《机械设计基础》-第7章

7.1带传动的组成、类型及特点

7.1.1带传动的组成如图7.1所示，带传动一般是由主动轮1、从动轮2、紧套在两轮上的传动带3及机架等组成。当原动机驱动主动轮1转动时，由于带与带轮间所产生的摩擦力的作用，使从动轮2一起转动，从而实现运动和动力的传递。7.1.2带传动的类型带传动按传动原理分，可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。下一页返回7.1带传动的组成、类型及特点1.摩擦型带传动摩擦型带传动靠传动带与带轮间的摩擦力传递运动和动力，按传动带的截面形状分平带传动（图7.2（a））、Ｖ带传动（图7.2（b））、圆形带传动（图7.2（c））、多楔带传动（图7.2（d））等。以普通Ｖ带传动应用最多。2.啮合型带传动啮合型带传动是靠带内侧凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合实现传递运动和动力，它可分为同步带传动（如图7.3所示）和齿孔带传动（如图7.4所示）。上一页下一页返回7.1带传动的组成、类型及特点7.1.3带传动的特点和应用带传动主要特点如下：（1）传动带具有弹性和挠性，可吸收震动并缓和冲击，从而使传动平稳、噪声小。（2）当过载时，传动带与带轮间可发生相对滑动而不损伤其他零件，起过载保护作用。（3）适合于主、从动轴间中心距较大的传动。（4）由于有弹性滑动存在，故不能保证准确的传动比，传动效率较低。上一页下一页返回7.1带传动的组成、类型及特点（5）张紧力会产生较大的压轴力，使轴和轴承受力较大、传动带寿命降低，不宜在易燃易爆场合下工作。一般情况下，带传动的平均传动比i≤5，带速v=5～25m／s，传动功率P≤100kW，传动效率为94％～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，效率高达98％～99％。上一页返回7.2V带和带轮的结构

7.2.1Ｖ带的结构和标准V带有普通V带、窄V带、宽V带、汽车V带、大楔角V带等。本章主要讨论应用较广的普通V带。普通V带都制成无接头的环形带，其横截面结构如图7.5所示。V带由伸张层1、强力层2、压缩层3、包布层4等组成。强力层的结构形式有帘式结构（图7.5（a））和线绳结构（图7.5（b））两种。帘式结构抗拉强度高，但柔韧性及抗弯曲强度不如线绳结构好。线绳结构V带适用于转速高、带轮直径较小的场合。下一页返回7.2V带和带轮的结构V带和V带轮有两种尺寸制，即基准宽度制和有效宽度制，本书采用基准宽度制。普通Ｖ带的尺寸已标准化，按截面尺寸由小至大的顺序分为Y、Z、A、B、C、D、E７种型号（见表7.1）。在同样条件下，截面尺寸大则传递的功率就大。Ｖ带绕在带轮上产生弯曲，外层受拉伸变长，内层受压缩变短，两层之间存在一长度不变的中性层。中性层面称为节面，节面的宽度称为节宽bp。普通V带的截面高度h与其节宽bp的比值已标准化（为0.7）。上一页下一页返回7.2V带和带轮的结构V带装在带轮上，和节宽bp相对应的带轮直径称为基准直径，用dd表示，基准直径系列见表7.2。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，它用于带传动的几何计算。V带的基准长度Ld已标准化，见表7.3。窄V带的截面高度与其节宽之比为0.9。窄V带的强力层采用高强度绳芯。按照国家标准，窄V带截面尺寸分为SPZ、SPA、SPB、SPC４个型号。窄V带具有普通Ｖ带的特点，并且能承受较大的张紧力。上一页下一页返回7.2V带和带轮的结构当带高相同时，窄V带传递功率比普通V带大，其允许的速度和弯曲次数比普通V带的高，其带宽比普通V带的约小1／3，其中心距也比普通V带的小，而承载能力可提高1.5～2.5倍，因此，适用于传递大功率且传动装置要求结构紧凑的场合。普通V带和窄V带的标记由带型、基准长度和标准号组成，例如A型普通V带，基准长度为1800mm，其标记为A1800

GB11544—1997V带的标记、制造年月和生产厂名等通常都压印在带的顶面上，以便选用时识别。上一页下一页返回7.2V带和带轮的结构7.2.2Ｖ带轮的结构和材料带传动一般安装在传动系统的高速级，带轮的转速较高，故要求带轮有足够的强度。带轮常用灰铸铁铸造，有时也采用铸钢、铝合金或其他非金属材料。当带轮的速度v＜25m/s时，采用HT150；当带轮的速度v=25～30m/s时，采用HT200；当速度更高时，可采用铸钢或钢板冲压后焊接带轮；当传递功率较小时，带轮材料可采用铝合金或工程塑料。上一页下一页返回7.2V带和带轮的结构7.2V带和带轮的结构带轮一般由轮缘1、轮辐2和轮毂3等部分组成，如图7.6所示。轮缘是带轮具有轮槽的部分。轮槽的形状和尺寸与相应型号的带截面尺寸相适应。规定梯形轮槽的槽角为32°、34°、36°和38°等四种，都小于V带两侧面的夹角40°。这是由于带轮弯曲时截面变形将其夹角变小，以使胶带能紧贴轮槽两侧。在V带轮上，与所配用的V带的节宽bd相对应的带轮直径称为带轮的基准直径dd。Ｖ带轮的设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，根据带的型号确定轮槽尺寸。普通V带轮轮缘的截面图及各部分尺寸见表7.4。上一页返回7.3V带传动设计

7.3.1带传动的工作情况分析1.带传动的受力分析为保证带传动正常工作，传动带必须以一定的张紧力紧套在带轮上。当传动带静止时，带两边承受相等的拉力，称为初拉力，均为F0，如图7.8（a）所示。当传动带传动时，由于带和带轮接触面间摩擦力的作用，带两边的拉力不再相等，如图7.8（b）所示。下一页返回7.3V带传动设计

传动带绕入主动轮的一边被拉紧，拉力由F0增大到F1，称为紧边；绕出主动轮的一边被放松，拉力由F0减少到F2，称为松边。在假设环形带的总长度不变的情况下，紧边拉力的增加量F1－F0应等于松边拉力的减少量F2－F0，即上一页下一页返回7.3V带传动设计

紧边拉力F1与松边拉力F2

的差值称为带传动的有效拉力F。实际上Ｆ是带与带轮之间摩擦力的总和，在最大静摩擦力范围内，带传动的有效拉力Ｆ与总摩擦力相等，Ｆ同时也是带传动所传递的圆周力，即F＝F1－F2

（7.2）带传动所传递的功率为上一页下一页返回7.3V带传动设计

式中，P为所传递的功率，单位为kW；F为有效圆周力，单位为N；v为带的速度，单位为m/s。在初拉力F0一定时，带与带轮接触面间的摩擦力总和有一极限值。当带所传递的圆周力超过带与带轮接触面间的摩擦力总和的极限值时，带与带轮将发生明显的相对滑动，这种现象称为打滑。带打滑时从动轮转速急剧下降，加剧了带的摩擦和磨损，传动效率降低，以致使带传动丧失其工作能力，因此应避免出现带打滑的现象。上一页下一页返回7.3V带传动设计

当传动带和带轮表面间即将打滑时，摩擦力达到最大值，即有效圆周力达到最大值。此时，忽略离心力的影响，紧边拉力F1和松边拉力F2之间的关系可用欧拉公式表示，即式中，F1为紧边拉力；F2为松边拉力；f为带与带轮接触面间的摩擦因数（V带用当量摩擦因数fV＝代替f）；e为自然对数的底；α为包角，即带与小带轮接触弧所对的中心角，单位为rad。上一页下一页返回7.3V带传动设计

由式（7.1）、式（7.2）和式（7.4）可得式（7.5）表明，带所传递的圆周力F与初拉力F0、带与带轮接触面间的摩擦因数f和包角α成正比。初拉力F0增大时，带与带轮间正压力也会增大，则传动时产生的摩擦力也会越大，故圆周力F也越大。但初拉力F0过大，会加剧带的磨损，致使带过快松弛，缩短其工作寿命。上一页下一页返回7.3V带传动设计

带与带轮接触面间的摩擦因数f增大时，则传动时产生的摩擦力也会越大，故圆周力F也越大。f与带和带的材料、表面状况、工作环境、条件等有关。包角α增大时，圆周力也F会增大，因为增大包角α会使整个摩擦力的总和增加，从而提高带的传动能力。因此水平装置的带传动通常将松边放置在上边，以增大包角。由于大带轮的包角α2大于小带轮包角α1，打滑首先在小带轮上发生，所以只需考虑小带轮的小带轮包角α1。上一页下一页返回7.3V带传动设计

联立式（7.2）和式（7.4），可得带传动在不打滑条件下所能传递的最大的圆周力为2.带传动的应力分析带传动工作时，带中的应力由以下三部分组成：１）由拉力产生的拉应力紧边拉应力为σ1＝上一页下一页返回7.3V带传动设计

松边拉应力为σ2=式中，F1为紧边拉力；F2为松边拉力；A为带的横截面面积。２）由离心力产生的离心拉应力工作时，绕在带轮上的传动带随带轮作圆周运动，由于自身质量将产生离心拉力Fc，Fc的计算公式为Fc＝qv2上一页下一页返回7.3V带传动设计

式中，q为传动带单位长度的质量，单位为kg/m，各种型号V带的q值见表7.5；v为传动带的速度，单位为m/s。Fc作用于带的全长上，产生的离心力拉应力为３）弯曲应力传动带绕过带轮时发生弯曲，从而产生弯曲应力。由材料力学得带的弯曲应力为上一页下一页返回7.3V带传动设计

式中，E为带的弹性模量，单位为MPa；h为带的高度，单位为mm；dd为带轮直径，单位为mm，对于V带轮，则为其带轮的基准直径。弯曲应力σb只发生在带上包角所对的圆弧部分。h越大、dd越小，则带的弯曲应力就越大，故一般σb1＞σb2（σb1为带在小带轮上部分的弯曲应力，σb2为带在大带轮上部分的弯曲应力）。因此，为避免弯曲应力过大，小带轮的直径不能过小。带在工作时的应力分布情况如图7.9所示。由此可知，带是在变应力情况下工作的，故易产生疲劳破坏。上一页下一页返回7.3V带传动设计

当带在紧边进入小带轮时应力达到最大值，其值为σmax＝σ1＋σb1＋σc为保证带具有足够的疲劳寿命，应满足σmax＝σ1＋σb1＋σc≤［σ］（7.7）式中，［σ］为带的许用应力。［σ］是在α1＝α2＝180°、规定的带长和应力循环次数、载荷平稳等条件下通过试验确定的。3.带传动的传动比传动带是弹性体，受到拉力后会产生弹性伸长，其弹性伸长量随拉力的变化而改变。上一页下一页返回7.3V带传动设计

传动带紧边绕过主动轮进入松边时，带内拉力由F1减小为F2，其弹性伸长量也由δ1减小为δ2。这说明带在绕过带轮的过程中，相对于轮面向后收缩了Δδ（Δδ＝δ1－δ2），带与带轮轮面间出现局部相对滑动，导致带的速度逐渐小于主动轮的圆周速度，如图7.10所示。同样，当带由松边绕过从动轮进入紧边时，拉力增加，带逐渐被拉长，沿轮面产生向前的弹性滑动，使带的速度大于从动轮的圆周速度。这种由于带的弹性变形而产生的带与带轮间的滑动称为弹性滑动。上一页下一页返回7.3V带传动设计

弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。打滑是指过载引起的全面滑动，是可以避免的。而弹性滑动是由拉力差引起的，只要传递圆周力，就必然会发生弹性滑动，所以，弹性滑动是不可避免的。带的弹性滑动使从动轮的圆周速度v2低于主动轮的圆周速度v1，其速度的降低率用滑动率ε表示，即上一页下一页返回7.3V带传动设计

式中，n1、n2分别为主动轮、从动轮的转速，单位为r/min；dd1、dd2分别为主动轮、从动轮的直径，单位为mm，对V带传动则为带轮的基准直径。由上式得带传动的传动比为从动轮的转速为上一页下一页返回7.3V带传动设计

7.3.2带传动的失效形式和设计准则由带传动的工作情况分析可知，带传动的主要失效形式有带与带轮之间的磨损、打滑和带的疲劳破坏（如脱层、撕裂或拉断）等。因此，带传动的设计准则是：在传递规定功率时不打滑，同时具有足够的疲劳强度和一定的使用寿命，即满足于式（7.6）和式（7.7）。7.3.3普通V带传动设计设计V带传动时，一般已知条件是：传动的工作情况、传递的功率P、两轮转速n1、n2（或传动比i）及外廓尺寸要求等。上一页下一页返回7.3V带传动设计

具体的设计内容是：确定V带的型号、长度和根数，传动中心距及带轮直径，画出带轮零件图等。1.V带传动设计的步骤和方法１）确定计算功率Pc计算功率Pc是根据传递的额定功率（如电动机的额定功率）P，并考虑载荷性质以及每天运转时间的长短等因素的影响而确定的，即Pc＝KAP（7.11）式中，KA为工作情况系数，查表7.6可得，且当增速传动时KA应乘系数见表7.7。上一页下一页返回7.3V带传动设计

２）选择V带的型号根据计算功率Pc和主动轮转速n1，由图7.11和图7.12选择V带型号。当所选的坐标点在图中两种型号分界线附近时，可先选择两种型号分别进行计算，然后择优选用。３）确定带轮基准直径dd1、dd2带轮直径小可使传动结构紧凑，但带轮直径过小会使带的弯曲应力增大，使带的寿命传动能力降低，且带速也低。上一页下一页返回7.3V带传动设计

小带轮直径过大，又会使传动装置外廓尺寸增大，结构不紧凑，所以设计时应取小带轮的基准直径dd1≥ddmin，ddmin的值查表7.5。忽略弹性滑动的影响，则dd2＝，dd1、dd2宜取标准值（查表7.2）。４）验算带速ｖ上一页下一页返回7.3V带传动设计

５）确定中心距a和基准带长Ld如果中心距过大则结构尺寸增大，当带速较高时带会产生颤动。而如果传动中心距小则结构紧凑，但传动带较短，包角减小，传动带的绕转次数增多，降低了带的寿命并致使传动能力降低。设计应根据具体的结构要求或按下式初步确定中心距a0:上一页下一页返回7.3V带传动设计

由带传动的几何关系可得带的基准长度计算公式：L0为带的基准长度计算值，查表7.3即可选定带的基准长度Ld，而实际中心距a可由下式近似确定：上一页下一页返回7.3V带传动设计

考虑到安装调整和补偿初拉力的需要，应将中心距设计成可调并留有一定的调整余量，其变动范围为６）验算小带轮包角α1上一页下一页返回7.3V带传动设计

７）确定V带根数zV带根数z可按下式来计算：式中，pc为计算功率；p0为单根普通V带额定功率；ΔP0为单根普通V带额定功率的增量；Kα为小带轮包角系数，其值可查表7.10；KL为长度系数。上一页下一页返回7.3V带传动设计

８）计算单根V带的初拉力F0单根V带的初拉力F0为９）计算作用在轴上所受的压力FQV带的张紧对轴、轴承产生的压力FQ会影响轴、轴承的强度和寿命。作用在轴上所受的压力FQ一般近似按两边的初拉力F0的合力进行计算（如图7.13所示）:上一页返回7.4带传动的张紧、安装及维护

7.4.1带传动的张紧1.调整中心距方式1）定期张紧定期张紧就是定期调整中心距以恢复张紧力。常用的有滑道式（图7.14（a））和摆架式（图7.14（b））两种，滑道式张紧装置通过调节螺钉调整电动机位置，加大中心距，以达到张紧的目的，它适用于水平布置的带传动。摆架式张紧装置通过调节摆动架（电动机轴中心）位置，加大中心距，以达到张紧的目的，适用于垂直分布的带传动。下一页返回7.4带传动的张紧、安装及维护

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架上，利用电动机的自身重量，自动调整中心距而大致张紧传动带的目的，如图7.14（c）所示。2.用张紧轮张紧方式当中心距不可调节时，可采用张紧轮张紧的方式，如图7.14（d）所示。张紧轮一般装在松边内侧，并尽量靠近大带轮，张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，直径应小于带轮的直径。若张紧轮设置在外侧时，则应使其靠近小轮，这样可以增加小带轮的包角。上一页下一页返回7.4带传动的张紧、安装及维护

7.4.2带传动的安装及维护带传动的安装及维护应注意以下几点：正确的安装和维护是保证带传动正常工作、延长胶带使用寿命的有效措施，一般应注意以下几点。（１）两带轮的轴线必须平行安装，两轮轮槽应在同一平面内对齐，误差不能超过20′，否则将加剧带的磨损，甚至使带从带轮上脱落下来，如图7.15所示。（２）通常应有通过调整各轮的中心距的方法来调整传动带的张紧力，带套上带轮后慢慢地拉至规定的初拉力。上一页下一页