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1、機械設計基礎,第七章 帶傳動設計,機械設計基礎,第七章 帶傳動設計,1教學目標 1)帶傳動的受力分析、應力分析和彈性滑動。 2)普通V帶傳動的設計計算和主要參數對傳動 性能的影響。 3)滾子鏈傳動的運動特點、失效形式。 4)滾子鏈傳動的設計計算和主要參數的合理選 擇。,機械設計基礎,撓性傳動主要包括帶傳動和鏈傳動。他們都是通過撓性曳（ye）引元件，在兩個或多個傳動輪之間傳遞運動和動力。 帶傳動中所使用的撓性曳引元件為各種形式的傳動帶，按其工作原理分為摩擦型帶傳動和嚙合型帶傳動。 鏈傳動中所用的撓性曳引元件為各種形式的傳動鏈。鏈傳動通過鏈條的各個鏈節(jié)與鏈輪輪齒相互嚙合實現傳動。,機械設計基礎,7
2、.1 帶傳動概述,在我們實際生活中，利用皮帶傳動的例子有許多，同學們并不陌生，都知道它是利用一根環(huán)型帶和兩個帶輪來實現傳動的，如圖61所示。,機械設計基礎,其傳動主要是依靠摩擦或嚙合實現的。與其它的傳動相比，這種傳動具有以下優(yōu)點：1）中心距變化范圍大，適宜遠距離傳動；2）過載時將引起帶在帶輪上打滑，因而可以防止其它零件的損壞；3）制造和安裝精度不像嚙合傳動那樣嚴格，結構簡單、價格低廉；4）能起到緩沖和吸收振動，傳動平穩(wěn)，噪音小。5）維護方便，不需要潤滑等。,機械設計基礎,但是，和齒輪傳動相比，它也有一些缺點：1）摩擦型帶傳動不能保持準確的傳動比，傳動效率較低；2）傳遞同樣大的圓周力時，輪廓尺寸
3、和軸上的壓力較大；3）帶的壽命較短。 這種傳動在近代機械中應用的十分廣泛，常用于中、小功率，帶速在525m/s，傳動比 的情況下。,機械設計基礎,一、帶傳動的類型,從傳動方式來看，主要可以分為兩種（如圖91、92所示）：1）摩擦型帶傳動；2）嚙合型帶傳動。,圖91,圖92,機械設計基礎,摩擦型帶傳動通常由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的環(huán)形傳動帶組成，由于帶已被張緊，傳動帶在靜止時已,圖91,受到預拉力的作用，帶與帶輪之間的接觸面間產生了正壓力。當主動輪轉動時，依靠帶與帶輪接觸面之間的摩擦力，拖動傳動帶進而驅動從動輪轉動，實現傳動。,機械設計基礎,圖92,嚙合型帶傳動由同步帶傳動，它是由主動同步
4、帶輪、從動同步帶輪和套在兩輪上的環(huán)形同步帶組成。,機械設計基礎,圖93,摩擦型帶傳動又可以分為：,機械設計基礎,平帶傳動結構最簡單，傳動效率較高，在傳動中心距較大的場合應用較多。除了正常的傳遞方法外，還可以實現交叉和半交叉?zhèn)鲃樱缦聢D所示。V帶傳動的傳動能力較大，在傳動比較大時、要求結構緊湊的場合應用較多，是帶傳動的主要類型。,圖94,圖95,機械設計基礎,圖96,如圖所示，若平帶和V帶受到同樣的壓緊力 ，帶與帶輪接觸面之間的摩擦系數也同為f，平帶與帶輪接觸面上的摩擦力為 ：,而V帶與帶輪接觸面上的摩擦力為：,機械設計基礎,式中： 為當量摩擦系數。 普通V帶的楔角為40，因次可以估算得 （3.
5、633.07） 。也就是說，在同樣得條件下，平帶V帶在接觸面上所受得正壓力不同，V帶傳動產生的摩擦力比平帶大的多。所以一般機械中多采用V 帶。,機械設計基礎,多楔帶傳動兼有平帶和V帶傳動的特點，主要用于傳遞大功率、結構要求緊湊的場合。 圓帶傳動的傳動能力較小，一般用于輕型和小型機械。 嚙合型傳動帶又稱為同步帶，其特點如下： 優(yōu)點：傳動比恒定，結構緊湊，帶速可達40m/s，i可達10，傳遞功率可達200Kw，效率高，約為 。 缺點：結構復雜，價格高，對制造和安裝要求高。 所以本章主要介紹帶傳動中的V帶傳動。,機械設計基礎,二、V帶的結構和標準,圖97,V帶結構如圖所示，有四層組成。V帶有許多種類
6、型和型號，有普通V帶、寬V帶、窄V帶、大楔角V帶、汽車V帶等等，都是標準件，在手冊,中都可以查到。這一部分我們主要以標準普通V帶進行介紹，其方法是一致的。,機械設計基礎,對于普通V帶國家標準規(guī)定有Y、Z、A、B、C、D、E等7種型號。,當帶垂直底邊彎曲時，帶中原長度保持不變的一條周線稱作節(jié)線，而全部節(jié)線所組成的面稱作節(jié)面，節(jié)面的寬度稱作節(jié)寬，用 表示。其斷面尺寸見教材表格。 普通V帶采用基準寬度制。所謂基準寬度制是以基準線的位置和基準寬度來確定帶輪的槽型、基準直徑和V帶在槽中的位置。,機械設計基礎,V帶的節(jié)面在輪槽內的相應位置的寬度稱作輪槽的基準寬度（ ），等于 ，用來表示輪槽的特征值，是帶輪
7、和皮帶的基準尺寸。在輪槽基準寬度處的直徑稱作帶輪的基準直徑（節(jié)徑） 。 V帶輪在規(guī)定的張緊力下，位于測量帶輪的基準直徑上的周線長度稱為基準長度 。,圖98,機械設計基礎,7.2 帶傳動的理論基礎,一帶傳動中的力分析,圖99,V帶傳動是利用摩擦力來傳遞運動和動力的，因此我們在安裝時就要將帶張緊，使帶保持有初拉力F0，從而在帶和帶輪的接觸面上產生必要的正壓力。此時，當皮帶沒有工作時，皮帶兩邊的拉力相等，都等于初拉力F0如圖,所示。,機械設計基礎,圖99,當主動輪以轉速 n1旋轉，由于皮帶和帶輪的接觸面上的摩擦力作用，使從動輪以轉速n2轉動。,機械設計基礎,圖99,主動輪作用在帶上的力與n1轉向相同
8、，而從動輪作用在帶上的作用力與n2相反。這就造成皮帶兩邊的拉力發(fā)生變化：皮帶進入主動輪的一邊被拉緊，我們稱作緊邊，其拉力由F0增加到F1；皮帶進入從動輪的一邊被放松，叫做松邊，其拉力由F0減小到F2，如圖b所示。,機械設計基礎,我們定義傳動帶兩邊拉力之差為有效圓周力Fe 。 取主動輪一邊的皮帶為分離體，設總摩擦力為Ff（也就是有效圓周力），則有： 即： 而皮帶傳遞的功率為： v帶速（m/s）,機械設計基礎,如果認為帶的總長不變，則兩邊帶長度的增減量應相等，相應拉力的增減量也應相等，即： 也即： (1) 由此可以得到： (2),機械設計基礎,由此式可以看出：F1和F2的大小，取決于初拉力F0及有
9、效圓周力Fe；而Fe又取決于傳遞的功率P及帶速V。 顯然，當其它條件不變且F0一定時，這個摩擦力Ff不會無限增大，而有一個最大的極限值。如果所要傳遞的功率過大，使 ，帶就會沿輪面出現顯著的滑動現象。這種現象稱為“打滑”，從而導致帶傳動不能正常工作，也即傳動失效。,機械設計基礎,二歐拉公式,當皮帶有打滑的趨勢時，摩擦力達到極限值。如果略去離心力的作用，截取微弧段皮帶為分離體，如圖所示。,圖910,機械設計基礎,圖910,由 得：, 很小， ,略去二階微量 得到：,機械設計基礎,圖910,由 得：, ,故有： 即：,機械設計基礎,積分有： 即 ,聯立上述各式，可求得如下關系式：,機械設計基礎,式中
10、：Fec表示最大（臨界）有效圓周力。 由上式可以看出：增大F0、包角、增加f都可以提高有效圓周力的值，也即可以提高皮帶傳遞的功率。 在推證過程中，是以平皮帶進行的，如果是V帶，則f應為fv ,稱為當量摩擦系數。,機械設計基礎,三帶傳動的應力分析,皮帶傳動在工作時，皮帶中的應力有三部分組成：因傳遞載荷而產生的拉應力；由離心力產生的離心應力c；皮帶饒帶輪彎曲產生的彎曲應力b；,機械設計基礎,1)拉應力,A皮帶橫斷面積（mm2）,機械設計基礎,圖910,2）離心造成的離心應力c： 當傳動帶以切線速度v沿著帶輪輪緣作圓周運動時，帶本身的質量,將引起離心力。由于離心力的作用，使帶的橫剖面上受到附加拉應力
11、。,如圖所示，截取一微段弧 ，設帶速為v(m/s),帶單位長度的質量為m(kg/m)。,機械設計基礎,作圓周運動時，微弧段產生的離心力為,圖911,(N),用 表示由離心力的作用使微弧段兩邊產生的拉力，則由力的平衡方程式可得：,機械設計基礎,由于 很小，取 則： = 由離心力引起得拉應力為 m單位長度質量（kg/m）； v帶速(m/s),機械設計基礎,3）彎曲應力：,E 帶的拉壓彈性模量（MPa） h 帶厚（mm） dd帶輪基準直徑（mm） 注：在材料力學中，彎曲應力 所以,機械設計基礎,圖912,帶上的最大應力產生在皮帶的緊邊進入小輪處，其值為：,皮帶是在交變應力狀態(tài)下工作的，所以將使皮帶產
12、生疲勞破壞，影響工作壽命。 傳動帶工作時得應力分布如圖所示,機械設計基礎,四帶傳動的彈性滑動和傳動比,圖913,傳動帶在工作時，受到拉力的作用要產生彈性變形。由于緊邊和松邊所受到的拉力不同，其所產生的彈性變形也不同，如圖所示。當傳動帶繞過主動輪時，其所受的拉力由F1減小至F2，傳,動帶的變形程度也會逐漸減小。,機械設計基礎,圖913,由于此彈性變形量的變化，造成皮帶在傳動中會沿輪面滑動，致使傳動帶的速度低于主動輪的速度（轉速）。同樣，當傳動帶繞過從動輪時，帶上的拉力由F2增加到F1，彈性變形量逐漸增大，使傳動帶沿著輪面也產生滑動，此時帶的,速度高于從動輪的速度。這種由于傳動帶的彈性變形而造成的
13、滑動稱作彈性滑動。,機械設計基礎,由于彈性滑動，造成從動輪的圓周速度v2要低于主動輪的圓周速度v1，由此我們定義彈性滑動率為：,或：,從而帶傳動的實際傳動比：,機械設計基礎,7.3 帶傳動的計算,一單根普通V帶的許用功率,帶傳動的主要失效形式為打滑和帶的疲勞破壞。因此，帶傳動的設計準則為：在保證帶傳動不打滑的條件下，使帶具有一定的疲勞強度和壽命。 根據前面的式子，可以得到V帶在不打滑時的最大有效圓周力為,注意：在前面推導時使用的是平皮帶，對普通V帶要使用當量摩擦系數 。,機械設計基礎,疲勞強度為： （MPa） 與皮帶的材質和應力循環(huán)次數N有關。 所以，可以求得皮帶在既不打滑又有一定壽命時，單根
14、皮帶所能傳遞的功率為： （kw）,機械設計基礎,根據該式，我們可以求得在：載荷平穩(wěn)、包角 （ ）、帶長 為特定長度、強力層為化學纖維線繩結構條件下，單根V帶傳遞的基本額定功率 ,見表（在工作中也可以參考設計手冊）。,機械設計基礎,當實際工作條件與上述條件不同時（如包角、工況等），應該對 進行修正。單根普通V 帶的額定功率 是由基本額定功率加上額定功率增量 ，并乘以修正系數而確定：,其中： 包角修正系數，考慮包角不等于180時傳動能力有所下降； 為帶長修正系數，考慮帶長不等于特定長度時對傳動能力的影響。,機械設計基礎,二原始數據及設計內容,1）設計普通V帶傳動時，預先確定的原始數據一般有：帶傳動
15、的功率P、大小輪的轉速（ ）或傳動比、原動機類型、工作條件及總體布置方面的要求等。 2）設計的內容：傳動帶的型號、長度、根數、傳動中心距、帶輪直徑、帶輪結構尺寸和材料、帶的初拉力和壓軸力、張緊及防護裝置等。,機械設計基礎,三設計步驟,1、確定設計功率,根據傳遞的功率P、載荷性質、原動機種類和工作情況等確定設計功率： 其中： 為設計功率（KW）；KA為工況系數；P為所需傳遞的功率（KW） 對于反復啟動、正反轉頻繁、工作條件惡劣等場合，其KA應乘上1.2。,機械設計基礎,2、選擇帶型 根據帶傳動的設計功率 和小帶輪轉速n1按圖表初步選擇帶型。所選帶型是否符合要求，需要考慮傳動的空間位置要求以及帶的
16、根數等方面最后確定。,機械設計基礎,3、確定帶輪基準直徑 和 普通V帶傳動的國家標準中規(guī)定了帶輪的最小基準直徑和帶輪的基準直徑系列見教材上表格。 當其它條件不變時，帶輪基準直徑越小，帶傳動越緊湊，但帶內的彎曲應力越大，導致帶的疲勞強度下降，傳動效率下降。,選擇小帶輪基準直徑時，應使 ，并取標準直徑。傳動比要求精確時，大帶輪基準直徑依據：,一般情況下，可以忽略滑動率的影響，則有：,機械設計基礎,4、驗算帶速,帶速的計算式為：,式中： 的單位是mm；n1的單位是r/min； v的單位是m/s 帶速v太高則離心力大，使帶與帶輪之間的正壓力減小，傳動能力下降，容易打滑。帶速太低，則要求有效拉力F越大，
17、使帶的根數過多。一般取v525m/s之間。當v1020m/s時，傳動效能可得到充分利用。若v過低或過高，可以調整 或n1的大小。,機械設計基礎,5、確定中心距和帶長,中心距a的大小，直接關系到傳動尺寸和帶在單位時間內的繞轉次數。中心距大，則傳動尺寸大，但在單位時間內繞轉次數可以減少，可以增加帶的疲勞壽命，同時使包角增大，提高傳動能力。一般可以按下式進行初選中心距 ：,帶長根據帶輪的基準直徑和要求的中心距 計算：,機械設計基礎,根據初選的帶長 在表格中查取相近的基準長度 ，然后計算實際的中心距：,式中：,機械設計基礎,6、驗算包角,小帶輪包角為：,（一般要求大于90120）,7、確定帶的根數,帶
18、的根數應根據計算進行圓整。當z過大時，應改選帶輪基準直徑或改選帶型，重新計算。,機械設計基礎,8、確定初拉力,初拉力F0小，帶傳動的傳動能力小，易出現打滑。初拉力F0過大，則大的壽命低，對軸及軸承的壓力大。一般認為，既能發(fā)揮帶的傳動能力，又能保證帶的壽命的單根V帶的初拉力應為：,機械設計基礎,9、計算壓軸力,圖914,為了設計軸和軸承，應該計算V帶對軸的壓力，可以近似地按帶兩邊地初拉力F0的合力計算（如圖）：,機械設計基礎,我們在設計過程中，帶傳動的設計基本上都遵循上面所述的步驟，計算時要注意兩點： （1）各幾何、物理量的量綱，不一致的要預先進行換算。 （2）注意所給出的條件、計算公式的使用方
19、法。 另外，在這個設計過程中，要注意各個修正系數的確定方法。,機械設計基礎,7.4 V帶輪的結構設計,一材料,機械設計基礎,二結構,常用的有鍛件和鑄件兩種，也有組合式。在鑄造時要考慮拔模斜度。,圖915,機械設計基礎,孔板式結構,圖916,機械設計基礎,輪輻式結構,圖917,機械設計基礎,一旦我們在設計中確定傳動帶之后，對應的帶槽（ ）尺寸也就確定了，見表。在設計繪圖時只需在 確定后，完整繪出零件圖即可 。,其軸孔結構，一般采用平鍵實現周向定位，開出鍵槽的設計要依據傳動軸配合進行（一般在平鍵按標準選定后，鍵槽的尺寸也是標準的），可以查閱相關的手冊進行。,機械設計基礎,7.5 帶傳動的張緊裝置,由于各種皮帶都不是完全的彈性體，經過一段時間后，會產生塑性變形而松弛；同時，由于磨損的存在，也會使初拉力F0下降，所以必須定期檢查初拉力，發(fā)現不足必須重新張緊。,常用的張緊裝置有三種：,機械設計基礎,圖 9 | 18,
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