《机械设计》-第8章

8.1链传动的特点及应用８.１.１套筒滚子链的结构和规格１.滚子链的结构滚子链的结构如图８－１所示。它是由滚子１、套筒２、销轴３、内链板４和外链板５所组成。内链板与套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈配合固连。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。当内、外链板相对挠曲时，套筒可绕销轴自由转动。滚子是活套在套筒上的，工作时，滚子沿链轮齿廓滚动，这样就可以减轻齿廓的磨损。链的磨损主要发生在销轴与套筒的接触面上。因此，内、外链板间应留有少许间隙，以便润滑油渗入销轴和套筒的摩擦面之间。下一页返回8.1链传动的特点及应用链板一般制成８字形，以便它的各个横截面具有相近的抗拉强度，同时，这样也能减小链的质量和运动时的惯性力。当传递大功率时，可采用双排链（如图８－２所示）或多排链。多排链的承载能力与排数成正比。但由于其精度的影响，各排所受的载荷不易均匀，故排数不宜过多。滚子链的接头形式如图８－３所示。当链节数为偶数时，接头处可用开口销或弹簧卡片来固定，如图８－３（ａ）和图８－３（ｂ）所示。一般前者用于大节距的情况，后者用于小节距的情况；当链节数为奇数时，需采用如图８－３（ｃ）所示的过渡链节。上一页下一页返回8.1链传动的特点及应用由于过渡链节的链板要受到附加弯矩的作用，所以在一般情况下，最好不要使用奇数链节。如图８－１所示，滚子链和链轮啮合的基本参数为节距ｐ、滚子外径ｄ１和内链节内宽ｂ１（对于多排链而言，还有节距ｐｔ，如图８－２所示）。其中节距ｐ是滚子链的主要参数，当节距增大时，链条中各零件的尺寸也会相应增大，其可传递的功率也随之增大。链的使用寿命在很大程度上取决于链的材料及热处理方法。因此，组成链的所有元件均需经过热处理，以提高其强度、耐磨性和耐冲击性。２.滚子链的规格上一页下一页返回8.1链传动的特点及应用在国际上，几乎所有国家均采用英制单位来表示链节距，我国的链条标准中规定节距的单位应使用英制折算成米制的单位。表８－１所示为ＧＢ／Ｔ１２４３—２００６规定的几种规格的滚子链的主要尺寸和极限拉伸载荷。滚子链分为Ａ、Ｂ两个系列，本章仅介绍最常用的Ａ系列滚子链传动的设计。滚子链的标记为：名称链号—排数×整链链节标准编号８.１.２链轮的结构链轮分为整体式、孔板式和组合式三种，如图８－４所示。上一页下一页返回8.1链传动的特点及应用其齿圈与轮毂可用不同的材料制造，其连接方式可以是焊接式或用螺栓连接（轮齿磨损后便于更换）。轮齿的齿形应保证链节能平稳地进入和退出啮合，且受力良好，不易脱链，便于加工制造。滚子链链轮的齿形已经标准化（ＧＢ／Ｔ１２４３—２００６），其中，常用的是三圆弧一直线齿形，如图８－５所示。其实际齿槽形状在最大、最小范围内都可以使用，因而，链轮齿廓曲线的几何形状可以有很大的灵活性。因齿形是用标准刀具加工，在链轮工作图中不必画出，只需在图上注明“齿形按３ＲＧＢ／Ｔ１２４３—２００６规定制造”即可。上一页下一页返回8.1链传动的特点及应用链轮分度圆直径ｄ、齿顶圆直径ｄａ、齿根圆直径ｄｆ的计算公式如下：分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿侧凸缘（或排间距）直径上一页下一页返回8.1链传动的特点及应用滚子链链轮轴面齿形的几何尺寸可查阅有关手册。链轮的材料应能保证轮齿具有足够的强度和耐磨性，一般根据尺寸和工作条件参照表８－２选取。上一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析８.２.１链传动的运动分析链条绕上链轮后会形成折线，因此，链传动相当于一对多边形轮子之间的传动，如图８－６所示。多边形的边长等于节距ｐ，边数等于链轮齿数ｚ，则链轮旋转一周，链条就移动一个多边形周长ｚｐ。设主、从动链轮的齿数分别为ｚ１、ｚ２，其转速分别为ｎ１、ｎ２（ｒ／ｍｉｎ），则其链速ｖ（ｍ／ｓ）为链传动的传动比下一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析由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，其瞬时速度和瞬时传动比都是周期性变化的。为了便于分析，设链的主动边（紧边）始终处于水平位置，如图８－６所示。当某链节在Ａ点处绕上主动链轮时，它的销轴中心Ａ随链轮以角速度ω１做等速圆周运动，其圆周速度ｖＡ为ｖＡ可以分解为沿着链条前进的水平分速度ｖ和垂直分速度ｖ２，则上一页下一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析当主动轮角速度ω１为常数时，链条的瞬时速度ｖ周期性地由小变大，再由大变小，链条每转过一个节距，ｖ就变化一次。这种链速ｖ时快时慢，而ｖ′忽上忽下地发生的变化，称为链传动的“多边形效应”。因而，其传动不平稳，链条会产生周期性的振动。上一页下一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析链速和从动轮角速度的周期性变化，使得链传动产生运动不均匀性和附加动载荷。链轮的齿数越少，其运动的不均匀性就越大。链轮的齿数越少，其节距越大，转速越高，动载荷也将越大。８.２.２链传动的受力分析链传动在工作时，其紧边和松边的拉力不相等，如图８－７所示。若不考虑动载荷，则链在传动中的主要作用力有：１.工作拉力Ｆ工作拉力Ｆ（Ｎ）可根据传递的功率Ｐ（ｋＷ）和链速ｖ（ｍ／ｓ）进行计算，即上一页下一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析２.离心拉力Ｆｃ链的两边所受的离心拉力Ｆｃ（Ｎ）可按下式计算：３.悬垂拉力Ｆｙ悬垂拉力Ｆｙ（Ｎ）可采用近似的方法计算，如图８－８所示，即Ｋｙ值与两链轮轴线所在的平面与水平面的倾角有关。垂直布置时，Ｋｙ＝１；水平布置时，Ｋｙ＝７；倾角为３０°时，Ｋｙ＝６；倾角为６０°时，Ｋｙ＝４；倾角为７５°时，Ｋｙ＝２.５。上一页下一页返回8.2链传动的运动分析及受力分析由此可得，链紧边和松边的拉力为：紧边总拉力松边总拉力链作用在轴上的压轴力ＦＱ可近似地取为ＦＱ＝（１.２～１.３）Ｆ，有冲击和振动时取大值。上一页返回8.3套筒滚子链的设计计算８.３.１套筒滚子链传动的设计约束分析１.滚子链传动的失效形式实践证明，链传动的失效一般是由于链条的失效引起的，其主要失效形式有以下几种：（１）链的疲劳破坏工作时，链周而复始地由松边到紧边不断地运动，因而，它的每个元件都是在变应力下工作的，经过一定的循环次数以后，链板将会出现疲劳断裂，或者套筒、滚子表面将会出现疲劳点蚀（多边效应引起的冲击疲劳）。因此，链条的疲劳强度就成为决定链传动承载能力的主要因素。下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算（２）链条铰链的磨损链条在工作过程中，由于铰链的销轴与套筒间会承受较大的压力，且传动时彼此又会产生相对转动，从而导致铰链磨损，使链条总长伸长，从而使链的松边垂度发生变化，使动载荷增大，并发生振动、引起跳齿、增大噪声以及其他破坏，如销轴因磨损削弱而断裂等。（３）链条铰链的胶合当链轮转速高达一定数值时，链节啮入时受到的冲击能量增大，销轴和套筒间的润滑油膜被破坏，使两者的工作表面在很高的温度和压力下直接接触，从而导致胶合。因此，胶合在一定程度上限制了链传动的极限转速。上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算（４）链条静力拉断低速（ｖ＜０.６ｍ／ｓ）的链条过载，并超过了链条的静力强度时，链条就会被拉断。２.滚子链传动的额定功率链传动的各种失效形式都在一定条件下限制了它的承载能力。因此，在选择链条的型号时，必须全面考虑各种失效形式产生的原因及条件，从而确定其能传递的额定功率。图８－８所示为通过实验作出的单排滚子链的极限功率曲线。曲线１是在正常润滑的条件下，铰链磨损限定的极限功率曲线；曲线２是链板疲劳强度限定的极限功率曲线；曲线３是套筒和滚子冲击疲劳强度限定的极限功率曲线；曲线４是铰链胶合限定的极限功率曲线。上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算图中阴影部分为实际使用的许用功率（区域）。若润滑不良及工作情况恶劣，磨损将会很严重，其极限功率将大幅度下降，如图８－８中虚线５所示。图８－９所示为１０种型号的滚子链的额定功率曲线，它是在标准实验条件下得到的，即在以下条件下得到的：单排链，两轮安装在水平轴上，两链轮共面；小链轮齿数ｚ１＝１９，链长Ｌｐ＝１００节，ｉ＝３；载荷平稳；按推荐的润滑方式润滑；能连续满负荷工作１５０００ｈ；链条因磨损引起的相对伸长量不超过３％。根据小链轮的转速，在图８－９上可查出各种链条在链速ｖ＞０.６ｍ／ｓ的情况下允许传递的额定功率Ｐ０。上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算设计时，若实际选用的参数与上述实验条件不同，则需要引入一系列相应的修正系数对图中的额定功率Ｐ０进行修正。若润滑条件与图示要求不同，则需要根据链速ｖ的不同，将图中的Ｐ０值降低。当链速ｖ≤１.５ｍ／ｓ时，Ｐ０值降低到５０％；当１.５ｍ／ｓ≤ｖ≤７ｍ／ｓ时，Ｐ０降低到２５％；当ｖ＞７ｍ／ｓ而润滑又不当时，则不宜采用链传动。单排链传动的额定功率应按下式确定，即上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算８.３.２套筒滚子链传动的设计链传动在不同的工作条件下，具有不同的失效形式，因而，它涉及的计算方法不同。对于链速ｖ≥０.６ｍ／ｓ的链传动而言，一般按功率曲线进行设计计算。对于链速ｖ＜０.６ｍ／ｓ的链传动，则按静强度设计计算。设计滚子链传动时依据的原始数据为传动的功率Ｐ、小链轮与大链轮的转速ｎ１和ｎ２（或传动比ｉ）、原动机的种类、载荷性质及传动用途等。若设计的步骤为：１.ｖ≥０.６ｍ／ｓ的一般链传动的设计计算和参数选择上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算（１）链轮齿数ｚ１、ｚ２和传动比小链轮齿数ｚ１对链传动的平稳性和使用寿命有较大的影响。齿数少可减少其外廓尺寸，但齿数过少时，将会导致以下几方面的问题：１）传动的不均匀性和动载荷增大；２）链条进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，使铰链的磨损加剧；３）链传递的圆周力增大，从而加速链条和链轮的损坏。由此可见，增加ｚ１对传动是有利的，但ｚ１如果选得太大，大链轮的齿数ｚ２将更大，这除了会增大传动的尺寸和质量外，也易于因链条节距的伸长而发生跳齿和脱链现象，同样会缩短链条的寿命。上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算销轴和套筒磨损后，链节距的增量Δｐ和分度圆直径的增量Δｄ（如图８－１１所示）的关系为当Δｐ一定时，链轮齿数越多，Δｄ越大，则链节向齿顶移动越大，这时容易发生跳齿或脱链现象，为此，通常限定其最大齿数ｚｍａｘ≤１２０。为使ｚ２不致过大，可参照表８－６选择ｚ１或取ｚ１＝２９－２ｉ，ｚ２＝ｉｚ１。上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算由于链节数通常是偶数，考虑磨损均匀的问题，链轮齿数一般应取与链节数互为质数的奇数，并优先选用以下数列：１７、１９、２１、２３、２５、３８、５７、７６、９５、１１４。（２）初定中心距ａ０确定中心距首先应考虑结构的要求，一般情况下，推荐取ａ０＝（３０～５０）ｐ，ａ０ｍａｘ＝８０ｐ。为保证小链轮上的包角不小于１２０°，且大小链轮互不干涉，推荐传动比ｉ＜４时，取ａ０ｍｉｎ＝０.２ｚ１（ｉ＋１）ｐ；ｉ≥４时，取ａ０ｍｉｎ＝０.３３ｚ１（ｉ－１）ｐ。（３）确定链的型号和节距ｐ上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算节距越大，其承载能力越高。当链轮齿数一定时，节距ｐ越大，分度圆的直径ｄ也越大，其运动不均匀性和冲击就越严重。设计时，在满足传递功率的情况下，应尽量选用较小的节距。当高速、大功率传动时，可选用小节距的多排链。设计时，先根据链的额定功率及小链轮转速ｎ１从图８－９中选取链条型号，再根据链条型号从表８－１中查出节距ｐ。（４）确定中心距和链节数链的长度常用链节数Ｌｐ表示，则链条的总长度为上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算链节数的计算公式为根据圆整后的链节数Ｌｐ确定中心距ａ，则２.低速链传动的设计计算上一页下一页返回8.3套筒滚子链的设计计算对于链速ｖ＜０.６ｍ／ｓ的低速链传动，其失效形式主要是链条因过载而被拉断，故应按其抗拉静强度条件进行计算，根据已知的传动条件，由图８－９初选链条的型号，而后再校核安全系数Ｓ。上一页返回8.4链传动的润滑与布置８.４.１链传动的润滑链传动的润滑十分重要，尤其对于高速、重载的链传动更为重要。良好的润滑可以缓和冲击、减轻磨损、延长链条的使用寿命，还可以起到冷却作用。图８－１２中所推荐的润滑方法和要求列于表８－７中。润滑油推荐采用的牌号为Ｌ－ＡＮ３２、Ｌ－ＡＮ４６和Ｌ－ＡＮ６８的全损耗系统用油。当温度低时，取前者。对于开式及重载低速传动，可在润滑油中加入ＭｏＳ２、ＷＳ２等添加剂。对于不便使用润滑油的场合，允许涂抹润滑脂，但应定期清洗与涂抹。下一页返回8.4链传动的润滑与布置８.４.２链传动的布置与张紧１.链传动的布置链传动一般应布置在铅垂平面内，尽可能避免布置在水平或倾斜平面内；如确有需要，则应考虑加装托板或张紧轮等装置，并且应设计较为紧凑的中心距。链传动的布置应考虑以下几项原则：１）两链轮的回转平面必须布置在同一垂直平面内，不能布置在水平或倾斜平面内；２）两链轮的中心连线最好是水平的，也可以与水平面成４５°以下的倾斜角，尽量避免垂直传动，以免链的垂度增大时，链与下链轮啮合不良或脱离啮合；上一页下一页返回8.4链传动的润滑与布置３）一般应使链的紧边在上、松边在下