑一般不超过3~4列为宜

链接头型式：

链节数为偶数（常用）——内链板与外链板相接——弹性锁片（称弹簧卡）或大节距（称开口销）——受力较好

弹性锁片——端外链板与错轴为间隙配合

链节数为奇数——用过渡链节固联

产生附加弯矩——受力不利，尽量不用。

固联——内（外）链板与内（外）链板相接

板链—弹性好、缓冲、吸振在低速、重载、冲击和经常正反转工作情况。

安全过渡链节——弯板与销

滚子链标记：

链号—排数×链节数标准号

套筒滚子链规格与主要参数——表

2、齿形链

各组齿形链板要错排列，通过销轴联接而成。

链板两工作侧边为直边，夹角为60°或70°，由链板工作边与链轮齿啮合实现传动。

齿形链设导板，以防链条轴向窜动：

内导板—导向性好；外导板

铰链形式：

圆销式；轴互式；滚柱式

齿形链的齿形特点：

传动平稳、承受冲击好、齿多受力均匀、噪音较小、故称无声链。

允许速度V高，特殊设计齿形链V=40m/s，但结构较复杂、价格贵、制造较困难、也较重。

摩托车用链应用于高速机运动精度，要求较高的场合，故目前应用较少。