带轮传动的设计课件

第七章第七章 带传动设计带传动设计机械设计基础第七章第七章 带传动设计带传动设计1教学目标教学目标1)带传动的受力分析、应力分析和弹性滑动。带传动的受力分析、应力分析和弹性滑动。2)普通普通V带传动的设计计算和主要参数对传动带传动的设计计算和主要参数对传动 性能的影响。性能的影响。3)滚子链传动的运动特点、失效形式。滚子链传动的运动特点、失效形式。4)滚子链传动的设计计算和主要参数的合理选滚子链传动的设计计算和主要参数的合理选 择。择。机械设计基础 挠性传动主要包括带传动和链传动。他们都是通过挠性曳（）引元件，在两个或多个传动轮之间传递运动和动力。带传动中所使用的挠性曳引元件为各种形式的传动带，按其工作原理分为摩擦型带传动和啮合型带传动。链传动中所用的挠性曳引元件为各种形式的传动链。链传动通过链条的各个链节与链轮轮齿相互啮合实现传动。机械设计基础7.1 带传动概述带传动概述在我们实际生活中，利用皮带传动的例子有许多，同学们并不陌生，都知道它是利用一根环型带和两个带轮来实现传动的，如图61所示。机械设计基础 其传动主要是依靠摩擦或啮合实现的其传动主要是依靠摩擦或啮合实现的。与其它的传动相比，这种传动具有以下。与其它的传动相比，这种传动具有以下优点：优点：1）中心距变化范围大，适宜远距）中心距变化范围大，适宜远距离传动；离传动；2）过载时将引起带在带轮上打）过载时将引起带在带轮上打滑，因而可以防止其它零件的损坏；滑，因而可以防止其它零件的损坏；3）制造和安装精度不像啮合传动那样严格，制造和安装精度不像啮合传动那样严格，结构简单、价格低廉；结构简单、价格低廉；4）能起到缓冲和）能起到缓冲和吸收振动，传动平稳，噪音小。吸收振动，传动平稳，噪音小。5）维护）维护方便，不需要润滑等。方便，不需要润滑等。机械设计基础 但是，和齿轮传动相比，它也有一些缺点：1）摩擦型带传动不能保持准确的传动比，传动效率较低；2）传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上的压力较大；3）带的寿命较短。这种传动在近代机械中应用的十分广泛，常用于中、小功率，带速在525，传动比 的情况下。机械设计基础一、带传动的类型一、带传动的类型 从传动方式来看，主要可以分为两种（如图91、92所示）：1）摩擦型带传动；2）啮合型带传动。图91图92机械设计基础 摩擦型带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形传动带组成，由于带已被张紧，传动带在静止时已图91受到预拉力的作用，带与带轮之间的接触面间产生了正压力。当主动轮转动时，依靠带与带轮接触面之间的摩擦力，拖动传动带进而驱动从动轮转动，实现传动。机械设计基础图图92 啮合型带传动由同步带传动，它是由主动同步带轮、从动同步带轮和套在两轮上的环形同步带组成。机械设计基础图图93摩擦型带传动又可以分为：机械设计基础 平带传动结构最简单，传动效率较高，在传动中心距较大的场合应用较多。除了正常的传递方法外，还可以实现交叉和半交叉传动，如下图所示。V带传动的传动能力较大，在传动比较大时、要求结构紧凑的场合应用较多，是带传动的主要类型。图图94图图95机械设计基础图图96 如图所示，若平带和V带受到同样的压紧力 ，带与带轮接触面之间的摩擦系数也同为f，平带与带轮接触面上的摩擦力为：而V带与带轮接触面上的摩擦力为：机械设计基础式中：为当量摩擦系数。普通V带的楔角为40，因次可以估算得 （3.633.07）。也就是说，在同样得条件下，平带V带在接触面上所受得正压力不同，V带传动产生的摩擦力比平带大的多。所以一般机械中多采用V 带。机械设计基础 多楔带传动兼有平带和V带传动的特点，主要用于传递大功率、结构要求紧凑的场合。圆带传动的传动能力较小，一般用于轻型和小型机械。啮合型传动带又称为同步带，其特点如下：优点：传动比恒定，结构紧凑，带速可达40，i可达10，传递功率可达200，效率高，约为 。缺点：结构复杂，价格高，对制造和安装要求高。所以本章主要介绍带传动中的V带传动。机械设计基础二、二、V带的结构和标准带的结构和标准图图97 V带结构如图所示，有四层组成。V带有许多种类型和型号，有普通V带、宽V带、窄V带、大楔角V带、汽车V带等等，都是标准件，在手册中都可以查到。这一部分我们主要以标准普通V带进行介绍，其方法是一致的。机械设计基础 对于普通V带国家标准规定有Y、Z、A、B、C、D、E等7种型号。当带垂直底边弯曲时，带中原长度保持不变的一条周线称作节线，而全部节线所组成的面称作节面，节面的宽度称作节宽，用 表示。其断面尺寸见教材表格。普通V带采用基准宽度制。所谓基准宽度制是以基准线的位置和基准宽度来确定带轮的槽型、基准直径和V带在槽中的位置。机械设计基础 V带的节面在轮槽内的相应位置的宽度称作轮槽的基准宽度（），等于 ，用来表示轮槽的特征值，是带轮和皮带的基准尺寸。在轮槽基准宽度处的直径称作带轮的基准直径（节径）。V带轮在规定的张紧力下，位于测量带轮的基准直径上的周线长度称为基准长度 。图98机械设计基础7.2 带传动的理论基础带传动的理论基础一带传动中的力分析一带传动中的力分析图99V带传动是利用摩擦力来传递运动和动力的，因此我们在安装时就要将带张紧，使带保持有初拉力F0，从而在带和带轮的接触面上产生必要的正压力。此时，当皮带没有工作时，皮带两边的拉力相等，都等于初拉力F0如图所示。机械设计基础图99 当主动轮以转速 n1旋转，由于皮带和带轮的接触面上的摩擦力作用，使从动轮以转速n2转动。机械设计基础图99 主动轮作用在带上的力与n1转向相同，而从动轮作用在带上的作用力与n2相反。这就造成皮带两边的拉力发生变化：皮带进入主动轮的一边被拉紧，我们称作紧边，其拉力由F0增加到F1；皮带进入从动轮的一边被放松，叫做松边，其拉力由F0减小到F2，如图b所示。机械设计基础 我们定义传动带两边拉力之差为有效圆周力。取主动轮一边的皮带为分离体，设总摩擦力为（也就是有效圆周力），则有：即：而皮带传递的功率为：v带速（）机械设计基础 如果认为带的总长不变，则两边带长度的增减量应相等，相应拉力的增减量也应相等，即：也即：(1)由此可以得到：(2)机械设计基础 由此式可以看出：F1和F2的大小，取决于初拉力F0及有效圆周力；而又取决于传递的功率P及带速V。显然，当其它条件不变且F0一定时，这个摩擦力不会无限增大，而有一个最大的极限值。如果所要传递的功率过大，使 ，带就会沿轮面出现显著的滑动现象。这种现象称为“打滑”，从而导致带传动不能正常工作，也即传动失效。机械设计基础二欧拉公式二欧拉公式 当皮带有打滑的趋势时，摩擦力达到极限值。如果略去离心力的作用，截取微弧段皮带为分离体，如图所示。图910机械设计基础图910由 得：很小，略去二阶微量 得到：机械设计基础图910由 得：故有：即：机械设计基础积分有：即 联立上述各式，可求得如下关系式：机械设计基础 式中：表示最大（临界）有效圆周力。由上式可以看出：增大F0、包角、增加f都可以提高有效圆周力的值，也即可以提高皮带传递的功率。在推证过程中，是以平皮带进行的，如果是V带，则f应为 ,称为当量摩擦系数。机械设计基础三带传动的应力分析三带传动的应力分析 皮带传动在工作时，皮带中的应力有三部分组成：因传递载荷而产生的拉应力；由离心力产生的离心应力c；皮带饶带轮弯曲产生的弯曲应力b；机械设计基础1)拉应力拉应力 A皮带横断面积（2）机械设计基础图9102）离心造成的离心应力）离心造成的离心应力c：当传动带以切线速度当传动带以切线速度v沿着带轮轮缘作圆周沿着带轮轮缘作圆周运动时，带本身的质量运动时，带本身的质量将引起离心力。由于离心力的作用，使带的横剖面上受到附加拉应力。如图所示，截取一微段弧 ，设带速为v(),带单位长度的质量为m()。机械设计基础 作圆周运动时，微弧段产生的离心力为 图911(N)用 表示由离心力的作用使微弧段两边产生的拉力，则由力的平衡方程式可得：机械设计基础由于 很小，取 则：=由离心力引起得拉应力为m单位长度质量（）；v带速()机械设计基础3）弯曲应力：）弯曲应力：E 带的拉压弹性模量（）h 带厚（）带轮基准直径（）注：在材料力学中，弯曲应力 所以 机械设计基础图912 带上的最大应力产生在皮带的紧边进入小轮处，其值为：皮带是在交变应力状态下工作的，所以将使皮带产生疲劳破坏，影响工作寿命。传动带工作时得应力分布如图所示 机械设计基础四带传动的弹性滑动和传动比四带传动的弹性滑动和传动比图图913 传动带在工作时，受到拉力的作用要产生弹性变形。由于紧边和松边所受到的拉力不同，其所产生的弹性变形也不同，如图所示。当传动带绕过主动轮时，其所受的拉力由F1减小至F2，传动带的变形程度也会逐渐减小。机械设计基础图图913 由于此弹性变形量的变化，造成皮带在传动中会沿轮面滑动，致使传动带的速度低于主动轮的速度（转速）。同样，当传动带绕过从动轮时，带上的拉力由F2增加到F1，弹性变形量逐渐增大，使传动带沿着轮面也产生滑动，此时带的速度高于从动轮的速度。这种由于传动带的弹性变形而造成的滑动称作弹性滑动。机械设计基础 由于弹性滑动，造成从动轮的圆周速度v2要低于主动轮的圆周速度v1，由此我们定义弹性滑动率为：或：从而带传动的实际传动比：机械设计基础7.3 带传动的计算带传动的计算一单根普通一单根普通V带的许用功率带的许用功率 带传动的主要失效形式为打滑和带的疲劳破坏。因此，带传动的设计准则为：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。根据前面的式子，可以得到V带在不打滑时的最大有效圆周力为 注意：在前面推导时使用的是平皮带，对普通V带要使用当量摩擦系数 。机械设计基础疲劳强度为：（）与皮带的材质和应力循环次数N有关。所以，可以求得皮带在既不打滑又有一定寿命时，单根皮带所能传递的功率为：（）机械设计基础 根据该式，我们可以求得在：载荷平稳、包角 （）、带长 为特定长度、强力层为化学纤维线绳结构条件下，单根V带传递的基本额定功率 ,见表（在工作中也可以参考设计手册）。机械设计基础 当实际工作条件与上述条件不同时（如包角、工况等），应该对 进行修正。单根普通V 带的额定功率 是由基本额定功率加上额定功率增量 ，并乘以修正系数而确定：其中：包角修正系数，考虑包角不等于180时传动能力有所下降；为带长修正系数，考虑带长不等于特定长度时对传动能力的影响。机械设计基础二原始数据及设计内容二原始数据及设计内容 1）设计普通V带传动时，预先确定的原始数据一般有：带传动的功率P、大小轮的转速（）或传动比、原动机类型、工作条件及总体布置方面的要求等。2）设计的内容：传动带的型号、长度、根数、传动中心距、带轮直径、带轮结构尺寸和材料、带的初拉力和压轴力、张紧及防护装置等。机械设计基础三设计步骤三设计步骤1、确定设计功率、确定设计功率 根据传递的功率P、载荷性质、原动机种类和工作情况等确定设计功率：其中：为设计功率（）；为工况系数；P为所需传递的功率（）对于反复启动、正反转频繁、工作条件恶劣等场合，其应乘上1.2。机械设计基础2、选择带型、选择带型 根据带传动的设计功率根据带传动的设计功率 和小和小带轮转速带轮转速n1按图表初步选择带型。按图表初步选择带型。所选带型是否符合要求，需要考虑所选带型是否符合要求，需要考虑传动的空间位置要求以及带的根数传动的空间位置要求以及带的根数等方面最后确定。等方面最后确定。机械设计基础3、确定带轮基准直径、确定带轮基准直径 和和 普通普通V带传动的国家标准中规定了带轮的最带传动的国家标准中规定了带轮的最小基准直径和带轮的基准直径系列见教材上表格。小基准直径和带轮的基准直径系列见教材上表格。当其它条件不变时，带轮基准直径越小，带当其它条件不变时，带轮基准直径越小，带传动越紧凑，但带内的弯曲应力越大，导致带的传动越紧凑，但带内的弯曲应力越大，导致带的疲劳强度下降，传动效率下降。疲劳强度下降，传动效率下降。选择小带轮基准直径时，应使 ，并取标准直径。传动比要求精确时，大带轮基准直径依据：一般情况下，可以忽略滑动率的影响，则有：机械设计基础4、验算带速、验算带速带速的计算式为：式中：的单位是；n1的单位是；v的单位是 带速v太高则离心力大，使带与带轮之间的正压力减小，传动能力下降，容易打滑。带速太低，则要求有效拉力F越大，使带的根数过多。一般取v525之间。当v1020时，传动效能可得到充分利用。若v过低或过高，可以调整 或n1的大小。机械设计基础5、确定中心距和带长、确定中心距和带长 中心距a的大小，直接关系到传动尺寸和带在单位时间内的绕转次数。中心距大，则传动尺寸大，但在单位时间内绕转次数可以减少，可以增加带的疲劳寿命，同时使包角增大，提高传动能力。一般可以按下式进行初选中心距 ：带长根据带轮的基准直径和要求的中心距 计算：机械设计基础 根据初选的带长 在表格中查取相近的基准长度 ，然后计算实际的中心距：式中：机械设计基础6、验算包角、验算包角小带轮包角为：（一般要求大于90120）7、确定带的根数、确定带的根数带的根数应根据计算进行圆整。当z过大时，应改选带轮基准直径或改选带型，重新计算。机械设计基础8、确定初拉力、确定初拉力 初拉力F0小，带传动的传动能力小，易出现打滑。初拉力F0过大，则大的寿命低，对轴及轴承的压力大。一般认为，既能发挥带的传动能力，又能保证带的寿命的单根V带的初拉力应为：机械设计基础9、计算压轴力、计算压轴力图914为了设计轴和轴承，应该计算V带对轴的压力，可以近似地按带两边地初拉力F0的合力计算（如图）：机械设计基础 我们在设计过程中，带传动的设计基本上都遵循上面所述的步骤，计算时要注意两点：（1）各几何、物理量的量纲，不一致的要预先进行换算。（2）注意所给出的条件、计算公式的使用方法。另外，在这个设计过程中，要注意各个修正系数的确定方法。机械设计基础7.4 V带轮的结构设计带轮的结构设计一材料一材料机械设计基础二结构二结构常用的有锻件和铸件两种，也有组合式。在铸造时要考虑拔模斜度。图915机械设计基础孔孔板板式式结结构构图916机械设计基础轮轮辐辐式式结结构构图917机械设计基础 一旦我们在设计中确定传动带之后，对应的带槽（）尺寸也就确定了，见表。在设计绘图时只需在 确定后，完整绘出零件图即可。其轴孔结构，一般采用平键实现周向定位，开出键槽的设计要依据传动轴配合进行（一般在平键按标准选定后，键槽的尺寸也是标准的），可以查阅相关的手册进行。机械设计基础7.5 带传动的张紧装置带传动的张紧装置 由于各种皮带都不是完全的弹性体，经过一段时间后，会产生塑性变形而松弛；同时，由于磨损的存在，也会使初拉力F0下降，所以必须定期检查初拉力，发现不足必须重新张紧。常用的张紧装置有三种：机械设计基础图 9|18机械设计基础