《机械设计》课件第6章

第6章链传动

6.1概述6.2链传动的运动特性及受力分析6.3滚子链传动的设计计算6.4链传动的布置、张紧和润滑习题6.1概述

6.1.1链传动的特点和应用

链传动是以链条为中间传动件的啮合传动。它是由装在两平行轴上的主、从动链轮和跨绕在两链轮上的环形链条所组成的，如图6-1所示。链传动依靠链节与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。图6-1链传动链传动具有带传动和啮合传动的一些特点，其优点是：与摩擦型带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率较高；传递功率大，相同工况下的传动尺寸较小；所需张紧力小，作用于轴上的压轴力小；能在高温、多尘、潮湿、有污染等恶劣环境中工作。与齿轮传动相比，链传动易于实现较大中心距的传动或多轴传动，结构轻便；制造和安装精度要求较低，成本低廉。链传动的主要缺点是：瞬时链速和传动比不恒定，传动平稳性较差，有噪音，不宜用于载荷变化很大和急速反向的传动中，只能用于平行轴间的传动。

链传动广泛应用于中心距较大、多轴、要求平均传动比准确的传动中，如环境恶劣的开式传动、低速重载传动和润滑良好的高速传动等。滚子链传动的功率通常在100kW以下，链速在15m/s以下，传动比i≤7，传动中心距a≤5～6m。目前，链传动最大的传递功率可达5000kW，链速可达40m/s，传动比可达15，中心距可达8m。6.1.2链传动的类型和结构

链传动的类型很多，按用途不同可分为传动链、起重链和牵引链三种。传动链用于一般机械中传递运动和动力，起重链和牵引链主要用于重型机械和运输机械。

按链条的结构不同，传动链主要有短节距精密滚子链(简称滚子链)和齿形链(又称无声链)两种。其中，滚子链产量最多，应用最广，故本章主要讨论滚子链及其传动的设计，对齿形链仅作简单介绍。

1.滚子链及链轮

1)滚子链

滚子链的结构如图6-2所示。它是由滚子、套筒、销轴、内链板和外链板组成的。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。内链板与套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈配合固联。当内、外链板相对绕曲时，套筒可绕销轴自由转动。滚子是活套在套筒上的，当链条进入与链轮啮合时，滚子沿链轮齿廓滚动，这样就可以减轻齿廓的磨损。链的磨损主要发生在销轴与套筒的接触面上，因此，内、外链板间应留有少许间隙，以便润滑油渗入销轴与套筒的摩擦表面。链板通常制成8字形，使链板各截面抗拉强度大致相等，以减轻链的重量及运转时的惯性。图6-2滚子链的结构当传递大功率时，可采用多排链。多排链的承载能力与排数成正比，但由于制造和装配精度等影响，各排链容易受载不均，故排数不宜过多，一般不超过4排。常用的双排链如图6-3所示。图6-3双排链滚子链相邻两销轴的中心距离称为链的节距，用p表示，它是链条的主要参数。节距越大，链条各组成元件的尺寸越大，链所能传递的功率也越大。

滚子链已标准化，分为A、B两个系列，由专业厂家生产。常用的是A系列，表6-1列出了GB/T1243—1997规定的几种规格滚子链的主要参数。表中的链号乘以25.4/16即为节距值，表中的链号与相应的国际标准链号一致。本章仅介绍最常用的A系列滚子链传动的设计。链条的长度以链节数Lp来表示。链节数最好取偶数，以便链条联成环形时正好是内、外链板相接，接头可用开口销或弹簧卡片锁紧，如图6-4(a)和(b)所示；若链节数必须采用奇数时，则需要用过渡链节(如图6-4(c)所示)，但强度较差，会影响链的承载能力，应尽量避免使用。图6-4滚子链的接头形式滚子链的标记为

链号-排数×整条链链节数标准编号

例如08A—1×88GB/T1243—1997，表示：A系列、节距为12.7mm、单排、88节的滚子链。

2)链轮的结构和材料

滚子链与链轮的啮合属于非共轭啮合传动，链轮齿形有较大的灵活性，主要考虑便于加工、不易脱链、保证链节与链轮能平稳顺利地进入和退出啮合，啮合时接触良好，尽量减少啮合时与链节的冲击。滚子链链轮的齿槽形状如图6-5所示。GB/T1243-1997只规定了滚子链链轮的最大和最小齿槽形状及其极限参数，见表6-2。凡在两个极限齿槽形状之间的各种齿形均可采用。

图6-5滚子链链轮的齿槽形状链轮轮齿用相应的标准刀具加工，目前较流行的一种齿形是三圆弧一直线齿形，如图6-6所示。故链轮端面齿形在工作图上不需画出，只需注明链轮的基本参数和主要尺寸(见表6-3)，并注明“齿形按GB/T1243-1997规定制造”即可。而链轮轮齿的轴面齿廓则应在工作图中画出，轴面齿廓形状及尺寸见图6-7及表6-4。链轮毂孔的最大许用直径dkmax见表6-5。图6-6三圆弧一直线齿槽形状链轮轴面齿形有A型(图6-7(a))和B型(图6-7(b))两种。图6-7(c)为多排链链轮的轴面齿形和结构。图6-7链轮的轴面齿形链轮的结构如图6-8所示。链轮直径较小时可制成实心结构；大中直径的链轮，可制成孔板结构；除此之外，对于大直径的链轮，为了提高轮齿的耐磨性，常将齿圈和轮体部分用不同材料制成，然后用焊接或螺栓联接装配在一起。图6-8链轮的结构在工作中，链轮轮齿的冲击、磨损较大，故链轮材料应能保证轮齿具有足够的强度和耐磨性，齿面多须经热处理。由于小链轮的轮齿啮合次数较大链轮多，磨损和冲击也较严重，因此小链轮的材料应优于大链轮，齿面硬度也应高于大链轮。链轮常用的材料及热处理方式见表6-6。

2.齿形链

齿形链由许多特定齿形的链板用铰链联接而成。链板外侧为直边，夹角一般为60°，工作时，链板外侧边与链轮轮齿相啮合来实现传动。齿形链的铰链有三种形式，其主要结构特点见表6-7。与滚子链相比，齿形链运转平稳，承受冲击载荷的能力强，允许速度较高(可达40m/s)，噪声小，故又称无声链。但齿形链结构复杂，质量大，价格高，故多用于高速或运动精度要求较高的传动装置中。6.2链传动的运动特性及受力分析

6.2.1链传动的运动不均匀性

由于链节是刚性的，当链条与链轮啮合时，相应一段链条呈正多边形的一部分绕在链轮上。该正多边形的边长即为链条的节距p，边数等于链轮的齿数z。链传动工作时，链轮每转一周，链就移动一个多边形的周长zp。所以，链条的平均速度为

(6-1)

式中：p——链节距(单位为mm)；

z1、z2——主、从动链轮的齿数；

n1、n2——主、从动链轮的转速(单位为r/min)。链传动的平均传动比为

(6-2)

实际工作中，链传动的瞬时链速、从动轮的角速度ω2及瞬时传动比都是变化的。如图6-9所示，链传动工作时，其主动边(紧边)两端的铰链是沿两链轮分度圆运动的，主动边的不同位置之间一般并不平行，但偏差极小。为了便于分析，设链的主动边在运动中始终处于水平位置(平动)，则链的主动边的运动取决于主动边刚与主动链轮啮合的链节上铰链A的运动。图6-9链传动运动分析若主动链轮以等角速度ω1转动，则铰链A沿链轮分度圆作匀速圆周运动，其圆周速度为v1=d1ω1/2。该速度可分解为链条向前移动的分速度vx和横向运动的分速度vy1，其值分别为

(6-3)

(6-4)

式中，β——铰链A的圆周速度与链条前进方向之间的夹角，也是链节在啮入过程中其上铰链在主动链轮上的相位角。由图6-9可见，从铰链A进入啮合位置到铰链B也进入啮合位置，β在±φ1/2之间变化，φ1为主动链轮上一个节距所对的圆心角，φ1=360°/z1。由此可见，主动链轮虽作等角速回转，而链条前进的速度vx却在链轮转过每一个链节的时间内周期性地由小变大，又由大变小。链的节距越大，齿数越少，β角的变化范围越大，vx的变化也越大。与此同时，链条横向运动的速度vy1也在周期性变化。vx、vy1的变化规律如图6-10所示。图6-10瞬时链条速度的变化规律由图6-9可知，从动链轮的转动取决于链条主动边末端的铰链B的运动，设其在从动轮上的相位角为γ(γ在±φ2/2之间变化，φ2=360°/z2)，铰链B的圆周速度v2在链条前进方向的分量也等于vx，即有

所以，从动链轮的角速度为

(6-5)链传动的瞬时传动比为

(6-6)

式(6-6)表明，链传动的瞬时传动比随角β和γ的变化而变化。当主动链轮匀速转动时，从动链轮作周期性的变速转动。只有当z1=z2，且紧边链长恰好是链节距的整数倍(即β=γ)时，瞬时传动比才恒等于1。

上述链传动运动不均匀的特性，起因于绕上链轮的链条呈多边形这一特点，故称之为链传动的多边形效应。6.2.2链传动中的动载荷

链传动中的动载荷包括外部附加动载荷与内部附加动载荷。

外部附加动载荷是由于工作载荷和原动机工作特性带来的振动、冲击等因素引起的附加载荷，这种动载荷在工作情况系数中应加以考虑。

内部附加动载荷主要由下列因素产生：

(1)链的运动不均匀性。由于多边形效应，链是作周期性的变速运动，其向前的加速度和横向加速度分别为

(6-7)

(6-8)

由式(6-7)、(6-8)可知，链轮转速越高，链节距越大，链的加速度越大，则链向前的加速度和横向的加速度引起的动载荷越大。

实际上，链是由链节组成的挠性件，具有一定的弹性，因而链的横向速度vy1的周期性变化必然引起链条的横向振动。这种振动同样会产生动载荷，而且是主要动载荷之一。由此引起链的张力变化是很大的，也是发生共振的主要原因。

(2)从动链轮运动的不均匀性。

从动链轮是作周期性的变速转动，其角加速度将使从动链轮系统产生动载荷，在链条中引起变化的拉力，其大小为

(6-9)

式中，J——从动链轮系统对从动链轮轴线的等效转动惯量。

(3)链条与链轮的啮入冲击。链条与链轮啮合时相对速度发生变化，也将引起冲击和动载荷。如图6-11所示，当链条与链轮轮齿啮合的瞬间，作直线运动的链条铰链和以角速度ω作圆周运动的链轮轮齿，将以一定的相对速度突然相互啮合，从而使链条和链轮受到冲击，并产生附加动载荷。链轮转速越高，链节距越大，则产生的冲击就越剧烈。

(4)链和链轮的制造误差以及安装误差。

(5)由于链条的松弛，在启动、制动、反转、突然超载或卸载的情况下出现的惯性冲击。图6-11啮合瞬时的冲击6.2.3链传动的受力分析链传动安装时，只需较小的张紧力，主要是使松边的垂度不致过大。工作时，主动链轮带动链条，链条又拖动从动链轮，因此链条受有工作拉力F；链条绕上链轮回转时，产生离心惯性力，使链条受到离心拉力Fc的作用；此外，链条因自重而悬垂，产生悬垂拉力Fs，使链条得到一定的张紧。如图6-12所示，链条在工作中，若忽略传动中的动载荷，其紧边所受的拉力F1为F1=F+Fc+Fs

(6-10)

链条的松边所受的拉力F2为F2=Fc+Fs

(6-11)图6-12作用在链上的力及链的悬垂度工作拉力F(单位为N)为

(6-12)

离心力引起的离心拉力Fc为Fc=qv2

(6-13)悬垂拉力Fs的大小与链条的松边垂度及传动的布置方式有关，用求悬索拉力的方法计算Fs=Ksqga

(6-14)以上各式中：P——传递功率(kW);

v——链速(m/s)；

q——单位长度链条的质量(kg/m)，见表6-1；

a——链传动的中心距(m)；

g——重力加速度，g=9.81m/s2；

Ks——垂度系数，即下垂量为y=0.02a时的拉力 系数，见表6-8，表中β为两链轮中心连 线与水平面的夹角(见图6-12)。链作用在轴上的压轴力可近似取为FQ≈F1+F2=KQF(6-15)式中：KQ——压轴力系数，对于水平传动KQ=1.15，对于垂直传动KQ=1.05。6.3滚子链传动的设计计算6.3.1链传动的主要失效形式

1.链条元件的疲劳破坏链条在工作时，周而复始地由松边到紧边不断运动，因而其各个元件都是在变应力作用下工作，经过一定的应力循环次数后，链条元件将会出现疲劳破坏。实践证明：一般速度闭式链传动中，链板会首先出现疲劳断裂；而对于高速闭式链传动，由于链节入啮时冲击动载荷增大，会使套筒、滚子先于链板发生疲劳点蚀和疲劳破裂；反复受很大惯性冲击或受重复冲击工作载荷作用的链传动，链条元件易发生多次冲击疲劳破坏，其应力总循环次数一般不超过104。在润滑良好的情况下，链条的疲劳强度就成为决定链传动承载能力的主要因素。

2.链条铰链的磨损链条工作过程中，由于形成铰链的销轴和套筒之间承受较大的压力，传动时彼此又产生相对转动，导致铰链磨损，使链节的实际节距变长(见图6-13)，啮合点沿齿高外移，最终发生跳齿和脱链现象。由于磨损后链节间实际节距的不均匀性，因此加剧了传动的不平稳性。图6-13链条磨损后的实际节距

3.链条铰链的胶合当速度过高时，链节所受的冲击、振动加大，加剧了销轴与套筒间高比压摩擦表面的发热和润滑状态的急速恶化，使两工作面在很高的温度和压力下直接接触，从而导致胶合。因此，胶合在一定程度上限制了链传动的极限转速。

4.链条静力拉断当链条的速度极低(v<0.6m/s)或瞬间载荷过大时，会导致链条元件过载，并超过其静强度极限，链条最终会被拉断。

5.链轮轮齿的过度磨损或过大的塑性变形这一失效形式是对链轮的，这里暂不讲述。6.3.2滚子链传动的功率曲线链传动的各种失效形式都在相应的条件下限制着它的承载能力。图6-14就是一定寿命和润滑条件良好的情况下，对应于小链轮的不同工作转速各种失效形式所限制的滚子链极限功率曲线(帐篷曲线)。图6-14中：1是由磨损破坏限定的极限功率曲线；2是在变应力下链板疲劳破坏限定的极限功率曲线；3是由滚子、套筒点蚀和冲击疲劳破坏限定的极限功率曲线；4是由销轴与套筒胶合限定的极限功率曲线；5是额定功率曲线，它是设计时所使用的曲线；6是润滑不良、工作环境恶劣时磨损限定的极限功率曲线。图6-14滚子链极限功率曲线图6-15为A系列单排滚子链的额定功率曲线，它是在特定实验条件下，根据各种极限条件绘制的。所谓特定条件是指：两链轮共面且两轴水平布置；z1=z2=19；链条长度为Lp=100；单排链传动，载荷平稳；按图6-16推荐的润滑方式润滑；使用寿命15000h；链条因磨损而产生的相对伸长量不超过3%。根据小链轮的转速，在图6-15上可查出各种链条在链速v>0.6m/s情况下允许传递的额定功率P0。图6-15A系列单排滚子链的额定功率曲线当实际工作条件与实验规定条件不符时，由图6-15查得的P0应作相应的修正。当不能保证使用图6-16推荐的润滑方式润滑，而使润滑不良时，应将额定功率P0按如下数值降低：

(1)v≤1.5m/s，润滑不良时，降至(0.3～0.6)P0；无润滑时，降至0.15P0(寿命不能保证15000h)。

(2)0.5m/s<v≤7m/s，润滑不良时，降至(0.15～0.3)P0。

(3)v>7m/s，润滑不良时，该传动不可靠，不宜采用。图6-16推荐的润滑方式6.3.3滚子链传动的设计计算及主要参数选择

1.中高速链传动的设计计算

1)计算链轮齿数z1、z2和传动比i小链轮的齿数对链传动的平稳性和使用寿命有较大的影响。齿数少可减小外廓尺寸，但齿数过少会导致：①传动的不均性增大，并使动载荷增大；②链条进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，铰链磨损加剧；③链传动的圆周力加大，加速链条和链轮的磨损，同时增加了轴和轴承的载荷。由此可见，适当增大z1对传动是有利的。但z1过大，除传动的外廓尺寸和重量增大外，还易因铰链磨损节距伸长而发生跳齿、脱链现象，缩短链的使用寿命。销轴和套筒磨损后，链节距的增长量Δp和啮合圆外移量Δd的关系(见图6-17)为图6-17链节距增长量与啮合圆外移量之间的关系

当节距p一定时，齿高就一定，允许的Δd就一定；齿数越多，不发生脱链的节距允许增量Δp就越小，链的使用寿命就越短。因此，通常限制最大链轮齿数zmax≤120。为使z2不致过大，在选择z1时，可根据链速v和传动比i并参考表6-9选择，推荐z1=29-2i。一般链轮最小齿数zmin=17，当链速很低时，最小齿数可取到9。此外，由于链节数通常为偶数，为使磨损均匀，链轮齿数一般应取与链节数互质的奇数，并优先选用17、19、21、23、25、38、57、76、95、114等。通常推荐链传动的传动比i=2～3.5。当载荷平稳，链速v<2m/s时，i可达10。若传动比过大，由于小链轮上包角过小，啮合齿数减少，则易出现跳齿或加速轮齿的磨损，故可采用二级或二级以上的传动。

2)确定计算功率Pca计算功率是根据传递功率P并考虑工作机和原动机的种类而确定的，即Pca=KAP

(6-16)式中，KA——工作情况系数，其值见表6-10。

3)选取链条的节距p和排数链条节距p的大小反映了链和链轮轮齿各部分尺寸的大小。在一定条件下，链的节距越大，承载能力就越高，但传动的不均匀性越大，振动、冲击、噪音也越严重。因此，设计时，应在满足承载能力要求的条件下，尽量选取较小节距的单排链；高速重载或中心距小、传动比大、载荷也较大的传动，可选小节距多排链；低速重载或中心距大、传动比小、速度不高的传动，可选大节距单排链。允许采用的链条节距可根据功率P0和小链轮转速n1由图6-15并结合表6-1选取。由于链传动的实际工作条件与实验特定条件不完全一致，因此必须对P0进行修正，并使

(6-17)

式中：Kz——小链轮齿数系数，可查表6-11；

KL——链长系数，可查表6-11；

Kp——多排链系数，可查表6-12。

4)计算链传动的中心距a和链节数Lp中心距过小，单位时间内链条应力循环次数会增加，加速链条的磨损和疲劳。另外，小链轮包角变小，轮齿所受载荷增大，会加速链轮轮齿的磨损，也易出现跳齿和脱链现象。中心距过大，会引起松边垂度过大，传动时造成松边颤动。因此，设计时，若中心距不受其他条件限制，一般初选a0=(30～50)p，最大取a0max=80p。链传动的中心距一般应设计成可调节的，以便链节伸长后，可随时调整张紧程度；否则，应设张紧装置。链条长度以链节数Lp来表示。与带传动相似，初算的链节数与中心距a0之间的关系为

(6-18)

初算出的应圆整为整数，最好取偶数。然后根据圆整后的链节数Lp计算理论中心距，即

(6-19)为了保证链条松边有一合适的安装垂度(0.01～0.02)a，实际中心距a′应较理论中心距a小一些，即a′=a-Δa式中，Δa=(0.002~0.004)a。对于中心距可调整的链传动，Δa可取大值；对于中心距不可调整和未设张紧装置的链传动，则应取较小值。

5)验算小链轮毂孔的直径dk当链的节距和小链轮的齿数确定之后，链轮的结构和各部分尺寸基本上可以求出，小链轮毂孔的直径dk应小于链轮毂孔的最大许用直径dkmax(见表6-5)，即dkmax必须大于或等于安装链轮处的轴的直径。若不能满足要求，可采用特殊结构链轮(如链轮轴)或重新选择链传动参数(增大z1或p)。

6)链传动作用在轴上的力(压轴力)FQ链传动是啮合传动，不需很大的张紧力，故压轴力较小，一般可近似取为FQ=KQF

(6-20)式中：F——工作拉力；

KQ——压轴力系数，对于水平传动KQ=1.15，对于垂直传动KQ=1.05。

7)润滑方式的选择链传动的润滑方式与链速v和链节距p有关，应选择图6-16推荐的润滑方式。

2.低速链传动的静强度计算对于链速v<0.6m/s的低速链传动，其主要的失效形式为链条过载拉断，应按下式进行静强度校核。

(6-21)

式中：Sca——链条的抗拉静强度计算安全系数；

Q——单排链的极限拉伸载荷(单位为kN)，可查表6-1；

n——排数；

KA——工作情况系数，查表6-10；

F1——链的紧边拉力(单位为kN)，按式(6-10)计算。6.4链传动的布置、张紧和润滑6.4.1链传动的布置及张紧链传动的布置是否合理，对链传动的工作能力及使用寿命有较大影响。一般应使链传动布置在水平或倾斜偏水平的平面内，尽量避免布置在垂直或倾斜偏垂直的平面内，如确有需要按后两种情况布置，则应加托板或张紧装置，并且设计成较紧凑的中心距。合理的布置应按表6-13提出的一些布置原则。链传动张紧的目的，在于调节链条松边的垂度，增大包角和补偿链条磨损后的伸长，使链条和链轮啮合良好，以免因松边垂度过大引起振动乃至跳齿、脱链。链传动张紧的方法很多。当中心距可调时，可通过增大中心距来控制张紧程度；当中心距不可调时，可用张紧装置张紧(见图6-18)，或在链条磨损变长后去掉一二个链节，以恢复原有的长度。张紧轮一般压在松边靠近小链轮处，张紧轮可以是链轮，也可以是无齿的滚轮，张紧轮的直径应与小链轮直径相近。图6-18链传动的张紧装置6.4.2链传动的润滑链传动的润滑至关重要，对高速、重载的链传动更为重要。良好的润滑可缓和冲击，显著减轻链条铰链的磨损，避免链条铰链的早期胶合，延长链条的使用寿命，提高传动效率。图6-16中推荐的润滑方式，其润滑方法和供油量列于表6-14。开式传动和不易润滑的链传动，可定期拆下用煤油清洗，干燥后浸入70～80℃的润滑油中(销轴要垂直放在油中)，待铰链间隙充满油后安装使用。润滑油推荐采用L-AN46、L-AN68、L-AN100全损耗系统用油。温度低时用小牌号。对于开式或重载低速传动，可在润滑油中添加MoS2、WS2等添加剂。

例6-1

设计一链式运输机驱动装置的链传动。已知传递功率P=4.3kW，主动链轮转速n1=145r/min，传动比i=2.5，载荷平稳，中心距无严格要求，传动近于水平布置。解

1.确定链轮齿数z1、z2和传动比i

假设链速v=0.6～3m/s，由表6-9取小链轮齿数z1=25，则大链轮齿数z2=iz1=2.5×25=62.5，取z2=63。实际传动比为

2.确定计算功率Pca查表6-10得KA=1.0，则Pca=KAP=1×4.3=4.3kW

3.确定链节数Lp初选中心距a0=40p。由式(6-18)得取Lp=124。

4.确定链节距p和排数n由图6-15按小链轮转速估计，链工作在功率曲线顶点的左侧时，可能出现链板疲劳破坏。由表6-11可查得小链轮齿数系数，链长系数。选取单排链n=1，由表6-12查得多排链系数Kp=1.0，故得所需传递的功率为

根据小链轮转速n1