《机械设计》-第7章

7.1带传动的类型、特点及应用７.１.１带传动的类型与结构１.带传动的类型带传动可分为摩擦带传动和啮合带传动两类，如图７－２（ａ）所示，其中最常见的是摩擦带传动。摩擦带传动按带的剖面形状又可分为平带、Ｖ带、多楔带和圆带等，如图７－２（ｂ）～图７－２（ｅ）所示。平带传动的结构最简单，且带轮容易制造，在传动中心距较大的场合中应用较多。常用的平带有帆布芯平带、编织平带（棉织、毛织和缝合棉布带）、锦纶片复合平带等多种。其中以帆布芯平带应用最广，其规格可查阅国家标准或手册。下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用多楔带兼有平带和Ｖ带的优点，其柔性好，摩擦力大，能传递的功率高，并解决了由于多根Ｖ带长短不一而使各带受力不均匀的问题。多楔带主要用于传递较大功率而且结构要求紧凑的场合，其传动比可达１０，带速可达４０ｍ／ｓ。在一般的机械传动中，应用最广的是Ｖ带传动。其截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，Ｖ带只和轮槽的两个侧面接触，即以两个侧面为工作面。根据槽面摩擦原理，在同样大小的张紧力作用下，Ｖ带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，这是其性能上的最大优点。上一页下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用此外，Ｖ带传动的传动比较大，结构紧凑，且Ｖ带多已标准化并大量生产，因而应用比平带传动广泛得多，所以本章重点介绍Ｖ带传动。２.Ｖ带的类型与结构Ｖ带分为普通Ｖ带、窄Ｖ带、联组Ｖ带、齿形Ｖ带、大楔角Ｖ带和宽Ｖ带等多种类型，一般多使用普通Ｖ带，现在窄Ｖ带的使用也日渐广泛。窄Ｖ带常采用合成纤维或钢丝绳作抗拉体，与普通Ｖ带相比，当高度相同时，窄Ｖ带的宽度约缩小１／３，而承载能力却可提高１.５～２.５倍，它适用于传递动力大而又要求传动装置结构紧凑的场合。上一页下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用标准普通Ｖ带常制成无接头的环形，其结构如图７－３所示，由顶胶１、抗拉体２、底胶３和包布４等部分组成。抗拉体分为帘布芯和绳芯两种结构。帘布芯Ｖ带的制造方便；绳心Ｖ带的柔韧性好，抗弯强度高，适用于转速较高、载荷不大和带轮直径较小的场合。当带弯曲时，顶胶伸长，底胶缩短，两者之间既不受拉也不受压（长度不变）的一层称为中性层。中性层组成的面称为节面，节面的宽度称为节宽ｂｐ。Ｖ带的截面高度ｈ与其节宽ｂｐ之比称为相对高度，相对高度已标准化，其值约为０.７。Ｖ带配装在带轮上，和节宽ｂｐ相对应的带轮直径称为基准直径Ｄ。上一页下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用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，如表７－１所示。普通Ｖ带的截型分为Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ七种，窄Ｖ带的截型分为ＳＰＺ、ＳＰＡ、ＳＰＢ、ＳＰＣ四种，其截面尺寸如表７－２所示。７.１.２带传动的特点１.带传动的主要优点１）带具有弹性，能缓冲、吸振，传动平稳，噪声小；２）当过载时，带会在带轮上打滑，从而防止其他重要零件被损坏，起到安全保护的作用；上一页下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用３）带适用于中心距较大的场合；４）带的结构简单、装拆方便、成本低。２.带传动的主要缺点１）带在带轮上有相对滑动，因而，其传动比不恒定；２）带的传动效率低，且寿命较短；３）带传动的外廓尺寸大；４）带需要张紧，轴和轴承受力较大；５）带不适用于高温、易燃等场合。上一页下一页返回7.1带传动的类型、特点及应用一般情况下，带传动的功率Ｐ≤１００ｋＷ，带速为５～２５ｍ／ｓ，平均传动比ｉ≤５，传动效率η＝０.９１～０.９７；高速带传动的带速可达６０～１００ｍ／ｓ，传动比ｉ≤７；同步齿形带的带速为４０～５０ｍ／ｓ，传动比ｉ≤１０，传递功率可达２００ｋＷ，传动效率高达９８％～９９％。上一页返回7.2带传动的工作情况分析７.２.１带传动的受力分析安装带传动时，传动带即以一定的初拉力Ｆ０紧套在两个带轮上，使带与带轮的接触面间产生正压力。带传动未工作时，带的两边受相同的初拉力Ｆ０，如图７－４（ａ）所示。带传动工作时，主动轮对带的摩擦力Ｆｆ与带的运动方向一致；从动轮对带的摩擦力与带的运动方向相反，如图７－４（ｂ）所示。所以，这将导致传动带两边的拉力不相等。带绕上主动轮的一边被拉紧，拉力由Ｆ０增加到Ｆ１，称为紧边Ｆ１；而另一边略微放松，拉力由Ｆ０减少到Ｆ２，称为松边Ｆ２。下一页返回7.2带传动的工作情况分析设环形带的总长不变，则紧边拉力的增加量（Ｆ０－Ｆ１）等于松边拉力的减少量（Ｆ０－Ｆ２），即紧边、松边的拉力差等于两接触面间摩擦力的总和Ｆｆ，这称为带传动的有效拉力，也就是带所传递的圆周力Ｆ，即由式（７－１）和式（７－２）可得上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析紧边拉力松边拉力带传动的有效拉力Ｆ与所传递的功率Ｐ（ｋＷ）以及带的速度ｖ（ｍ／ｓ）之间的关系为若带速不变，则带传动所传递的功率取决于带与带轮间的摩擦力Ｆｆ。在一定条件下，当Ｆｆ达到极限Ｆｆｌｉｍ时，紧边拉力与松边拉力的关系可用柔韧体摩擦的欧拉公式来表示，即上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析由式（７－３）和式（７－５）可得上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析带在正常传动的情况下，必须使有效圆周力Ｆ＜Ｆｆｌｉｍ。由式（７－６）可知，Ｆｆｌｉｍ与下列几个因素有关：１）初拉力Ｆ０。Ｆｆｌｉｍ与Ｆ０成正比。Ｆ０越大，带与带轮之间的正压力越大，传动时的摩擦力也就越大。若Ｆ０过小，则带的传动能力不能充分发挥，容易发生打滑。但若Ｆ０过大，带的寿命将会降低，轴和轴承的受力将会增大。２）包角α。α越大，Ｆｆｌｉｍ也越大。因为α增加时，带与带轮接触弧间的摩擦力总和也会增加，从而提高其承载能力。上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析３）摩擦系数ｆ。ｆ越大，Ｆｆｌｉｍ也越大。摩擦系数与带和带轮的材料、表面状况及工作环境和条件有关。７.２.２带传动的应力分析带传动工作时，带内将产生以下几种应力。１.拉应力紧边拉应力松边拉应力上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析２.弯曲应力带绕在带轮上时，由于弯曲所产生的弯曲应力为由式（７－１０）可见，带轮的基准直径越小，带越厚时，带的弯曲应力越大。为避免弯曲应力过大，带轮的直径不能过小。Ｖ带轮的最小直径见表７－３。３.离心拉应力当带沿带轮的轮缘做圆周运动时，带上每一质点都受到离心力的作用。上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析由于离心力的作用，离心拉力Ｆｃ在带的横截面上所产生的离心拉应力σｃ为图７－５所示为带工作时的应力分布情况。带中可能产生的瞬时最大应力发生在带的紧边开始绕上小带轮处，此时的最大应力可近似地表示为由图７－５可知，带是处于变应力的状态下工作的，即带每绕两带轮循环一周时，作用在带上某点的应力是变化的。当应力循环次数达到一定数值后，将使带产生疲劳破坏。上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析７.２.３带的弹性滑动与打滑带是弹性体，在受力的情况下会产生弹性变形。由于带在紧边和松边上所受到的拉力不相等，因而其产生的弹性变形也不相同。如图７－６所示，带从在Ａ１点绕上主动带轮到Ｃ１点离开的过程中，带所受的拉力由Ｆ１逐渐降低到Ｆ２，使带后缩，带在带轮接触面上出现局部微量地向后滑动，造成带的速度逐渐小于主动轮的圆周速度ｖ１。带从在Ａ２点绕上从动轮到Ｃ２点离开的过程中，带所受的拉力Ｆ２逐渐增加到Ｆ１，使带向前伸长，带在带轮接触面上出现局部微量地向前滑动，造成带的速度逐渐大于从动轮的圆周速度ｖ２。上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析这种由于带的弹性变形而引起的带与带轮间的滑动现象称为弹性滑动。这是带传动正常工作时固有的特性。弹性滑动除了会造成功率损失、降低传动效率和增加带的磨损外，还会引起从动轮的圆周速度下降，使传动比不准确。弹性滑动引起的从动轮圆周速度的相对降低量称为滑动率ε，即上一页下一页返回7.2带传动的工作情况分析因而，带传动的实际传动比为在一般传动中，因滑动率并不大（ε＝１％～２％），故可不予考虑，而取传动比为上一页返回7.3V带传动的设计计算７.３.１Ｖ带传动的失效形式和设计准则１.主要失效形式（１）打滑当传递的圆周力Ｆ超过了带与带轮之间摩擦力总和的极限时，就会发生过载打滑，使传动失效。（２）疲劳破坏传动带在变应力的反复作用下会产生裂纹、脱层、松散直至断裂。２.设计准则带传动的设计准则是：在保证带传动不发生打滑的前提下，充分发挥带传动的能力，并使传动带具有一定的疲劳强度和寿命。下一页返回7.3V带传动的设计计算３.设计条件和传动功率根据设计准则，带传动应满足下列两个条件：（１）不打滑条件（２）疲劳强度条件或上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算由以上两式可得到同时满足这两个条件的传动功率为７.３.２Ｖ带传动的设计步骤１.单根普通Ｖ带的基本额定功率根据设计准则，对于一定结构、材质的Ｖ带，在特定试验条件（载荷平稳、α１＝α２＝１８０°，特定带长Ｌｄ，应力循环次数为１０８～１０９等）下，其许用应力［σ］按下式计算：上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算将求得的［σ］值代入式（７－２１），并用ｆｖ代替ｆ，即可求得各种型号的单根普通Ｖ带的基本额定功率Ｐ１，见表７－５～表７－１１。在使用条件下，单根普通Ｖ带的额定功率［Ｐ］是由上述基本额定功率Ｐ１加上额定功率增量ΔＰ１，并乘以修正系数而确定的，即２.设计计算的已知条件和设计内容（１）普通Ｖ带传动设计计算的已知条件１）传动的用途和工作情况；上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算２）传递的功率Ｐ；３）主动轮、从动轮的转速ｎ１、ｎ２（或传动比ｉ）；４）传动位置要求和外廓尺寸要求；５）原动机的类型等。（２）设计内容设计内容为确定带的型号、长度和根数，带轮的尺寸、结构和材料，传动的中心距，带的初拉力和压轴力，张紧及防护装置等。３.设计计算的步骤和参数选择（１）确定设计功率Ｐｄ上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算根据传递的功率Ｐ、载荷性质、原动机种类和工作情况等确定设计功率，即按表７－１６选取工况系数时，在反复启动、正反转频繁、工作条件恶劣等场合下，ＫＡ应乘以１.２。（２）选择带型根据带传动的设计功率Ｐｄ和小带轮转速ｎ１，按图７－７和图７－８初选带型。所选带型是否符合要求，需考虑传动的空间位置要求以及带的根数等才能最后确定。上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算（３）确定带轮基准直径ｄｄ１、ｄｄ２普通Ｖ带传动的国家标准中规定了带轮的最小基准直径和带轮的基准直径系列，见表７－３。当其他条件不变时，带轮的基准直径越小，带传动越紧凑，但带内的弯曲应力越大，这将导致带的疲劳强度和传动效率下降。选择小带轮的基准直径时，应使ｄｄ１≥ｄｄｍｉｎ，并取标准直径。传动比要求精确时，大带轮的基准直径应由式（７－２５）确定，即上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算一般可忽略滑动率的影响，则有（４）验算带速带速的计算公式为（５）确定中心距和带长中心距ａ的大小直接关系到传动尺寸和带在单位时间内的绕转次数。上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算中心距ａ越大，则传动尺寸越大，但在单位时间内绕转次数减少，可增加带的疲劳寿命，同时使包角α１增大，并提高传动能力。一般按下式初选中心距ａ０。带长根据带轮的基准直径和要求的中心距ａ０计算，即传动的实际中心距ａ用下式计算：上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算（６）验算包角小带轮包角α１按下式计算：一般要求９０°≤α１≤１２０°。（７）确定带的根数上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算带的根数ｚ应根据计算值进行圆整。当ｚ过大时，应改选带轮基准直径或改选带型，重新设计。（８）确定初拉力初拉力Ｆ０过小，则带传动的传动能力小，易出现打滑。当Ｆ０过大时，则带的寿命短，对轴及轴承的压力也大。一般认为，既能发挥带的传动能力，又能保证带的寿命的单根Ｖ带的初拉力应为上一页下一页返回7.3V带传动的设计计算（９）计算压轴力为了设计轴和轴承，应计算带对轴的压力ＦＱ。可近似地按带两边的初拉力Ｆ０的合力计算ＦＱ，如图７－９所示。上一页返回7.4V带轮传动的张紧方式７.４.１Ｖ带轮的设计基本要求设计Ｖ带轮时应满足的要求包括以下几方面：１）质量小；２）结构工艺性好；３）无过大的铸造内应力；４）质量分布均匀，转速高时要经过动平衡；５）轮槽工作面要经过精细加工，以减少带的磨损；６）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。下一页返回7.4V带轮传动的张紧方式７.４.２Ｖ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；转速高时宜采用铸钢（或用钢板冲压后焊接而成）；小功率时可用铸铝或塑料。７.４.３Ｖ带轮的结构尺寸铸铁制Ｖ带轮的典型结构有以下几种形式：１）实心式，如图７－１０（ａ）所示；２）腹板式，如图７－１０（ｂ）所示；３）孔板式，如图７－１０（ｃ）所示；４）椭圆轮辐式，如图７－１０（ｄ）所示。上一页下一页返回7.4V带轮传动的张紧方式当带轮基准直径Ｄ≤２.５ｄ～Ｄ≤３ｄ（ｄ为轴的直径，ｍｍ）时，可采用实心式；当Ｄ≤３００ｍｍ时可采用腹板式；当Ｄ１－ｄ１≥１００ｍｍ时，可采用孔板式；当Ｄ＞３００ｍｍ时，可采用轮辐式。带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径来选择结构形式；根据带的截型来确定轮槽尺寸，如表７－１７所示；带轮的其他结构尺寸可参照图７－１０所示的经验公式来计算。确定了带轮的各部分尺寸后，即可绘制出零件图，并按工艺要求标注出相应的技术条件等。上一页返回7.5V带轮传动的张紧方式普通Ｖ带不是完全的弹性体，它长期在张紧状态下工作时，会因出现塑性变形而松弛。这就使带传动的初拉力减小，传动能力下降，甚至失效。为保证带传动的正常工作，必须适时地为其补充张紧。常见的张紧装置有定期张紧装置和自动张紧装置两类。７.５.１定期张紧定期张紧是采用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力，使带重新张紧的方法。在水平或倾斜角度不大的传动中，可用如图７－１１（ａ）所示的方法，将装有带轮的电动机安装在制有滑轨的基板１上。要调节带的预紧力时，先松开基板上各螺栓的螺母２，旋动调节螺钉３，再将电动机向左推移到所需的位置，而后拧紧螺母２。下一页返回7.5V带轮传动的张紧方式在垂直或接近垂直的传动中，可用如图７－１１（ｂ）所示的方法，将装有带轮的电动机安装在可调的摆动架上。７.５.２自动张紧自动张紧是将装有带轮的电动机安装在浮动的摆动架上，如图７－１２所示，利用电动机的自重，使带轮随同电动机绕固定轴摆动，以自动保持张紧力的方法。７.５.３张紧轮张紧上一页下一页返回7.5