第三章　帶傳動設計

機械設計教程第3版機械工業(yè)出版社第三章帶傳動設計第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

第二節(jié)帶傳動中的受力分析和應力分析第三節(jié)帶傳動的運動特性第四節(jié)帶傳動的設計計算第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置第六節(jié)其他帶傳動簡介及帶傳動的應用

第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

帶傳動一般由主動帶輪、從動帶輪和撓性帶組成(圖3-1)。根據(jù)工作原理不同,帶傳動分摩擦帶傳動和嚙合帶傳動兩類。本節(jié)主要討論摩擦帶傳動。圖3-1帶傳動工作原理示意圖第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(一)帶傳動的工作原理和特點如圖3-1所示,撓性帶緊套在兩帶輪上,使帶與帶輪接觸面間作用有正壓力,當主動輪受驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1作用以轉(zhuǎn)速n1轉(zhuǎn)動時,撓性帶與帶輪接觸面間的摩擦力驅(qū)使帶運動,帶動從動輪轉(zhuǎn)動,從而傳遞運動和動力。帶傳動的優(yōu)點是:①撓性帶有緩沖和吸振作用,使帶傳動運行平穩(wěn)、噪聲小。②不用潤滑,維護成本低。③過載時打滑,可保護傳動系統(tǒng)中的其他零件。帶傳動的缺點是:①撓性帶與帶輪存在彈性滑動,傳動效率降低,傳動比不準確(同步帶除外)。②傳遞同樣大小的圓周力時,軸上的壓軸力和軸輪廓尺寸比嚙合傳動時大。第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(二)摩擦帶傳動的類型、帶的結(jié)構(gòu)和標準根據(jù)帶的截面形狀,摩擦帶傳動可分為V帶傳動、平帶傳動和圓帶傳動,其中V帶傳動的應用最為廣泛。V帶的截面呈等腰梯形,由頂膠、抗拉體、底膠和包布等部分組成(圖3-2)。V帶受力彎曲時,頂膠伸長,底膠縮短,兩者之間長度保持不變的中性層稱為節(jié)面,節(jié)面的寬度也保持不變,稱為節(jié)寬bp。V帶的高度h與其節(jié)寬bp之比h/bp稱為相對高度,根據(jù)相對高度h/bp的不同,V帶又有普通V帶、窄V帶和寬V帶之分。普通V帶已標準化,按截面尺寸分為Y、Z、A、B、C、D、E七種型號(表3-1),其相對高度約為0.7;窄V帶的相對高度約為0.9,是用合成纖維繩作為抗拉體的新型V帶,相同高度的窄V帶比普通V帶寬度減小約1/3,承載能力卻可提高1.5~2.5倍。窄V帶也已標準化,按截面尺寸分為SPZ、SPA、SPB、SPC四種型號(表3-1)。在傳遞功率大且要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合,常采用多楔帶或聯(lián)組V帶。第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(二)摩擦帶傳動的類型、帶的結(jié)構(gòu)和標準圖3-2普通V帶和窄V帶的結(jié)構(gòu)a)普通V帶的結(jié)構(gòu)b)窄V帶的結(jié)構(gòu)第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(二)摩擦帶傳動的類型、帶的結(jié)構(gòu)和標準第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(三)傳動形式圖3-3所示為帶傳動的形式。其中,開口傳動(圖3-3a)應用最廣;交叉?zhèn)鲃?圖3-3b)用于間距較大、轉(zhuǎn)向相反的平行軸傳動;半交叉?zhèn)鲃?圖3-3c)用于空間兩交錯軸之間的傳動,但只能單向轉(zhuǎn)動,帶進入主、從動帶輪時,其運動方向必須對準該輪寬的對稱平面;多從動輪傳動(圖3-3d)僅適用于速度低的中小功率多從動軸同時傳動的場合。第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

一、帶傳動的工作原理與類型(三)傳動形式圖3-3帶傳動的形式a)開口傳動b)交叉?zhèn)鲃觕)半交叉?zhèn)鲃觗)多從動輪傳動第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

二、幾何參數(shù)帶傳動的主要幾何參數(shù)有:帶輪基準直徑dd1、dd2;基準長度Ld;中心距a;包角α。這些參數(shù)間應滿足一定的幾何關系,如圖3-4所示。圖3-4帶傳動的幾何關系第一節(jié)帶傳動的工作原理與類型

二、幾何參數(shù)

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析一、帶的受力分析帶傳動是靠帶與帶輪間的摩擦力傳遞運動和動力的,所以撓性帶必須以一定的拉力F0緊套在帶輪上,不工作時,帶兩邊所受拉力相等,均為F0,稱為初拉力,如圖3-5a所示。當主動輪受驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1時,如圖3-5b所示,由于受到主、從動輪摩擦力的作用,撓性帶繞入主動輪一邊被進一步拉緊,其拉力由F0增大到F1,稱為緊邊;而另一邊被放松,其拉力由F0減小到F2,稱為松邊。圖3-5帶的受力情況分析a)不工作狀態(tài)b)工作狀態(tài)第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析一、帶的受力分析

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析二、帶傳動的最大有效拉力Fmax及其影響因素

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析二、帶傳動的最大有效拉力Fmax及其影響因素

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析二、帶傳動的最大有效拉力Fmax及其影響因素圖3-6帶與帶輪的正壓力a)平帶b)V帶第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析三、帶的應力分析

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析三、帶的應力分析圖3-7離心拉力

第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析三、帶的應力分析

圖3-8帶的彎曲應力第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析三、帶的應力分析顯然,帶輪直徑越小,帶越厚,帶的彎曲應力越大。為避免產(chǎn)生過大的彎曲應力,在V帶傳動的設計中,對每種型號的V帶都規(guī)定了相應的最小帶輪直徑ddmin,見表3-2。第二節(jié)

帶傳動中的受力分析和應力分析三、帶的應力分析圖3-9所示為帶的應力分布圖。帶中最大應力發(fā)生在帶的緊邊繞入小帶輪處,即緊邊與小帶輪的切點A處,其值為σmax=σ1+σc+σb1(3-13)由圖3-9可見,帶在工作時處于變應力狀態(tài),經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù),撓性帶可能發(fā)生疲勞破壞。圖3-9帶的應力分布圖第三節(jié)

帶傳動的運動特性一、彈性滑動與打滑帶是彈性體,受拉后將產(chǎn)生彈性伸長。正常工作時,傳動帶的緊邊拉力F1大于松邊拉力F2,因而帶在轉(zhuǎn)過帶輪的過程中其拉伸變形是變化的。如圖3-10所示,當帶由緊邊A點開始進入主動輪時,帶微段上B點的線速度和主動輪圓周速度v1相等,帶轉(zhuǎn)過與主動輪的包弧由緊邊過渡到松邊,所受的拉力由F1逐漸降低到F2。拉力差F1-F2使得帶的彈性伸長量隨之減小。因此,帶微段在隨帶輪一起繞進的同時,相對帶輪逐漸回縮,局部相對滑動使帶速v逐漸過渡到低于主動輪圓周速度v1。同樣現(xiàn)象也出現(xiàn)在從動輪上,帶轉(zhuǎn)過與從動輪的包弧由松邊過渡到緊邊,所受的拉力由F2逐漸增加到F1,拉力差F1-F2使帶的彈性伸長量隨之增加,因而帶微段在隨帶輪一起繞進的同時,相對帶輪逐漸伸長,局部相對滑動使帶速v逐漸過渡到高于從動輪圓周速度v2。綜上分析,緊邊與松邊的拉力差F1-F2引起帶彈性變形量的漸變,使帶與帶輪間出現(xiàn)局部相對滑動,該現(xiàn)象稱為帶傳動的彈性滑動,這是帶傳動正常工作時不可避免的現(xiàn)象。第三節(jié)

帶傳動的運動特性一、彈性滑動與打滑

第三節(jié)

帶傳動的運動特性一、彈性滑動與打滑圖3-10帶傳動中的彈性滑動第三節(jié)

帶傳動的運動特性二、滑動率

第四節(jié)

帶傳動的設計計算一、帶傳動的失效形式和設計準則帶傳動的主要失效形式是:①打滑。②帶的疲勞破壞。帶傳動的設計準則是保證在不打滑的條件下具有一定的工作壽命。第四節(jié)

帶傳動的設計計算

二、單根V帶的基本額定功率第四節(jié)

帶傳動的設計計算

二、單根V帶的基本額定功率第四節(jié)

帶傳動的設計計算按式(3-20)計算的四種型號的單根V帶所能傳遞的功率P0(即基準額定功率)見表3-4。顯然,同種型號的普通V帶所能傳遞的基準額定功率主要取決于帶輪直徑dd和帶速v。二、單根V帶的基本額定功率第四節(jié)

帶傳動的設計計算三、V帶傳動的工作能力計算

第四節(jié)

帶傳動的設計計算三、V帶傳動的工作能力計算第四節(jié)

帶傳動的設計計算三、V帶傳動的工作能力計算第四節(jié)

帶傳動的設計計算三、V帶傳動的工作能力計算第四節(jié)

帶傳動的設計計算四、V帶傳動的設計內(nèi)容及設計流程圖1.已知條件1)傳動的用途和工作情況已知。2)傳遞的功率P已知。3)主動輪轉(zhuǎn)速n1、從動輪轉(zhuǎn)速n2(或傳動比i)已知。4)對外廓尺寸的要求。2.設計內(nèi)容1)根據(jù)使用條件和要求選擇帶的類型。2)確定帶的型號、根數(shù)、帶傳動的尺寸及張緊方式等。3)帶輪的結(jié)構(gòu)、尺寸及材料等(詳見本章第五節(jié))。第四節(jié)

帶傳動的設計計算四、V帶傳動的設計內(nèi)容及設計流程圖3.設計應滿足的條件1)運動學條件。帶輪直徑dd1、dd2必須滿足傳動比i=n1/n2≈dd2/dd1的要求。2)強度條件。為保證帶傳動在不打滑的條件下有足夠的壽命,帶根數(shù)Z應滿足式(3-21)的條件。3)幾何條件。帶輪直徑dd1、dd2、帶長L、中心距a應滿足一定的幾何關系。4)約束條件。帶傳動的工作原理和設計計算理論決定了為使帶傳動保持良好的工作狀態(tài),設計參數(shù)必須合理,小帶輪包角α1、帶速度v、小帶輪直徑dd1應在合理范圍內(nèi):①由前述對帶傳動最大有效拉力的分析可知,為保證傳動能力(不打滑),一般應使α1≥120°。②考慮離心力的影響,如v過大,則傳動能力下降,易打滑;但若v太小,則有效拉力Fe=1000P/v過大,帶的根數(shù)過多。帶速v一般應在5~25m/s范圍之內(nèi)。③根據(jù)帶傳動的應力分析,為保證帶的疲勞壽命,應使小帶輪直徑dd1≥ddmin。4.設計流程圖V帶傳動的設計可按圖3-11所示的設計計算框圖進行。第四節(jié)

帶傳動的設計計算四、V帶傳動的設計內(nèi)容及設計流程圖第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算1.初選帶的型號根據(jù)設計功率Pd和小輪轉(zhuǎn)速n1,由圖3-12和圖3-13初選帶的型號圖3-12普通V帶選型圖(GB/T13575.1—2008)第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算圖3-13窄V帶選型圖(GB/T13575.1—2008)第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算

第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算

第四節(jié)

帶傳動的設計計算五、V帶傳動的參數(shù)選擇與設計計算圖3-14帶作用在輪軸上的載荷第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置一、V帶輪的設計1.帶輪材料帶輪常用鑄鐵制造,常用牌號為HT150或HT200,允許的最大圓周速度為25m/s。轉(zhuǎn)速較高時宜采用鑄鋼或鋼板沖壓后焊接;功率較小時可用鑄鋁或塑料制造。2.V帶輪的結(jié)構(gòu)如圖3-15所示,帶輪的外緣部分稱為輪緣,輪與軸相連接的部分稱為輪轂,連接輪緣與輪轂的部分稱為輪輻。帶輪的結(jié)構(gòu)設計主要是根據(jù)帶輪的基準直徑選擇結(jié)構(gòu)形式,并根據(jù)帶的型號及根數(shù)確定輪緣寬度和輪槽尺寸。輪槽形狀見圖3-15d。圖3-15帶輪的結(jié)構(gòu)a)實心式結(jié)構(gòu)b)腹板式結(jié)構(gòu)c)輪輻式結(jié)構(gòu)d)斷面圖第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置一、V帶輪的設計輪緣

V帶帶輪基準直徑見表3-10。普通V帶和窄V帶的楔角α都是40°,為保證帶和帶輪工作面的良好接觸,帶輪槽角φ應適當減小,常見有φ=32°、34°、36°、38°四種。第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置一、V帶輪的設計(2)輪轂帶輪通過輪轂與軸連接實現(xiàn)定位和傳遞載荷,為保證足夠的承載能力和定位精度,應合理地確定輪轂的寬度和直徑。輪轂寬度可取為輪轂孔直徑的0.8~1.2倍。非實心的輪轂應具有適當?shù)暮穸?通常取輪轂外徑為輪轂孔直徑的1.6~1.8倍,承受較大載荷、承受沖擊載荷、由于其他結(jié)構(gòu)(如鍵槽、銷孔)對強度有較大削弱的輪轂應取較大值。輪轂形狀設計主要考慮毛坯制造工藝性的要求。對于鑄造及模鍛毛坯的輪轂應設置起(拔)模斜度,輪轂外形為圓錐形,由切削加工方法制造的輪轂外形通常為圓柱形;為減少應力集中,在輪轂與輪輻的過渡處應設有較大的圓角;通常輪轂在軸向相對于輪輻及輪緣對稱布置。(3)輪輻由于在工作中輪輻不與其他零件接觸,所以選擇輪輻的結(jié)構(gòu)形狀時限制條件較少,在保證連接的強度、剛度與精度的前提下,可根據(jù)工藝性條件靈活確定結(jié)構(gòu)形式。帶輪直徑較小(dd≤3d時,d為軸徑)時,可采用實心式結(jié)構(gòu)(圖3-15a);中等直徑的帶輪(dd≤300mm)可采用腹板式結(jié)構(gòu)(圖3-15b),直徑較大的帶輪(dd>300mm)可采用輪輻式結(jié)構(gòu)(圖3-15c)。由于帶輪受力比齒輪小而轉(zhuǎn)速較高,輪輻截面常采用橢圓形。第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置二、帶傳動的張緊裝置帶傳動需在一定初拉力的作用下才能工作,由于帶工作一段時間后會因塑性變形而松弛,造成初拉力F0減小,傳動能力降低,此時帶需重新張緊。帶傳動常用的張緊方法是調(diào)節(jié)中心距。當中心距不可調(diào)時,可采用張緊輪裝置進行張緊。1.定期張緊圖3-16a所示為利用螺旋傳動定期調(diào)節(jié)中心距進行的張緊裝置,圖3-16b所示為張緊輪定期張緊裝置。2.自動張緊1)對水平傳動,可利用彈簧力的作用使帶始終在一定的張緊力下工作(圖3-16c)。2)當傳動不是水平布置且功率較小時,可利用浮動架和電動機自重實現(xiàn)自動張緊(圖3-16d)。3)圖3-16e所示為張緊輪自動張緊。張緊輪應置于松邊。第五節(jié)V帶輪設計及帶傳動的張緊裝置二、帶傳動的張緊裝置圖3-16帶傳動的張緊裝置a)利用螺旋傳動定期調(diào)節(jié)中心距的張緊裝置b)張緊輪定期張緊裝置c)、d)、e)自動張緊第六節(jié)其他帶傳動簡介及帶傳動的應用一、其他帶傳動簡介1.同步帶傳動同步帶是工作面上帶齒的環(huán)狀帶,以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠或聚氨酯橡膠為基體,同步帶與同步帶輪靠嚙合傳遞運動和動力(圖3-17)。由于抗拉層承載后變形很小,能保持帶齒的節(jié)距不變,故同步帶與帶輪之間沒有相對滑動,從而有準確的傳動比,從而可實現(xiàn)同步傳動。同步帶傳動的適用范圍較廣,通常帶速v<50m/s,傳遞功率P<300kW,傳動比i≤10。由于同步帶傳動兼有普通帶傳動和嚙合傳動的優(yōu)點,所以常用于要求傳動比準確的場合,如打印機、放映機、紡織機械等。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高。同步帶傳動的設計可參閱有關設計手冊。圖3-17同步帶傳動第六節(jié)其他帶傳動簡介及帶傳動的應用一、其他帶傳動簡介2.高速平帶傳動帶速v>30m/s、高速軸轉(zhuǎn)速n1=10000~50000r/min的帶傳動屬于高速帶傳動。它主要用于增速傳動,如離心機、攪拌機和其他高速機械。高速帶傳動要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn),傳動可靠,保證一定的工作壽命。高速帶都采用重量輕、薄而均勻、撓曲性好的環(huán)形平帶,如麻織帶、錦綸編織帶及高速環(huán)形膠帶等。高速帶輪要求重量輕,質(zhì)量均勻,有足夠的強度,運行時空氣阻力小。帶輪各方面均應