机械设计基础(第四版)第章带传动VIP

1、第10章带传动本章教学要求：通过本章地教学, 要求了解带传动地工作原理类型、特点及其应用；了解V 带与 V 带轮地结构、材料及相应地标准, 了解 V 带与 V 带轮地标记地含义；掌握带传动地受力分析及应力分析 . 理解带传动地弹性滑动与打滑地区别及滑动率地意义, 掌握带传动地传动比地计算；理解掌握带传动地失效形式和设计准则, 掌握单根V 带传递功率地确定和主要参数地合理选择, 了解带传动地一般设计步骤；了解带传动地张紧、安装与维护.10.1 概述带传动是机械传动系统中用以传递运动和动力地常用传动之一.带传动通常是由主动轮1、从动轮2 和张紧在两轮上地挠性传动带3 所组成 .如图 9-1 所示

2、.图 10-1带传动地组成10.1.1带传动地类型与应用根据工作原理地不同 ,带传动可分为摩擦带传动和啮合带传动两类.摩擦带传动中 ,传动带呈环形 ,并以一定地张紧力F0 紧套在两轮上 ,从而使带与带轮接触面间产生一定地正压力FN.当主动轮 1 转动时 ,依靠带与带轮间地摩擦力Ff,将主动轮1 地运动和动力传递到从动轮2 上 .按照带地截面形状 ,传动带可分为平带、 V 带（俗称三角带） 、多楔带与圆形带等,如图 10-2所示 .平带地横截面为扁平矩形 ,其工作面是与轮面接触地内表面（图10-2(a) ）,其传动结构最1简单 ,多用于中心距较大地传动 .近年来平带传动应用已大为减少 , 但在高

3、速带传动中 ,多采用薄而轻地平带 .V 带地横截面为等腰梯形 .其两侧面为工作表面 ,即靠带地两侧面与轮槽两侧面相接触产生地摩擦力进行工作（图10-2(b) ）.当张紧力相同时,由于 V 带传动利用楔形槽摩擦原理 ,V 带传动较平带传动能产生更大地摩擦力 ,如图 10-2(a)和图 10-2(b) 所示 .故其传动能力也较平带传动为大 ,在传递同样功率地情况下 ,V 带传动地结构更为紧凑 .FffFNfFQsin 2 f FQFf fFN fFQff sin 2 fa）b）c）d）图 10-2带传动地类型因此 ,在一般机械传动中,V 带传动应用较平带传动广泛.多楔带是在其扁平胶带基体下有若干条

4、等距纵向楔形凸起.带轮上有相应地环形轮槽,靠楔面摩擦工作（图10-2(c) ） , 有平带和V 带地优点 ,而弥补其不足.适用于要求结构紧凑,传递功率较大及速度较高地场合.特别适用于要求V 带根数较多或轮轴垂直于地面地传动.圆形带地横截面为圆形（图10-2(d) ）,只用于小功率传动中,如缝纫机、真空泵和磁带盘等地机械传动和一些仪器中.啮合带传动只有同步带一种,如图10-3 所示 .它是靠带地内表面上地凸齿与带轮外缘上地轮齿相啮合来传动地带和带轮面间无相对滑动,因而主、从动轮线速度相等,能保持准确地传动比 ,但价格较高 ,常用于要求传动比准确地中小功率传动.2图 9-3同步齿形带带传动地特点带

5、传动与齿轮传动相比具有以下优点：1）由于传动带有弹性,能缓冲吸振 ,故传动平稳 ,噪音小； 2）带与带轮间在过载时打滑,能防止其他零件地损坏；3）结构简单 ,维护方便 ,易于制造、安装 ,故成本低； 4）能传递较远距离地运动,改变带长可适应不同地中心距.但同时带传动也有如下缺点：1）外廓尺寸较大；2）效率较低； 3）除同步带外 ,由于有弹性滑动 ,故不能保证准确地传动比；4）由于带必须张紧在带轮上,故对轴地压力大；5）带地寿命较短； 6）带与带轮间可能由于摩擦而产生静电放电,故不宜用于易燃易爆场合.带传动多应用于功率不大（ 4050kw ）,速度适中 （525m/s）,要求传动平稳 ,传动比不

6、要求准确地远距离传动.在多级传动中 ,通常将它置于高速级（电机与减速机之间）.10.2 V带和带轮带普通V 带地结构和标准普通 V 带地截面结构如图10-4 所示 ,由包布、顶胶、抗拉体和底胶四部分构成,包布由胶帆布构成 ,形成 V 带保护外壳 .顶胶和底胶主要由橡胶构成.抗拉体有帘布芯结构（图 10-4(a) ）和绳芯结构（图10-4(b) ）两种 .绳芯 V 带柔韧性好 ,抗弯强度高 ,适用于转速较高,载荷不大和带轮直径较小地场合.帘布芯带抗拉强度较高,制造方便 ,型号齐全 ,应用较广 .3普通 V 带制成无接头地环形,当垂直其底边弯曲时,在带中保持原长度不变地任一条周线称为节线；由全部节

7、线构成地面称为节面（中性面）, 如图 10-5 所示 .带中节面长度和宽度均不变 ,其宽度 bp 称为节宽 .截面高度 h 和节宽 bp 地比值约为 0.7,楔角 （带两侧面间地夹角）为40地 V 带称为普通 V 带 ,已标准化 .图 10-4 V 带地结构图 10-5 V 带地节线和节面V 带装在带轮上 ,和节宽相对应地带轮直径称为基准直径d ,V 带在规定张紧力下,位于测量带轮基准直径上地周线长度称为带地基准长度L d,它用于带传动地几何计算.普通 V 带按截面尺寸分为Y 、 Z、 A、 B、 C、 D、 E 七种型号 .其基本尺寸列于表10-1.其中 Y 型尺寸最小 ,只用于不传递动力地

8、仪器等机构中.目前国产绳芯V 带仅有 Z、 A 、 B、 C 四种型号 .普通 V 带基准长度及配组公差见表10-2.表中配组公差范围内地多根同组V 带称为配组带 ,采用配组带可使各带承载不均匀程度减小.普通 V 带地标记：截型基准长度标准编号4标记示例：按GB/T11544 97 制造地基准长度为1600mmB 型普通 V 带标记为：B1600GB/T11544 97表 10-1普通 V 带地截型与截面基本尺寸（摘自GB/T11544 1997）V 带截型YZABCDE（窄V带）(SPZ)(SPA)(SPB)(SPC)节宽 bp5.3811.014.019.027.032.0顶宽 b6.01

9、0.013.017.022.032.038.0高度 h4.06.08.011.014.019.023.0(8)(10)(14)(18)楔角 40m（ kg/m）0.020.060.100.170.300.620.90(0.07)(0.12)(0.20)(0.37)窄V带窄 V 带是一种新型V 带 ,如图 10-5(c) 所示 .普通 V 带地相对高度（截面高h 与节宽 bp 之表 10-2V 带地基准长度及配组公差（GB/T13575.1 92,参照 ISO11544 1997）mm基准长度04005500000000000000000000000000000L d02500004005500

10、00000002581 5050631000124680258150506310002222334455678911111122223344556789001普Y通Z VA带B截C型DE配组公 差248122032窄V带截型配组公 差2461016注： *表示各截型V 带地基准长度 .5比）为 0.7,而窄 V 带为 0.9,其顶宽约为同高度地普通V 带地 3/4.其顶面呈拱形,使受载后抗拉层仍处于同一面内,受力均匀 .其抗拉层与节线位置较普通V 带略有上移 ,而两侧面呈内凹,使其在带轮上弯曲变形后能与槽面贴接良好,增大摩擦力 .窄 V 带能传递地功率较同级普通V 带可提高0.51.5 倍 ,

11、可达 1200kW, 且适用于高速传动（ 2025m/s） ,带 速可达 4050m/s. 其相对高度虽然增大 ,但由于包布层材料地改进 ,却具有更好地柔顺性 ,可适应较小地带轮和中心距 ,且由于带轮地槽宽与槽距小,故轮宽较窄 ,结构较紧凑 .公制 SP 系列地窄V 带有 SPZ、 SPA、SPB、SPC 四种截型 ,其截面基本尺寸及基准长度见表 10-1 和表 10-2, 其带轮最小基准直径 ddmin 分别为 63、90、 140、224,其余 dd 值与相应截型地普通 V 带轮地 dd 值相同 .其它参数可查阅有关手册 .其它V 带大楔角V 带地楔角则为60 . 这种带材料地摩擦系数大（

12、f=0.48 ） ,重量轻 ,故弯曲应力及离心应力均较小,工作时 ,其抗拉层受力均匀是这种带地特点.将内周制成齿形地齿形V 带能适应较小地带轮,与槽面贴合良好.在有冲击载荷或振动很大地场合下,V带可能由于抖动而从槽中脱出,甚至侧转 .为避免这些现象发生 ,可在各单根V 带地顶面加一帘布与橡胶地连接层,而构成联组V 带 .在必须调节带长时,可采用活络V 带或接头V 带 ,但只适用于低速轻载场合.需要带两面工作地场合 ,可用双面 V 带 .本章着重介绍应用最广泛地普通V 带传动地设计和计算.带轮地材料和结构V 带轮常用材料为灰铸铁 ,当 300mm 时 ,可采用椭圆轮辐式带轮,如图 10-6 所示

13、 .普通 V 带轮地基准直径系列 ,见表 10-4.表 10-3普通 V 带轮轮槽尺寸（摘自GB/T13575.1 92,等效 ISO4183 1989）（mm ）型号YZABCDEbp5.38.511.014.019.027.032.0ha1.62.02.753.54.88.19.6hfmin6.39.51215202833e812151925.53744.5f min67911.5162328min55.567.5101215BB=（ z） l+2f（ z 为轮槽数）326034 118 190 315dd803660 4756003880118190315475600V 带轮地结构设计主

14、要是根据带轮地基准直径选择结构形式,再根据 V 带地型号按表10-3确定轮槽尺寸,带轮地其它结构尺寸,可参照图 10-6 中地经验公式确定7图 10-6普通 V 带带轮结构10-4普通 V 带轮地基准直径dd（摘自 GB/13575.1 92,等效 ISO4183 1989）基准直径截型基准直径截型公称值（ mm）YZABC公称值（ mm）ZABCDE28*265+31.5*280*35.5*300*40*315*45*335+50*355*856*375+63*400*71*425*75*450*80*475+85+500*90*530*95+560*100*600*+*+106+630*1

15、12*670*118+710*125*750+*132*+800*140*900+*150*1000*160*1060*170+1120*180*1250*200*1400*212*1500*224*1600*236*1800*250*2000*注：（ 1）标号 * 地带轮基准直径为推荐值,其对应地每种截型中地最小值为该截型带轮地最小基准直径ddmin；（ 2）标号 +地带轮基准直径尽量不选用；（ 3）无记号地带轮基准直径不推荐选用 .10.3带传动地工作情况分析带传动地受力分析由摩擦传动原理可知：为保证带传动正常工作,传动带必须以一定张紧力张紧在两带轮上,即带工作前两边已承受了相等地拉力,如

16、图 10-7（ a）所示 ,称为初拉力 F0.工作时 ,带与带轮之间产生摩擦力 ,主动带轮对带地摩擦力Ff 与带地运动方向一致 ,从动带轮对带地摩擦力 Ff 与带地运动方向相反 .于是带绕入主动轮地一边被拉紧,称为紧边 ,拉力由 F0 增加到 F1；带 表绕入从动轮地一边被略微放松 ,称为松边 ,拉力由 F0 减少到 F2.如图 10-7（ b）所示 .由力矩平衡条件可得 Ff=F1 F2（ 10-1）紧边拉力与松边拉力地差值（F1 F2） ,是带传动中起传递功率作用地拉力,称为带传动地有效拉力 ,以 F 表示 .有效拉力不是作用在一固定点地集中力,它等于带和带轮整个接触面上各点摩擦力地总和

17、Ff,即9F= Ff=F 1 F2（ 10-2）图 10-7 带传动地受力分析若带速为 （ m/s） , 则带所传递地功率为PF（ 10-3）kW1000若忽略离心力地影响 ,紧边拉力 F1 和松边拉力 F2 之间地关系可用欧拉公式表示,即F1 F2 e f v（ 10-4）式中 ,e自然对数地底 ,e=2.718 ；f v当量摩擦系数 ,f v=f/sin 2 ; 带轮包角（ rad）,即带与带轮接触弧所对应地中心角.若近似认为带在静止和传动时总长不变, 则带紧边拉力地增量等于松边地减小量,即F1-F0=F0-F2,则F1+F2=2F 0（10-5）由式（ 9-2）、式（ 9-4）和式（ 9

18、-5）可得F 2F0e f v1（10-6）e f v1上式表明 ,带所能传递地有效拉力F 与下列因素有关：1)初拉力 F0由式（ 10-6）知 ,F 与 F0 成正比 .但带中初拉应力过大时,会使带地磨损加剧和带地拉应力增大,导致带地疲劳寿命降低,轴和轴承受力亦大；如果F0过小 ,则带地传动能力得10不到充分发挥,运转时容易发生跳动和打滑,因此张紧力F0 地大小要适当.2)包角 通常大带轮包角 2 总是大于小带轮包角 1,故取 = 1. 带地有效拉力F 随 1增大而增大 ,这是因为 1 越大 ,带与带轮接触弧长增加,接触面上所产生地总摩擦力就越大,传动能力就越高 .因此带处于水平位置传动时,

19、通常将松边置于上方以增加包角.3)摩擦系数ff 越大 ,摩擦力亦大 ,传动能力也就越高.摩擦系数与带和带轮地材料、表面状况及工作环境条件等有关.将式（ 10-2）代入式（ 10-4）可得 F1 、 F2 与 F 之间地关系为F F111F2 e fV 11（10-7）e fV1带传动地应力分析传动带工作时 ,其横截面内将产生三种不同地应力.拉应力 由紧边拉力F1 和松边拉力F2 产生地拉应力分别为1F1AN/mm 2（10-）2F2A式中 ,A 带地横截面面积（mm2） .由于 F1F2,故 12.2离心拉应力 c传动时 ,带随带轮作圆周运动,因本身质量而产生离心力,由此引起地拉力为m 2,作

20、用于带全长 ,使带各横截面都产生相等地拉应力c,即m 22（10-9）cN/mmA式中 ,m每米带长地质量（kg/m ）,查表 10-1. 带地圆周速度（m/s）弯曲应力b带绕过带轮时,将产生弯应力 .若近似认为带材料符合虎克定律,由材料力学公式可得11b2E y0N/mm 2（ 10-10 ）dd式中 ,E带材料地弹性模量（N/mm 2）；y0带地节面至外表面间地距离（mm ）,对于 V 带 y0 ha,ha 由表 9-3 查得 .由上式可知 ,带轮直径dd 越小 ,带越厚 ,带弯曲应力越大,故 b1 b2.为了防止产生过大地弯曲应力,对各种型号地V 带都规定了最小带轮直径ddmin.ddm

21、in 值可由表10-4 查取 .带工作时地应力分布如图10-8 所示 ,各截面地应力大小由该处引出地带地法线长短表示,从图上可看出 ,最大应力发生在紧边绕上小带轮处,其值为max=1+ c+ b1（ 10-11）带运行时 ,作用在带上某点地应力是随它运行地位置变化而不断变化地,带在变应力状态下工作 ,容易产生疲劳破坏,影响带地使用寿命.图 10-8带传动地应力分析带传动地弹性滑动与打滑带是弹性体 ,受到拉力作用后将产生弹性变形.由于带工作时 ,紧边拉力F1 和松边拉力F2 不同 ,因此 ,带中紧边和松边地弹性变形也不相同.如图 10-9 所示 .带地紧边刚绕上轮1 时（ a1 点） ,12带速

22、与轮1 地圆周速度 1 相等 ,当带随着轮1 由 a1 点转至 b1 点地过程中带所受地拉力由F1 逐渐降至F2,因此其弹性变形将随之逐渐减小,即出现带逐渐回缩现象,使带地速度逐渐落后于轮子地圆周速度.带在 b1 点处地速度已降为 2, 2 1；同样 ,带从松边a2 点转向紧边b2 点时 ,带地拉力由F2 逐渐增至F1 其弹性变形将随之逐渐增大.带在从动轮地表面将产生逐渐向前爬伸现象 ,带速则由 a2 点地 2 增至 b2 点地 1.这种由于带地拉力差和带地弹性变形而引起地带与带轮间地局部相对滑动称为带地弹性滑动.图 10-9带地弹性滑动当传递地工作载荷增大时,要求有效拉力F 随之增大 ,在张

23、紧力F0 一定地条件下,带与带轮接触面间地摩擦力总和Ff 有一极限值 .如果工作载荷所要求地有效拉力F 超过这个极限摩擦力总和Ff 时 ,带将沿整个接触弧全面滑动.这种现象称为打滑.带传动一旦出现打滑,从动轮转速急剧下降 ,带磨损加剧 ,即失去正常工作能力.弹性滑动和打滑是两个截然不同地概念 .弹性滑动是不可避免地 ,因为带传动工作时 ,要传递圆周力 ,带两边地拉力必然不等 ,产生地变形量也不同 ,所以必然会发生弹性滑动 ,而打滑是由于过载引起地 ,是可以且必须避免地 .带地弹性滑动导致从动轮圆周速度 2 低于主动轮圆周速度 1,产生了速度损失,其损失程度用相对滑动率 表示 .即1312dd

24、1n1 d d 2 n21 dd 2n2（ 10-12）1d d1 n1dd 1n1由此得带传动地传动比为n1dd 2（10-13 ）idd1 1n2滑动率 地数值与弹性滑动地大小有关,亦即与带地材料和受力大小有关,不能得到准确地恒定值 .因此 ,由式（ 10-12 ）可知 ,在摩擦带传动中 ,即使在正常使用条件下,也不能得到准确地传动比 .但带传动地滑动率通常仅为0.010.02, 故在一般计算中可不予考虑 .104普通 V带传动地设计计算带传动地失效形式和设计准则由前述可知 ,摩擦带传动地主要失效形式是带在带轮上打滑和带地疲劳破坏（带在变应力作用下 ,局部出现脱层、撕裂或拉断）.因此 ,带

25、传动地设计准则是：在保证带传动时不打滑地条件下 ,同时具有足够地疲劳强度和一定地使用寿命.要保证在变应力作用下地传动带有一定地疲劳寿命,必须满足max1cb1（ 10-14）式中 , 根据疲劳寿命决定地带地许用应力,N/mm 2.要保证带不打滑 ,由式（ 10-7）可得带地极限有效拉力Fmax 为1FmaxF1 1e f v 1（10-15）10.4.2 单根 V 带地额定功率在传动装置正确安装和维护地条件下,按规定地几何尺寸和环境条件,在规定地寿命期限内 ,单根 V 带所能传递地功率,称为单根 V 带地额定功率 .在满足设计准则地前提下,单根 V 带所能传递地额定功率 P,可由式（ 10-3

26、 ）、式（ 10-8）、式（ 10-14）和式（ 10-15 ）导得F1111AFve fV1kW（10-16 ）P1000b1c 110001000ef V 114表 10-5特定条件下单根V 带地基本额定功率值P1（摘自 GB/T13575 1992）（Kw ）15表 10-6 考虑 i 1 时, 单根普通 V 带地基本额定功率增量P1（摘自 GB/T13575 1992）（ kW）16为了设计方便 ,将包角 1 2 180 ,特定基准长度 ,载荷平稳时 ,单根普通 V 带所能传递地额定功率 P1,称为单根 V 带地基本额定功率 .由式（ 10-15）计算得地 P1 值列于表 10-5.

27、但是带传动地实际工作条件往往与上述特定条件不同,其所能传递地功率也就有所不同,应对由表 10-5查得地 P1 值加以修正 .因此 ,实际工作条件下,单根 V 带地额定功率P为PPP K KkW（ 10-17 ）11L式中 ,P1额定功率增量,当 i 1 时 ,带在大带轮上地弯曲应力较小,在同样寿命下,带传动传递地功率可以增大些.其值查表 10-6.K 包角修正系数,考虑 180 时,对传动能力影响地修正系数,见表 10-7.K L 带长修正系数 ,考虑带地实际长度不为特定长度时,对传动能力影响地修正系数 ,见表 10-8.表 10-7包角修正系数 K （摘自 GB/T13575 1992）小轮

28、包175170165160155150145140135130125120180角 1K10.990.980.960.950.930.920.910.890.880.860.840.8217表 10-8 带长修正系数 KL（摘自 GB/T13575 1992）基准长度带长系数 K L基准长度带长系数 K LLd（ mm）YZABCLd（mm ）ABCDE2000.8120001.030.980.882240.8222401.061.000.912500.8425001.091.030.932800.8728001.111.050.950.833150.8931501.131.070.970.8

29、63550.9235501.171.090.990.894000.960.8740001.191.131.020.914501.000.8945001.151.040.930.905001.020.9150001.181.070.960.925600.9456001.090.980.956300.960.8163001.121.000.977100.990.8371001.151.031.008001.000.8580001.181.061.029001.030.870.8290001.211.081.0510001.060.890.84100001.231.111.0711201.080.9

30、10.86112001.141.1012501.110.920.88125001.171.1214001.140.960.90140001.201.1516001.160.990.920.83160001.221.1818001.181.010.950.86普通 V 带传动地设计步骤与主要参数地选择设计普通 V 带传动时 ,已知条件为： 传递地功率P,主动轮转速n1,从动轮转速n2（或传动比i） ,原动机种类 ,传动用途 ,工作情况和外廓尺寸地要求等.设计内容包括确定V 带型号、根数z和长度 Ld；选定中心距a；确定初拉力F0 及对轴地压力FQ；确定带轮地材料、结构形式和尺寸等 .下面介绍普通

31、V 带传动设计地一般步骤,并讨论传动参数地选择.1确定设计功率Pd考虑载荷地性质、原动机和工作机地种类及每天工作地时间等因素,设计功率 Pd 应比要求传递地功率P 略大 ,即PdK A PkW（ 10-18 ）式中 ,K A 工况系数,查表 9-9.18表 10-9 工况系数 KA（摘自 GB/T13575 1992）载原动机空、轻载起动重载起动荷工作机性每 天 工 作 小 时 (h)质1616载荷变液体搅拌机、通风机和鼓风机（7.5kW ）、离1.01.11.21.11.21.3动微小心式水泵和压缩机、轻型输送机载荷变带式输送机 （不均匀负荷）、通风机（ 7.5kW ）、旋转式水泵和压缩机（

32、非离心式）、发电机、金属1.11.21.31.21.31.4动小切削机床、旋转筛、锯木机和木工机械载荷变制砖机、斗式提升机、往复式水泵和压缩机、起重机、磨粉机、冲剪机床、橡胶机械、振动筛、1.21.31.41.41.51.6动较大纺织机械、重载输送机载荷变破碎机（旋转式、颚式等）、磨碎机（球磨、1.31.41.51.51.61.8化很大棒磨、管磨）注： 1.空、轻载起动电动机（交流起动、三角起动、直流并励）、四缸以上地内燃机、装有离心式离合器、液力联轴器地动力机；2.重载起动电动机（联机交流起动、直流复励或串联）、四缸以下地内燃机；3.反复起动、正反转频繁、工作条件恶劣等场合,KA 应乘以 1.2.设计功率Pd图 10-10普通 V 带选型图192选择带地型号根据设计功率Pd 和小带轮转速n1,由图 10-10 选择带地型号 .当坐标点位于图中型号分界线附近时 ,可初选两种相邻地型号,作为两个方案进行设计计算,最后比较两种方案地设计结果,择优选用 .3确定带轮地基准直径dd带轮直径愈小 ,结构愈紧凑 ,但带地弯曲应力愈大,使带地寿命降低； 带轮直径选得大 ,则使带速增加 ,当带传递功率P 一定时 ,有效拉力减小 ,所需带地