陕西科技大学 过程装备与控制工程 课件 1机械设计(王宁侠)第5章

1、第5章带传动 5.1 概述 5.2 V带与V带轮的结构 5.3 带传动的工作情况分析 5.4 普通V带传动的设计计算 5.5 带传动的张紧与维护 5.6 同步带传动 习题 第第5章章 带传动带传动 第5章带传动 5.1 概述概述 带传动是一种应用很广的挠性机械传动。如图5-1所示， 带传动由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带组成。带传 动分为摩擦传动和啮合传动两大类。摩擦传动是将带以一定的 预紧力张紧在带轮上，靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和动 力，常见的布置形式有开口布置(图5-1(a)、交叉布置(图5-1(b) 和半交叉布置(图5-1(c)三种形式。按带的截面形状不同，带 传动又可分为平

2、带传动(图5-2(a)、V带传动(图5-2(b)、圆带传 动(图5-2(c)、多楔带传动(图5-2(d)和同步带传动(图5-2(e)等。 啮合传动靠带内表面上的凸齿与带轮外缘上轮齿间的啮合来传 递运动和动力，如图5-2(e)所示同步带传动就属于啮合传动。 第5章带传动 图 5-1 带传动的主要布置形式 第5章带传动 图 5-2 带传动的类型 第5章带传动 带传动的优点是： 带有良好的弹性，可以缓和冲击和 吸收振动，尤其是V带无接头，运转平稳，噪音小； 适用于 两轴中心距较大的传动； 靠摩擦传动，过载时带在带轮上 打滑，可防止损坏其他零件，起安全保护作用； 结构简单， 制造和维护方便，成本低廉。

3、 带传动的主要缺点是： 传动的外廓尺寸较大； 工作 时有弹性滑动，不能保证准确的传动比； 传动效率较低； 带的寿命短； 带传动需要张紧，压轴力较大等。 根据带传动的特点，带传动通常用在两轴距离较远，传动 功率不大的场合。 第5章带传动 带传动主要用于两轴平行且回转方向相同的场合。如图5- 3所示，带与带轮接触弧所对应的圆心角称为带在带轮上的包 角。工作时两带轮几何轴线之间的距离称为中心距a。当带绕 上带轮后，带的外层会因带的弯曲而伸长，带的内层则会缩短， 而介于拉伸层和压缩层之间的中性层长度保持不变，中性层的 周长称为带的基准长度Ld，也是带的公称长度。带轮上与中性 层相切接触的那个圆就称为带

4、轮的基准直径，分别用D1和D2 表示。其几何关系如下: (5-1) 180- -1802-180 12 1 a DD 第5章带传动 (5-2) (5-3) (5-4) 180- 1802180 12 2 a DD a DDDD aL 4 - 2 2 2 1212 d 8 -8-2-2 2 12 2 12d12d DDDDLDDL a 第5章带传动 5.2 V带与带与V带轮的结构带轮的结构 5.2.1 V带的结构和规格带的结构和规格 V带分为普通V带、窄V带、联组V带、齿形V带、大楔角 V带、宽V带等多种形式(见图5-4)，其中普通V带应用最多， 以下主要介绍普通V带及V带轮。 第5章带传动 图

5、 5-4 V带的类型 第5章带传动 普通V带的结构如图5-5所示。它由强力层、伸张层、压缩 层和包布层四部分组成。强力层可以是帘布结构(图5-5(a)或 绳芯结构(图5-5(b)。绳芯结构的强力层柔软，易弯曲，寿命 也长，适用于转速较高和带轮直径较小的传动。伸张层和压缩 层由橡胶组成，有弹性，使带有一定的高度h，带弯曲时分别 受拉伸和压缩。包布层由几层橡胶布组成，用于保护V带。当 带纵向弯曲时，带中长度不变的中性层称为节面层，节面的宽 度称为节宽bp。 第5章带传动 图 5-5 普通V带的结构 第5章带传动 普通V带已标准化，按剖面尺寸不同分为七种型号，其截 面尺寸和每米带的质量见表5-1，基

6、准长度和带长修正系数见 表5-2。 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 5.2.2 V带轮的结构带轮的结构 1. V带轮的设计要求带轮的设计要求 V带轮设计应满足以下要求：重量轻，结构工艺性好；要 有足够的强度和刚度，无过大的铸造内应力，质量分布均匀； 转速较高的场合需进行平衡试验；带轮上各轮槽的尺寸和槽 形角要保持一定的精度，以使载荷分布均匀；轮槽工作面要 进行精加工，以减少带的磨损。 2. 带轮的材料带轮的材料 带轮常用铸造的方式提供毛坯，常用的材料牌号为HT150、 HT200；当圆周速度大于25 m/s时，可采用铸钢或钢板冲压后 焊接；小功率时可采用铸铝或塑料。 第5章带传动 3

7、. 带轮结构带轮结构 带轮是由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成的。普通V带轮的 轮槽尺寸见表5-3。铸铁制造的普通V带轮其轮辐部分根据带 轮的基准直径有以下几种形式： 实心结构(图5-6(a)； 腹板结构(图5-6(b)； 孔板结构(图5-6(c)； 轮辐结构(图5-6(d)，其轮辐截面形状一般为椭圆形。 第5章带传动 第5章带传动 图 5-6 V带轮结构形式 第5章带传动 轮槽基准直径D(2.53)d(d为轴的直径)时，可采用实心 结构；D300 mm时，可采用腹板结构；当D1-d1100 mm时， 可采用孔板结构； D300 mm时，可采用轮辐结构。轮辐结构 各部分尺寸可参照以下经验公式计算:

8、第5章带传动 式中：P传递的功率，单位为kW; n带轮的转速，单位为r/min; za轮辐数。 确定了带轮的各部分尺寸后，即可绘制出零件图，并 按工艺要求注出相应的技术条件。 第5章带传动 5.3 带传动的工作情况分析带传动的工作情况分析 5.3.1 带传动的受力分析带传动的受力分析 在带传动中，带必须以一定的初拉力张紧在带轮上。带 传动不工作时，带轮两边带中的拉力相等，都等于初拉力 F0(见图5-7(a)。带传动工作时，由于带与带轮接触表面间摩 擦力的作用，带轮两边带中的拉力就发生了相应的变化，进 入主动轮一边被进一步拉紧，拉力由F0增至F1，称为紧边； 进入从动轮的一边则被放松，拉力由F0

9、降至F2，称为松边， 见图5-7(b)。 第5章带传动 图 5-7 带传动的受力分析 第5章带传动 设带的总长度不变，则紧边拉力的增加量F1-F0应等于松 边拉力的减小量F0-F2，即 (5-5) 带传动作用于从动轮上用以克服阻力矩的有效圆周力Fe， 就是紧边拉力与松边拉力的差值，所以，带传动的有效圆周力 Fe为 Fe=F1-F2(5-6) 210 2 1 FFF 第5章带传动 若带传动的速度为v(单位为m/s)，带传动的有效圆周力为 Fe(单位为N)，则带传动所传递的功率P(单位为kW)为 (5-7) 通过力分析不难证明，有效圆周力Fe与任一带轮接触面上摩 擦力的总和Ff相等。当FfFe时，

10、带就会沿轮面发生全面滑 动，这种现象称为打滑。打滑将使传动失效，故应避免。 1000 ev F P 第5章带传动 当带即将打滑时，带与带轮之间的摩擦力达到极大值 Ffmax，此时，由挠性体摩擦的欧拉公式知，紧边拉力F1与松 边拉力F2有下列关系 F1=F2ef (5-8) 式中： f带与带轮间的摩擦因数； 带在带轮上的包角； e自然对数的底。 第5章带传动 将式(5-5)、式(5-6)、式(5-8)整理得，最大有效圆周力Fec为 (5-9) 从以上分析可知，带传动的最大有效圆周力Fec与初拉力F0、 小带轮包角和摩擦系数f有关。增大F0、和f均能增大Fec。为 了发挥带传动的工作能力，小带轮包

11、角不宜过小，通常设计要 求1120。 F0过小将直接影响带的传动能力，但过大将使带 中应力过大，带易松弛，缩短带的使用寿命。f与带及带轮的材 料有关，在同等条件下，V带的承载能力高于平带。 1 1 2 1 1 0ec f f e e FF 第5章带传动 5.3.2 带的应力分析带的应力分析 带传动时，带中的应力由三部分组成。 1) 由拉力产生的拉应力 紧边拉力和松边拉力分别产生的紧边拉应力1和松边拉 应力2为 式中，A带的截面面积(单位为mm2)。 A F A F 2 2 1 1 第5章带传动 2) 由带的弯曲产生的弯曲应力 弯曲应力仅发生在带绕在带轮的弧段上。由工程力学知 式中，E带的弹性模

12、量(单位为MPa)。 D h E b 第5章带传动 3) 由离心力产生的拉应力 带绕上带轮作圆周运动时将产生离心力，从而带受到离 心拉力的作用，并产生离心拉应力 式中： q每米带长的质量(单位为kg/m)； v带速(单位为m/s)。 图5-8为带中应力分布情况，各截面应力的大小用该处引 出的径向线(或垂直线)的长度表示。 A qv 2 c 第5章带传动 图 5-8 带中的应力分布 第5章带传动 由图5-8可知，带在变应力作用下工作，当应力循环次数 达到一定值时，带会产生疲劳破坏。其最大应力发生在紧边 绕上小带轮的位置，其值为 max=1+b1+c 带中的应力通常以弯曲应力影响最大。为避免弯曲应

13、力 过大，通常限定小带轮的最小直径。 普通V带轮的最小基准直径Dmin见表5-4。 第5章带传动 第5章带传动 5.3.3 带传动的弹性滑动和打滑带传动的弹性滑动和打滑 带传动工作时紧边和松边拉力不同，因而弹性变形量也不 同。带由紧边绕过主动轮进入松边的过程中，带所受的拉力由 F1逐渐减小到F2，弹性变形量也就随之减小，使带的速度滞后 于主动轮的圆周速度。带绕过从动轮时也发生类似的现象，带 由松边绕过从动轮进入紧边的过程中，带中的拉力由F2逐渐增 至F1，弹性变形量也逐渐增大，使带的速度超前于从动轮的圆 周速度。这种现象表明，带与带轮之间产生了相对滑动。这种 由于带的弹性和拉力差所引起的相对滑

14、动称为弹性滑动，其大 小将随外载荷的大小而变化，这是带传动正常工作时的固有特 性，不可避免。 第5章带传动 由于弹性滑动的影响，使从动轮的圆周速度v2低于主动轮 的圆周速度v1，其降低量可用相对滑动率来表示 (5-10) 所以，带传动的实际传动比为 (5-11) 11 2211 1 21 - nD nDnD v vv -1 1 2 2 1 D D n n i 第5章带传动 一般V带传动正常工作时，相对滑动率=0.010.02，在 一般传动中可忽略不计，实际传动比取 (5-12) 当带传动的有效圆周力达到最大值时，工作载荷略有增 加，带与带轮之间将会发生明显的相对运动，即产生打滑。 打滑将造成带

15、的磨损加剧，从动轮转速急剧下降，甚至使传 动失效。这是带传动的一种失效形式，应当避免。 1 2 2 1 D D n n i 第5章带传动 5.4 普通普通V带传动的设计计算带传动的设计计算 5.4.1 带传动的失效形式和计算准则带传动的失效形式和计算准则 由前面的分析可知，带传动的主要失效形式是带的打滑 和疲劳破坏。所以，带传动的设计准则应为：在保证带传动 不打滑的条件下，使带具有一定的疲劳强度和寿命。 第5章带传动 由带传动的设计准则知，为使带具有一定的疲劳寿命， 其必须满足的强度条件为 1+b1+c (5-13) 式中， 许用应力(单位为MPa)，与带的材质及应力 循环次数有关。由式(5-

16、6)、式(5-8)及式(5-13)知，在V带传动 中，用fv代替f，则单根V带所能传递的最大功率P0为 (5-14) 1000 1- - 1000 1- 1 1 1 1 1 10 Av e e v e e FP v v v v f f cb f f 第5章带传动 通过实验分析计算，在包角1=180，特定带长Ld，载 荷平稳的条件下，单根普通V带和窄V带的基本额定功率P0见 表5-5和表5-6。实际工作条件与实验条件不同时，应对P0值加 以修正。修正后即得实际工作条件下单根V带所能传递的功率， 称为许用功率P0，即 P0=(P0+P0)KKL (5-15) 第5章带传动 式中， P0功率增量，考

17、虑传动比i1时，带在大带 轮上弯曲应力较小，在寿命相同的条件 下，所能传递的功率应有所提高， 单根普 通V带和窄V带基本额定功率的增量P0 见表5-7和表5-8； K包角修正系数，应考虑包角1180 时，包角对传动能力的影响，见表5-9； KL带长修正系数，应考虑Ld不为特定长度时， 带长对传动能力的影响，见表5-2。 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 5.4.2 普通普通V带传动的设计带传动的设计 普通V带传动的设计，通常给定的原始数据为传动的工作 情况、传递的功率、转速n1和n2(或传动比i)，对外廓尺寸的要 求

18、及原动机的种类等。要求设计的内容有：普通V带的型号、 带长和根数，传动的中心距，带轮的尺寸和结构，带的初拉力 和压轴力。普通V带传动设计计算的步骤一般如下。 1. 确定计算功率确定计算功率Pca Pca=KAP 式中： P带传动要求传递的功率； KA工作情况系数，见表5-10。 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 2. 选择带的型号选择带的型号 根据计算功率Pca和小带轮转速n1， 可由图5-9选定带的 型号。 第5章带传动 图 5-9 V带选型图 第5章带传动 3. 确定带轮的基准直径确定带轮的基准直径D1和和D2 1) 初选小带轮直径D1 根据带型参考表5-4，选取D1Dmin。为提

19、高V带的寿命， 宜选取较大的直径。 2) 验算带速v 验算带速v的计算公式为 (5-16) 应使带速vvmax，对于普通V带， vmax=2530 m/s，一般 取v=520 m/s为宜。 3) 计算大带轮直径D2 由D2=iD1，并按表5-4所列带轮的基准直径系列对大带轮 直径加以适当圆整。 100060 11 nD v 第5章带传动 4. 确定中心距确定中心距a和带的基准长度和带的基准长度Ld 如果中心距未给出，可根据传动的结构需要初选中心距a0， 取 0.7(D1+D2)a02(D1+D2) a0初步选定后，按式(5-3)求得V带初算的基准长度 ， 由初算的带长查表5-2, 选取与之相近

20、的标准V带的基准长 度Ld，再由式(5-4)计算实际中心距a。由于带传动的中心距一 般是可以调整的，因此可采用下式作近似计算: (5-17) 考虑带传动安装调整和补偿初拉力的需要，中心距的变动 范围为(a-0.015Ld)(a+0.03Ld)。 2 - d 0 LL aa d d L d L 第5章带传动 5. 验算小带轮包角验算小带轮包角a1 小带轮包角可由式(5-1)计算得出，且应保证1120。 6. 确定带的根数确定带的根数z (5-18) 为使各根带受力均匀，带的根数不宜过多(通常z10)， 否则应该选带型，重新计算。 L00 ca 0 ca KKPP P P P z 第5章带传动 7

21、. 确定带的初拉力确定带的初拉力F0 考虑离心力的影响，单根普通V带的合适初拉力可按下 式计算: (5-19) 因为新带容易松弛，所以对于自动张紧的带传动，安装 新带时的初拉力常为上述计算值的1.5倍。 2ca 0 ) 1 5 . 2 (500qv Kzv P F 第5章带传动 8. 计算带传动作用在轴上的压轴力计算带传动作用在轴上的压轴力FQ 为了设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带传动作用在 轴上的压轴力FQ。如图5-10所示，带传动作用在轴上的压轴 力FQ可近似按下式计算 (5-20) 2 sin2 1 0 zFQ 第5章带传动 图 5-10 带传动作用在轴上的压轴力 第5章带传动 5.5

22、 带传动的张紧与维护带传动的张紧与维护 普通V带运转一段时间后，会由于永久变形而松弛，导致 初拉力下降。为了保证带传动的工作能力，应对带进行重新张 紧。带传动常用的张紧方法是调整中心距。如图5-11(a)所示， 用调整螺钉使装有带轮的电机沿滑轨移动，这种方法适用于水 平或接近水平布置的传动。图5-11(b)是将装有带轮的电机安装 在可调的摆架上，适用于垂直或接近垂直布置的传动。图5-12 所示为由电机及摆架自重来调整的自动张紧装置。若中心距不 能调整，可采用具有张紧轮的传动装置，如图5-13所示。对于 V带传动，张紧轮应装在松边内侧，并尽量靠近大带轮，使带 只受单向弯曲，以免过分影响小带轮包角

23、。 第5章带传动 图 5-11 带的定期张紧装置 第5章带传动 图 5-12 带的自动张紧装置 第5章带传动 图 5-13 张紧轮装置 第5章带传动 V带传动的使用和维护应注意以下几个方面： (1) 安装时，两轴必须平行，两轮的轮槽要对齐； (2) 更换时，必须将同一传动中的旧带全部更换，不得 新旧并用； (3) V带不宜与酸碱或油污接触，也不宜在阳光下曝晒； (4) 不宜在有粉尘的环境中工作，工作温度一般应低于 60； (5) 带传动应加防护装置。 第5章带传动 例例5-1 设计某液体搅拌机的普通V带传动。选用普通电 机，其额定功率P=2.2 kW, 转速n1=1430 r/min，从动轴转

24、速 n2=340 r/min，三班制工作，空载启动。 解解 1. 确定计算功率Pca 查表5-10得KA=1.2，故 Pca=KAP=1.22.2=2.64 kW 2. 选择带型 根据Pca=2.64 kW， n1=1430 r/min，查图5-9，选用A型V 带。 第5章带传动 3. 确定带轮基准直径D1和D2 由表5-4取主动轮基准直径D1=100 mm。 按式(5-16)可得验算带速为 由式(5-12)，从动轮基准直径为 又由表5-4，取带轮基准直径D2=425 mm。 m/s 30m/s 487. 7 100060 1430100 100060 11 nD v mm 421100 34

25、0 1430 1 2 1 12 D n n iDD 第5章带传动 4. 确定带的基准长度Ld和传动的中心距a 根据0.7(D1+D2)a02(D1+D2)，初选a0=500 mm。 根据式(5-3)计算所需带的基准长度为 由表5-2，选带的基准长度Ld=1800 mm。 mm 1877 5004 100-425 425100 2 5002 4 - 2 2 2 0 2 12 210d a DD DDaL 第5章带传动 按式(5-17)计算实际中心距为 mm 516180003. 046203. 0 mm 4351800015. 0-462015. 0- mm 462 2 1877-1800 50

26、0 2 - max min 0 d d dd Laa Laa LL aa 第5章带传动 5. 验算小带轮包角1 由式(7-1)得 1208 .137 180 462 100-425 180 180- 180 12 1 a DD 第5章带传动 6. 计算带的根数z 查表5-5，P0=1.32 kW；查表5-7， P0=0.17 kW；查表 5-2， KL=1.01；查表5-9，K=0.89。 由式(5-18)得 取z=2根。 97. 1 89. 001. 117. 032. 1 64. 2 L00 ca KKPP P z 第5章带传动 7. 计算初拉力F0 查表5-1，q=0.1 kg/m。由式

27、(5-19)得 8. 计算作用在轴上的压轴力FQ 由式(5-20)得 9. 带轮结构设计(略) N 01.616 2 8 .137 sin07.16522 2 sin2 1 0 zFQ N 07.165)487. 7(1 . 01 89. 0 5 . 2 487. 72 64. 2 500 1 5 . 2 500 2 2 a ca 0 qv Kzv P F 第5章带传动 5.6 同步带传动同步带传动 5.6.1 同步带传动设计概述同步带传动设计概述 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶 带和相应的带轮所组成的，如图5-2(e)所示。工作时，带齿与 带轮的齿槽相啮合。同步带传动是带

28、传动与齿轮传动相结合的 一种新型啮合传动，因而具有齿轮传动、链传动和带传动的各 自优点。同步带传动的传动比准确，工作平稳，噪音小，可获 得恒定速比，且速比范围大，传动结构紧凑，宜多轴传动。 第5章带传动 同步带以钢丝绳为强力层，外面用橡胶或聚氨酯覆盖， 带的工作面制成齿形，与齿形带轮作啮合传动。由于钢丝绳 在承载后能保持齿形带的周节不变，故带与带轮间无相对滑 动，因此，主、从动轮作同步传动。 同步带传动的带速高达4080 m/s，传递功率可达100kW， 传动比可达1020，传动效率为98。 同步带的主要参数是齿的齿距pb和模数m。由于强力层在 传动时长度不变，因此把它的中心线位置定为同步带的

29、节线， 并以节线周长L作为齿形带的公称长度。齿形带上相邻两齿对 应点沿节线度量的长度为节距pb，而模数为m=pb/。 第5章带传动 国产同步带采用模数制，标记为m(模数)b(宽度)z(齿 数)。 同步带传动有下列特点： 同步带与带轮是啮合传动，故 传动比准确；带的初拉力较小，轴与轴承所承受的力也较小， 但中心距要求较严，安装精度要求较高；同步带能吸收冲击， 减少噪声；同步带较薄，允许线速度高且带轮直径小。 同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双 面带，双面带又按齿排列的不同，分为DA型(对称齿型如图5- 14(a)所示)和DB型(交错齿型如图5-14(b)所示)。标准同步带的 齿型尺

30、寸如表5-11所示。 第5章带传动 图 5-14 双面带的类型 第5章带传动 第5章带传动 5.6.2 同步带传动的设计计算同步带传动的设计计算 同步带传动的主要失效形式有承载绳疲劳拉断、跳齿、 带齿的剪切和压溃以及带齿的过度磨损。同步带传动的设计 计算准则是带有较高的抗拉强度，保证承载绳不被拉断。此 外，在灰尘、杂质较多的工作条件下，应对带齿进行耐磨性 计算。 1. 确定计算功率确定计算功率Pca Pca的确定方法与普通V带相同，即 Pca=KAP 式中： KA工况系数，见表5-12。 第5章带传动 第5章带传动 第5章带传动 2. 选择同步带型号和节距选择同步带型号和节距pb 根据计算功率

31、Pca和小带轮转速n1，查机械设计手册 同步带选型图，选定带的型号， 并由表5-13确定模数m。 第5章带传动 3. 确定带轮齿数确定带轮齿数z1和和z2 一般取小带轮齿数z1zmin。当带速和安装尺寸允许时， z1 应尽可能选得多些。大带轮齿数z2=iz1，并取整数。 4. 带轮节圆直径带轮节圆直径d1和和d2的计算的计算 mz pz d 1 b1 1 mz pz d 2 b2 2 第5章带传动 5. 验算带速验算带速 式中：当m=1.53 mm时，vmax=4050 m/s；当m=45 mm时， vmax=3540 m/s；当m=711 mm时，vmax=2530 m/s。 max 11

32、100060 v nd v 第5章带传动 6. 确定中心距确定中心距a和带长和带长L 按结构要求或按下式初定中心距a0： 0.7(d1+d2)a02(d1+d2) 由计算，按表5-14 选取标准长度L。按选定的带长L计算理论中心距a，中心距可 调时， 0 2 1221 0 / 4 - 2 2 a dddd aL 2 - / 0 LL aa 第5章带传动 第5章带传动 7. 小带轮啮合齿数小带轮啮合齿数zn的计算的计算 计算值取整数，一般要求znznmin，通常m2 mm时， znmin=4； m2 mm时，znmin=6。zn过小，会引起齿侧工作表面 过快磨损。 a ddzz z 6 - - 2 1211 n 第5章带传动 8. 带宽带宽bs的计算的计算 带宽bs的计算公式为 式中： Kz啮合齿数系数，zn6