第三章　带传动设计

机械设计教程第3版机械工业出版社第三章带传动设计第一节带传动的工作原理与类型

第二节带传动中的受力分析和应力分析第三节带传动的运动特性第四节带传动的设计计算第五节V带轮设计及带传动的张紧装置第六节其他带传动简介及带传动的应用

第一节带传动的工作原理与类型

带传动一般由主动带轮、从动带轮和挠性带组成(图3-1)。根据工作原理不同,带传动分摩擦带传动和啮合带传动两类。本节主要讨论摩擦带传动。图3-1带传动工作原理示意图第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(一)带传动的工作原理和特点如图3-1所示,挠性带紧套在两带轮上,使带与带轮接触面间作用有正压力,当主动轮受驱动转矩T1作用以转速n1转动时,挠性带与带轮接触面间的摩擦力驱使带运动,带动从动轮转动,从而传递运动和动力。带传动的优点是:①挠性带有缓冲和吸振作用,使带传动运行平稳、噪声小。②不用润滑,维护成本低。③过载时打滑,可保护传动系统中的其他零件。带传动的缺点是:①挠性带与带轮存在弹性滑动,传动效率降低,传动比不准确(同步带除外)。②传递同样大小的圆周力时,轴上的压轴力和轴轮廓尺寸比啮合传动时大。第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(二)摩擦带传动的类型、带的结构和标准根据带的截面形状,摩擦带传动可分为V带传动、平带传动和圆带传动,其中V带传动的应用最为广泛。V带的截面呈等腰梯形,由顶胶、抗拉体、底胶和包布等部分组成(图3-2)。V带受力弯曲时,顶胶伸长,底胶缩短,两者之间长度保持不变的中性层称为节面,节面的宽度也保持不变,称为节宽bp。V带的高度h与其节宽bp之比h/bp称为相对高度,根据相对高度h/bp的不同,V带又有普通V带、窄V带和宽V带之分。普通V带已标准化,按截面尺寸分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号(表3-1),其相对高度约为0.7;窄V带的相对高度约为0.9,是用合成纤维绳作为抗拉体的新型V带,相同高度的窄V带比普通V带宽度减小约1/3,承载能力却可提高1.5~2.5倍。窄V带也已标准化,按截面尺寸分为SPZ、SPA、SPB、SPC四种型号(表3-1)。在传递功率大且要求结构紧凑的场合,常采用多楔带或联组V带。第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(二)摩擦带传动的类型、带的结构和标准图3-2普通V带和窄V带的结构a)普通V带的结构b)窄V带的结构第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(二)摩擦带传动的类型、带的结构和标准第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(三)传动形式图3-3所示为带传动的形式。其中,开口传动(图3-3a)应用最广;交叉传动(图3-3b)用于间距较大、转向相反的平行轴传动;半交叉传动(图3-3c)用于空间两交错轴之间的传动,但只能单向转动,带进入主、从动带轮时,其运动方向必须对准该轮宽的对称平面;多从动轮传动(图3-3d)仅适用于速度低的中小功率多从动轴同时传动的场合。第一节带传动的工作原理与类型

一、带传动的工作原理与类型(三)传动形式图3-3带传动的形式a)开口传动b)交叉传动c)半交叉传动d)多从动轮传动第一节带传动的工作原理与类型

二、几何参数带传动的主要几何参数有:带轮基准直径dd1、dd2;基准长度Ld;中心距a;包角α。这些参数间应满足一定的几何关系,如图3-4所示。图3-4带传动的几何关系第一节带传动的工作原理与类型

二、几何参数

第二节

带传动中的受力分析和应力分析一、带的受力分析带传动是靠带与带轮间的摩擦力传递运动和动力的,所以挠性带必须以一定的拉力F0紧套在带轮上,不工作时,带两边所受拉力相等,均为F0,称为初拉力,如图3-5a所示。当主动轮受驱动转矩T1时,如图3-5b所示,由于受到主、从动轮摩擦力的作用,挠性带绕入主动轮一边被进一步拉紧,其拉力由F0增大到F1,称为紧边;而另一边被放松,其拉力由F0减小到F2,称为松边。图3-5带的受力情况分析a)不工作状态b)工作状态第二节

带传动中的受力分析和应力分析一、带的受力分析

第二节

带传动中的受力分析和应力分析二、带传动的最大有效拉力Fmax及其影响因素

第二节

带传动中的受力分析和应力分析二、带传动的最大有效拉力Fmax及其影响因素

第二节

带传动中的受力分析和应力分析二、带传动的最大有效拉力Fmax及其影响因素图3-6带与带轮的正压力a)平带b)V带第二节

带传动中的受力分析和应力分析三、带的应力分析

第二节

带传动中的受力分析和应力分析三、带的应力分析图3-7离心拉力

第二节

带传动中的受力分析和应力分析三、带的应力分析

图3-8带的弯曲应力第二节

带传动中的受力分析和应力分析三、带的应力分析显然,带轮直径越小,带越厚,带的弯曲应力越大。为避免产生过大的弯曲应力,在V带传动的设计中,对每种型号的V带都规定了相应的最小带轮直径ddmin,见表3-2。第二节

带传动中的受力分析和应力分析三、带的应力分析图3-9所示为带的应力分布图。带中最大应力发生在带的紧边绕入小带轮处,即紧边与小带轮的切点A处,其值为σmax=σ1+σc+σb1(3-13)由图3-9可见,带在工作时处于变应力状态,经过一定的循环次数,挠性带可能发生疲劳破坏。图3-9带的应力分布图第三节

带传动的运动特性一、弹性滑动与打滑带是弹性体,受拉后将产生弹性伸长。正常工作时,传动带的紧边拉力F1大于松边拉力F2,因而带在转过带轮的过程中其拉伸变形是变化的。如图3-10所示,当带由紧边A点开始进入主动轮时,带微段上B点的线速度和主动轮圆周速度v1相等,带转过与主动轮的包弧由紧边过渡到松边,所受的拉力由F1逐渐降低到F2。拉力差F1-F2使得带的弹性伸长量随之减小。因此,带微段在随带轮一起绕进的同时,相对带轮逐渐回缩,局部相对滑动使带速v逐渐过渡到低于主动轮圆周速度v1。同样现象也出现在从动轮上,带转过与从动轮的包弧由松边过渡到紧边,所受的拉力由F2逐渐增加到F1,拉力差F1-F2使带的弹性伸长量随之增加,因而带微段在随带轮一起绕进的同时,相对带轮逐渐伸长,局部相对滑动使带速v逐渐过渡到高于从动轮圆周速度v2。综上分析,紧边与松边的拉力差F1-F2引起带弹性变形量的渐变,使带与带轮间出现局部相对滑动,该现象称为带传动的弹性滑动,这是带传动正常工作时不可避免的现象。第三节

带传动的运动特性一、弹性滑动与打滑

第三节

带传动的运动特性一、弹性滑动与打滑图3-10带传动中的弹性滑动第三节

带传动的运动特性二、滑动率

第四节

带传动的设计计算一、带传动的失效形式和设计准则带传动的主要失效形式是:①打滑。②带的疲劳破坏。带传动的设计准则是保证在不打滑的条件下具有一定的工作寿命。第四节

带传动的设计计算

二、单根V带的基本额定功率第四节

带传动的设计计算

二、单根V带的基本额定功率第四节

带传动的设计计算按式(3-20)计算的四种型号的单根V带所能传递的功率P0(即基准额定功率)见表3-4。显然,同种型号的普通V带所能传递的基准额定功率主要取决于带轮直径dd和带速v。二、单根V带的基本额定功率第四节

带传动的设计计算三、V带传动的工作能力计算

第四节

带传动的设计计算三、V带传动的工作能力计算第四节

带传动的设计计算三、V带传动的工作能力计算第四节

带传动的设计计算三、V带传动的工作能力计算第四节

带传动的设计计算四、V带传动的设计内容及设计流程图1.已知条件1)传动的用途和工作情况已知。2)传递的功率P已知。3)主动轮转速n1、从动轮转速n2(或传动比i)已知。4)对外廓尺寸的要求。2.设计内容1)根据使用条件和要求选择带的类型。2)确定带的型号、根数、带传动的尺寸及张紧方式等。3)带轮的结构、尺寸及材料等(详见本章第五节)。第四节

带传动的设计计算四、V带传动的设计内容及设计流程图3.设计应满足的条件1)运动学条件。带轮直径dd1、dd2必须满足传动比i=n1/n2≈dd2/dd1的要求。2)强度条件。为保证带传动在不打滑的条件下有足够的寿命,带根数Z应满足式(3-21)的条件。3)几何条件。带轮直径dd1、dd2、带长L、中心距a应满足一定的几何关系。4)约束条件。带传动的工作原理和设计计算理论决定了为使带传动保持良好的工作状态,设计参数必须合理,小带轮包角α1、带速度v、小带轮直径dd1应在合理范围内:①由前述对带传动最大有效拉力的分析可知,为保证传动能力(不打滑),一般应使α1≥120°。②考虑离心力的影响,如v过大,则传动能力下降,易打滑;但若v太小,则有效拉力Fe=1000P/v过大,带的根数过多。带速v一般应在5~25m/s范围之内。③根据带传动的应力分析,为保证带的疲劳寿命,应使小带轮直径dd1≥ddmin。4.设计流程图V带传动的设计可按图3-11所示的设计计算框图进行。第四节

带传动的设计计算四、V带传动的设计内容及设计流程图第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算1.初选带的型号根据设计功率Pd和小轮转速n1,由图3-12和图3-13初选带的型号图3-12普通V带选型图(GB/T13575.1—2008)第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算图3-13窄V带选型图(GB/T13575.1—2008)第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算

第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算

第四节

带传动的设计计算五、V带传动的参数选择与设计计算图3-14带作用在轮轴上的载荷第五节V带轮设计及带传动的张紧装置一、V带轮的设计1.带轮材料带轮常用铸铁制造,常用牌号为HT150或HT200,允许的最大圆周速度为25m/s。转速较高时宜采用铸钢或钢板冲压后焊接;功率较小时可用铸铝或塑料制造。2.V带轮的结构如图3-15所示,带轮的外缘部分称为轮缘,轮与轴相连接的部分称为轮毂,连接轮缘与轮毂的部分称为轮辐。带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式,并根据带的型号及根数确定轮缘宽度和轮槽尺寸。轮槽形状见图3-15d。图3-15带轮的结构a)实心式结构b)腹板式结构c)轮辐式结构d)断面图第五节V带轮设计及带传动的张紧装置一、V带轮的设计轮缘

V带带轮基准直径见表3-10。普通V带和窄V带的楔角α都是40°,为保证带和带轮工作面的良好接触,带轮槽角φ应适当减小,常见有φ=32°、34°、36°、38°四种。第五节V带轮设计及带传动的张紧装置一、V带轮的设计(2)轮毂带轮通过轮毂与轴连接实现定位和传递载荷,为保证足够的承载能力和定位精度,应合理地确定轮毂的宽度和直径。轮毂宽度可取为轮毂孔直径的0.8~1.2倍。非实心的轮毂应具有适当的厚度,通常取轮毂外径为轮毂孔直径的1.6~1.8倍,承受较大载荷、承受冲击载荷、由于其他结构(如键槽、销孔)对强度有较大削弱的轮毂应取较大值。轮毂形状设计主要考虑毛坯制造工艺性的要求。对于铸造及模锻毛坯的轮毂应设置起(拔)模斜度,轮毂外形为圆锥形,由切削加工方法制造的轮毂外形通常为圆柱形;为减少应力集中,在轮毂与轮辐的过渡处应设有较大的圆角;通常轮毂在轴向相对于轮辐及轮缘对称布置。(3)轮辐由于在工作中轮辐不与其他零件接触,所以选择轮辐的结构形状时限制条件较少,在保证连接的强度、刚度与精度的前提下,可根据工艺性条件灵活确定结构形式。带轮直径较小(dd≤3d时,d为轴径)时,可采用实心式结构(图3-15a);中等直径的带轮(dd≤300mm)可采用腹板式结构(图3-15b),直径较大的带轮(dd>300mm)可采用轮辐式结构(图3-15c)。由于带轮受力比齿轮小而转速较高,轮辐截面常采用椭圆形。第五节V带轮设计及带传动的张紧装置二、带传动的张紧装置带传动需在一定初拉力的作用下才能工作,由于带工作一段时间后会因塑性变形而松弛,造成初拉力F0减小,传动能力降低,此时带需重新张紧。带传动常用的张紧方法是调节中心距。当中心距不可调时,可采用张紧轮装置进行张紧。1.定期张紧图3-16a所示为利用螺旋传动定期调节中心距进行的张紧装置,图3-16b所示为张紧轮定期张紧装置。2.自动张紧1)对水平传动,可利用弹簧力的作用使带始终在一定的张紧力下工作(图3-16c)。2)当传动不是水平布置且功率较小时,可利用浮动架和电动机自重实现自动张紧(图3-16d)。3)图3-16e所示为张紧轮自动张紧。张紧轮应置于松边。第五节V带轮设计及带传动的张紧装置二、带传动的张紧装置图3-16带传动的张紧装置a)利用螺旋传动定期调节中心距的张紧装置b)张紧轮定期张紧装置c)、d)、e)自动张紧第六节其他带传动简介及带传动的应用一、其他带传动简介1.同步带传动同步带是工作面上带齿的环状带,以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体,同步带与同步带轮靠啮合传递运动和动力(图3-17)。由于抗拉层承载后变形很小,能保持带齿的节距不变,故同步带与带轮之间没有相对滑动,从而有准确的传动比,从而可实现同步传动。同步带传动的适用范围较广,通常带速v<50m/s,传递功率P<300kW,传动比i≤10。由于同步带传动兼有普通带传动和啮合传动的优点,所以常用于要求传动比准确的场合,如打印机、放映机、纺织机械等。其主要缺点是制造和安装精度要求较高。同步带传动的设计可参阅有关设计手册。图3-17同步带传动第六节其他带传动简介及带传动的应用一、其他带传动简介2.高速平带传动带速v>30m/s、高速轴转速n1=10000~50000r/min的带传动属于高速带传动。它主要用于增速传动,如离心机、搅拌机和其他高速机械。高速带传动要求运转平稳,传动可靠,保证一定的工作寿命。高速带都采用重量轻、薄而均匀、挠曲性好的环形平带,如麻织带、锦纶编织带及高速环形胶带等。高速带轮要求重量轻,质量均匀,有足够的强度,运行时空气阻力小。带轮各方面均应