《机械设计基础》第九章-带传动与链传动解析.ppt

第九章带传动与链传动(beltdriveandchaindrive),带传动和链传动都是通过中间挠性件（带或链）传递运动和力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，具有结构简单、成本低廉、传动中心距较大等优点。,9-1带传动的类型、特点,带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两带轮上的封闭环形带组成。由于张紧，静止时带已受到预拉力，在带与带轮的接触面间产生压力。当原动机驱动主动轮回转时，依靠带和带轮间的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和力。,一、带传动的类型,根据传动原理不同，带传动可分为摩擦型和啮合型。最常用的是摩擦型。摩擦型带传动根据带的截面形状分为平带、V带、圆带、多楔带等。,平圆带：截面为圆形，主要用于小功率传动，如家用器械。,平带：截面形状为扁平型，内表面为工作面。,V带：截面形状为等腰梯形，两侧面为工作面，V带与轮槽槽底不接触。V带利用了锲形摩擦原理，在张紧力相同的情况下，V带的摩擦力比平带大，具有较大的牵引力，最为常用。,多楔带：在平带基体上有若干纵向楔形凸起，其工作面是楔形的侧面。它兼有平带的弯曲应力小和V带的摩擦力大等优点，常用于结构紧凑、传递功率大及速度较高的场合。,二、带传动的几何尺寸,带传动主要用于两轴平行、且回转方向相同的场合开口传动。,如图所示，当带处于规定的张紧力时，两带轮轴线间的距离中心距a。,带与带轮接触弧所对的中心角称为包角。,相同条件下，包角越大，带的摩擦力和传递的功率也越大。包角是带传动的一个重要参数。,设d1、d2分别为小轮、大轮的直径，L为带长，则小轮包角,因角较小，以sin(d2d1)/2a,已知带长时，由上式可得中心距,带长,三、带传动的张紧,由于带传动中的传动带不是完全的弹性体，工作一段时间后，会因伸长变形而产生松弛现象，张紧力减小，带的传动能力随之下降。故带传动必须具有将带再度张紧的装置。,带传动常用的张紧方法是：调节中心距、张紧轮,四、带传动的特点,1、优点：,1）适用于中心距较大的传动；2）具有良好的弹性，可缓和冲击、吸收振动；3）过载时带与带轮间会出现打滑，防止零件损坏；4）结构简单、成本低廉。,2、缺点：,1）传动的外廓尺寸较大；2）需要张紧装置；3）由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比；4）带的寿命较短；5）传动效率较低，平带传动0.96，V带传动0.95；6）有静电效应，不适宜高温、易燃、易爆的场合。,通常，带传动适用于中小功率的传动，以V带传动应用最广，带速v=525m/s，传动比i7效率0.900.95,9-2带传动的受力分析和运动特性,一、带传动的受力分析,为使带和带轮接触面上产生足够的摩擦力，带必须以一定的张紧力套在两带轮上。,静止时，带两边的拉力都等于预拉力F0。,传动时，带与带轮之间产生摩擦，带两边的拉力就不再相等。,设带的总长度不变，则紧边拉力的增加量（F1F0）应等于松边拉力的减少量（F0F2），即,F1F0F0F2,F1F22F0,绕进主动轮一边的带被进一步拉紧，称为紧边，由F0增大到F1；绕进从动轮一边的带则相应被放松，称为松边，由F0减小为F2；,紧边拉力F1与松边拉力F2之差称为带传动的有效拉力F，也就是所传递的圆周力，即,圆周力F（N）、带速v（m/s）和传递功率P（kW）之间的关系为,在一定初拉力下，若带所传递的圆周力超过带与带轮间的极限摩擦力总和时，带与带轮将发生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。,FF1F2,PFv/1000,打滑使带磨损加剧、传动效率降低，以致传动失效。,设计：潘存云,取一小段弧进行分析：,正压力：dFN,两端的拉力：F和F+dF,力平衡条件：忽略离心力，水平力、垂直力分别平衡,摩擦力：fdFN,积分得,紧边和松边的拉力之比为,带在出现打滑趋势而未打滑的临界状态时，带的紧边拉力F1与松边拉力F2之间的关系满足欧拉公式，即,由此可知，增大包角或增大摩擦因数，都可以提高带传动所能传递的功率，因小带轮包角1小于大带轮包角2，故计算带圆周力时应取1。,F1/F2=ef,联立上式，得,带与带轮间的摩擦因数,带轮上的包角,自然对数的底，e2.718,V带传动与平带传动的预拉力相等时（即带压向带轮的压力同为Q），他们的法向力N却不同。,显然，ff，故在相同条件下，V带能传递较大的功率。,平带的极限摩擦力为,NfQf,V带的极限摩擦力为,V带轮轮槽的楔角,当量摩擦系数,二、带传动的应力分析,带传动工作时，会产生拉应力、离心拉应力和弯曲拉应力。,1、拉应力,2、离心拉应力,3、弯曲拉应力,紧边拉应力MPa,松边拉应力MPa,1F1/A,2F2/A,带的横截面积,cFc/Aqv2/A,带每米长的质量，kg/m,带速，m/s,MPa,带绕过带轮时，因弯曲而产生弯曲应力b，只存在于带与带轮相接触的部分。,b2YE/d,带截面的中性层到最外层的距离，mm,带的弹性模量，MPa,带轮直径，mm,如图所示为带的应力分布情况，各个截面应力的大小用该处引出的径向线的长短来表示。最大应力发生在紧边与小轮的接触处，其值为,max1cb1,疲劳曲线方程也适用于经受变应力的带，即,带的应力循环总次数为,带轮数，一般k2，即带每绕转一整周完成两个应力循环,三、带传动的弹性滑动和传动比,带为弹性体，受力后会产生弹性伸长。带传动工作时，紧边和松边的拉力不等，因而产生的弹性伸长也不同。,由于带的弹性和拉力差引起的带在带轮上的滑动弹性滑动。,弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。打滑是因为过载引起的全面滑动，应当避免；弹性滑动是带传动的固有特性，不可避免。,带在绕过主动轮时，作用在带上的拉力减小，弹性伸长量也相应减小。因而带一方面随主动轮绕进，另一方面相对主动轮向后收缩，因此，带的速度v低于主动轮的圆周速度v1，造成两者之间发生相对滑动。而带在绕过从动轮时，情况正好相反，带的速度v大于从动轮的圆周速度v2。,带的弹性滑动使从动轮的圆周速度低于主动轮的圆周速度，其降低率可用滑动率来表示，即,因而得带传动的实际传动比,一般12，其值甚小，在一般传动计算中可不考虑。,例91一平带传动，传递功率P15kW，v=15m/s；带在小轮上的包角1170，带的厚度4.8mm、宽度b100mm；带的密度1103kg/cm3，带与轮面间的摩擦系数f0.3。求：（1）传递的圆周力；（2）紧边、松边拉力；（3）由于离心力在带中引起的拉力；（4）所需的预拉力；（5）作用在轴上的压力。,in1/n2d2/d1（1）,解：（1）传递的圆周力,（2）紧边、松边拉力,F11694N，F2694N,（3）由于离心力引起的拉力,这种平带每米长的质量q1b0.10.00481103/(102)30.48kg/m,Fcqv20.48152108N,（4）所需的预拉力,F0（F1F2）/2,带的离心力使带与带轮间的压力减小、传动性能降低，为了补偿这种影响，所需预拉力应为,（5）作用在轴上的压力,F0（F1F2）/2Fc（1694694）/21081300N,9-3普通V带传动的计算,V带有普通V带、窄V带、宽V带、大锲角V带、齿形V带等多种类型，其中普通V带应用最为广泛。,一、V带的规格,V带的截面结构如图所示。由强力层、填充物、和外包层组成。,强力层（抗拉体）是承受负载拉力的主体，其上下的橡胶填充物分别承受弯曲时的拉伸和压缩，外壳用橡胶帆布包围成型。强力层由帘布或线绳组成，其材料可用化学纤维或棉织物。,通常V带制成无接头的环形，在弯曲时带中长度和宽度均不变的中性层称为节面，带的节面宽度称为节宽bd。,锲角为40、相对高度h/bd约为0.7的V带称为普通V带。普通V带已标准化，按截面尺寸的不同，分为七种型号，见表91。,在V带轮上，与所配用V带的节面宽度bd相对应的带轮直径称为基准直径d，其标准系列值见表92。,V带在规定的张紧力下，位于带轮基准直径上的周线长度称为基准长度Ld，其标准系列值见表93。,相对高度h/bd约为0.9的V带称为窄V带。窄V带是用合成纤维绳作强力层的新型V带，其结构及截面尺寸见表。,型号宽度b（mm）高度h（mm）可代替的普通V带3V9.58A、B型5V16.013.5B、C、D型8V25.423D、E、F型,与普通V带相比，当高度相同时，窄V带的宽度约缩小1/3，而承载能力可提高到1.52.5倍，适用于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。这种胶带在国外已得到迅速发展。,二、单根普通V带的许用功率,带传动的主要失效形式为带在带轮上打滑和疲劳破坏。,带传动的设计准则是：在保证带不打滑的条件下，具有一定的疲劳寿命。,为保证带传动不出现打滑，以f代替f得单根普通V带能传递的功率,为使带具有一定的疲劳寿命，应使max1cb1,故得带传动在既不打滑又有一定寿命时单根普通V带能传递的功率,在载荷平稳，包角1（即i1）、带长Ld为特定长度、强力层为化学纤维线绳结构的条件下，由此式求得单根普通V带所能传递的功率P0，见表94。,1b1c,实际工作条件与上述特定条件不同时，应对P0值加以修正。修正后即得实际工作条件下，单根普通V带所能传递的的功率许用功率P0，故,式中P0功率增量，考虑传动比i1时，带在大轮上的弯曲应力较小，故在寿命相同条件下，可增大传递的功率。Kq带的材质系数，对于化学纤维线绳结构强力层取Kq1，对于其他材质和结构的强力层取Kq0.75；K包角系数，考虑1180时对传动性能的影响，见表97；KL长度系数，考虑带长不为特定长度时对传动性能的影响，见表93。,P0（P0P0）KqKKL,三、单根普通V带型号和根数的确定,设P为传动的额定功率，kW；KA为工作情况系数，见表95，则计算功率为,根据计算功率Pc和小轮转速n1，按图97选择普通V带的型号。V带根数计算如下：,带的根数应圆整为整数，为使各带受力比较均匀，带的根数不宜太多，通常z10。否则应改选V带型号，重新设计。,PcKAP,四、主要参数的选择,1、带轮直径和带速,小轮直径d1表92所示的最小直径dmin。若d1过小，则带的弯曲应力将过大而导致带的寿命降低；反之，则传动的外廓尺寸增大。,根据传动比算出大轮直径,对V带轮，d1、d2为带轮基准直径，应符合带轮直径尺寸系列，见表92。,带速,一般应使v在525m/s的范围内，v过小则传递的功率小，过大则离心力大。,2、中心距、带长和包角,初步确定中心距a0,初定V带基准长度,根据初定的L0，由表93选取相近的基准长度Ld，再按下式近似计算所需的中心距,考虑到安装、调整和张紧的需要，中心距的变动范围为：（a0.015）Ld（a0.03）Ld,小轮包角计算公式,一般应使1120，否则可加大中心距或增设张紧轮。,0.7（d1d2）a02（d1d2）,3、预拉力,保持适当的预拉力是带传动正常工作的首要条件。预拉力不足，会出现打滑；预拉力过大，将增加轴和轴承上的压力，并降低寿命。,单根普通V带合宜的预拉力可按下式计算,4、作用在带轮轴上的力,设计支承带轮的轴和轴承时，需直到FQ。,五、设计步骤,已知：P，n1，n2或传动比i，传动位置要求、工作条件。设计内容：带的类型，根数，长度，传动中心距，带轮基准直径及结构尺寸等。,1、计算功率PcPcKAP,2、选取V带型号根据Pc、n1,3、小轮基准直径d1及大轮基准直径d2,4、验算带速v,5、确定中心距a和带的基准长度Ld,6、验算小轮包角，一般应使1120,7、确定带的根数z，通常z10,8、确定初拉力F0和作用在轴上的压力FQ,例92设计某液体搅拌机的V带传动。选用异步电动机，其额定功率P2.2kW，转速n11430r/min，从动轴转速n2340r/min，三班制工作。,解：（1）计算功率Pc，由表95查得KA1.2,（2）根据Pc2.64kW、n11430r/min，选取A型,（3）小轮基准直径d1及大轮基准直径d2,（4）验算带速v,d2n1d1（1）/n21430100（10.02）/340412mm,由表92，取d1100mm,由表92，取d2400mm,在525m/s范围内，带速合适,PcKAP1.22.22.64kW,（5）确定中心距a和带的基准长度Ld,初步选取中心距a0450mm，符合0.7（d1d2）a02（d1d2）,初定V带长度,由表93选用基准长度Ld1833mm，再计算实际中心距,（6）小带轮包角1,=1735mm,499mm,=146,120,（7）V带根数z,P01.28kW，P00.18kW，采用棉帘布强力层取Kq0.75，K0.90，KL1.01,取z3根,（8）作用在轴上的压力,由表91查得q0.10kg/m，,2.66,110N,=630N,9-4V带轮结构设计,一、设计要求,质量小，结构工艺性好，无过大的铸造内应力、质量分布均匀，高速时要经动平衡，轮槽表面要经过精细加工（表面粗糙度一般为3.2），以减小带的磨损。各轮槽尺寸与角度要有一定的精度，以使载荷分布较均匀。,铸铁、铸钢和钢板冲压件小功率用铸铝或塑料,二、带轮材料,三、结构尺寸,1）实心式dd2.5dd为轴的直径,2）腹板式dd350mm,3）孔板式d1100dd350mm,4）轮辐式dd350mm,9-5带的张紧与维护,一、带的张紧方法,1.定期张紧法2.加张紧轮法,张紧轮位置：松边常用内侧靠小轮,二、带的维护,安装时不能硬撬（应先缩小a或顺势盘上）带禁止与矿物油、酸、碱等介质接触，以免腐蚀带，不能曝晒不能新旧带混用，以免载荷分布不均匀防护罩定期张紧安装时两轮槽应对准，处于同一平面,9-6同步带传动简介,同步带是以钢丝为强力层，外面包覆聚氨酯或橡胶组成。它是横截面为矩形、带面具有等距横向齿的环形传动带。带轮轮面也制成相应的齿形，工作时靠带齿与轮齿啮合传动。由于带与带轮无相对滑动，能保持两轮的圆周速度同步。,优点：1）传动比恒定；2）结构紧凑；3）由于带薄而轻、强力层强度高，故带速可达40m/s，传动比可达10，传的功率可达200kW；4）效率较高，约为0.98。缺点：带及带轮价格较高，制造安装要求高,9-7链传动的特点和应用,链传动由主动链轮、从动链轮和绕在两链轮上的封闭链条组成。靠链节和链轮轮齿之间的啮合来传递运动和力。,优点：1）没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；2）需要的张紧力小，作用在轴上的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；3）能在较高温度、有油污等恶劣环境条件下工作；4）制造和安装精度较低；5）中心距较大时其传动结构简单。,缺点：瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声。,目前，链传动广泛应用于矿山机械、农业机械、石油机械、机床及摩托车中。,9-8链条和链轮,一、链条,传递动力用的链条，按结构的不同主要有滚子链和齿形链。,滚子链由内链板、外链板、轴销、套筒、滚子所组成。,内链板与套筒为过盈配合、外链板与轴销铆接；滚子与套筒、套筒与轴销均为间隙配合。,当链条啮入和啮出时，内外链节作相对转动；同时，滚子沿链轮轮齿滚动，可减少链条与轮齿的磨损。内外链板均制成8字形，以减轻重量并保持链板各横截面的强度大致相等。,滚子链上相邻两滚子中心的距离链的节距，以p表示，它是链条的主要参数。节距越大，链条各零件的尺寸也大，所能传递的功率也越大。,滚子链可做成单排链和多排链，如双排链或三排链。,滚子链已标准化，分为A和B两个系列。常用的是A系列，主要参数和规格见表99。,链条长度以链节数来表示。链节数最好为偶数，以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接，接头处可用开口销或弹簧锁紧。,若链节数为奇数，则需采用过渡链节。过渡链节在链条受拉时，还要承受附加的弯曲载荷，通常避免采用。,齿形链由许多齿形链板用铰链连接而成,优点：与滚子链相比，齿形链运转平稳、噪声小、承受冲击载荷的能力高。,缺点：结构复杂、价格较贵、较重。,应用场合：多应用于高速（链速可达40m/s）或运动精度要求较高的场合。,齿形链板的两侧是直边，工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。,二、链轮,国家标准仅规定了链轮齿槽的齿面圆弧半径re、齿沟圆弧半径ri和齿沟角的最大和最小值。各种链轮的实际端面齿形均应在最大和最小齿槽形状之间。这样处理使链轮齿廓曲线设计有很大的灵活性。,图b所示的端面齿形由三段圆弧（aa、ab、cd）和一段直线（bc）组成。这种“三圆弧一直线”齿形基本上符合上述齿槽形状范围，具有较好的啮合性能，并便于加工。,链轮轴面齿形两侧呈圆弧状，以便链节进入和退出啮合。在链轮工作图上不必绘制端面齿形，但需画出其轴面齿形，以便车削链轮毛坯,链轮上被链条节距p等分的圆称为分度圆，其直径用d表示。对于三圆弧一直线齿形，若已知节距p和齿数z时，链轮主要尺寸计算式为,链轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，故齿面多经热处理。小链轮的啮合次数比大链轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢（Q235，Q275，20，35，45）、铸铁（HT200）、铸钢（ZG310570）。重要的链轮可采用合金钢。,链轮的结构,实心式,孔板式,组合式,9-9链传动的运动特性和受力分析,一、链传动的运动特性,链条进入链轮后形成折线，因此链传动相当于一对多边形轮之间的传动。,设z1、z2为两链轮的齿数；p为节距（mm）；n1、n2为两个链轮的转速（r/min），则链条线速度（简称链速）为,故传动比,以上两式求得的链速和传动比都是平均值。实际上，由于多边形效应，瞬时链速和瞬时传动比都是变化的。,当主动轮以角速度1回转时，链轮分度圆的圆周速度为d11/2，则位于分度圆上的链条铰链的速度也是d11/2。它在沿链节中心线方向的分速度，即链条线速度,式中为啮入过程中链节铰链在主动轮上的相位角，角的变化范围为,当0时，链速最大vmaxd11/2,即链轮每转过一齿，链速就时快时慢地变化一次。即使1为常数，瞬时链速和瞬时传动比都作周期性变化。同理，链条在垂直方向的分速度也作周期性变化，从而使链条上下抖动，产生振动和动载荷。,二、链传动的受力分析,安装链传动时，只需不大的张紧力，主要是使链的松边垂度不致过大，否则会产生振动、跳齿和脱链。若不考虑传动中的动载荷，作用在链上的力有：圆周力（即有效拉力）F，离心拉力Fc和悬垂拉力Fy。,围绕在链轮上的链节在运动中产生的离心拉力Fcqv2式中，q链的每米长质量，kg/m，见表99；v链速，m/s,悬垂拉力可用求悬索拉力的方法近似求得FyKyqga式中，g重力加速度，g9.8m/s2；a链传动中心距，m；Ky垂度系数，水平布置，Ky6，垂直布置，Ky=1，倾斜布置时，倾斜角小于40，Ky4，倾斜角大于40，Ky2,链的紧边拉力F1FFcFy松边拉力F2FcFy,作用在轴上的压力FQ（1.21.3）F,9-10链传动的主要参数及其选择,一、链轮齿数,为使链传动的运动平稳，小链轮齿数不宜过少。对滚子链，可按链速由表910选取z1，然后按传动比确定大链轮齿数z2iz1。,为避免跳齿和脱链现象的发生，大链轮齿数不宜过大，一般应使z2120。一般链条节数为偶数，而链轮齿最好选奇数，这样可使磨损较均匀。,二、链的节距,节距越大，承载能力越强，但传动平稳性降低，引起的动载荷也越大，因此，设计时应尽可能选用小节距的单排链，高速重载时可选用小节距多排链。,三、中心距和链的节数,若链传动中心距过小，则小链轮上的包角也小，同时啮合的链轮齿数也减少；若中心距过大，则链条抖动。一般可取中心距a（3050）p，最大中心距amax80p。,链条长度用链的节数Lp表示。按带传动求带长的公式可导出。,由此算出链的节数，需圆整为整数，最好取为偶数。运用上式可解得由节数Lp求中心距a的公式,为了便于链条的安装和调整，中心距一般设计成可调的。若中心距为固定的，则实际中心距应比计算中心距小25mm，以便链条的安装和保证合理下垂量。,9-11滚子链传动的计算,一、失效形式,1、链板疲劳破坏：链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下，经过一定的循环次数，链板会发生疲劳破坏。正常润滑条件下，疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素。,2、滚子套筒的冲击疲劳破坏：链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。在反复多次的冲击下，经过一定的循环次数，滚子、套筒会发生冲击疲劳破坏。这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中。,3、销轴和套筒的胶合：润滑不动或速度过高时发生，销轴和套筒的工作表面发生胶合。,4、链条铰链磨损：铰链磨损会使节距增大而产生跳齿或脱链，开式传动或润滑不良时极易发生。,5、过载拉断：发生在低速重载或严重过载时的传动中。,二、功率曲线图,链传动由多种失效形式。在一定的使用寿命下，从一种失效形式出发，可得出一个极限功率表达式。为了清楚，常用线图来表示。,如图所示的极限功率曲线中：1在正常润滑条件下，铰链磨损限定的极限功率；2链板疲劳强度限定的极限功率；3套筒、滚子冲击疲劳强度限定的极限功率；4铰链胶合限定的极限功率；图中阴影部分为实际使用的区域。若润滑密封不良及工作情况恶劣时，磨损很严重，极限功率大幅度下降，如图中虚线所示。,如图所示为A系列滚子链在特定条件下制定的功率曲线图。,特定条件：1）两轮共面；2）小轮齿数z119；3）链长Lp100节；4）载荷平稳；5）按推荐的方式润滑；6）工作寿命为15000小时；7）链条因磨损而引起的相