《机械设计基础》-第１４章

１４.１带传动概述１４.１.１带传动的组成如图１４－１所示，带传动由主动带轮１、从动带轮２和传动带３组成，工作时依靠带与带轮之间的摩擦或啮合来传递运动和动力。１４.１.２带传动的主要类型根据工作原理的不同，带传动分为：（１）摩擦式带传动。依靠带与带轮间的摩擦力传递运动和动力。（２）啮合式带传动。依靠带上的齿或孔与带轮上的齿或孔啮合传递运动和动力。１.摩擦式带传动下一页返回１４.１带传动概述根据带的截面形状不同可分为平带传动（矩形截面）［如图１４－２（ａ）所示］、Ｖ带传动（梯形截面）［如图１４－２（ｂ）所示］、多楔带［如图１４－２（ｃ）所示］、圆带（圆截面）［如图１４－２（ｄ）所示］等类型。（１）平带传动。平带的传动结构最简单，其工作表面为内表面，平带挠曲性好，易于加工，在传动中心距较大场合应用较多。（２）Ｖ带传动。上一页下一页返回１４.１带传动概述Ｖ带俗称三角带，其工作表面为两侧面，Ｖ带与平带相比，在相同的正压力作用下，Ｖ带的当量摩擦因数大，故能传递较大的功率，况且Ｖ带结构紧凑，因此应用广泛。（３）多楔带传动。多楔带是在平带基体上由多根Ｖ带组成的传动带，兼有平带挠曲性好及Ｖ带传动能力强等优点，可以避免使用多根Ｖ带时长度不等，受力不均匀等缺点。（４）圆带传动。圆带通常用棉绳或皮革制成。圆带传动能力小，适合于仪器和家用机械，如缝纫机等。上一页下一页返回１４.１带传动概述２.啮合式带传动啮合式带传动分为同步带传动如图１４－１（ｂ）所示和齿孔带传动，其兼有带传动和齿轮传动的特点，主要应用于要求传动比准确、功率较大、线速度较高的场合。１４.１.３带传动的特点和应用带是弹性元件，因此带传动有以下特点。（１）能吸收振动，缓和冲击，传动平稳，噪声小。（２）过载时，带会在带轮上打滑，防止其他机件损坏，起到过载保护作用。上一页下一页返回１４.１带传动概述（３）结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。（４）带与带轮之间存在一定的弹性滑动，故不能保证恒定的传动比，传动精度和传动效率较低。（５）由于带工作时需要张紧，带对带轮轴有很大的压轴力。（６）带传动装置外廓尺寸大，结构不够紧凑。（７）带的寿命较短，需要经常更换。（８）不适用于高温、易燃及有腐蚀介质的场合。摩擦带传动适用于要求传动平稳、传动比要求不准确、中小功率的远距离传动。一般情况下，带传动的传递功率Ｐ≤１００ｋＷ，带速ｖ＝５～２５ｍ／ｓ，传动比ｉ≤７，传动效率η＝０.９０～０.９５。上一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析１４.２.１带传动的受力分析带传动安装时，需要把带紧套在两个带轮的轮缘上，这时带没有工作，带就受到张紧力Ｆ０作用，且传动带各处的张紧力相等，如图１４－３（ａ）所示。当带传动工作时，主动带轮以转速ｎ１转动，主动带轮靠摩擦力带动传动带运动，传动带又靠摩擦力带动从动带轮以ｎ２的转速转动。此时，传动带在带轮两边的拉力就发生了变化，传动带绕入主动带轮的一边被拉得更紧，其拉力Ｆ０增加到Ｆ１；另一边则相应地被放松，带所受的拉力Ｆ０减少到Ｆ２。拉力增大的边称为紧边，拉力减少的边称为松边。两边拉力的差称为有效圆周力，也叫有效拉力，以Ｆ表示，即Ｆ＝Ｆ１－Ｆ２。下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析Ｆ也应等于带与带轮之间的摩擦力的总和，即假定带工作时的总长度不变，则紧边拉力的增量（Ｆ１－Ｆ０）近似等于松边拉力的减少量（Ｆ０－Ｆ２），即Ｆ１－Ｆ０＝Ｆ０－Ｆ２，于是得传动带在即将打滑时，紧边拉力Ｆ１和松边拉力Ｆ２之间的关系公式（即欧拉公式）上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析由式（１４－１）、式（１４－２）和式（１４－３），整理可得１４.２.２带传动的应力分析传动带工作时，有３种应力作用。１.紧边拉力和松边拉力引起的应力带工作时，紧边拉力Ｆ１（Ｎ）和松边拉力Ｆ２（Ｎ）引起的应力σ１和σ２（ＭＰａ）分别为上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析２.离心力引起的应力沿带轮轮缘弧面运动的传动带，由于具有一定的质量，就不可避免地受到离心力的作用。在带内会引起离心拉力Ｆｃ及相应的拉应力σｃ。设带以速度ｖ绕带轮运动，带中的离心拉应力σｃ（ＭＰａ）为３.弯曲应力带在工作时，带绕上大小带轮的部分会产生弯曲，由于弯曲所产生的弯曲应力分别为σｂ１、σｂ２，则上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析由式（１４－７）可见：带轮直径越小，带越厚，弯曲应力愈大。为了增大带的使用寿命，小带轮直径不能取得过小。一般应不小于该型号传动带规定的带轮最小直径ｄｍｉｎ。带中各截面上的应力大小，如用自该处所作的径向线长短可画成如图１４－４所示的应力分布图。由图１４－４可见，带在工作中所受的应力是变化的，最大应力在由紧边进入小带轮处。上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析由于传动带在变应力的状态下工作，所以带传动容易产生疲劳破坏。１４.２.３带传动的弹性滑动、打滑及其传动比１.弹性滑动带是弹性体，受力后会产生弹性变形，带受力不同时，弹性变形量不同，由此引起带与带轮之间在微小范围内的相对滑动，称为带传动的弹性滑动。弹性滑动使得从动轮的圆周速度小于主动轮的圆周速度，是带传动不能保证准确传动比的原因。弹性滑动在摩擦传动中是不可避免的。上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析由于弹性滑动引起的从动轮圆周速度的降低率称为带传动的滑动系数，用ε表示，即考虑弹性滑动时的传动比为一般带传动的滑动系数ε＝０.０１～０.０２，因ε值很小，非精确计算时可以忽略不计。这时带传动的传动比为上一页下一页返回１４.２带传动的工作原理及工作能力分析２.打滑在一定的条件下，带传动有一极限摩擦力Ｆｆｍａｘ，当传动所需要的圆周力大于极限摩擦力时，由于过载传动带将在带轮轮缘上产生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。打滑时，传动带的速度迅速下降，使传动失效。带传动正常工作时是不允许打滑的。打滑是可以避免的。上一页返回１４.３普通V带和V带轮Ｖ带分为普通Ｖ带、窄Ｖ带、宽Ｖ带、大楔角Ｖ带、汽车Ｖ带等多种类型，其中普通Ｖ带应用最为广泛。以下主要介绍普通Ｖ带。１４.３.１普通Ｖ带的结构和标准１.普通Ｖ带的结构和参数普通Ｖ带为无接头的环形带，由顶胶、底胶、抗拉体和包布层组成，如图１４－５所示。包布层由胶帆布制成，抗拉体由几层胶帘布或一排胶线绳制成，前者为帘布结构Ｖ带，后者称为绳芯结构Ｖ带，帘布结构Ｖ带抗拉强度大，承载能力较强，绳芯结构Ｖ带柔韧性好，抗弯强度高，但承载能力较差。下一页返回１４.３普通V带和V带轮Ｖ带绕在带轮上时产生弯曲，外层受拉伸长，内层受压缩短，内外层之间必有一长度不变的中性层，其宽度ｂｐ称为节宽，见表１４－２。Ｖ带轮上与ｂｐ相应的带轮直径ｄｄ称为基准直径。与带轮基准直径相应的带的周线长度称为基准长度，用Ｌｄ表示，见表１４－１。两带轮轴线间的距离ａ称为中心距，带与带轮接触弧所对应的中心角称为包角α，见图１４－１（ａ）。２.普通Ｖ带的标记上一页下一页返回１４.３普通V带和V带轮１４.３.２Ｖ带轮１.带轮设计要求设计Ｖ带轮时应满足的要求有：质量小且质量分布均匀；足够的承载能力；良好的结构工艺性；轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。２.带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为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（或用钢板冲压后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料。上一页下一页返回１４.３普通V带和V带轮普通Ｖ带已标准化，按截面尺寸从小到大可分为Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ七种型号，各种型号Ｖ带的截面尺寸见表１４－２。３.结构尺寸Ｖ带轮由轮缘、轮毂、轮辐３部分组成。直径较小时可采用实心式，如图１４－６（ａ）所示；中等直径带轮采用腹板式，如图１４－６（ｂ）（ｃ）所示；直径大于３５０ｍｍ时可采用轮辐式，如图１４－６（ｄ）所示。上一页下一页返回１４.３普通V带和V带轮轮毂与轮辐尺寸如图１４－６所示，按经验公式计算，轮缘尺寸见表１４－３。４.带轮的标记上一页返回１４.４普通V带的传动设计１４.４.１带传动的失效形式和设计准则带传动的主要失效形式是打滑和带的疲劳破坏。因此，带传动的计算准则是：在保证不打滑的前提下，具有足够的疲劳强度和寿命。１４.４.２单根Ｖ带的基本额定功率根据带传动的计算准则，通过实验可得单根普通Ｖ带的基本额定功率Ｐ０（表１４－４）.当实际使用条件与实验条件不相符时，应对Ｐ０值进行修正。因此，在实际使用条件下单根普通Ｖ带许用的额定功率［Ｐ０］为下一页返回１４.４普通V带的传动设计１４.４.３普通Ｖ带传动的设计计算１.已知条件及设计内容设计Ｖ带传动的已知条件一般为：原动机的性能，传动用途，传递的功率Ｐ，两轮的转速ｎ１、ｎ２（或传动比ｉ１２），工作条件及外廓尺寸要求等。设计内容包括：确定普通Ｖ带的型号、基准长度Ｌｄ和根数ｚ；确定带轮的材料、基准直径ｄｄ１、ｄｄ２及结构尺寸；确定传动的中心距ａ、计算初拉力Ｆ０及作用在轴上的压力ＦＱ；选择张紧装置。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计２.设计步骤和方法（１）确定计算功率。（２）选择Ｖ带的型号。根据计算功率Ｐｃ和小带轮转速ｎ１，按图１４－７选择普通Ｖ带的型号。当选择的坐标点在两种型号分界线附近时，应按两种型号分别进行计算，然后择优选用。（３）确定带轮的基准直径ｄｄ１、ｄｄ２。一般取ｄｄ１≥ｄｄｍｉｎ，若ｄｄ１过小则带的弯曲应力太大而导致带的寿命降低；反之，则带传动的外廓尺寸增大。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计表１４－８规定了带轮的最小基准直径ｄｄｍｉｎ。大带轮的基准直径ｄｄ２由下式计算带轮的基准直径ｄｄ１、ｄｄ２应符合带轮基准直径尺寸系列。（４）验算带速ｖ。（５）确定中心距ａ和带的基准长度Ｌｄ。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计①初定中心距ａ０。对于没有限定中心距的情况，可按下式初选中心距。若已限定中心距的范围，则ａ０应在所限定的范围内取值。②确定带的基准长度Ｌｄ。按下式初步计算带的基准长度Ｌｄ０。由Ｌｄ０和Ｖ带的型号查表１４－１，选取接近的基准长度Ｌｄ。③确定实际中心距ａ。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计考虑安装、张紧和调整等，中心距需要有一定的调整范围，一般为（６）验算小带轮包角α１。（７）确定带的根数ｚ。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计带的根数ｚ应圆整为整数。为使各根带受力均匀，带的根数ｚ不能太多，一般ｚ＝２～５为宜，最多不多于８～１０根。否则应加大带轮基准直径或选择较大型号的Ｖ带，重新设计。（８）确定单根Ｖ带的初拉力Ｆ０。保持适当的初拉力是带传动正常工作的必要条件。初拉力过小，则传动时摩擦力过小易打滑；过大则降低带的寿命，并增大了轴和轴承的压力。单根Ｖ带的初拉力可按下式计算。上一页下一页返回１４.４普通V带的传动设计（９）计算作用在带轮轴上的压力ＦＱ。为了设计轴和轴承，必须求出Ｖ带作用在轴上的压力ＦＱ。ＦＱ可按下式计算。上一页返回１４.５V带传动的张紧、安装和维护１４.５.１Ｖ带传动的张紧由于带使用一段时间后，会产生塑性变形而松弛，使带的张紧力减小，其传动能力降低，因而要重新张紧，以保持传动能力。常用的张紧方法有以下两种。１.调整中心距当中心距可调时，加大中心距，使带张紧。调节中心距的张紧装置有以下两类。（１）定期张紧装置。采用定期改变中心距的方法来调节带的张紧力，使带重新张紧。常见的有滑道式和摆架式两种结构。下一页返回１４.５V带传动的张紧、安装和维护如图１４－８（ａ）所示，在水平或倾斜度不大的传动中，可用滑道式的方法。将装有带轮的电动机安装在制有滑道的基板上，要调节带的张紧力时，松开基板上各螺栓的螺母，旋动调节螺钉，将电动机向右推移到所需的位置，然后拧紧螺母。如图１４－８（ｂ）所示，在垂直或接近垂直的传动中，可用摆架式的方法。将装有带轮的电动机安装在可调整的摆架上，通过调整螺栓使电动机摆动将带张紧。（２）自动张紧装置。如图１４－８（ｃ）所示，将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用电动机的自重，使带轮绕固定轴摆动，以自动保持张紧力。上一页下一页返回１４.５V带传动的张紧、安装和维护２.采用张紧轮当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧，如图１４－９所示。张紧轮一般放在松边的内侧，使带只受单向弯曲，同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响带在小轮上的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径小于小带轮的直径。１４.５.２带传动的安装和维护