机械基础 第2版 课件 第8章 带传动和链传动

第8章带传动和链传动8.1带传动的类型、特点及应用8.1.1带传动的工作原理带传动由主动带轮、从动带轮和传动带组成。带传动是一种结构简单、使用广泛的机械传动方式。无论是在精密机械、仪器仪表领域，还是在工程机械、矿山机械、化工机械、交通运输、车辆工程、农业机械等领域它都得到了广泛使用。如图所示，它是利用环状的挠性传动带紧箍两个带轮，在传动带与带轮之间产生摩擦力，将主动带轮的运动和动力传递给从动带轮。若不考虑带在轮缘上的滑动，认为带的速度2与轮缘线速度相同，则

8.1.2带传动的主要类型根据工作原理的不同，带传动分为摩擦型和啮合型两大类。

啮合带传动是靠齿形带或齿孔带与带轮轮齿的相互啮合来传递运动和动力的，摩擦带传动是靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的。

摩擦带传动按带的截面形状不同又可分为平带传动(图8.2a)、V带传动(图8.2b)、多楔带传动(图8.2c)以及圆带传动(图8.2d)等类型。(1)平带传动平带传动结构简单，带及带轮制造方便，平带质轻且挠曲性好，故多用于高速和中心距较大的传动。常用的平带有皮革平带、帆布芯平带、编织平带和复合平带等。其中以帆布芯平带(以帆布为抗拉体的平带)使用最为广泛。

根据静力平衡原理有：

FQ——张紧力；——轮槽夹角，通常有320、340、360、380四种。2)V带的结构和标准V带是横截面为等腰梯形或近似为等腰梯形的传动带，其工作面为两侧面。V带的结构如图8.4所示。它由包布、顶胶、底胶及抗拉体4部分组成。包布用胶帆布制成，对V带起保护作用。顶胶和底胶材料为橡胶。抗拉体是带工作时的主要承载部分，结构有帘布芯和绳芯两种。帘布芯结构的V带抗拉体强度较高，制造较方便；绳芯结构的V带柔韧性好，抗弯强度高，但抗拉强度低，仅适用于载荷不大、小直径带轮和转速较高的场合。

V带的尺寸已标准化(GB／T11544-2012)，按截面尺寸自小到大，普通V带分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，如表8.1所示。V带绕在带轮上产生弯曲，外层受拉伸长，内层受压缩力，必有一长度不变的中性层。中性层面称为节面，节面的宽度称为带的节宽bp(表8.1中图)。

如表8.2图中所示，V带轮上，与配用V带节面处于同一位置的槽形轮廓宽度称为基准宽度bd。基准宽度处的带轮直径称为基准直径dd。在规定的张紧力下，V带位于带轮基准直径上的周线长度作为带的基准长度Ld。V带两侧面(工作面）的夹角称为带的楔角，α=40°。当带工作时，V带的横截面积变形，楔角变小，为保证变形后V带仍可贴紧在V带轮的轮槽两侧面上，应将轮槽楔角φ适当减小，见表8.2。（3）多楔带传动如图8.2(c)所示，多楔带是在绳芯结构平带的基体下接有若干纵向三角形楔的环形带，工作面为楔的侧面。这种带兼有平带挠曲性好和V带摩擦力较大的优点。与普通V带传动相比，在传动尺寸相同时，多楔带传动的功率可增大30％，且克服了V带传动时各根带受力不均的缺点，传动平稳，效率高，故适用于传递功率较大且要求结构紧凑的场合，特别是要求V带根数较多或轮轴垂直于地面的传动。（4）圆带传动如图8.2(d)所示，圆带的横截面呈圆形。圆带传动因摩擦力较小、仅用于载荷很小的传动，如用于缝纫机、牙科医疗器械和简单的仪表传动上。（5）啮合带传动啮合带传动是依靠带上的齿或孔与带轮上的轮齿直接啮合来传递运动的。啮合带传动既具有传动平稳、无噪声的优点，又具有传动比准确、速度范围大、传动功率较大及效率高的优点。啮合带传动可分为同步带传动和齿孔带传动两种类型。1)同步齿形带传动同步齿形带传动工作时，带上的齿与轮上的齿相互啮合，以传递运动和动力，如图8.5所示。2)齿孔带传动齿孔带传动工作时，带上的孔与轮上的齿相互啮合，以传递动力，如图8.6所示。这种传动也可保证同步运动，如放映机、打印机采用的就是齿孔带传动。5.1.3带传动的特点带传动是除齿轮传动外应用最为广泛的一种传动。(1)带传动的优点与齿轮传动相比较，它具有下列优点：①可用于两轴中心距离较大的传动；②带具有良好的挽性，可缓和冲击和吸收振动．运转平稳，无噪声；③当过载时，带与带轮间会出现打滑，可保护其他零件不受损坏；④可实现交叉轴（主动轮与被动轮轴线交叉）传动；⑤结构简单，制造费用低，维护方便。(2)带传动的缺点：①传动的外廓尺寸较大；②由于带的弹性滑动，不能保证固定不变的传动比；③轴及轴承上受力较大；④传动效率较低；⑤需要设置张紧装置；⑥带的寿命较短，3000～5000h；⑦因摩擦易产生静电，故不宜用于易燃、易爆的场合。带传动常用于传递75kw以下的功率。带的速度v一般为5～25m／s。使用特种平带(如编织带、高速环形胶带等)的高速传动，其带速可达到50m／s或更高。

平带传动的传动比一般不大于3，个别情况下可达到5；V带传动和具有张紧轮的平带传动的传动比可达到7，个别情况下可达到10；

平带传动的效率η＝0.92～0.98，平均可取η＝0.95；V带传动的效率η＝0.90～0.94，平均可取η＝0.92(以上效率均包括轴承的摩擦损失在内)。8.2带传动的工作原理和工作能力分析8.2.1带传动的受力分析

带传动安装时，需将传动带紧套在两个带轮的轮缘上。这时，传动带就受到张紧力F0的作用，而且传动带各处的张紧力相等，如图8.7所示。当带传动工作时，主动带轮以转速n1转动，主动带轮靠摩擦力带动传动带运动，传动带又靠摩擦力带动从动带轮以n2的转速转动。

假定带工作时的总长度不变，则紧边拉力的增量(F1-F0)近似等于松边拉力的减少量(F0-F2)，即F1-F0=F0-F2，于是F1+F2=2F0

式中：e--自然对数的底即e≈2.718；f--摩擦系数，若为V带传动，应改为当量摩擦系数fv；

1--传动带在小带轮上的包角，单位为rad。

由上面的公式，整理可得：

从上式可以看出：带传动的最大有效拉力Ftmax随传动带的张紧力F0、传动带在小带轮上的包角

1和传动带与带轮间的摩擦系数f的增大而增大。在一定的条件下，f为定值，要增加传动带的传动能力，就应增加张紧力F0和包角

1。8.2.2传动带工作时的应力分析传动带工作时有三种应力作用。（1）拉力引起的应力工作时，紧边拉力F1(N)和松边拉力F2(N)引起的应力σ1、σ2(MPa)分别为

式中：A——传动带的截面面积(mm2)。从上式可以看出紧边和松边的应力大小是不同的,传动带在绕过主动轮的过程中，拉应力由σ1逐渐减少到σ2；而传动带在绕过从动带轮的过程中，则拉应力将由σ2逐渐增大到σ1。（2）离心力引起的应力沿带轮轮缘弧面运动的传动带，由于具有一定的质量，就不可避免地受到离心力的作用。由离心力引起的应力即为离心拉应力σc,其大小为:

式中：q---传动带每米长度的质量(kg／m)，其值如表8.1所示；

v---传动带的速度(m／s)；A---传动带的截面面积(mm2)。从上式可以看出，传动带的速度v愈高，由离心力产生的拉应力σc就愈大。因此，应限制传动带的速度，一般取v≤25～30m／s。（3）传动带的弯曲应力传动带有一定的厚度，工作时又要从带轮上绕过，因此，带在经过带轮时由于弯曲而引起弯曲应力σb，如图8.8所示。其值由材料力学可知：

式中：E——带材料的弹性模量(MPa)；

ρ——曲率半径(mm)；对V带有ρ=dd/2，dd为带轮基准直径；

h′——节面到顶面的垂直距离mm，h′=ha，见表8.2。由上式可知,带轮直径越小，带越厚，弯曲应力就越大。为了提高带的使用寿命，小带轮直径不能取得过小。一般应不小于该型号传动带规定的带轮最小直径dmin。

带中各截面上的应力大小，如用自该处所作的径向线(即把应力相位转900)长短可画成如图8.9所示的应力分布图。从图中可以看出，带在工作中所受的应力是变化的，最大应力在由紧边进入小带轮处，其值为：

在一般情况下，弯曲应力越大，则离心应力越小。离心应力随带速的增加而增加。由于传动带是在变应力状态下工作的，故容易产生疲劳破坏。

带的使用寿命不仅与应力的大小有关，还与应力的循环次数有关。为使传动带具有预期的疲劳寿命，设计时应满足：

σmax≤[σ]式中：[σ]——由试验得到的不产生疲劳破坏的许用拉应力(MPa)。8.3普通V带传动设计8.3.1带传动的主要失效形式和设计准则

（1）带传动的主要失效形式1)打滑：当传递的圆周力，超过了带与带轮接触面之间摩擦力总和的极限时，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，发生裂纹、脱层、松散、直至断裂。

（2）带传动的设计准则

保证带传动不发生打滑的前提下，具有一定的疲劳强度和使用寿命。8.3.2V带传动设计计算和参数选择

普通V带传动设计计算时，通常已知传动的用途和工作情况；传递的功率P；主动轮、从动轮的转速n1、n2(或传动比i)；传动位置要求和外廓尺寸要求；原动机类型等。

设计时主要确定V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，带的初拉力和作用在轴上的压力；V带的张紧和防护等。８.３.３Ｖ带轮的材料和结构Ｖ带轮常用材料有灰铸铁、铸钢、铝合金、工程塑料等，其中灰铸铁应用最广。当带速ｖ≤30m/s的带传动，带轮一般为HT160-HT200制造。带速更高、传递功率较大或特别重要的场合可采用铸钢，铝合金和塑料带轮多用于小功率的带传动。普通Ｖ带轮一般由轮缘、轮毂及轮辐组成。轮缘截面上轮槽尺寸见表8.2；根据带轮直径的大小，普通Ｖ带轮可分为实心式（见图8.12）、辐板式（见图8.13）、孔板式（见图8.14）及椭圆轮辐式（见图8.15）４种类型。Ｖ带轮的结构形式可根据Ｖ带型号、带轮的基准直径和轴孔直径，按《机械设计手册》提供的图表选取。图中带轮的结构尺寸可按下列经验公式确定：d1=(1.8～2)d0；L=(1.5～2)d0；S1≥O.5S；h2=O.8h1；a1=O.14h1；a2=O.8a1；h=O.2h1；f1=O.2h1；f2=0.2h2；h1=290(P／nA)1/3式中P为传递的功率(kw)，n为带轮转速(rpm)，A为轮辐数；Smin值如表所示。当带轮的基准直径dd≤(2.5～3)d(d为带轮轴的直径，mm)时，可采用实心式结构；dd≤300mm时，可采用辐板式结构；dd-d1≥100mm时，可采用孔板式结构；dd＞300mm时，可采用轮辐式。8.3.4V带传动的张紧装置

各种材质的V带都不是完全的弹性体,在预紧力的作用下,经过一定时间的运转后,就会由于塑性变形而松弛,使预紧力F0降低。为了保证带传动的能力,应定期检查预紧力的数值。如发现不足时,必须重新张紧,才能正常工作。常见的张紧装置有以下3种:(1)定期张紧装置；(2)自动张紧装置；(3)采用张紧轮的装置(1)定期张紧装置

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。在水平或倾斜不大的传动中,可用如图(a)所示的方法,将装有带轮的电动机安装在有滑道的基板上。要调节带的预紧力时,松开基板上各螺栓的螺母,旋动调节螺钉,将电动机向右推移到所需的位置,然后拧紧螺母。在垂直的或接近垂直的传动中,可用如图(b)所示的方法,将装有带轮的电动机安装在可调的摆架上。(2)自动张紧装置

将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上如图(c)所示

,利用电动机的自重,使带轮随同电动机绕固定轴摆动,以其自重来保持张紧力。(3)采用张紧轮的装置当中心距不能调节时,可采用张紧轮将带张紧如图所示。图(a)的张紧轮放在松边的内侧,使带只受单向弯曲,采用这种结构时,张紧轮还应尽量靠近大轮,以免过分影响带在小轮上的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同,且直径小于小带轮的直径。采用张紧轮张紧时,也可利用重力作用实现自动张紧(见图(b))。8.4链传动的类型、特点及应用

链传动是应用较广的一种机械传动。它是由链条和主从动链轮所组成(见图)。链轮上制有特殊齿形的齿,依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比,链传动无弹性滑动和打滑现象,因而能保持准确的平均传动比,传动效率较高;又因链条不需要像带那样张得很紧,故作用于轴上的径向压力较小;在同样使用条件下,链传动结构较为紧凑。8.4.1链传动的类型根据用途的不同,链传动分为以下3大类:(1)传动链

传动链用于一般机械上动力和运动的传递,通常都在中等速度(v≤20m/s)以下工作。

(2)起重链

起重链用于起重机械中提升重物,其工作速度不大于0.25m/s。

(3)牵引链

牵引链又称输送链,用于链式输送机中移动重物,其工作速度不大于2-4m/s。根据结构的不同,常用的传动链又分短节距精密滚子链(简称滚子链)﹑套筒链、弯板链及齿形链。

滚子链结构简单,磨损较轻,故应用较广。

齿形链(又称无声链),它具有传动平稳,噪声小,承受冲击性能好,工作可靠等优点,但其结构复杂、质量大、价格高、制造较困难,故多用在高速(链速v可达40m/s)或运动精度要求较高的传动装置中。8.4.2滚子链传动(1)滚子链的结构和标准

滚子链是由内链板、外链板、销轴、滚子及套筒组成,如图所示。滚子链相邻两滚子中心的距离称为链节距,用p表示。它是链条的主要参数。节距p越大,链条各零件的尺寸越大,所能承受的载荷越大。

滚子链可制成单排链、双排链和多排链,如图所示。排数越多,承载能力越大。由于制造和装配精度会使各排链受力不均匀,故一般不超过四排。滚子链已标准化,滚子链的基本参数与尺寸见表8.9。表内的链号数乘以25.4/16即为节距值。链号中的后缀表示系列。其中,A系列是我国滚子链的主体,设计时,根据载荷大小及工作条件等选用适当的链条型号;B系列主要供维修用。

滚子链的标记规定为

链号-排数×整链链节数国家标准编号例如,A系列、节距25.4mm,单排、82个链节长的滚子链标记为

16A-1×82GB1243——2006滚子链的接头形成如图8.20所示。

当链条的链节数为偶数时,联接方式采用可拆卸的外链板联接,接头处用开口销或弹簧卡固定(见图(a),(b));

当链条的链节数为奇数时,须采用过渡链节(见图(c))。由于过渡链板是弯的,承载后其承受附加弯矩,因此,链节数尽量不用奇数。(2)链轮1)链轮的基本参数及主要几何尺寸

链轮的齿形有国家标准。国家标准中规定了滚子链链轮的端面齿槽形状(见图),即为三圆弧(dc，ba,aa)和一直线(cb)齿形。由于链轮采用标准齿形,所以在链轮工作图上不必绘制其端面齿形,只需在图的右上角注明基本参数和齿形标准字样即可,但链轮的轴面齿形必须画出并标注,以便于车削链轮毛坯，如图8.22和表8.10所示。链轮上链条销轴中心所在的圆称为分度圆,其直径用d表示。链轮的主要尺寸计算公式如下:

分度圆直径为齿顶圆直径为

齿根圆直径为式中d0——--滚子直径。2)链轮的结构和材料

链轮是链传动的主要零件。滚子链链轮的齿形已标准化。链轮设计主要是确定其结构及尺寸、选择材料和热处理方法。

链轮的典型结构是由轮毂、轮辐和轮缘3个部分组成。具体结构由链轮直径大小而定,如图所示。直径较小的链轮制成整体式;

直径中等的链轮制成孔板式；

直径较大的链轮制成组合式结构,并焊接成一体;也可用螺栓联接或铆接将轮缘和轮毂联成一体。链轮材料应保证轮齿有足够的强度和耐磨性,故链轮齿面一般都经过热处理,达到一定的硬度要求。

传动过程中,小链轮轮齿的受载次数比大链轮轮齿多,磨损和冲击比较严重,因此,小链轮的材料应较好,齿面硬度应较高。链轮常用材料适用范围见表8.11。8.4.3链传动的特点

链传动与其他传动相比,主要有以下特点:

①由于链传动是有中间挠性件的啮合传动,无弹性滑动和打滑现象,因而能保证平均传动比不变。

②链传动无须初拉力,对轴的作用力较小。

③链传动可在高温﹑低温、多尘,油污、潮湿及泥沙等恶劣环境下工作。

④由于链传动的瞬时传动比不恒定,传动平稳性较差,有冲击和噪声,且磨损后易发生跳齿,因此不宜用于高速和急速反向传动的场合。链传动适用于两轴线平行且距离较远、瞬时传动比无严格要求以及工作环境恶劣的场合，广泛用于农业、采矿、冶金、石油化工及运输等各种机械中。

目前,链传动所能传递的功率可达3600kW,常用于100kW以下;

链速可达30-40m/s,常用v≤15m/s;

传动比最大可达15,一般i≤6;

中心距a≤5-6m;

效率ƞ=0.91-0.97。8.5链传动的运动分析由于链条绕入链轮后形成折线,因此,链传动相当于链条绕在一对多边形轮上的传动,如图(a)所示。边长相当于链条的节距p,边数相当于链轮的齿数z,链轮每转一周时,链条转过的长度为pz。设z1,z2为两链轮的齿数;n1,n2为两链轮的转速(r/min),则链条的平均速度为链传动的平均传动比为由于链传动的中心距较大,为便于运动分析,可假设链条紧边处于水平位置。图(a)表示链节AB的饺链A在主动轮上进入啮合后的位置。假设主动轮的分度圆半径为R,并以等角速度ω1转动,则销轴A开始随链轮作等速圆周运动,链速v是销轴A圆周速度R1ω1的水平分量。在如图(b)所示的位置时,链速为ｖ＝vAcosβ＝R1ω1cosβ式中β—铰链A在链轮上的相位角。从销轴A进入啮合到销轴B也进入啮合为止,β角将在(–φ1/2~+φ1/2)变化。

当β=±φ/2时,链速最小,vmin=R1ω1cosφ/2,如图(a),(d)所示;