任务３　 机械传动装置常用传动机构分析与认知

任务３机械传动装置常用传动机构分析与认知子任务１带传动子任务２链传动返回子任务１带传动３.１.１带传动的主要类型带传动按工作原理可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。１.摩擦型带传动如图３－１－１（ａ）～图３－１－１（ｄ）所示都属于摩擦式带传动。平带的横截面为扁平矩形，内表面为工作面，而Ｖ带的横截面为等腰梯形，两侧面为工作面。根据楔形面的受力分析可知，在相同压紧力和相同摩擦因数的条件下，Ｖ带产生的摩擦力要比平带大约３倍，所以Ｖ带传动能力强、结构更紧凑、应用更广泛。圆带的横截面为圆形，只用于小功率传动，如缝纫机、仪器等的传动装置中。下一页返回子任务１带传动２.啮合型带传动啮合型带传动是靠带的齿与带轮上的齿相啮合来传递动力的，较典型的是如图３－１－１（ｅ）所示的同步带传动。同步带传动兼有带传动和齿轮传动的特点，传动功率较大（可达几百千瓦），传动效率高（η＝０.９８～０.９９），允许的线速度高（ｖ≤５０ｍ／ｓ），传动比大（ｉ≤１２），传动结构紧凑。传动时无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带用聚氨酯或氯丁橡胶为基体，以细钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，抗拉强度高，受载后变形小。其主要缺点是制造和安装精度要求高，中心距要求严格。目前，同步带已广泛应用于计算机、数控机床及纺织机械等传动装置中。上一页下一页返回子任务１带传动３.１.２带传动的特点和应用摩擦型带传动具有以下几个主要特点：（１）传动具有良好的弹性，能缓冲吸振，传动平稳，噪声小。（２）过载时，带会在带轮上打滑，具有过载保护作用。（３）结构简单，制造成本低，且便于安装和维护。（４）带与带轮间存在弹性滑动，不能保证准确的传动比。（５）带须张紧在带轮上，对轴的压力较大，传动效率低。（６）不适用于高温、易燃及有腐蚀介质的场合。摩擦式带传动适用于要求传动平稳、传动比准确性要求不严格及中小功率的远距离传动。一般带传动的传递功率Ｐ≤５０ｋＷ，带速ｖ＝５～２５ｍ／ｓ，传动比ｉ＝３～５０。上一页下一页返回子任务１带传动３.１.３带传动的工作原理１.带传动的工作原理带传动是利用带作为中间挠性件，依靠带与带轮之间的摩擦力或啮合来传递运动或动力的。如图３－１－２所示，把一根或几根闭合成环形的带张紧在主动轮和从动轮上，使带与两带轮之间的接触面产生正压力（或使同步带与两同步带轮上的齿相啮合），当主动轴Ｏ１带动主动轮回转时，依靠带与两带轮接触面之间的摩擦力（或齿的啮合）使从动轮带动从动轴Ｏ２回转，从而实现两轴间运动或力的传递。２.带传动的传动比带传动的传动比ｉ就是两带轮角速度之比，或两带轮的转速之比，用公式表示为上一页下一页返回子任务１带传动３.平带传动的主要参数（１）包角α。包角α是指带与带轮接触弧所对的圆心角，如图３－１－２所示。包角的大小，反映带与带轮轮缘表面间接触弧的长短。包角越小，接触弧越短，接触面间所产生的摩擦力总和也就越小。为了提高平带传动的承载能力，包角不能太小，一般要求包角≥１２０°。由于大带轮上的包角总是比小带轮上的包角大，因此只需验算小带轮上的包角是否满足要求即可。（２）带长Ｌ。平带的带长是指带的内周长度。（３）传动比ｉ。在不考虑传动中的弹性滑动时，平带传动的传动比可用从动轮和主动轮直径之比计算。受小带轮的包角和带传动外廓尺寸的限制，平带传动的传动比ｉ≤５。上一页下一页返回子任务１带传动３.１.４平带传动的形式平带传动是由平带和带轮组成的摩擦传动，带的工作面与带轮的轮缘表面接触。１.开口传动开口传动是带轮两轴线平行、两轮宽的对称平面重合、转向相同的带传动，如图３－１－３所示。这种形式在平带传动中应用最为广泛。２.交叉传动交叉传动是带轮两轴线平行、两轮宽的对称平面重合、转向相反的带传动，如图３－１－４所示。这种形式在平带传动中应用也较广泛。上一页下一页返回子任务１带传动３.半交叉传动半交叉传动是带轮两轴线在空间交错的带传动，交错角度通常为９０°，如图３－１－５所示。４.角度传动角度传动是带轮两轴线相交的带传动，如图３－１－６所示。３.１.５普通Ｖ带和Ｖ带轮Ｖ带传动是由一条或数条Ｖ带和Ｖ带轮组成的摩擦传动。Ｖ带安装在相应的轮槽内，仅与轮槽的两侧面接触而不与槽底接触。常用的Ｖ带主要类型有普通Ｖ带、窄Ｖ带、宽Ｖ带和半宽Ｖ带等，它们的楔角（Ｖ带两侧面的夹角α）均为４０°。上一页下一页返回子任务１带传动１.普通Ｖ带的结构和标准图３－１－７所示为普通Ｖ带的结构，它由抗拉体、顶胶、底胶以及包布组成。Ｖ带的拉力基本由抗拉体承受，它分为线绳（见图３－１－７（ａ））和帘布（图３－１－７（ｂ））两种结构。帘布结构制造方便，型号多，应用较广泛；线绳结构柔性好，抗弯强度高，适用于带轮直径较小、速度较高的场合。现在生产中越来越多地采用线绳结构的Ｖ带。普通Ｖ带的型号已标准化（ＧＢ／Ｔ１１５４４—２０１２），按截面尺寸从小到大依次为Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ七种型号，其截面尺寸与参数见表３－１－１。其中Ｙ型尺寸最小，只用于传递运动，常用的型号有Ｚ、Ａ、Ｂ、Ｃ等型号。Ｖ带的截面积越大，其传递的功率也越大。上一页下一页返回子任务１带传动２.Ｖ带轮的结构Ｖ带轮由轮缘（用于安装Ｖ带的部分）、轮毂（带轮与轴相连接的部分）、轮辐（轮缘与轮毂相连接的部分）三部分组成（见图３－１－８），轮缘尺寸见表３－１－２。根据带轮直径的大小不同，普通Ｖ带轮分为实心式、辐板式、孔板式、轮辐式四种典型结构，如图３－１－９所示。图中带轮的相关结构尺寸的计算和确定可查《简明机械零件设计实用手册》。上一页下一页返回子任务１带传动３.１.６带传动的受力和应力分析１.带传动的受力分析带传动未运转时，由于带张紧在两带轮上，带的上、下两边都受到相同的张紧力Ｆ０，即初拉力，如图３－１－１０（ａ）所示。带传动工作时，当主动轮１在转矩作用下以转速ｎ１旋转时，其对带的摩擦力与带的运动方向一致，带又以摩擦力驱动从动轮以转速ｎ２转动，从动轮２对带的摩擦力与带的运动方向相反，如图３－１－１０（ｂ）所示。带进入主动轮一边被进一步拉紧，拉力增大为Ｆ１，该边称为紧边；离开主动轮的一边带的拉力降为Ｆ２，该边称为松边。紧边拉力与松边拉力之差为带传动的有效圆周力Ｆ０。上一页下一页返回子任务１带传动２.带传动的应力分析带传动工作时，带中应力由下列三部分组成：１）由拉力作用产生的拉应力紧边拉应力松边拉应力２）由离心力引起的离心应力当带绕过带轮时，会产生离心力上一页下一页返回子任务１带传动３）带绕过带轮时产生的弯曲应力带绕过带轮时，将因弯曲而产生弯曲应力带轮直径ｄｄ越小，带的弯曲应力就越大。显然小带轮上的弯曲应力要大于大带轮上的弯曲应力。为了避免弯曲应力过大，对于各种型号的Ｖ带都规定了最小带轮直径ｄｄｍｉｎ，见表３－１－３。因此，设计时应使带轮直径ｄｄ≥ｄｄｍｉｎ。带在工作时的应力分布如图３－１－１１所示。带工作时受变应力作用，每绕两带轮循环一周，作用在带上某点的应力就变化一个周期。最大应力发生在紧边绕上小轮处，其值为上一页下一页返回子任务１带传动３.１.７带传动的弹性滑动和打滑１.带传动的弹性滑动带是弹性体，受力后将会产生弹性变形。由于紧边拉力Ｆ１大于松边拉力Ｆ２，因此紧边的伸长量大于松边的伸长量，如图３－１－１２所示。当传动带的紧边在ａ点进入主动轮１时，带的速度和轮１的圆周速度ｖ１相等，但在传动带随轮１由ａ点旋转至ｂ点的过程中，带所受的拉力由Ｆ１逐渐下降到Ｆ２，其弹性伸长量也将逐渐减小，这时带在带轮上必向后产生微小滑动，造成带的速度小于主动轮的圆周速度，至ｂ点处带速已由ｖ１降为ｖ２了。上一页下一页返回子任务１带传动２.打滑传递的外载荷增大时，要求有效拉力Ｆ也随之增加，当Ｆ达到一定数值时，带与带轮接触面间的摩擦力总和Ｆｆ达到极限值。若外载荷继续增加，带将沿整个接触弧面滑动，这种现象称为打滑。带在小带轮上的包角较小，所以打滑总是发生在小带轮上。带发生打滑现象会有以下危害：（１）从动轮转速急剧下降，失去传动能力；（２）带严重磨损。需要注意的是：打滑属于带传动失效，可以避免；弹性滑动属于带传动的固有特性，不可避免。上一页下一页返回子任务１带传动３.１.８Ｖ带传动的张紧、安装和维护１.Ｖ带传动的张紧为使Ｖ带具有一定的初拉力，新安装的带在套装后需张紧；Ｖ带运行一段时间后，会产生磨损和塑性变形，使带松弛，初拉力减小，传动能力下降。为了保证带传动的传动能力，必须定期检查与重新张紧Ｖ带，常用的张紧方法有如下两种。１）调整中心距如图３－１－１３（ａ）所示，通过调节螺钉３，使电动机１在滑道２上移动，直到所需位置；如图３－１－１３（ｂ）所示，通过螺栓２使电动机１绕定轴Ｏ摆动将带张紧，也可依靠电动机和机架的自重使电动机摆动实现自动张紧，如图３－１－１３（ｃ）所示。上一页下一页返回子任务１带传动２）采用张紧轮当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧，如图３－１－１４所示。张紧轮一般放在松边内侧，使带只受到单向弯曲，并要靠近大轮，以保证小带轮有较大的包角，其直径宜小于小带轮直径。２.Ｖ带传动的安装和维护（１）安装Ｖ带时，先将中心距缩小后将带套入，然后慢慢调整中心距，直至张紧。（２）安装Ｖ带时，两带轮轴线应相互平行，各带轮相对应的轮槽的对称平面应重合，其误差不得超过２０′，如图３－１－１５所示。上一页下一页返回子任务１带传动（３）多根Ｖ带传动时，为避免各带受力不均，各带的配组公差应在同一级。（４）新旧带不能同时混合使用，更换时，要求全部同时更换。（５）定期对Ｖ带进行检查，以便及时调整中心距或更换Ｖ带。（６）为了保证安全，同时也防止油、酸、碱等对Ｖ带的腐蚀，Ｖ带传动应加防护罩。上一页返回子任务２链传动３.２.１链传动的分类及应用根据用途的不同，链传动分为传动链、起重链和牵引链。传动链主要用来传递动力；起重链主要用在起重机中提升重物；牵引链主要用在运输机械中移动重物。根据结构的不同，常用的传动链又可分为滚子链和齿形链，如图３－２－２所示。滚子链结构简单、磨损较轻，故应用较广。齿形链虽传动平稳、噪声小，但结构复杂、重量较大且价格较高，主要用于高速（ｖ≥３０ｍ／ｓ）传动和运动精度要求较高的传动中。下一页返回子任务２链传动３.２.２套筒滚子链传动的特点与属于摩擦传动的带传动相比，套筒滚子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，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样的使用条件下，链传动的结构较为紧凑。同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造、安装精度要求低，成本较低；其缺点是瞬时链速和瞬时传动比都是变化的，传动平稳性较差，工作中有冲击和噪声，不适合高速场合，不适用于转动方向频繁改变的情况。上一页下一页返回子任务２链传动３.２.３滚子链及链轮的结构参数３.２.３.１套筒滚子链的结构滚子链由内链板、外链板、销轴、套筒和滚子共５个元件组成。各元件均由碳钢或合金钢制成，并经热处理提高其强度和耐磨性。销轴与外链板之间、套筒与内链板之间均为过盈配合连接。链板的“∞”形设计是为了使各截面接近等强度，以减轻链的质量和运动时的惯性，如图３－２－３所示。上一页下一页返回子任务２链传动３.２.３.２滚子链的规格和参数滚子链是标准件，其规格由链号表示，分Ａ、Ｂ两个系列，我国以Ａ系列为主体（用于设计和出口），Ｂ系列用于维修和出口。表３－２－１中列出了几种规格的滚子链。滚子链的主要参数是链的节距，它是指链条上相邻两销轴中心间的距离，用ｐ表示。链节距ｐ越大，链的尺寸和传递的功率就越大。上一页下一页返回子任务２链传动３.２.３.３套筒滚子链轮结构及材料１.链齿的齿形套筒滚子链传动属于非共轭啮合，所以链轮的齿形可以有很大的灵活性。国家标准中尚未规定具体的链轮齿形，只规定链轮的最大齿槽的形状和最小齿槽的形状。实际齿槽形状在最大、最小范围内都可使用，因而链轮齿廓曲线的几何形状可以有很大的灵活性。轮齿的齿形应能使链条的链节自由啮入或啮出，啮合时接触良好；有较大的容纳链节距因磨损而增长的能力；便于加工。目前链轮端面齿形较常用的一种齿形是三圆弧一直线齿形（见图３－２－５），它由ａａ、ａｂ、ｃｄ组成，ａｂｃｄ为齿廓工作段。因齿形用标准刀具加工，在链轮工作中不必画出，只需在图中注明“齿形按３ＲＧＢ／Ｔ１２４３—２００６规定制造”即可。上一页下一页返回子任务２链传动滚子链链轮的轴面齿形见图３－２－６，其两侧倒圆或倒角，便于链节跨入和退出，其几何尺寸可查相关手册。２.链轮的几何参数和尺寸链轮的几何参数有分度圆直径ｄ，齿顶圆直径ｄａ，齿根圆直径ｄｆ，如图３－２－７所示，其计算公式如下：分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径上一页下一页返回子任务２链传动３.链轮材料链轮材料应满足强度和耐磨性要求。在低速、轻载或平稳传动中，链轮可采用低、中碳钢制造；中速、中载无剧烈冲击时，采用中碳钢淬火处理，其齿面硬度ＨＲＣ＞４０～４５；高速、重载或连续工作的传动，采用低碳合金钢表面渗碳淬火（如用１５Ｃｒ、２０Ｃｒ等钢渗碳淬硬至ＨＲＣ＝５０～６０）或中碳合金钢表面淬火（如用４０Ｃｒ、３５ＣｒＭｎＳｉ、３５ＣｒＭｏ等钢淬硬到ＨＲＣ＝４０～５０）。低速、轻载且齿数较多时（ｚ＞５０），也允许用不低于ＨＴ１５０的铸铁链轮。由于小链轮的啮合次数比大链轮多，因此对材料的要求也比大链轮高，当大链轮用铸铁时，小链轮通常都用钢。上一页下一页返回子任务２链传动４.链轮的结构小直径的链轮制作成实心式；中等直径的链轮制作成孔板式；直径较大的链轮，为便于更换磨损后的齿圈，可设计成组合式，具体见图３－２－８。３.２.４套筒滚子链传动的工作情况分析具有刚性链板的链条呈多边形绕在链轮上如同具有柔性的传动带绕在正多边形的带轮上，多边形的边长和边数分别对应链条的节距ｐ和链轮的齿数ｚ，如图３－２－９所示。上一页下一页返回子任务２链传动１.平均链速和平均传动比链的平均速度为：链传动的平均传动比为：２.瞬时链速和瞬时传动比设链条紧边（主动边）在传动时总处于水平位置，分析主动链轮上任一链节Ａ从进入啮合到相邻的下一个链节进入啮合的一段时间内链的运动情况：上一页下一页返回子任务２链传动当主动链轮匀速转动时，链条铰链Ａ在任一位置（以β角度量）上的瞬时速度为：则链条铰链Ａ点的前进分速度为上下运动分速度为上一页下一页返回子任务２链传动３.链传动的运动不均匀性当当β＝０时，链速最大，ｖｘ＝ｖｘｍａｘ＝。所以，主动链轮做等速回转时，链条前进的瞬时速度ｖ将周期性地由小变大，又由大变小，每转过一个节距就变化一次。链传动的整个运动过程中，这种瞬时速度周期变化的现象称为链传动的运动不均匀性或者称为链传动的多边形效应。３.２.５链传动的动载荷链传动在工作过程中，其运动的不均匀性引起动载荷，产生振动、冲击与噪声，直接影响链传动的性能和使用寿命。上一页下一页返回子任务２链传动动载荷产生的主要原因有以下几方面：（１）链速和从动链轮角速度周期性变化产生加速度（见下式），从而引起附加的动载荷。从上式中可知，链轮的转速越高、节距越大、齿数越少，动载荷就越大。（２）链条做上下运动的垂直分速度也作周期性的变化，使链产生振动，从而产生附加动载荷。（３）链节进入链轮齿槽的瞬间，链节和轮齿以一定的相对速度相啮合，链与链轮受到冲击，产生附加动载荷，如图３－２－１０所示。上一页下一页返回子任务２链传动（４）若链张紧不好，链条松弛，在启动、制动反转、载荷变化等情况下，将产生惯性冲击，使链传动产生很大的动载荷。综合以上原因，在链传动设计时，采用较多的链轮齿数和较小的链节距；在工作时，链条不要过松，并尽量限制链传动的最大转速，这样可降低链传动的动载荷。因此，多级传动中，链传动应布置在低速级。３.２.６链传动的布置、张紧１.链传动的布置链传动的合理布置应遵循以下原则：（１）两链轮的回转平面应在同一平面内。（２）两链轮中心连