（机械设计及理论专业论文）同步带传动静态性能与动态性能分析研究.pdf

摘要 本文在系统归纳总结同步带国内外发展的基础上给出了同步带传动的结构与性能 特点。分析了同步带传动多边效应对传动性能的影响，提出了同步带静态性能分析评 价因素，并设计、加工了汽车同步带数控高精度测长机，给出了同步带节距、齿高、 齿形角等参数的测量方法，其测量分析结果为设计同步带成型模具用滚刀设计提供了 依据。进行了同步带传动横向振动和纵向振动的系统分析，并提出了同步带传动动态 性能评价方法。系统分析了影响同步带传动寿命因素，对同步带的生产和性能评价具 有指导意义。 关键词：同步带、静态性能、动态性能 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do ns u m m i n gu pt h ek n o w l e d g eo fo u rc o u n t r ya n da b r o a d ，i n d i c a t e d t h es t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a p a b i l i t ya b o u ts y n c h r o n o u sb e l td r i v e s a n a l y z e dt h e p o l y g o ne f f e c to fs y n c h r o n o u sb e l td r i v e s i n d i c a t e dt h ef a c t o ro fs y n c h r o n o u sb e l td r i v e s s t a t i c c a p a b i l i t ya n a l y s i s ，d e s i g n e da n dm a d et h e n u m e r i c a lc o n t r o lh i g h p r e c i s i o n s y n c h r o n o u sb e l tm e a s u r i n gm a c h i n e ，i n d i c a t e dt h em e t h o do fm e a s u r i n gb e l tp i t c h ，t o o t h h e i 曲t ，t o o t ha n g l e ，t h er e s u l th e l pt h eh o bd e s i g no ft h em o u l d a n a l y z e dt h eo r i e n t a t i o na n d p o r t r a i tl i b e r a t i o no fs y n c h r o n o u sb e l td r i v e s ，i n d i c a t e dt h em e t h o do fe v a l u a t i n gd y n a m i c c a p a b i l i t yo fs y n c h r o n o u sb e l td r i v e s a n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c he f f e c t i n gt h el i f e o f s y n c h r o n o u sb e l td r i v e s ，i tm a d ead i r e c t i o nt om a n u f a c t u r ea n dc a p a b i l i t ye v a l u a t i n g k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sb e l t , s t a t i cc a p a b i l i t y , d y n a m i cc a p a b i l i t y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，同步带传动静态性能与动态性能 分析研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：l 丝盘丞嫱立月捌 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 指导导师签 岁长大雨川年上月鲨日 年立月丝日 1 1 引言 第一章绪论 同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的一种新型传动 带。由于同步带是利用齿工作面与带轮齿槽啮合进行传动，因此带与带轮之间在传动过 程中没有滑差而呈现同步传动。同步带和v 带( 三角带) 相比具有带体轻而薄，强度高， 传动比准确，传动效率高，传动功率范围大，传动速度高等优点。同步带传动与链条传动 相比具有同步性能好、无须润滑、可实现多轴传动、重量轻、成本低及维修养护方便 等优点。由于同步带传动的优点很多，因而发展非常迅速。 汽车传动带是汽车发动机重要的零部件，也是传动带重要的组成部分。可以说， 传动带的许多技术进步和发明与汽车工业的发展息息相关，如v 带发明，切边v 带、 多楔带和同步带的快速发展，都是为了适应汽车工业最新技术要求而获得迅速发展的。 汽车用同步带最早是美国通用汽车公司于2 0 世纪6 0 年代后期用于新发明的顶置式凸 轮轴发动机，以代替原来使用的滚子链条传动。由于使用很成功，日本于2 0 世纪7 0 年代初由本田技术研究院首次采用，随后富士重工也效仿。目前日本8 0 轿车采用了同 步带传动技术，美国也有4 0 ，我国引进的轻型轿车生产线除广州标致外也都采用。 同步带在我国起步较晚，但发展较快，已形成生产规模，但面临的问题也很多。 同步带为节能产品，具有良好的经济效益和社会效益，为了大力发展我国同步带行业， 一方面要做好宣传推广工作，扩大同步带的应用范围：另一方面要进一步提高同步带的 质量，替代进口产品。高质量的同步带需要商质量的纺织增强材料，我们应选用高性 能纤维开发生产适合同步带的线绳和包布，促进同步带的发展。 1 2 同步带的生产现状及发展 1 2 1 原材料 同步带所用主体材料主要为橡胶、骨架线绳和齿包布三大类。 ( 一) 橡胶 目前制造同步带主要采用氯丁橡胶，它具有优异的强伸性能和动态疲劳性能，还 具有优良的耐气候老化、耐油、阻燃及突出的粘合性能。但氯丁橡胶的缺点是贮存稳 定性差和工艺性能差，易焦烧和粘辊，而耐热性差是作为制造同步带材料的最大弱点 氯丁橡胶同步带的使用温度范围为一3 0 。c 1 2 0 c 。现代机械传动向小型化、轻量化、 高效化方向发展，尤其汽车发动机对转速、功率和耐热性提出了更高的要求，氯丁橡 胶的性能发挥到极限也难以满足新的要求。 2 0 世纪7 0 年代中期开发的氢化丁腈橡胶( i _ t n g r ) 制作同步带基本能满足现代机械 传动的要求“1 。与氯丁橡胶相比，氢化丁腈橡胶具有优良的耐高温( 1 7 5 c ) 和耐低温( 一4 0 ) 的性能，有优异的物理机械性能和高弹性、耐臭氧、耐曲挠龟裂耐油、耐磨性能， 并具有类似丁腈橡胶的良好的加工工艺性能。因此，同步带用橡胶正逐步向氢化丁腈 橡胶发展。 n b r 在汽车用传动带中的用量占其总用量的5 0 以上。 ( 1 ) h n b r 品种 国外各厂家h n b r 商品牌号列于表卜1 和1 - 2 。瑞翁公司h n b r 的牌号中的前两位数 字表示丙烯腈( a c n ) 含量，2 0 和l o 分另l j 表示a c n 质量分数为0 3 6 和0 4 4 ：后两位数字 表示饱和度，数字越小饱和度越高。拜耳公司h n b r 的牌号中的a ，b 和c 分别表示饱 和度为9 9 5 ，9 8 和9 5 ，前两位数字表示a c n 质量分数，后两位数字为门尼粘度代 号。 瑞翁公司和拜耳公司还开发了一种由h n b r 与聚二异丁烯酸锌( z d m a ) 或丙烯酸锌 ( z ) 共混而成的复合体( 瑞翁商品名为z s c ，拜耳商品名为a r t ) ，此品种胶料具有非 常高的物理性能，在保持一般i i n b r 扯断伸长率、硬度保持不变情况下，拉伸强度高达 5 0 m p a ，并具有很好的韧性、耐油、耐磨及动态性能。1 。 适于制造传动带的h n b r 品种有：瑞翁公司的z e t p o i2 0 2 0 ，z e t p o l2 0 2 0 l 和z s c 2 2 9 5 l ：拜耳公司的t h e r b a nc 3 4 4 6 ，t h e r b a nc 3 4 4 7 和t h e r b a nv p k a8 7 9 6 等。 表i - 1 瑞翁公司h n b r 的商品牌号 商品牌号 c a n 质量分数 碘值 门尼粘度 ( g 0 0 0 9 ) 1 1 ) z e l p o i1 0 2 0 0 4 4 0 2 5 7 8 z e t p o l1 0 l oo 4 41 08 5 z e t p o l2 0 2 0 o 3 62 87 8 z e t p o l2 0 2 0 l o ，3 62 8 5 7 5 z e t p o l2 0 1 0 0 3 61 18 5 z e t p o l2 0i o l 0 3 6 1 1 5 7 5 z e t p o l2 0 0 0 o 3 648 5 z e t d o l2 0 0 0 l o 3 64 6 5 z e t p o l2 2 9 5 8 8 z e t p o l2 2 9 5 l 7 0 注：门尼轴度( 札( 1 + 4 ) 1 0 0 c 表1 - 2 拜耳公司h n b r 的商品牌号 商品牌号c a n 质量分数r d b l 门尼张度” t h e r b a na 3 4 0 60 3 4o 9 ( m a x )6 3 t h e r b a na 3 4 0 7o 3 409 ( m a x )7 0 t h e r b a na 4 3 0 70 4 30 9 ( m a x )6 3 t h e r b a nc 3 4 4 603 44 5 8 t h e 2 。b a nc 3 4 6 7 03 45 5 6 8 t h e r b a nb 3 6 2 7 03 62 5 6 t h e r b a nc 4 3 6 70 0 45 56 0 2 t h e r b a nv p k a 8 7 9 80 2 l 0 ，9 ( m a x ) 7 2 t h e r b a na r t 3 4 2 5 3 2 5 t h e r b a r n p k a 8 7 9 6 3 2 z 往：双键残余璧( r e s i d u a ld o u b l e b o n dc o n t e n t ) ：2 ) 门尼粘度( m l ( 1 + 4 ) 1 0 0 t ) ；3 ) t h e r b a nc 3 4 6 71 z d 姒共混母料。 ( 2 ) h n b r 性能特点刚 h n b r 通过配方调节，其性能可在较大范围内变化，其典型性能如表卜3 所示。 表1 3h n b r 硫化胶的典型性能 性能指标 邵尔a 型硬度度 4 5 9 0 1 0 0 定伸应力m p 3 2 0 3 0 0 定伸应力肝5 3 0 拉伸强度m p1 3 3 5 扯断伸长率 1 0 0 6 0 0 回弹值 室温3 0 5 0 7 0 5 3 5 6 压缩永久变形 2 3 7 0 h 1 5 1 5 0 7 0h2 0 2 0 0 7 0h2 5 阿克隆磨耗量c m 3 室温0 0 3 0 ，0 5 1 5 0 0 0 4 0 ，0 6 h n b r 的拉伸强度比c r 和n b r 高，z s c 甚至达到p u 的水平：h n b r 的耐热空气老化性 能优异，还与其饱和度有关，饱和度越高耐热性越好。h n b r 在1 5 0 x 4 2d 老化后扯 断伸长率保持率为5 0 ，拉仲强度实际上未变化，邵尔a 型硬度只增大ll 度。特别地， 不像其它橡胶，温度对h n b r 的硬度和模量影响不大，这点非常重要。汽车要求在一 定的温度和速度范围内，同步带应保持初始张力下的形状，以防带与带轮产生“时间 滞后( t i m el a g ) ”现织”1 。h n b r 的长期动态性能稳定。 给定使用寿命为l0 0 0h 时，各耐油橡胶的使用温度如表卜4 所示。 表卜4 使用寿命10 0 0 h 各种耐油橡胶的便用温度 胶种使用温度 c 乙烯基硫脲硫化c r 1 0 1 硫黄硫化n b r1 0 6 硫黄硫化h n b r1 2 6 过氧化物硫化h n b r1 5 0 苯甲酸铵硫化a c m i 5 9 h n b r 还具有良好的尉臭氧、耐天候老化和耐化学品性能，并具很好眙压缩永久变 3 形性能和耐溶胀性能。h n b r 动态性能优异( 见图1 1 ) ，其裂口增长明显低于c r 。h n b r 耐磨性能优越，这是由于h n b r 具有非常高的抗张积，而抗张积与耐磨指数成正比，因 此h n b r 是优良的耐磨橡胶材料嘲。 1 0 0 1 0 1 温度口。c 图1 1c r 与h n b r 动态裂口增长速率对比 c r ：o 删b r 自1 9 7 5 年h n b r 首项专利公布以来，h n b r 已逐渐发展成为当今世界汽车同步带生 产中首选的标准弹性体材料。日本本田公司于1 9 8 5 年首次生产出装备有以h n b r 为基 材制作的传动带的新型汽车。德国宝马公司亦于1 9 9 7 年通过装配由日本进口的h n b r 同步带而成为欧洲第一家装有h n b r 同步带的汽车生产厂家。2 0 世纪9 0 年代后期， 全世界汽车工业发展迅速，市场竞争激烈，汽车生产厂家纷纷想方设法通过最大限度 地延长凸轮轴传动同步带的使用寿命来提高汽车发动机的工作性能。目前，世界上几 乎所有的汽车生产厂家都在通过采用h n b r 同步带来提高汽车的质量。实践证明，在一 般行驶条件下，h n b r 同步带的工作寿命可达1 0 00 0 0 1 5 00 0 0 k m ，德国c 刚t i t e c h 公司采用h n b r z m a 与芳纶短纤维配合制造h s n - p o w e r 同步带在汽油机上使用，其寿命 已达2 4 00 0 0k m ，己接近“与发动机同寿命”的目标。 ( 二) 骨架材料 早些年生产的聚氨酯同步带，骨架材料一般采用镀铜钢丝，因为这种在轮胎、胶 管中普遍采用的骨架材料强度较高，且货源充足。但用钢丝作为骨架材料制成的同步 带经使用后伸长率大，同步带节距仲长，导致与带轮啮合不良，造成跳齿，使带了很 快损坏。分析其原因，可能是钢丝的初始模量小，在运行中受拉力变形较大。钢丝的 其他缺点是与橡胶粘合不良，易被抽出：钢丝在潮湿环境下易生锈，易与橡胶脱粘：钢 丝的不均匀性和扭曲也往往引起胶带变形或跑偏。这些因素都加速了同步带的损坏。 由于钢丝做骨架材料不能满足同步带的应用要求，必须寻找新的骨架材料。随着 工业技术的发展，玻璃纤维制造中的拉效、加捻、后处理等工艺的改进，制出了性能 好的玻璃纤维线绳，它具有抗拉强度高、模量大、耐热性好、尺寸稳定性好种长小、 比钢丝易与橡胶粘合等优点。较之钢丝同步带，玻纤绳同步带能在任何气候条件下工 4 作，在潮湿条件下不会锈蚀。为了提高玻纤绳的抗曲挠性和与橡胶的粘合性能，用丁 二烯、苯乙烯、3 - 二烯吡啶三元共聚物胶乳或与氯丁胶乳的共混物对玻纤绳进行浸渍 用玻纤绳制造的同步带基本上能满足当前汽车和一般工业传动的要求。但玻纤绳也存 在许多缺点，如脆性、不耐曲折和对冲击负荷稳定性羞，这往往引起同步带的使用可 靠性降低。也曾有人用聚酷，碳纤维线绳等试做同步带的抗拉体材料，效果均不好。 近年来开始采用芳纶线绳做同步带的骨架材料。芳纶与其他常用骨架材料比较有 如下优点：密度仅为钢丝的五分之一，玻纤的二分之一：在等重量下，强度为钢丝的8 倍，玻纤的3 倍，模量约为钢丝和玻纤的2 倍：在同体积下，芳纶的强度比钢丝和玻纤 高约5 0 ，模量比钢丝小，但比玻纤略高。但是芳纶的断裂伸长率比钢丝高，比玻纤略 高”。芳纶的这种性能主要是由其高结晶、高取向的大分了结构决定的。芳纶的拉伸性 能、弯曲性能、扭转性能的所有指标均高于传统的同步带骨架材料，它比强度大且密 度小，这对提高同步带的承载能力、减轻同步带的重量、减少同步带运行时的离心力 和振动特别有利。芳纶的高模量、低伸长率及蠕变小赋予同步带良好的尺寸稳定性， 使用中不伸长。芳纶耐高温，最高使用温度可达2 4 0 。c ，1 6 0 。c 下经5 0 0 h 强力几乎不下 降，所以是制造同步带的良好材料剐。现在人们已将芳纶作为骨架材料用于同步带中。 表卜5 各种纤维力学性能比较 芳纶玻纤钢丝尼龙碳纤维 密度( g c 3 ) 1 4 42 5 87 81 41 7 5 模量( g d ) 3 5 02 4 02 0 03 2 拉伸强度( b l p a )2 7 62 82 70 92 6 断裂伸长率( )4 o4 o3 o1 31 o 另外，美国的d o wc h e m i c a l 公司还将聚酰砸胺( p 8 4 ) 纤维和聚苯并眯唑( p b i ) 纤 维等合成纤维用于同步带上，只是由于价格原因，目前尚未推广。预计上述芳纶和这 两种纤维都会成为将来同步带骨架材料的主选材料。 ( 三) 包布层 为了保护同步带齿胶不受磨损，在同步带的齿表面覆盖一层耐磨的尼龙变形纱布。 要求该布纬向伸长率大( 1 3 0 ) ，经向强力要高，一般要在2 8 k n 5 c m 以上，以满足 生产工艺的需要。 由衣料用尼龙原丝织成的包布在同步带运行中易破损，必须用工业用尼龙原丝织 制包布，它拉伸强度商，耐磨、耐撕裂性也好。但尼龙的耐热性较差，在1 2 0 下经 5 0h 开始出现劣化现象，到4 0 0 h 强度下降3 0 7 0 。在同步带的硫化条件1 8 0 3 0m i n 下，一般强度下降1 5 左右，而为了增加伸长而加有氯纶或氨纶的尼龙布在该条件下强 力下降达5 0 左右，严重影响了同步带的使用寿命。涤纶和芳纶的耐热性较好，在1 2 0 下4 0 0 h 强力下降在1 0 以内，适合同步带的要求，故目前有涤纶或芳纶织物取代尼 龙织物做齿面包布的倾向。 5 为了更好地保护同步带齿胶，英国专利提供了一种双层尼龙齿包布，适用于汽车 发动机同步带，其外层布起抗磨损的作用，内层布起抗剪切的作用，而中问胶层则为 缓冲层。美国专利提供了另一种新型织物齿包布，即织物的经纱由一种卷缩合成纤维 构成，或由一种以弹性纱线( 氨纶) 为芯纱，其外缠以卷缩合成纤维的新型纱线构成：纬 纱由合成短纤维绞合纱线构成，特别是由间位芳纶短纤维绞合纱线构成“”。其表面带 有大量绒毛，适合于制造汽车同步带及其他使用要求严格的同步带，该齿包布能提高 带的使用寿命，并使传动噪声得到有效控制。 1 2 2 生产工艺与设备 目前同步带生产主要有浇注法和模压法两种生产方式，橡胶同步带主要采用模压 法。橡胶同步带的生产工艺流程如图1 2 所示。 图】2 橡胶同步带的生产丁艺流程 ( 1 ) 半成品准备 按工艺规程配料、混炼并按所需规格压延各种胶料。 压延胶片要求厚度均匀、无气泡。 6 尼龙包布浸胶干燥后，按需剪缝成筒状。 在待用模具上喷涂专用脱模剂。 预制硫化胶套。将数层规定厚度的胶片缠在喷有脱模剂的硫化胶套模具上，缠上水 包布后放入硫化罐中，硫化后脱模待用。 ( 2 ) 成型 将准备好的尼龙布筒套在相应模具上一起吊装到成型机上，按规定的节距和张力 缠上玻璃纤维绳，再缠上一定厚度的带体胶料胶片。 ( 3 ) 硫化 将未硫化带筒吊入硫化罐中盖上罐盖。给外汽室通入0 3 o 6 1 v i p a 的饱和蒸汽， 保压一段时问后，将饱和蒸汽通入内汽室加速硫化。 ( 4 ) 冷却 将硫化后的带筒吊入冷却池中冷却。 ( 5 ) 研磨 将冷却后的带简装到研磨机上，研磨至规定尺寸，取下。 ( 6 ) 脱模 将研磨后的带筒吊装到脱模机上，选择适当的脱模爪加压，启动下顶针将模具从 带筒中顶出，将模具放到模具存放区待用。 ( 7 ) 商标印刷 ( 8 ) 切割 选择适当的膨胀鼓装到切割机上并调到相应的尺寸，缠上数层未添加硫化剂的胶 片，用研磨轮研磨至适当的外径，套上带筒张紧后切割。 1 2 3 试验设备 ( 1 ) 汽车同步带疲劳寿命试验机 随着汽车发动机绐构更为紧凑、性能不断提高，对发动机中用来驱动凸轮轴的汽 车同步带的质量提出了更高的要求。为使同步带能够在汽车一定行驶里程之内可靠地 传递载荷而不损坏，必须对胶带的寿命进行比较准确的估计。疲劳寿命指标的准确检 测可为胶带生产厂家控制产品质量、保证产品可靠性和稳定性提供有力的保障。因此， 目前世界各国的汽车制造业和胶带生产厂家都十分重视汽车同步带的疲劳试验。同步 带的寿命检验在我国一直以来都是处于一种比较低端的状况，这种现状无法满足现代 工业对同步带产品质量的要求。一种产品如果要保证质量的要求，则检测手段一定要 显食得上，而我固试验检测手段落后，团外大型传动带厂家非常重视传动带性能研究 和产品质量控制，某些项目已做到在线检验。我们也要不断提高我们的检测质量，才 能给我们的传动带行业带来长足的发展。 汽车同步带疲劳寿命试验机在我国较少应用，贵阳曾从德国引进过一台，宁波裕 7 江特种传动带有限公司自主开发了汽车同步带模拟工况疲劳寿命装置，南京汽车厂为 该厂生产的s o f i m 发动机专门设计一套模拟工况疲劳寿命装置。 与国外比较从整体上看，我国带传动技术水平仍比发达国家落后，传动带生产工 艺装备除少数引进和吸收消化外，大部分企业生产能力很大，但设备陈旧，管理水平 低，职工素质不高，产品质量同发达国家相比，竞争能力明显处于劣势。在保证质量 的测试手段方面，2 0 世纪8 0 年代时，日本三星公司一家胶带专业生产公司就有近3 0 0 台试验设备。相对我国，拥有检测设备的厂家为数不多且般比较落后，这与我国拥 有的生产规模和市场规模很不相称。动力消耗、原材料消耗都很大，半成品质量差， 生产环境急待改善，劳动生产率低，产品使用寿命短1 这都是目前需要改善的地方。 ( 2 ) 同步带测长机 同步带为弹性啮合件，需在一定张紧力的条件下实现传动，为保证同步带与带轮 良好的啮合，要求胶带生产厂对带长进行逐条测量，因此，汽车同步带测长机是生产 必须的检测设备。同步带测长机是就同步带的跳动误差和长度误差来判断同步带质量 的测量设备，它根据测量结果来判断同步带是否符合相关的标准要求，以此来判定是 “合格”还是“不合格”，在同步带生产过程中，该机是确保各种传动带产品质量、提 高产品合格率的必备设备之一。 目前国内研制的同步带测长机测量精度最高达到0 伽，l ，且没有带传动的横向摆 动量的测量，2 0 0 3 年汽车罚步带g b l 2 7 3 4 2 0 0 3 标准实施以来，国内尚没有测量精度为 0 0 1 m m 的测长机。而日本、法国等国家的胶带生产企业均有高精度、自动化的同步 带测长机、无锡贝尔特胶带公司就从德国s c h o l e 公司引进了一套同步带数控测长机。 而且采用光机电一体化技术研究带的动态测量是目前国内外带生产技术的发展方向。 总之，带传动在现代机械传动中占据着重要的地位。带传动品种开发和理论研究、 带传动检测装置和试验设备、传动带和带轮制造设备和工艺控制技术等等方面，我国 与工业发达国家都有帽当大的差距。我们应针对带传动行业发展现状，切实解决些 基本和关键问题，使带传动技术真正为满足各行业机械装备对带传动日益增长的需求 和提高质量的要求服务。 1 3 同步带的国内外发展比较 同步带是1 9 4 6 年美国u n i r o y a l 公司( 传动带部分1 9 9 0 年并入盖茨) 发明的，最早 是梯形齿，7 0 年代初该公司又推出圆弧齿同步带( h t d ) ，固特异几乎同时开发出双圆弧 同步带( s t p d ) ，8 0 年代初意大利p e i l l i 又推出抛物线齿同步带，9 0 年代盖茨推出h t d 2 ( h t d 改进型即g t 或y u ) 同步带，至此同步带技术日臻完美，在询：多领域臂代了原齿 轮传动和链传动，如汽车正时传动( 汽车同步带) 。目前，国外著名的同步带生产厂家 有：意大利p i r e l l i 公司，德国的b e r s t o f f 公司，日本三星的8 a n d o 和u n i t a 公司， 美国的u n i r o y a l 公司及英国的d e n l o pg a t e s 公司等。在国外，技术先进国同步带的 8 生产量很大。据资料介绍，日本同步带年产量近8 万条，销售额约2 0 5 亿日元，产品 规格多，质量优良，也口率高。 我国从上世纪6 0 年代开始生产聚氨酯同步带，但由于材质的耐热、耐水性能差， 以及工艺、设计和使用等方面的原因，工作寿命不稳定，。不能完全满足进口和国产设 备上高转速和大功率的传动要求。8 0 年代起，随着国外技术和设备的大量引进，以及 国内机械设计、制造部门对同步带的采用和技改工作的需要，使同步带的需求日趋迫 切，用量越来越大，国家每年花大量的外汇进口同步带。 为此，我国从1 9 8 4 年开始引进联邦德国s c h o l z 公司的氯丁橡胶同步带生产线。 近年来，同步带发展方向已由上述的梯形齿同步带向高转矩、低噪音、长寿命的圆 弧齿同步带方向发展。圆弧齿同步带包括单圆弧同步带、双圆弧齿同步带、平顶圆弧 齿、抛物线圆弧齿同步带等。它们啮合合理，包络齿数多，带齿和轮齿干涉量少，应 力分布均匀，带齿的抗剪切应力高，寿命也高。2 0 世纪中后期以来，同步带传动在我 国发展较快。在汽车、纺织、烟草机械等行业有较大市场，其它方面如粮食食品机械、 石化机械、家用电器、办公机械等，亦广泛予以应用。近年来，数控机床中，同步带 传动的应用呈显著增长趋势。 1 4 研究目的及意义 同步带是传动带中的最新一类产品，它的传动原理虽早在1 9 0 0 年即有若干专利出 现，然而直到半个世纪之后才开始工业化，8 0 年代起终于成为精密机械的主导传动产 品。特别是用饱和丁腈橡胶和聚氨酯弹性体制造的高精度微型带，已经进入了高新技 术领域。齿型带与传统传动带的最大不同点在于：同步、静音。因此它是当今最受推崇 的环保型产品。近年来，齿型带的齿型由方齿改为圆齿之后，更进一步增大了传动力 发展，前景极为广阔1 。 在国外同步带传动已经十分普及，国内发展应用的相对比较晚，目前主要应用于 汽车、纺织、食品机械、家用电器、办公机械等方面，近年来发展很快。但由于工艺、 设计和使用等方面的原因，我国生产的同步带工作寿命不稳定，不能完全满足进口和 国产设备上高转速和大功率的传动要求。目前国内对它的研究还不够，介绍的文章也 不是很多，也不是很系统，在同步带传动方面从同步带传动的理论研究、标准化工作 的开展、生产工艺的改进、产品质量的控制和试验测试手段等方面都有待进一步加以 研究与完善，因此影响了它的进一步发展与应用。为此本文详细地讨论分析了同步带 的静态尺寸测量分析、动态性能评价以及制造精度等方面，分析影响它们的因素，以 期对同步带的测试和实际生产起指导作用，也为国内的广大用户提供些参考。 9 1 5 本论文研究的主要内容 本文将详细地对以下几个方面进行讨论分析： ( 1 ) 系统的分析同步带传动的结构与性能特点，结合同步带的性能特点分析传动 多边效应对传动性能的影响。 ( 2 ) 针对同步带传动特性，系统研究静态性能分析评价体系。 ( 3 ) 设计加工汽车同步带数控高精度测长机，并提出同步带节距、齿高、齿形角 等参数的测量方法。 ( 4 ) 进行同步带传动横向振动和纵向振动的系统分析，建立同步带传动动态性能 评价方法。 1 0 第二章同步带传动的结构与性能特点 2 1 同步带的型号和截面尺寸 同步带根据齿的形状来分，有梯形齿( 直边齿) 和圆弧齿两种( 如图2 1 ) 。前者己 有较长历史，它主要用于中，小功率的同步带传动，如各种仪器，计算机，轻工机械中均 采用这种同步带传动。后者由于齿高、齿根厚和齿根圆弧角半径均比梯形齿同步带大， 而使得带的齿面受力和应力分布均匀，被称为高转矩同步带传动又称h t d 带( h i g h t o r q u ed r i v e ) 或s t p d 带传动( s u p e rt o r q u ep o s i t i v ed r i v e ) 。圆弧齿同步带能避免 带齿与轮齿的干涉，因此，圆弧齿同步带比梯形齿同步带传递功率大，它主要用于重 型机械的传动中，如运输机械( 飞机，汽车) ，石油机械和机床，发电机等的传动。据初步 试验，圆弧齿同步带的承载能力可提高3 0 一5 0 ，在传递大功率的场合，圆弧齿同步 带有逐步取代梯形齿同步带的趋势“。 为了适应多轴传动和反向传动，又出现了双面齿同步带。双面齿同步带其带体上 下都为传动工作面，因此对带体的拉伸强度和耐屈挠性要求更高。同步带按齿形结构 分为“z 1 ： ， 同步带一， r 梯形齿 l _ 1：= l 鲫弧齿 ( a ) ( b ) b ( a ) 圆弧形拨带 ( ”睇形齿带 图2 1 同步带结构 我国同步带按规格制分为三种：一是模数制，二是节距制，三是d i n 米制节距制。 1 1 模数制同步带主要参数是模数( 与齿轮相同) 。我国自6 0 年代引入同步带以来，由于模 数制同步带具有与齿轮相似的尺寸规格，且采用公制，故在国内多年来多生产和使用 模数制同步带。箍着国际交流的增长，从国际上看，目前仅前苏联和东欧各国仍采用 模数制，其他国家均采用节距制。节距制同步带的主要参数是带的节距，该规格制度 已列入国际标准，我国是国际标准化组织的成员国，根据我国现行的技术政策要求， 我国的同步带尺寸规格向i s o 标准靠拢。故现在改用节距制。g b l l 6 1 6 8 9 节距制同步 带尺寸标准是等效采用i s o 同步带标准，并在此基础上增加了x x l 同步带型号而制定， 同步带型号按节距制分成7 种型号： m x l ( m i n i m a le x t r al j g h t ) 最轻型一节距只= 2 0 3 2 m m x x l ( e x t r ae x t r al i g h t )超轻型一节距最= 3 17 5 m x l ( e x t r al i g h t )特轻型一节距只= 5 0 8 0 r a m l ( l i g h t )轻型一节距只= 9 5 2 5 m m h ( h e a v y )重型节距只= 1 2 7 0 0 i n t o x i ( e x t r ah e a v y )特重型一节距只= 2 2 2 2 5 m m x x h ( d o u b l ee x t r ah e a v y )最重型一节距只2 3 1 7 5 0 m m d i n 米制节距是德国同步带传动国家标准制定的规格制度其主要参数为齿节距，但标 准节距数值不同于i s o 节距制，计量单位为公制在我国，由于德国进口设备较多，故 d i n 米制节距同步带在我国也有应用。 节距制梯形齿同步带的主要参数( 图2 2 ) ： ( 1 ) 带的节距疋 同步带相邻两齿对应点沿节线度量所得的长度称为同步带的节距。节距的大小， 决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载的 能力越大，因此，节距是同步带最主要的参数。在节距制同步带系列中以不同节距来 区分同步带的型号。 ( 2 ) 同步带的节线长度l 同步带工作时，其承载绳中心线长度应保持不变，因此称此中心线为同步带的节 线，并以节线周长l 作为带的公称长度，称为节线长度。当带传动的中心距己定时， 带的节线长度过大或过小，都会影响带齿与轮齿的正常啮合，为此对梯形齿同步带的 各种节线长度已规定公差值。 ( 3 ) 带的齿根宽度s 一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之问的距离称为带的齿根宽度。带的齿 根宽度大，则使带齿的抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传递较人的载荷。 节距制同步带的其他尺寸如带齿的齿根圆角半径r ，齿顶圆角半径r 。以及齿形角 b 和带宽b 等均与节距的大小有关。 形“ 。 r ， q l ， y 心l 蠢 一 s p 图2 2 带的标准尺寸 我国对汽车同步带有其独立的国家标准。z a 、z b 型：梯形齿；z h 、y h 型：圆弧齿 h 系列；z r 、y r 型：圆弧齿r 系列；z s 、y s 型：圆弧齿s 系列。 2 2 同步带的特点 ( 1 ) 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，虽然同步带是弹性体， 但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变， 使带与轮齿槽能正确啮合，故带与带轮问无相对滑动，能保证准确的传动比( 如图2 3 ) 。 霹熟置 k e 西 蔽境 图2 3i 司步带结构与同步带传动 ( 2 ) 同步带通常以玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，带体轻而薄、 强度高，故耐屈挠性能好。 ( 3 ) 传动速度高，可达4 0 m s ，传动比可达到1 0 ，且准确，低噪音。 ( 4 ) 由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，传动效率可达9 9 5 ， 它与三角带传动相比，有明显的节能效果。传动功率范围大，从数百瓦到一匕百千瓦。 ( 5 ) 传动比范围大，结构紧凑，同步带传动的传动比一般可达到1 0 ；生右，而且在 大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径 比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力， 使带轮轴和轴承的尺寸都可减小所以与三角带传动相比，在同样的传动匕匕下，同步带 传动具有较紧凑的结构 ( 6 ) 维护保养方便，运转费用低。由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤 维，钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带，链传动等需经常调 整张紧力此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，故省去了润滑和供油系统。所以 维护保养很方便，运转费用比三角带，链，齿轮要低得多。 ( 7 ) 耐磨性好，寿命比摩擦带长。 2 3 同步带传动的运动特性 同步带传动是具有中问挠性件的啮合传动，其动力是通过齿与齿之问的法向力和轮 齿顶部与带齿根部的摩擦力以及带齿的弹性变形来传递的，同时，同步带传动又具有 类似链传动的多边形效应。由此使同步带的啮合具有较复杂的性质。 2 3 1 多边形效应的形成 图2 4 为同步带与带轮的啮合传动情况。当同步带的一个节距与带轮的一个节距 互相啮合时，同步带先以其齿间部分包到带轮齿顶上，带的这部分节线与带轮的节圆 重合，紧接着是带的齿厚部分嵌入带轮齿槽内。但由于同步带工作时带受有拉力，加 之其齿厚部分的高度远大于齿阃，因此当带齿进入带轮齿槽时，带的节线将成折线包 绕于带轮齿槽上，而使这部分带的节线与带轮节圆不重合，此时包绕于带轮上的带的 一个节距将由一段圆弧a b 和一段直线b 组成。在带与带轮的整个接触弧内，带将交替 地以圆弧和直线包绕于带轮上的整个接触弧内，带将交替地以圆弧和直线包绕于带轮 上，成近似的多边形形状。这种多边形的存在，使同步带传动类似于链传动，引起传 动速度的变化，称为多边形效应。 铲淤 | 一、 l 厂v 、i 图2 4 同步带与带轮的啮合 2 3 ，2 多边形效应对传动同步性能的影响 节线 带轮节阉 由于多边形效应使带齿部分节线与带轮节线不重合。如假设同步带主动边始终处于 水平位霞，则当带齿进入啮合时，在a 点的圆周速度圪。将与带运动方向不一致，把呢 1 4 分解成沿带前进方向的水平分速度矿和垂直分速度，则可得到 v = 虼c o s q 一d 2 c o s 妒 v 一s i n q ，。d 2 0 j s i n q ， 式中妒角为匕。与水平线的夹角，即为带齿在节圆上的节厚所对中心角的一半。 当西2 伊时，v ；= d 2 0 j c o s q ， v 一v s i n 舻= d 2 w s i n q ，( 如图2 5 ) 当由= o 时，v = k = d 2 0 j v 一bz 0 由图2 5 可知：2 0 = 2 s d ( s 为带齿在节圆上的齿根厚) d 一带轮节圆直径 若带轮齿数为z ，节距为尼，则d 2 = z 最2 “代入上式 = s z p 图2 5 同步带在啮合中的速度变化 根据以上分析，由于同步带传动存在多边形效应，即虽然主动轮作等速度。回转， 但带的瞬时速度v 却在由小变犬，又由大变小周期性变化，每转过一个节距，带速将 重复变化次，同时带的垂直方向分速度v 7 也在周期性变化，而使带上下颤动，带速 的这种变化将影响到带的同步性能和工作平稳性。 从妒角的计算公式看出：随着带轮齿数减小或带轮节距的增加，将使带速变化范围 扩大，相应使同步带传动不平稳，冲击振动增加。 为了减少这种运动的不均匀，在设计使用同步带时，宜尽可能选用小节距的同步带： 在传动布置和带速许可情况下，小带轮衡数宜取大些：各种型号的同步带轮许用的最小 齿数可查。同时，同步带运转速度v 不能过大，对于小节距同步带m x l 、x l 、 l ，2 4 0 m s 5 0 m s ：而对h 型同步带，。= 3 5 m s 4 0m s ，对大节距的x h 、x x h 型 同步带，。，= 2 5 m s 3 0 m s 。 但以同步带传动与链传动比较，其运动不均匀性较为微小得多，以h 型带为例( 齿根 厚s = 6 1 2 r a m 、只= 1 2 7 m ) ，在带轮最小齿数z d 。= 1 4 时，妒= 6 1 9 2 。，带速v 将在( 1 0 9 9 4 ) d 2 范围内变化，且随着带轮齿数增多，带速变化范围会更小，因此同步带传动 比链传动具有更好的同步传动性能。 此外。由于同步带为弹性体，能起到吸收振动、缓和冲击作用，因此由带速变化而引 起的动载荷小得多。 2 3 3 多边形效应与同步带直线传动移动误差之间的关系 如图l 所示为同步带直线传动机构简图。图中1 、2 为两相同的同步带轮，移动件3 套在同步带3 上并固联形成一封闭环。通过该传动机构，将主动轮l 的正逆回转运动( 妒) 转换为移动件3 的径复直线移动( s ) 。 2 妒+ 2 8 = 2 尼zd 式中，z 为同步带轮的齿数：x ，、y r e 为图2 6 a 中圆0 的圆心坐标。 1 6 毒封 ( a ) 基准位置p = 0 0 测 i j 是 。+ 嗯罗 ( b ) 目= 口 ( c ) 口= 尹+ 2 ( d ) 0 = 2 妒+ 2 p 图2 6 主动同步带轮转过不同角度时的啮合情况 在图2 6 中，设主动同步带轮逆时针转动，并以图2 6 a 齿槽的对称轴线o y 为同步 带轮转角口= 0 。的起始位置。现在分析当同步带轮转过一个节距，即0 0 2 7 r z 的范 围过程中引起的同步带直线传动移动误差从。如图2 6 所示，在一个节距范围内。同步 带与同步带轮的接触情况又可分为三个区域，即0 0 妒范围内的弦运动、 妒s 秽s 妒+ 范围内的圆运动和伊+ 2 , o s 臼2 7 r z 范围内的弦运动。下面首先分析这 三个区域内同步带的商线移动误差置、腊，、x ，。 0 0s 舻区域，由图2 6 a 转动到图2 6 b ，同步带的位移由两部分组成，弦运动位移 s 及圆运动位移s ：，由图2 6 b ，s 。和s ：分别为： s = r ，s i n 口o s 2 = ( r 。+ c ) 妒 s 实际= s l + s 2 = r ，s i n a 一( r ，+ c ) 妒 定义s 理论与s 实际之间的偏差 a = s 理论一s 实际 将s 实际代入得移动误差x 。为： 置= 疋妒一r ，s i n 一( r ，+ c ) p ( 2 1 ) 伊臼 2 0 以后。 ( 2 ) 由多边形效应作用产生的同步带直线传动移动误差与同步带轮的齿数z 成反 比。齿数z 越少，多边形效应越明显，产生的误差越大：反之则越小。但对于每种型号的 同步带，当齿数大于一定值后，移动误差的变化趋势较小，特别是当节距t 3 0 以后，移动误差的变化非常小。 第三章同步带静态性能分析 同步带静态性能评价包括同步带的外观、几何形状尺寸及物理机械性能等指标， 上述各项参数可以通过测量获得。通过对同步带上述各静态参数的测定，可以评价出 所测同步带是否符合实际规定的各项标准，从而得知同步带在静态状态下的质量状况。 这些参数还会影响到同步带以后的使用性能，对同步带的动态性能测定产生一定的影 响，因此对同步带静态状态下各参数尺寸以及物理性能的测量是十分必要的。 3 1 物理性能的测量与分析 同步带的物理性能测试主要包括带背硬度、拉伸强度、包布粘合强度、芯绳粘合 强度、齿体剪切强度、耐高温性、耐低温性、耐油性、耐臭氧性、耐水性等。带检验 的标准环境条件为：温度( 2 5 5 ) ；相对湿度( 6 5 士2 0 ) ，其实验试样的标准条 件应在产品硫化以后至少2 4 小时进行。同步带出厂基本物理性能要求参见表3 1 。 表3 - i 同步带物理性能 项目供货状态耐高温性 耐油性耐水性 下( 1 1 0 2 ) c b t1 6 9 0l 号油1 0 0 ( 开水) 3 h ( 2 5 x 7 0 h( 1 1 0 2 ) x2 2 h 5 ) ( 水)