锥形锁紧新型带轮结构及强度分析.pdf

1 锥形锁紧新型带轮结构及强度分析锥形锁紧新型带轮结构及强度分析 杨波 高霞 西南交通大学机械工程学院 成都 611756 E mail airresistence 摘摘 要 要 本文介绍了一种新型的锥形锁紧带轮 它具有满足机械设备带传动中高效 稳定 寿命长的功能 文章对它的结构做了较为深人的分析 并对锥套这一重要部件进行了理论力 学分析 最后通过计算 得出能满足强度条件的要求 关键词 关键词 锥形锁紧带轮 结构 锥套 强度 1 引言引言 目前建材行业电机 风机 磨机减速机等采用皮带传动的设备中 常见的皮带轮安装结 构多数由圆柱孔加平键组成 此种结构虽然加工方便 但由于配合较紧 加之带轮长时间工 作 轴孔配合表面易产生锈蚀等 拆换较困难 需用拨轮器 或锤击拆卸 易损坏带轮 严重时使轴弯曲变形等 为了更 好的满足机械传动和强度的要求 因此需要一种全新的带轮 锥形锁紧带轮 1 如图 1 可用于各种具有标准横截 面的皮带 采用锥套作为新型传动联结部件 改变了过去传 统的机械设计概念 具有标准化程度高 结构紧凑 容易安 装和拆卸 通过有一定角度的锥面压紧联接 提高了传动效 率 为了便于说明 本文采用美国马丁公司生产的 Martin 带轮来分析它的结构和强度 它是目前广泛推广采用的新型 带轮 2 结构分析 结构分析 新型的锥形锁紧带轮用于轮毂与轴之间的连接 采用过盈配合的特殊形式 能实现周向 固定和轴向固定 2 其基本工作原理是靠拧紧两个高强度螺钉使轮毂与轴之间产生抱紧力 从而实现传递负荷和转矩 结构由锥形锁紧套 具有锥形内孔的轮毂 两个高强度紧定螺钉 紧定螺钉与顶脱螺钉为同一螺钉 键 可设可不设 四大部件组成 平面结构如图 2 为了突出了锥形锁紧带轮与普通带轮有着本质的区别 锥形锁紧带轮结构从以下三个方面做 了改进 1 锥套部分 锥面设计有一定锥角 设置开口槽以利于提高弹性 左右两侧钻出两个 不通孔留出压紧锥套的凸台 另钻出一个具有半牙螺纹的通孔用于拧紧螺栓顶紧轮毂上凸台 从而顶脱锥套达到拆卸的作用 开设的第四个通孔为动平衡孔 2 轮毂部分 内孔为锥面 左右两侧钻有两个通孔的半牙螺纹 拧紧螺纹时紧定螺栓 压紧锥套上的两个凸台 从而形成抱紧力 同理为了顶脱锥套 在轮毂上钻出一个不通孔 其凸台供顶脱螺栓 顶开锥套达到拆卸的作用 轮毂上三个孔成 90 或 95 度 3 螺钉 采用高强度螺钉 性能等级为 8 8 级或 10 9 级 中碳钢 图 1 锥形锁紧带轮 Fig1 Taper Lock Pulleys For Z Belts 2 图 2 锥形锁紧带轮结构图 Fig2 the structure of Taper Lock Pulleys For Z Belts 锥形锁紧带轮有两大设计创新点 将具有弹性内环和外环组成的普通弹性环连接改成无弹性 外环的锥套结构和采用半牙螺纹 明显地减少径向设计尺寸 减少了制造成本 由于结构上的改进和设计创新 使锥形锁紧带轮比一般的带轮性能更为好 其优点可归 纳如下 定心好 装拆方便 避免应力集中 疲劳强度高 避免一般过盈配合对精度的过高 要求 实现任意位置定位 具有过载保护 3 理论受力分析 理论受力分析 锥形锁紧带轮的工作主要靠螺钉使轮毂与轴之间产生抱紧力 因此主要作用力就集中在 锥套上 只要求出了锥套上的作用力 根据理论力学知识 作用力与反作用力的原理 即可 求出其它力 只是方向反向而已 3 1 锥套的半锥角锥套的半锥角 带轮根据半锥角 2 可分为两种类型 不自锁型 拆卸时不需要很大的力量 普通带轮 自锁型 抱紧力比较大 锥形锁紧带轮 对于锥套结构的锥形锁紧带轮一般 4 因此 当 锥 套 接 触 面 的 摩 擦 系 数 12 0 时 德 国 和 中 国 都 取0 12 3 摩 擦 角 43056arctan 因为 所以满足自锁条件 3 2 轴向压紧力轴向压紧力 锥形锁紧带轮锥套采用螺钉与顶起凸台的相对运动产生的轴向力和径向力分别作用在锥套 端面和周向面上 锥套内部也受到轴对它的作用力 其受力分析如图 3 根据理论力学力 系平衡关系 a 轴向平衡 x 0 2 sincos aNNN FFFF 锥锥内 3 b 径向平衡 y 0 N Fsin N F 内锥N 锥 cos F 由 和 得 sincos 2 cossin a N F F 内 图 3 锥套受力分析 Fig3 the force of the Taper Set 又由 tantan tan 1tantan 可得 2 tan tan a N F F 内 2 tan tan aN FF 内 3 3锥套与轴的摩擦力矩锥套与轴的摩擦力矩 U F 2 N TdFd d TdpL 内 内内 内 又 P 为抱紧后结合面压强 2 1 2 Tpd LT 内max 2 1 2 Td Lp 配合面间的许用压强 钢 铸铁可取 80MPa 4 查机械设计手册 4 表代入 d L 的数值 得 2 1 0 12 802225182371 2 2 TN mm 22 80 25 tan 46 50 34 tan 6 50 34 9883 137 a FN 4 4 强度校核 强度校核 锥形锁紧带轮的强度大小满足使用要求 是带轮设计的一个重要环节 只有强度合格才 能作为机械零件使用 校核锥套结构的带轮的强度主要是校核结构中起固定作用的螺钉零件 Martin 带轮使用的是 M10 螺钉 强度是否合格 因此可以完全按照机械设计中螺钉强度 校核来计算该带轮是否合格 4 1 螺栓预紧力及螺栓尺寸计算螺栓预紧力及螺栓尺寸计算 螺纹拧紧力矩 22 1 1 2 tan 22 2 tan tv v dd TFF T F d 对 M10 螺钉通过查机械设计手册 通过计算可得 表 1 螺钉工作数据 Tab 1 date of the bolt P mm 1 5 1 25 1 0 75 2 d 9 026 9 188 9 350 9 513 tan v 0 2045 0 1946 0 1850 0 1758 F kN 21 67 22 37 23 12 23 92 4 2 螺钉的强度校核螺钉的强度校核 选择螺钉的性能等级为 10 9 级 则 10 1001000 B MPa 9 10 10900 s MPa 查表得 SS 1 2 1 5 此处取 SS 1 5 从而有 900 600 1 5 S S MPa S 按最大的计算的预紧力 max 23 92FkN 由上表可查得 计算螺钉的强度为 3 2 4 1 3 23 92 10 469 9 188 MPa 因此满足强度要求 5 结论 结论 由上述分析和计算可以看出 采用锥形结构的锁紧新型带轮在结构上彻底改变了传统的 设计理念 大胆采用创新的结构形式 并且通过计算 要求强度合格 这种新型的带轮比普 通的带轮更能满足现代机械设备中高效 稳定的传动要求 5 参考文献参考文献 1 Contimach Ltd 产品目录 2 机械设计邱宣怀主编 机械设计 高等教育出版社 1997 年 3 W Steinhilper Maschinen und Konstruktionselemente Springer verlag 1998 4 陈秀宁主编 机械设计课程设计 浙江 浙江大学出版社 2000 年 The structure and intensity analyses of the Taper Lock Pulleys For Z Belts Yang Bo Gao Xia School of Mechanical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 Abstract The paper introduces a new style Taper Lock Pulleys For Z Belts which can fulfill the needs of high efficiency stabilization and long life span in the mechanical facility The paper also gives a detail description for the new belts and analyses the theory force of the important part Taper set at last the belts can