（机械设计及理论专业论文）汽车同步带传动设计方法及传动性能研究.pdf

摘要 本文在系统总结同步带国内外发展的基础上，分析了同步带传动结构及性能，并针 对汽车用同步带传动要求，给出了同步带静态性能评价和试验方法及多轮同步带传动设 计方法，并利用r e c u r d y n 多体动力学分析软件进行了同步带传动的动力学仿真分析。 设计加工了汽车用同步带数控测长机，测长精度达5 p m ，并采用激光测距技术，解决 了同步带测长时横向摆动量检测的难题，其测量精度达l o a m 。建立了同步带传动的 横向振动和纵向振动模型。并开展了在不同转速和不同初拉力条件下，测长机同步带传 动的振动试验，提出了测长机测量用转速范围，保证测长精度的要求。 关键词：同步带静态性能设计方法 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ra n a l y z e st 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 ft h e s y n c h r o n o u sb e l t t r a n s m i s s i o n ，b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ta n ds u m m a r i z i n gt h ek n o w l e d g eh o m ea n da b r o a d i t s u m su pt ot h ef a c t o r so f c a p t i v et e s tm e t h o d sa n de v a l u a t i o n sa b o u ts y n c h r o n o u sb e i t sa i m i n g a tt h e t r a n s i m i s s i o nc r i t e r i o n i tc a r r i e do u tt h es i m u l a t i o no fd y n a m i c sa n a l y s i so fs y n c h r o n o u sb e l tw i t h ”r e c u r d y n ” a tb a s et h e l e n g t h m e a s u r i n gn c ( n u m e r i c a lc o n t 0 1 ) m a c h i n ew a sd e s i g e n e da n d m a n u f a c t u r e d i ta r r a n g e 5 朋b ya c c u r a c y i ta l s os o l v e dt h ep r o b l e mo ft h em e a s u r e m e n to fl o n gh o r i z o n t a ls w i n gc a p a c i t y t h e a c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n tc a l lr e a c hu pt o + 10 n n i te s t a b l i s h e dt h em o d e l so fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lv i b r a t i o no ft h es y n c h r o n o u sb e l t t r a n s m i s s i o n i tg o e sa l o n gw i t ht h ev i b r a t i n gt e s t so ft h es y n c h r o n o u sb e l t s ，w h i c hc a r r i e do u t i t ss p e e da r r a n g e m e n t ，t oe n s u r et h ea c c u r a c y 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 e s i g nm e t h o d i l 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汽车同步带传动设计方法及传动性 能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：f 霾碴塑强绛立月丑日作者签名：f 到型勉强绛立月丑日 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中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它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：年互月日 指导新躲磐盘l 学年五眵日 第一章绪论 同步带是1 9 4 6 年美国u n i r o y a l 公司推出的一种新型传动带。当时主要应用在缝 纫机和线轴的同步带传动上，是在综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展 起来的。由于是利用带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。与v 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i l j 。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。因而其发展非 常迅速，并在一些特定场合已经取代了其它类型带传动或链传动，现已广泛应用于纺 织机械、汽车、烟草机械、食品机械、轻工、化工、计算机和通用机械等领域。 汽车同步带是汽车发动机重要的零部件，也是同步带重要的组成部分，主要应用于 汽车发动机曲轴与凸轮轴间的传动上，此外也用于要求与发动机曲轴保持固定传动比 的辅助系统上，如喷油泵、配电盘和水泵的传动上如图1 1 所示。汽车同步带与一般工 业用同步带之间差别在于汽车同步带工作情况较为复杂。因此，汽车同步带除具有一 般同步带的特点外，还应与汽车发动机的工况条件相适应： 1 、要求有较高的强度和抗冲击载荷能力：因为根据汽车行驶要求，发动机将经常 起动、变速。这将使同步带受到冲击载荷的作用，同时在许多发动机上采用涡轮增压 后输出功率也相应的增大，这样对应同步带就提出了更高的强度要求。 2 、有较高的工作可靠性和使用寿命：因为 汽车同步带传动控制着曲轴、凸轮轴的相应位 置，支配配气，点火的准确时问。因此要求同 步带工作应十分可靠。 3 、要求有较好的耐磨耐热性和耐腐蚀性： 根据汽车发动机的工况，同步带将处在高温， 有水、油、尘埃的工作条件下。一般要求汽 车同步带能在1 1 0 。c 以下的温度j 下常工作，并 有强的抗腐蚀和耐腐蚀的能力。 4 、要求有更精确的传动同步性能：由于传 动能否同步将影响曲轴、凸轮轴间的相位，也 直接影响到发动机的配气和点火时间的正确性。 图1 1x x 欧i i i 发动机同步带传 动系统布置图 因此要比一般用同步带具有更精确的传动同步性。 5 、结构紧凑：由于发动机端部不仅装有水泵、风扇、凸轮等多种附件，因此要求 同步带传动所占空问尽量小，结构紧凑，以减少发动机的占用空间。 1 1 同步带结构与分类 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1 2 所示。根据用 途又可分为一般工业用带、汽车用带和农机用带，不过每一种带又都分为梯形齿和圆 弧齿二种，梯形齿己有较长历史，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 梯形齿 图1 2 同步带结构 圆弧齿 形齿同步带大，而使得带的齿面应力分布均匀。因此，比梯形齿同步带传递功率要大， 所以被称为高转矩同步带传动又称h t d 带( h i g ht o r q u ed r i v e ) 或s t p d 带传动( s u p e r t o r q u ep o s i t i v ed r i v e ) 。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。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【12 1 。 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。所以同步带按齿形结构又分为如图1 3 所示： 广一梯形齿单面齿同步带 广一单面齿同步带- 一 l l 一圆弧齿单面齿同步带 同步带_ 4f - 梯形齿 i 厂一对称双面齿同步带_ 1 l 删删1：瓣 l 一交错双面齿同步带_ 一 l 圆弧齿 图1 3 齿形结构分类 我国同步带按规格制又可分为三种：一是模数制，二是节距制，三是d i n 米制节 距制。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， 2 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。随着国际交流的增长，从国际上看，目前仅前俄罗斯和东欧各 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 规格制度己列入国际标准，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 1 4 l 1 5 j 如表l 一1 表1 1 同步带的犁号与节距 同步带型号 节距 ( n l f l l ) 只= 2 0 3 2 只= 3 1 7 5 只。5 0 8 0 b 29 5 2 5 只21 2 7 0 0 咒。2 2 2 2 5 咒23 1 7 5 0 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， d i n 米制节距同步带在我国也有应用。 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。其中z a 、z b 结构尺寸是参考一般用同步带l 、h 型同步带发展而成的二种带型。z a 、z b 是在保持 梯形齿的同时，考虑到汽车同步带j 下常工作时工况较复杂【l6 ，其要求有良好的同步性 和奈冲击载荷能力和更低的伸长率。为此，在保持l 型带齿廓尺寸和节距的基础上， 采用原用h 型中的较大直径的承载绳，这样既使结构紧凑，又满足了高抗拉强度、低 伸长率的要求。其他的齿形也是在一般同步带基础上开发出来的。 1 2 同步带研究的国内外发展状况 同步带是1 9 4 6 年美国u n i r o y a l 公司发明的，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 ) ，固特异公司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，至此同步带技术同臻完美，在许多领域替代了原齿轮传动和链传动，如汽车 正时传动( 汽车同步带) 【3 1 。目f j ，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， l l i h 眦 姒 n l h 瓤 德国的b e r s t o f r 公司，日本三星的b 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，技术先进的国家同步带的生产量非常大，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，出 口率高。 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置顶 式凸轮轴发动机，以代替原来使用的滚子链传动而开发的一种传动，目前国外现有的 新牌号的排气量在3 0 0 0 m l 以下的汽车发动机基本采用同步带传动，曰本近1 0 0 ，美 国近4 0 ，我国引进的轻型轿车除广州标致外均采用了同步带传动技术。 我国从上世纪7 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【4 j 。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，用量日益增加。其中，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，期间青岛橡胶工业研究所与哈尔滨工业大学合作研究s t p d 齿形汽车 同步带；无锡贝尔特与一汽技术中心联合开发4 8 8 发动机同步带，性能指标达到克莱 斯勒标准；上海胶带厂为大众开发桑塔纳用同步带。随后宁波裕江、贵州大众和辽阳 凯利特橡胶有限公司相继开发成功汽车同步带，为国内发动机厂配套生产【5 1 。 近年来，随着同步带的应用日益增加，对其使用性能也提出了更高的要求，同步 带发展方向己由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1 6 j 。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。其中关于载荷分布的论文占很大比例，如瑞士的g 杰倍尔特、 日本的小山富夫、纲岛贞男、苏联的哥列维奇、c h 高采夫尼克夫等均对带齿问的载 荷分布进行了理论性和实验性的研究1 9 1 ，国内方面上海机械学院的方文中教授通过实验 也对载荷分布做了深入的分析，并出版若干这些方面的书籍( 7 】1 8 1 。在齿形研究方面，主 要着重于圆弧齿形的结构设计，英、日、德等国学者分别从强度、消除啮合干涉，减 少振动、噪声等方面论证了圆弧齿形的优越性。国内诸如齐齐哈尔大学的郭建华、南 通工学院的杨玉萍等人也分别从啮合干涉、振动等方面进行了一系列的研究并也取得 了显著的成果1 9 1 1 1 0 1 。目前，国内生产汽车同步带企业近3 0 家，为汽车发动机专门配套 同步带的主要企业有无锡贝尔特、贵州大众、辽阳凯利特、宁波裕江有限公司。年产 汽车配套同步带达3 5 0 4 0 0 万条，若计入汽车发动机用同步带零部件市场的销量，每 年国内需要汽车同步带达8 0 0 1 0 0 0 万条。但是国产汽车同步带传动性能与国外发达国 家同类产品相比仍存在着疲劳寿命偏低、传动噪声较大和同步带带长一致性较差等问 题，尤其是同步带传动的设计方法仍停留在二轮传动的设计方法上，对多轮传动的设 计方法研究较少，一定程度上制约了汽车同步带的使用和传动性能的发挥。而且汽车 同步带设计所用的基本额定功率表参照采用了i s o5 2 9 5 1 9 8 1 同步带额定功率表与传 4 动中心距的计算和日本、英国等国家的标准，由于还没有制定出符合国产汽车同步 带的基本额定功率表，严重制约了汽车同步带设计方法和同步带传动性能评价的研究 发展，使国内汽车同步带的型号及产品性能一直跟着从国外引进汽车发动机的进展而 变化，阻碍了具有自主知识产权的汽车同步带的产品开发。同时针对汽车同步带传动 静态性能和动态性能检测装置、试验设备、同步带和带轮制造设备、工艺控制技术等 方面【i l 】，我国与工业发达国家都还存在着一定的差距。诸如作为汽车同步带的必要检 测设备之一的汽车同步带精密测长机和传动性能试验机及疲劳寿命试验机，尤其是汽 车同步带测长时增加了横向摆动量检测。目前，国内尚没有开发出满足g b l 2 7 3 4 2 0 0 3 标准的汽车同步带精密测长机。 1 3 研究的目的及意义 汽车同步带是发动机重要的零部件，也是带传动的重要组成部分，据统计国内2 0 0 5 年汽车用同步带为9 1 0 万条( 1 条辆) ，预测到2 0 1 0 年同步带达到1 3 3 0 万条， 到2 0 1 5 年我国轿车产量将达到5 9 8 万辆，轿车保有辆将达到4 1 2 5 4 4 2 2 万辆弘j ， 其应用前景非常乐观，具有良好的经济效益和社会效益。现阶段国内对同步带的研究 不是很系统。从同步带传动的设计方法、标准化工作的开展、生产工艺的改进、传动 性能评价、产品质量的控制和试验测试手段等方面都有待进一步完善，本论文将从理 论方面系统分析同步带传动静态性能和同步带传动平稳性，利用多体动力学仿真软件 r e c u r d y n 进行汽车用同步带传动仿真分析，以同步带二轮传动设计方法为基础研究多 轮传动设计方法，并结合企业需求和国家标准宣贯研制开发汽车同步带数控精密测长 机，其研究具有一定的理论和实用价值。 1 4 本论文研究的主要内容 1 、系统研究分析汽车同步带传动静态性能评价体系： 2 、研究建立汽车同步带传动横向、纵向振动模型，并做初步实验验证； 3 、利用多体动力学仿真软件r e c u r d y n 进行汽车同步带传动仿真分析； 4 、设计i j n t _ 汽车同步带数控精密测长机，进行测长和横向、纵向摆动量试验： 5 、系统归纳研究汽车同步带的传动设计方法，并编制二轮传动设计方法计算机辅 助设计软件。 第二章同步带传动静态性能分析 同步带的传动性能包括静态性能和动态性能，本章是对静态性能的评价分析，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或实验获得。通过对同步带上述各静态参数的测定，可以评价出 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。静 态性能的指标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。 2 1 同步带主要尺寸要素 下图2 i 为节距制梯形齿同步带主要参数： 图2 1 带的标准尺寸 l 、带的节距只 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大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载能力 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。 节距直接影响载荷分配和啮合干涉。这是造成带齿磨损、过载弯断甚至产生跳齿， 随即带体拉断的主要影响因素。由于张紧力等原因，国际标准和国家标准均规定带轮 外径( 或节距) 为正公差。而在调查中发现，国内不少工厂生产的同步带节距都偏小，只 有依靠经验来配作，致使带轮超标按负公差加工才能实现较好的啮合，这样既不能保 证带轮精度，也不能保证互换性和规模生产，目前有些工厂采用同步带和带轮配套加 工，虽能暂时解决局部问题，但根本问题未解决。 只有解决同步带的尘产工艺和模具设计问题，贯彻同步带和带轮的国家标准，研 制带长或节距的检测装置，生产出节距准确的同步带产品，才能减少节距差对同步带 寿命的影响。 6 2 、齿高 在同步带标准中，齿商未规定公差，考虑胶料收缩后使齿形尺寸接近于标准尺寸， 则在图纸上对齿槽尺寸应给予正偏差，偏差值的大小建议采用齿形尺寸的收缩量作为 偏差值。 橡胶制品的要求除了胶料性能外，主要反映在橡胶制品公差、表面粗糙度和制品 的压质等方面。为了使由模具压制得到的橡胶制品符合设计规定的公差要求，则在设 计模具时必须考虑胶料的收缩率，胶料的收缩率是指橡胶制品制成后从模腔内取出冷 却到常温的尺寸与橡胶制品对应的模腔尺寸之差与橡胶制品公称尺寸之百分比，其计 算公式如下【1 7 1 1 8 1 ： k ：d i - d 1 0 0 ( 2 1 ) d 式中k 胶料的收缩率5 d 橡胶制品的公称尺寸 r m ： d 。模具型腔尺寸m m ； d 硫化后的橡胶制品尺寸m m 。 因设计模具总要使d = d 故模具型腔尺寸d 。= d + d k 。影响胶料收缩率的因素很多， 如胶料、硬度、含胶率和硫化程度等，这些因素与收缩率通常有如下关系： ( 1 ) 对胶料而言，收缩率顺序是：天然橡胶、氯丁橡胶 丁氰橡胶 丁苯橡胶 氟橡 胶 硅橡胶。 ( 2 ) 对硫化硬度而言，收缩率与硬度的关系如图2 2 所示。 x 簧 瓷 善 2 53 54 55 56 57 58 5 硬度 图2 2 硬度与收缩率的关系 ( 3 ) 对含胶率而言，收缩率与含胶率的关系如图2 3 所示。 装 簪 瓷 善 含胶最 图2 3 收缩率与含胶量的关系 ( 4 ) 对硫化程度而言，收缩率与硫化程度的关系如图2 4 所示。 装 碍 舞 姿 欠硫 正硫过硫 图2 4 收缩率与硫化的关系 此外，硫化方法不同，胶料的收缩率也不同，一般来讲，注压小于普通模压。另 外，还与制品断面结构有关，对于有骨架衬托的制品收缩率较小。根据橡胶工业手册 资料介绍，氯丁橡胶的收缩率通常为1 8 - 1 9 。由于同步带是种厚度较小的空心橡 胶制品，再加上同步带中设有收缩率极小的玻璃纤维作骨架以及齿面以尼龙弹力帆布 覆盖，因而同步带的收缩率远低于实心橡胶制品通常的收缩率。如果脱模温度接近于 室温时，其收缩率为0 1 0 1 5 ，但当脱模温度较高时，此时的收缩率达0 1 3 0 4 ， 这样的收缩率使同步带节长尺寸超差，而且容易发生变形不均匀，所以理想的脱模是 冷脱模。 在考虑收缩率时模腔的直径为： d ，= d + k d ( 2 2 ) 式中：d 。模腔实际外径m m ； d 模腔公称外径m m ； k 一收缩率。 3 、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。当带传动的中心距已定时， 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，为此对同步带的各种型 号各种节线长度都已规定公差值。祥见参考文酬1 9 1 。 4 、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，相应就能传递较大的载荷。 5 、齿形角 在同步带标准中，齿型角也未规定公差，其精度由模具的齿形精度决定。在用滚 刀加工模具的过程中，法面为直齿廓、端面为准渐开线齿廓的滚刀，滚切加工后的模 具齿廓均为渐开线。由于滚刀螺旋角一般较小，故为简化计算，提高运算精度，我们 取滚刀法面直齿廓为研究对象。通过限定牙形半角和工作齿廓直线度，来保证齿形精 度要求。因为，牙形半角和齿廓直线度是影响齿形的关键因素，为保证带轮和模具齿 顶圆角的加工，用啮合原理的包络线法来精确确定滚刀齿根圆角半径，以保证整个齿 廓的齿形误差在标准中规定的公差范围之内。 8 在用一把法面直齿廓滚3 - j 加工不i 司齿数的l 司步带模具时，为保证带轮节距，必须 使刀具节线与模具节线重合，亦即与模具的分度圆重合( 对于节距为p 、齿数为z 的带轮， 其分度圆即为直径等于p z 的圆) 。这时分度圆压力角为刀具的齿形半角，据此，可 推导出渐开线齿廓的齿形角误差及直线度。 如图2 5 所示，节圆半径为r p ，节圆压力角为口的渐开线齿廓的基圆半径心为： 心= r p c o s t t 设齿廓上渐开线起点为f ，顶点为a ，并取m 点，使r 。= ( r 。+ r ，) 2 ，则a 、f 、m ； 各点处的压力角为： 铲c o s 1 惫 口，= c o s - i 堕 j r | 铲c o s 。1 乏s _ 袅 y 图2 5 各参数量示意图 x 式中心、r 可由轮齿几何参数求得。由渐开线性质可得： 9 0 = t g a o q o ，9 f = t g a f af ，9 。= t g a m c c m 由图2 5 可得： x o = r os i n o 。，y o = r oc o s o 口，x = r fs i n 9 f yr = r rc o s 9 f ，x 。= r ms i n 9 。，y m = r c o s 8 m 故矿与y 轴夹角： 厂：一三丛 9 取a f ，与过模具齿项中点的半径夹角为模具齿廓的齿形半角矿。 x 。一x | 伊= 7 一吃一矿= 辔三二一( 留吒- a o ) - o ( 2 3 ) 取加点到方，的距离万为矿段渐开线的直线度，并设咖的面积为s ，且歹= ， s = 三l 工m y m l l 表2 1 带模具各项参数 6 、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 角和带宽6 等均与节距的大小有关，国家也都有其严格的标准。 2 2 物理性能的测量方法 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1 2 0 】【2 。带 检验的标准环境条件为：温度( 2 5 士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2 2 。 i o 表2 2 同步带物理性能 供货状态 耐高温性耐油性 耐水性 项目 ( 1 1 0 2 )g b t16 9 01 号油 10 0 c ( 开水) 3 h ， 下( 2 5 5 ) ( 水) x7 0 h( 110 2 ) 2 2 h 3 0 m i l l 带背硬度( 邵 7 3 5 变化范围 尔a ) o 一+ 7 变化范围0 一- 1 5变化范围0 一+ 7 拉伸强度不小于 ( n r a m )7 5 0 不小于7 5 0不小于7 0 0不小于6 0 0 齿体剪切强度 不小6 0 不小于6 0不小于5 0 不小于5 0 ( n m m ) 包布粘合强度不小于 ( n r a m ) 6 5 不小于3 5不小于4 5不小于4 5 不小丁： 芯绳枯合强度n不小于4 0 0不小于4 0 0不小于3 0 0 4 0 0 2 2 1 带背硬度 测带背硬度实验所需的试样可为完整的环形带，也可为从样带上切下的长度大于 1 0 0n 1 2 n 的一段带。采用符合g b t5 3 1 的邵尔a 硬度计进行试验。将试样放在平台上 ( 有齿面向下) ，测定齿体上方的带背硬度。测试出的结果计算沿带纵向五个不同部位 的硬度测定值的平均值并加以修约。 带背部分要有足够的柔韧性和耐屈挠性能，一般要求胶料较软、含胶率较高。例 如汽车同步带由于制造工艺的限制，带的背部一般都是纯橡胶构成，由于现在汽车同 步带在使用时背部需同时带动其他部件如水泵及张紧机构，尤其是直喷式柴油发动机， 要求有很大的张紧力，这样对背部磨损非常大，纯橡胶无法达到要求。若带的背部有 布则可大大提高带的背部耐磨性，c o n t i t e c h 的“c o n t id i e s er u n n e r ”同步带就是 如此结构【2 引。关于这一方面的进一步情况，有待进一步通过试验研究探讨。 2 2 2 拉伸强度 根据g b l 0 7 1 6 8 9 规定拉伸强度试验的试样可为宽1 9 1 m m 的完整环形带，也可为 长度大于2 5 0m m 、宽度为1 9 1f f l l t l 的带段。对于宽度小于1 9 1 m m 的同步带，可直接 用样带的宽度作为试样宽度。将环形的样带以有齿面向外撑挂在两个等直径平带轮上。 带轮直径为11 4m m ，、可自由转动。以( 5 0 - a ：5 ) m m m i n 的带轮分离速度对样带施加拉力， 直至样带拉断。如果采用两段切丌的带段作为试样，则试验时试样央在每一央持器内 的长度应大于5 0m m ，而两央持器之间的间距应大于1 5 0m m ，以( 5 0 a ：5 ) m m m i n 的 夹持器分离速度对试样施加拉力，直至试样断裂。对第二个试样按同样的要求进行试 验。 对于试验结果的处理，当采用环形带作为试样时，以测量值的二分之一作为计算 拉力：当采用切开的带段作为试样时，以两个测量值中的较小值作为计算拉力。对前 一情况来说，当断裂发生在样带的包绕带轮部位时，试验无效；对后情况来说，当 断裂发生在试样的被夹持部位时，试验无效。另外，在试验报告中应指出是采用环形 的样带进行试验还是采用非环形的试样进行试验。拉伸强度按( 2 4 ) 式计算： t = f b ( 2 4 ) 式中：丁拉伸强度，n m m ； f 试样计算拉力，； b 试样宽度，m m 。 2 2 3 齿体剪切强度 根据g b l 0 7 1 7 8 9 规定齿体剪切强度试验的试样是从样带上切取一段长度大于 2 0 0 r a m 、宽度为1 9 ，l m m 的带段作为试样。对于宽度小于1 9 i m m 的同步带，可直接用 样带的宽度作为试样宽度。试验用齿体剪切装置及试样夹持方法如图2 6 所示： 试 齿剪切头 拉力试验机央持器 图2 6 齿体剪切装置及试样夹持 z a 型和z b 型同步带用齿剪切头的结构尺寸如图2 7 和表2 0 所示。 l 郎硅大 m l o ! i 图2 7 齿剪切头 表2 3 齿剪切头尺寸 h r 厶 矽 带型号 0 0 2 0 0 30 0 2o 0 2 0 5 0 z h1 9 16 2 7o 5 1o 5 120 0 z b2 2 95 0 91 0 21 0 22 0 0 将试样央持在拉力试验机的央持器和齿体剪切装置上，该剪切装置以牛顿值相当 于试样宽度毫米值1 5 7 倍的夹紧力将试样央紧。起动试验机，以( 5 0 土5 ) m m m i n 的夹 持器分离速度对试样施加拉力，直至试样发生齿剪切破坏，然后将被试验齿的下一个 齿切除见图2 8 ，并继续按上述要求进行齿体剪切试验。一般说来应试验三个齿，包布上 有接头的试样不得用于试验。 二切割线 一切割线 图2 8 剪切试验中的齿切除加工 以试样单位宽度上的剪切力作为齿体剪切强度值， 试验结果，详见式( 2 5 ) 。 齿体减切强度按( 2 5 ) 计算： s = f b 式中：s 齿剪切强度，n m m ； f 最小剪切力，； b 一试样宽度，m m 。 以三个测定值中的最小值作为 ( 2 5 ) 2 2 4 包布粘合强度 根据g b l 0 7 1 8 8 9 规定从样带上切取两段长度大于1 0 0 姗，宽度为1 9 1 m m 的带 段作为试样。对于宽度小于1 9 1i 姗的同步带，可直接用样带的宽度作为试样宽度。 用手工将试样一端的包i 靠剥开足够长的夹持部分。将试样的央持部分分别失在拉力试 验机的两夹持器中，以剥离面朝向试验者，以第一齿根位于两夹持器之间，如图2 9 所示。 启动试验机，以( 5 0 - 士5 ) m m m i n 的夹持器分离速度对试样施加拉力，使包布从带 的表面剥离，同时记录三个连续齿的剥离力。试验中，如包靠断裂或出现裂口，则试 验无效。 f 一 | |l 、，、厂、，_ 、_ ，、l ， 包布彳 | | t 一 拉力试验机夹持器 齿体第一齿根线 拉力试验机夹持器 图2 9 粘合强度试样的安装 对齿体部位的包饰粘合强度和齿根部位的包弗粘合强度应分别表示，均表示为单 位试样宽度上的包布剥离力见式( 2 6 ) 。对齿体包布粘合强度来说，以两个试样试验中 所得到的六个峰值中的最小值作为粘合强度计算包布剥离力：对齿根包布粘合强度来 说，以两个试样的第一齿根结束时谷值中的较小值作为粘合强度计算包布剥离力参见 图2 1 0 。 包布粘合强度按式( 2 6 ) 计算： 6 = f b( 2 6 ) 1 4 式中：万一包布粘合强度，n m m ； ，包布剥离力，； 6 一试样宽度，m m 。 齿体包布剥离力 r 褪 赢 器 固 次缪 l 号2 号3 9 图2 1 0 三个连续齿的粘合强度试验曲线 2 。2 。5 芯绳粘合强度 从样带上切取两段长度大于l0 0i t l r l r l 的带段作为试样。在试样上相距( 3 0 - - j ：3 ) m m 的两处进行局部切断如图2 1 1 ，以将两根中部芯绳抽出。 切断两根芯绳切断其余芯绳 芦z ? ：z ：r z ：= ：，二= c = ：z z ：z ：z z z z ：z ：z 二毒z z ：z ：z ：z z j ：z 云巴d 、厂一厂厂一、厂一厂_ 、丌厂- 广 芯绳 图2 1 l 芯绳粘合强度用试样 将试样夹在拉力试验机的两夹持器中。起动试验机，以( 5 0 - 士5 ) t u r n r a i n 的央持器 分离速度对试样施加拉力，直至两根芯绳被抽出。如果芯绳没有被抽出而是被拉断了， 则应另取试样并将切断长度适当减小以保证两根芯绳能被完整抽出。按同样要求对第 二个试样进行试验。 对切断长度为3 0m l t l 的试样，以两个试样的抽出力中的较小值作为试验结果；对 于切断长度不足3 0m m 的试样，按式( 2 7 ) 将实际抽出长度下的抽出力换算成抽出长 度为3 0m m 时应有的抽出力，并按( 2 7 ) 对该值进行修约，作为试验结果。 互= ( l l ) 3 0 ( 2 7 ) 式中：f 芯绳粘合强度，n ； l 实际抽出长度下的抽出力，n ； 三一实际抽出长度，m m 2 2 6 汽车同步带静态性能试验结果 结合本论文研究在辽阳凯利特橡胶有限公司针对利用氢化丁腈橡胶研制开发的 8 8 z a l 9 型汽车同步带进行了静态性能和疲劳寿命试验，其试验结果如表2 4 所示。经 试验验证氢化丁腈橡胶同步带优异的性能极大地满足了整车厂对传动带高负荷、良好 的耐高、低温及耐候性等要求。 表2 - 48 8 z a l 9 型汽车同步带性能试验结果 实测值 试验项目 耐空气老化耐水性 耐油性 耐臭氧 耐低温 常态( n o 1 油) 5 0 p p h m - - 4 0 x 1 2 0 x 7 0 1 1 沸水孙 l l o 2 2 h4 0 7 2 h 5 h 硬度7 5 7 9 7 8 7 2 扯断强度n m m 5 9 05 8 65 3 05 5 0 包布粘合强度n m m 7 35 86 56 5 芯绳粘合强度n6 6 06 4 06 0 06 2 0 齿剪切强度n r a m 8 08 47 87 6 外观无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂无龟裂 体积变化率 2 13 9 疲劳寿命 3 6 0 2 3 本章小结 通过上面分析我们了解了同步带主要尺寸及其主要影响因素，并通过理论分析确 定了尺寸要素与材料之间的关系。通过对参数的测定与评价，为提高同步带的制造精 度提供打下了良好的理论基础。分析了同步带静态性能的主要指标，只有按照严格的 标准来对生产的同步带进行检测，根据检测结果的反馈，才能知道其中的不足，进而 改善带的生产工艺或提高带的模具制造精度，最终保证带的质量。当然仅仅通过静态 性能分析还不能完全的断定同步带是否合格，下面将对同步带的动态性能进行分析， 从而全面的去把握带的质量。 1 6 第三章同步带传动平稳性研究 同步带传动是具有中间挠性件的啮合传动。带齿与轮齿的啮合是一种在节距相等 的下的嵌合，其动力是通过齿之间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。因此同步带 传动存在着振动，直接影响到同步带传动的平稳性和传动精度。一定程度上也影响带 的使用寿命，而汽车同步带传动平稳性的好坏将影响传动的噪声和使用寿命。本章节 将主要针对同步带传动平稳性进行分析研究。 3 1 同步带传动横向振动研究 3 1 1 同步带传动横向振动模型的建立 同步带在传动过程中，由于带本身为弹性体，所以振动是不可避免的，影响同步 带传动系统振动的因素很多，主要有同步带截面的大小、材质、质量、速度、张紧力 及同步带轮的制造误差、安装误差等。同步带沿与带的运动方向垂直方向的振动，称 为同步带传动的横向振动【2 3 h 2 5 1 ，本节就同步带传动的横向振动进行理论分析研究。同 步带传动中，带以一定的初张力在两同步带轮上，而带又具有一定的弹性，所以，同步带 传动的横向振动类似于弦振动。事实上同步带的横截面上既有一定的张紧力，同时由 于带强力层的作用，使带又具有一定的抗弯刚度，所以同步带传动的横向振动与梁的 振动也有一定的相似性1 2 6 】。为描述同步带传动的横向振动，以带横向振动时的平衡位 置为x 轴，以带与带轮节圆的切点为坐标原点，建立如图3 1 ( a ) 所示的坐标系x o y 。 令t 为带的张紧力，p 为带单位长度的质量( 设p 为常数) ，e i 为带截面的抗弯刚度。 设同步带的一侧受瞬时机械作用后，发生自由振动，在距原点距离为x 处，截取一长 度为d x 的微段带来分析，如图3 1 ( b ) 所示，在此小段带的两端面上作用有剪力q 、 q + d q ，弯矩m 、m + d m 及张力t ，分别列出其在瞬时t 时，y 方向的力平衡方程及绕其 左截面中点取矩的平衡方程： q c o s 8 ( x , t ) 一( q + a ，qd ) c 。s ( 工+ d x , t ) + 丁s i n 目( 工+ d x , t ) 一r s i n 秒( 石，) ：尸出呈三芋( 3 1 ) o 讲 ( m + 塑d x ) 一m 一( 9 + a q , i x ) d r ：0 ( 3 2 ) 苏 一 出 因是微小振动，所以有： s i n o ( x , t l l 塑! 三! 尘 ( 3 3 ) 毋 s i n p ( x + d r , t ) 塑型t - 螋出 ( 3 4 ) 出 叙 c o s o ( x ，) c o s o ( x + d r ，) 1 ( 3 5 ) 同时又由材料力学，梁的弯矩m ( x ，t ) 、抗弯刚度e i 及其变形y ( x ，t ) 之间的 1 7 关系式【2 7 】： e 1a 2 y ，( x ： t ) ：m ( x , t ) ( 3 6 ) 出 将式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 、( 3 6 ) 代入式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 中，并略去二阶 微量得： 日窘一丁窘+ 夕窘= 。 式( 3 7 ) 即为同步带传动横向自由振动的运动方程。 3 1 2 横向振动的固有频率 二毛 鄙p g ：蝗 ，+ d 舸 l 虹一 ib ) 图3 1 同步带传动的横向振动模型 假设同步带轮没有任何偏心， 满足如下边界条件： y ( o ，) = y ( l ，f ) = 0 ( 3 7 ) 且将振动带的两端简化为铰支端，则同步带横向振动时， ( 3 8 ) 0 2 y ( _ o , 一t ) ：o z y ( l - , t ) ：0 ( 3 9 ) = 一= 、】7j 孤瓠 式中：l 同步带于两切点问的距离。 设y ( x ，t ) = g ( x ) h ( t ) 为运动方程式( 3 7 ) 满足边界条件式( 3 8 ) 和式( 3 9 ) 的非零解，代入 运动方程式( 3 7 ) 可得： 日坐一丁里+ p 竺：o ( 3 1 0 ) gg月 注意到此问题中下列两固定值的问题，令： g ( 4 ) g = 允 g ( 0 ) = g ”( o ) = 0 ，g ( l ) = g ”( ) = 0 ( 3 1 1 ) g ”g = 叫 g ( o ) = 0 ，g ( 三) = 0 ( 3 1 2 ) 由此说明公式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 有共同的特征函数q g ) ：s i nr l ，f _ _ _ l ，( n = 1 、2 、3 、 分别对应于各阶基振频率) ，分别对应的固定值是九= 入n _ ( n l ) 4 和l l = l an = ( n l ) 2 ， 所以，如果取g ( x ) = g n ( x ) ，代入式( 3 1 0 ) 中，可得： 印弋卅h 爿4 + 丁吲2 卜，= 。 c 3 邝， 吼= 等吲4 + 三p i i 叫l1 2 则方程式( 3 1 3 ) 改写为： h ”( 1 ) + ( o s n 2 日( f ) = 0 ( 3 1 5 ) 求解该运动方程得： 日”( ，) = a 。c o s ( - 0 m t + es i n o ) ，, t ( 3 1 6 ) 式中：4 、坟一某一与阶数1 1 有关的常数； 缈。一静态时同步带横向振动的n 阶自振频率。 根据解的叠加原理，运动方程式( 3 7 ) 的通解为： y ( x , o ：艺( 么c 。s 织f + 吃s i n 蛾f ) s i n l 7 _ n ( 3 1 7 ) 式( 3 1 4 ) 中，令： = 等阿 缈。：t 竺 ( 3 1 9 ) 2 1 万t 9 ) 式中：缈曲一静态时n 阶简支梁自振频率； 国。一静念时n 阶弦自振频率。 则式( 3 1 4 ) 可写为： 国。2 ：缈。 2 1 - 缈。2 ( 3 2 0 ) 2 0 国m2 缈曲缈 l j 式( 3 2 0 ) 说明，同步带的横向自由振动是简支连续粱自由振动和弦自由振动的组合。 同步带的横向自振频率与同步带的长度、张力、材质及质量有关。当同步带的抗弯刚 度e i 较小，张力t 较大，跨距l 较长时，则可将同步带的横向振动近似视为弦振动 2 8 1 3 3 1 。 1