机械设计课件：链传动

机械设计

链传动链传动是由装在平行轴上的主动链轮1、从动链轮3和绕在链轮上的链条2组成的，通过链条和链轮的相互啮合来传递运动和动力。优点：1)相对带传动而言，链传动无打滑和弹性滑动现象，进而可实现准确的平均传动比；2)工作时，链与链轮为多齿啮合，结构紧凑，承载能力大，作用在轴上的轴压力小，传动效率高；3)能在高温、高油污等恶劣条件下正常工作；4)相对齿轮传动而言，链传动的制造、安装精度要求较低；5)远距离传动时结构简单，成本低。缺点：1)不能实现恒定瞬时传动比；2)高速传动下，比带传动波动性大，存在一定的冲击和噪声，不宜在载荷变化很大和急速反向传动的工况中应用；3)制造安装费用比带传动高。

链传动9.1.1

工作原理和优缺点图9-1链传动组成示意图9.1

概述19.1.2

链的种类按功能的不同，链主要包括：传动链、起重链、曳引链三种。9.1.3

应用范围广泛应用于农业、石油、化工、冶金、采矿、起重、运输机械领域中，通常传动功率P≤100kW

，链速v≤15m/s。

链传动

9.1

概述19.2.1

传动链按结构可分为：套筒链、套筒滚子链(简称滚子链)、齿形链等。1

．套筒滚子链滚子链由内链板1、外链板2、销轴3、套筒4、滚子5组成。销轴与外链板、套筒与内链板之间为过盈配合，滚子与套筒、套筒与销轴之间为间隙配合。当链条进入或退出啮合时，内外链板作相对转动。啮合时滚子与链轮

产生滚动摩擦，可减少链条与链轮轮齿间的摩擦磨损；内外链板均制成8字形，在降低质量的同时，减小传动过程产生的惯性，并可实现链板各横截面接近等抗拉强度。

9.2

链传动的结构特点

链传动1滚子链与链条啮合的基本参数有节距p

、滚子外径d1

、内链节内宽b1

、排距pt

(多排链)。其中，节距p是指链条上相邻两销轴中心之间的距离，是链传动的基本参数。节距越大，链条各零件的尺寸越大，承载能力也相应提高，但质量也会随之增加。当传递的载荷较大时，可采用多排链。但由于制造和装配的原因，各排链受力不均，故工程上排数一般不超过4。链条长度以链节数Lp来表征，一般取偶数。当偶数个链节的链条形成环形时恰好是内、外链板相接，接头处可用开口销或弹簧卡片来固定，一般开口销用于大节距，弹簧卡片用于小节距，如图9-3a

、b所示；当链节数为奇数时，则需采用过渡链节连接，如图9-3c所示，其链板工作时会受到附加弯矩的作用，强度降低约1/5，通常应

9.2

链传动的结构特点

链传动避免采用。12

．齿形链齿形链由一组带有齿形的链板铰接而成，链板的外侧直边为工作边，夹角一般为60°，如图9-4所示。齿形链工作时，链板齿形与链轮齿廓相啮合，实现运动和力的传递；同时为了防止齿形链在链轮上发生侧向窜动，齿形链上装有内导板或外导板。按其铰链形式主要可分为：圆销式、轴瓦式、滚柱式。

9.2

链传动的结构特点

链传动19.2.2

链轮1

．材料为了保证轮齿齿面有足够好的接触强度和耐磨性，一般均需经过热处理。因链传动过程中小链轮的啮合次数高于大链轮，受到的啮合冲击力大，故加工所用材料要求高，通常小链轮用钢，大链轮用铸铁。另外按实际工作工况选用不同的材料，例如：低速、轻载、平稳传动工况，采用中碳钢；中速、中载工况，采用经过淬火处理中碳钢；高速、重载、连续工作工况，采用经过表面渗碳淬火的低碳钢、低碳合金钢或经过表面淬火的中碳钢、中碳合金钢；载荷平稳、速度较低、齿数较多工况，采用σB≥200MPa的铸铁，特别是在工作环境恶劣、链轮磨损严重的工况，铸铁需经过等温淬火处理，也可采用优质铸铁。

9.2

链传动的结构特点

链传动19.2.2

链轮2

．结构形式小直径的链轮主要为整体式，中等尺寸的链轮主要为孔板式，如图9-5所示，大直径的链轮主要为组合式结构形式，即齿圈可更换的链轮。国标GB/T1243-2006中没有对滚子链链轮的齿形作出相应的规定，常见齿形如图9-6所示三圆弧(ab

、cd、dd)一直线(bc)齿形结构，对应采用标准刀具加工。

9.2

链传动的结构特点

链传动1

链传动9.2

链传动的结构特点3.

链轮的主要尺寸9.2.2

链轮1形轮之间的传动。在这里，z1

、z2为两链轮齿数；n1

、n2为两链轮转速，单位为r/min；则链条平均线速度(简称链速)

v为：

v

=

z1pn1

=

z2pn2 6010006010009.3.1

传动比、链速和速度不均匀性由于链条是由刚性链节铰接而成的挠性连接体，链条绕上链轮后形成折线，因此，链传动相当于一对多边链传动的平均传动比：i

=

n1

=

z1n2

z2

9.3

链传动的运动分析

链传动图9-7链传动的运动分析121注意：计算的链速和传动比均为平均值。即使主动链轮的角速度ω1为常数，但由于链传动的多边形效应，链传动的瞬时链速和瞬时传动比均是变化的。为方便讨论，假设链传动中主动边处于水平位置，如图9-7a所示。当主动链轮以角速度ω1

回转时，链条销轴中心A运动规律为等速圆周运动，圆周速度v1=d1

ω

1/2(d1为主动链轮节圆/分度圆直径)。圆周速度可以分解为沿链条前进方向的链速v和垂直方向的分速度v1,

：v

=

v1

cos

=

O1

cos

v1,

=v1

sin

=

O1

sin如图9-7b

、c所示，链轮转过一个节距p时，由于β在-p1/2~+p1/2(p1=360°/z1

)，为链节在主动轮上所对应的中心角)范围内变化，因此，即便主动链轮作等角速度回转，链速v和垂直方向的分速度v1,

也在周期性变化，如图9-8所示，即每转过一个链节，链速v由小变到大、又由大变到小的周期性变化；与此同时，速度v1,

使链节先减速上升，后加速下降。链传动中链节这种忽快忽慢、忽上忽下的运动现象，使链传动运动不平稳，并且产生有规律的振动。

9.3

链传动的运动分析

链传动1从动链轮上链条销轴B点的链速可表示为：v

=v2

cosY

=o2

cosY2综上所述，瞬时传动比为：o1

d2

cosYo2

d1

cos式中，d1

、d2分别为主动链轮、从动链轮的分度圆直径，单位为mmQ1

2Q12

9.3

链传动的运动分析

链传动图9-8链速的变化i

==Q1

22Q1

2Q1

2Q1

2d19.3.2

链传动的动载荷链传动产生动载荷的主要原因是：1)链速和从动链轮角速度的周期性变化使得链传动过程中产生附加动载荷，并且随着链的加速度增加，动载荷也随之增大。链的加速度可表示为：a

=

dv

=

−

d1

o1

sin

bdb

=

−

d1

o12

sin

bdt2dt

2当β=±φ1/2时，加速度达到最大。

amax

=−o12

sin

士=

o12

sin=从上述函数关系可以看出，随着链轮转速增高、链节距的增大、链齿数的减少，动载荷变大。且当转速和链轮大小(或z1p)不变时，优先采用较多的链轮齿数和较小的链节距。2)由于链沿垂直方向分速度作周期性地变化，使链产生横向振动，进而产生动载荷。

9.3

链传动的运动分析

链传动13)由于链节和轮齿以一定的相对速度相啮合，使链节和轮齿之间产生冲击，进而滋生附加动载荷；其次，链节对轮齿的持续冲击，使转动过程产生振动和噪声，加速链的疲劳损坏和轮齿的磨损，也会增加传动过程的能耗。传动过程中大的冲击动能对链传动的破坏作用明显。根据冲击动能Ek=qp3n2/C

(q为每米链长的质量，单位为kg/m；C为常数)可知，应采用较小的链节距并限制链轮的极限转速有利于降低动载荷。4)当链张紧不良时，在起动、制动、反转、载荷变化等情况下，松弛链条产生的惯性冲击使链传动产生较大的动载荷。

9.3

链传动的运动分析

链传动1在实际工作过程中，链条啮入主动轮的一边为紧边，啮入从动轮的一边为松边，如图9-9所示，其紧边与松边的拉力是不等的。在不计链传动中动载荷的情况下，链受到的主要作用力有离心拉力Fc

、工作拉力F以及垂作用在轴上的压轴力F

=

K

FQ

FpKFp为压轴力系数，水平布置取1.15，垂直布置取1.05F

=

N

=qv2

Fy

Ky

qgacF

9.4

链传动的受力分析

链传动F1

=F

++

FyF2

=

+

FycFcF则紧边拉力松边拉力图9-9链传动受力图度拉力Fy。19.5.1

设计条件与要求在设计滚子链传动时，已知条件主要有：传递功率、工作条件、主、从动轮的转速和尺寸的要求等。设计任务主要是：根据传动要求确定链的优选类型和型号、传动参数以及链轮的材料、尺寸、结构；然后选择润滑方式，并确定张紧方式等。1

．链传动失效形式1)疲劳破坏是链传动工作能力的主要决定因素。正常润滑条件下，链条长期在变应力的作用下，造成累积损伤而发生疲劳破坏，链板通常的失效形式为疲劳断裂，滚子表面的失效形式主要为疲劳点蚀。2)磨损链条在长期运行过程中，磨损使得链节距过度伸长，造成链传动跳齿或脱链发生。3)胶合当润滑不当或转速过高时，销轴和套筒的接触表面常常发生胶合，因此需限制极限转速。4)冲击疲劳破断由于链传动存在啮合冲击和起动、反转、制动等多次反复冲击，使滚子、套筒发生冲击疲劳破断。5)过载拉断在低速重载或严重过载的工况中出现概率较高。

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动19.5.1

设计条件与要求2

．设计要求在一定工作寿命和正常润滑条件下，避免上述失效形式发生。3

．极限功率曲线在一定工作寿命和正常润滑条件下，链传动实验条件下的极限功率曲线见图9-10，曲线1是正常润滑条件下，由铰链磨损确定的极限功率曲线；曲线2是由链板疲劳破坏确定的极限功率曲线；曲线3是由滚子、套筒冲击疲劳强度确定的极限功率曲线；曲线4是由销轴和套筒的接触表面胶合确定的极限功率曲线；曲线5是正常润滑条件下的额定功率曲线；曲线6是润滑不良或恶劣工况下的极限功率曲线。

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动图9-10极限功率曲线19.5.1

设计条件与要求4

．额定功率曲线为避免上述失效形式产生，图9-11列出了滚子链的额定功率曲线，其试验条件为：小链轮齿数z1=19，链节数Lp=100，载荷平稳，单排链水平布置，按推荐润滑方式润滑，使用寿命约为15000h，且因磨损而引起的链条相对伸长量小于等于3%。由于实际使用中与上述条件不同，故计算功率Pca应修正为：ca

K

K

K

0z

p

L式中，KA为工况系数，见表9-3；P为传动功率，单位为kW；P0为额定功率，单位为kW；Kz为小链轮齿数系数，见表9-5，当工作点落在图9-11中曲线顶点的左侧时，取表中Kz

，否则，取表中，Kp为多排链排数系数，见表9-4；KL为链长系数，见图9-12，图中链板疲劳计算用曲线1

，套筒、滚子冲击疲劳计算用曲线2为，当失效形式无法预先估计时，取曲线小值。zP

=

KAP

P

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动19.5

滚子链传动的性能设计

链传动1

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动1式中，Q为单排链极限拉伸载荷，单位为N

，见表9-1；n为链排数。9.5.2

主要参数选择1

．链轮齿数链传动的平稳性和工作寿命均与链轮齿数有关。过少的链轮齿数会增加链传动的不均匀性和动载荷，增加链条和链轮的磨损，加大压轴力；当z1过大时，将导致：1)大链轮齿数增大，加大传动的尺寸和质量；2)容易发生跳链和脱链现象；3)缩短链条的使用寿命。9.5.1

设计条件与要求5

．静强度校核当链速v<0.6m/s时，过载拉断是链传动的主要失效形式，此时需进行静强度校核，如下：

Qn

S

=>4~

8A

1

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动K

F19.5.2

主要参数选择2

．传动比传动比过大，链条在小链轮上的包角降低，参与啮合的齿数减小，传动过程中每个轮齿承受的载荷增大，加大轮齿磨损，易出现跳齿和脱链现象。一般链传动的传动比i≤6，优选i=2~3.5，同时满足小链轮上的包角应不低于120°。3

．链节距和排数大的链节距p使得传动的承载能力提高，但传动的冲击、不均匀性、振动也随之增大。因此，在满足传动要求的前提下应优选小节距的链，高速重载工况可采用小节距多排链。在中心距大、速度不太高、传动比小情况下，可采用大节距单排链。4

．中心距和链节数小中心距可以使结构紧凑，但在传动比一定的情况下，过小的中心距会降低小链轮上的包角，减小啮合的链轮齿数，且单位时间内链条绕行的次数增多，啮合次数增加，加剧链的磨损和疲劳损坏。过大的中心距使得结构尺寸太大，链条松边容易颤动。一般初选中心距a0=(30~50)p

，但最大中心距amax

≤80p。

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动1：

Lp

=

+

+

链节数须为整数，优选偶数。将Lp

圆整后，实际中心距为：a

=Lp

−+9.5.3

设计流程链传动设计根据链速不同可分为一般与低速两种情况：通常，一般(v≥0.6m/s)的链传动按功率曲线设计计算，低速(v＜0.6m/s)链传动按静强度设计计算。1

．一般链传动的设计计算(1)确定传动比i通常限制链传动的传动比i≤6，优选i=2~3.5。但当载荷平稳、外形尺寸不受限制、v＜3m/s时，i可取10。22数Lp计算公式为主要参数选择节.2链9.5

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动19.5.3

设计流程(2)确定链轮齿数小的链轮齿数z1有利于减小外廓尺寸，大的齿数z1有利于提高传动性能。为考虑磨损均匀，小链轮齿数常取奇数，当链速很低时，小链轮齿数可采用z1min=19。z1确定后，从动轮齿数z2=iz1。(3)确定计算功率Pca(4)确定链节距p链条节距可根据额定功率P0和小链轮转速n1

由额定功率曲线图选定。由于链传动的实际工况与实验工况不一致，因此应按修正后的计算功率计算：P0

≥Pcav

=1

1

15601000推荐链速v

=6~8m/s

9.5

滚子链传动的性能设计(5)确定链速v

z

n

p

链传动19.5.3

设计流程(6)确定链节数Lp和中心距a设计时如无特殊要求，一般可初定中心距a0=(30~50)p

，amax<80p

，最小中心距amin可按下式计算：

当i＜4时，amin

=

0.2z1

(i

+1)p当i≥4时，

amin

=

0.33z1

(i

−1)p为使得链条有合适的垂度(不能使安装太紧)，实际安装中心距a'应比计算值a低0.2~0.4%，这时实际安装中心距为：a'=a-Δa

。在中心距固定且无张紧装置的情况下，需注意中心距的准确性。(7)小链轮毂孔最大直径dkmax链轮的毂孔不应小于安装链轮处的轴径。若不能满足要求，则需要采用特殊结构链轮或重新选择链的传动参数。(8)计算压轴力FQ2

．低速链传动的设计计算由于静拉断是低速链传动的主要失效形式，故应进行静强度校核。

9.5

滚子链传动的性能设计

链传动19.6.1

链传动的合理布置在链传动中，两链轮的转动平面应在同一平面内，两轴线必须平行且优选水平布置。如需倾斜布置，则应使两链轮中心连线倾角α最好低于45o。同时应使链的紧边在上，松边在下，以便链节和链轮轮齿可以顺利地进入、退出啮合。如果链的松边在上，可能会因链的松边垂度过大而出现链条与链轮的干扰，甚至会引起链的松边碰到紧边。为防止链条垂度过大造成啮合不良和松边的颤动，需用张紧装置。当选择不同的传动比和传动中心距时，链传动的布置形式可参考表9-7。

9.6

链传动的布置、张紧与润滑

链传动1

9.6

链传动的布置、张紧与润滑

链传动19.6.2

张紧方法链传动张紧的目的主要是为了使链条的松边有合理的垂度，保证链条与链轮有较大的啮合包角。当两链轮轴心连线倾斜角大于

60°时，需额外设