《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件第14章

第14章帶傳動(dòng)14.1帶傳動(dòng)概述

14.2普通V帶和V帶輪

14.3普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

14.4V帶傳動(dòng)的張緊、安裝和維護(hù)思考與練習(xí)題帶傳動(dòng)是機(jī)械中廣泛使用的一種傳動(dòng)，僅次于齒輪傳動(dòng)。例如：金屬切削機(jī)床、汽車柴油機(jī)冷卻風(fēng)扇、拖拉機(jī)、液壓機(jī)、破碎機(jī)、客車發(fā)電機(jī)等。本章以普通V帶為主研究帶傳動(dòng)的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)，分析普通V帶傳動(dòng)的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)的思路和方法，以及使用和維護(hù)方面應(yīng)注意的問題。

14.1.1帶傳動(dòng)的組成

帶傳動(dòng)由主動(dòng)帶輪1、從動(dòng)帶輪2和傳動(dòng)帶3組成，工作時(shí)依靠帶與帶輪之間的摩擦或嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，如圖14-1所示。14.1帶傳動(dòng)概述

圖14-1帶傳動(dòng)的組成14.1.2帶傳動(dòng)的主要類型

根據(jù)工作原理的不同，帶傳動(dòng)可分為:(1)摩擦式帶傳動(dòng)，依靠帶與帶輪間的摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；(2)嚙合式帶傳動(dòng)，依靠帶上的齒或孔與帶輪上的齒或孔嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

1.摩擦式帶傳動(dòng)

根據(jù)帶的截面形狀不同可分為平帶傳動(dòng)(矩形截面，如圖14-2(a)所示)、V帶傳動(dòng)(梯形截面，如圖14-2(b)所示)、多楔帶傳動(dòng)(如圖14-2(c)所示)、圓帶傳動(dòng)(圓形截面，如圖14-2(d)所示)等類型。

圖14-2摩擦式帶傳動(dòng)的類型

(1)平帶傳動(dòng)。平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，其工作表面為內(nèi)表面，平帶撓曲性好，易于加工，在傳動(dòng)中心距較大場(chǎng)合應(yīng)用較多。

(2)V帶傳動(dòng)。V帶俗稱三角帶，其工作表面為兩側(cè)面，與平帶相比，在相同的正壓力作用下，V帶的當(dāng)量摩擦因數(shù)大，故能傳遞較大的功率，且V帶結(jié)構(gòu)緊湊，因此應(yīng)用廣泛。

(3)多楔帶傳動(dòng)。多楔帶是在平帶基體上由多根V帶組成的傳動(dòng)帶，兼有平帶撓曲性好及V帶傳動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以避免使用多根V帶時(shí)長(zhǎng)度不等、受力不均勻等缺點(diǎn)。

(4)圓帶傳動(dòng)。圓帶通常用棉繩或皮革制成。圓帶傳動(dòng)能力小，適合于儀器和家用機(jī)械，如縫紉機(jī)等。

2.嚙合式帶傳動(dòng)

嚙合式帶傳動(dòng)分為同步帶傳動(dòng)(如圖14-1(b)所示)和齒孔帶傳動(dòng)，其兼有帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確、功率較大、線速度較高的場(chǎng)合。如數(shù)控機(jī)床和電影膠片運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)分別應(yīng)用了同步帶傳動(dòng)和齒孔帶傳動(dòng)。14.1.3帶傳動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用

帶是彈性元件，因此帶傳動(dòng)有以下特點(diǎn)：

(1)能吸收振動(dòng)，緩和沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小。

(2)過載時(shí)，帶會(huì)在帶輪上打滑，防止其他機(jī)件損壞，起到過載保護(hù)作用。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝和維護(hù)方便，成本低。

(4)帶與帶輪之間存在一定的彈性滑動(dòng)，故不能保證恒定的傳動(dòng)比，傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率較低。

(5)由于帶工作時(shí)需要張緊，帶對(duì)帶輪軸有很大的壓軸力。

(6)帶傳動(dòng)裝置外廓尺寸大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。

(7)帶的壽命較短，需要經(jīng)常更換。

(8)不適用于高溫、易燃及有腐蝕介質(zhì)的場(chǎng)合。

摩擦帶傳動(dòng)適用于要求傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比要求不準(zhǔn)確、中小功率的遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。一般情況下，帶傳動(dòng)的傳遞功率P≤100kW，帶速v＝5~25m/s，傳動(dòng)比i≤7，傳動(dòng)效率η＝0.90~0.95。14.1.4帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)、打滑及其傳動(dòng)比

帶是彈性體，受力后會(huì)產(chǎn)生彈性變形，帶受力不同時(shí)彈性變形量不同，由此引起的帶與帶輪之間在微小范圍內(nèi)的相對(duì)滑動(dòng)，稱為帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)。彈性滑動(dòng)使得從動(dòng)輪的圓周速度小于主動(dòng)輪的圓周速度，是帶傳動(dòng)不能保證準(zhǔn)確傳動(dòng)比的原因。彈性滑動(dòng)在摩擦傳動(dòng)中是不可避免的。由于彈性滑動(dòng)引起的從動(dòng)輪圓周速度的降低率稱為帶傳動(dòng)的滑動(dòng)系數(shù)，用ε表示，即

(14-1)

考慮彈性滑動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比為

(14-2)

一般帶傳動(dòng)的滑動(dòng)系數(shù)ε＝0.01~0.02，因ε值很小，非精確計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。這時(shí)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

(14-3)

打滑是過載時(shí)帶與帶輪之間的全面滑動(dòng)，是帶傳動(dòng)的一種失效形式。打滑是可以避免的。

V帶分為普通V帶、窄V帶、寬V帶、大楔角V帶、汽車V帶等多種類型，其中普通V帶應(yīng)用最為廣泛。以下主要介紹普通V帶。14.2普通V帶和V帶輪14.2.1普通V帶的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)

普通V帶為無接頭的環(huán)形帶，由頂膠、底膠、抗拉體和包布層組成，如圖14-3所示。包布層由膠帆布制成，抗拉體由幾層膠簾布或一排膠線繩制成。前者為簾布結(jié)構(gòu)V帶，后者稱為繩芯結(jié)構(gòu)V帶。簾布結(jié)構(gòu)V帶抗拉強(qiáng)度大，承載能力較強(qiáng)；繩芯結(jié)構(gòu)V帶柔韌性好，抗彎強(qiáng)度高，但承載能力較差。

圖14-3普通V帶的結(jié)構(gòu)

V帶繞在帶輪上時(shí)產(chǎn)生彎曲，外層受拉伸長(zhǎng)，內(nèi)層受壓縮短，內(nèi)外層之間必有一長(zhǎng)度不變的中性層，其寬度bp稱為節(jié)寬，見表14-1。V帶輪上與bp相對(duì)應(yīng)的帶輪直徑dd稱為基準(zhǔn)直徑。與帶輪基準(zhǔn)直徑相對(duì)應(yīng)的帶的周線長(zhǎng)度稱為基準(zhǔn)長(zhǎng)度，用Ld表示，見表14-2。兩帶輪軸線間的距離a稱為中心距，帶與帶輪接觸弧所對(duì)應(yīng)的中心角稱為包角α，如圖14-1(a)所示。

普通V帶已標(biāo)準(zhǔn)化，按截面尺寸從小到大可分為Y、Z、A、B、C、D、E七種型號(hào)，各種型號(hào)V帶的截面尺寸見表14-1。

表14-1普通V帶橫截面尺寸(摘自GB/T11544—97)mm表14-2普通V帶的長(zhǎng)度系列和帶長(zhǎng)修正系數(shù)KL(摘自GB/T13575.1—92)14.2.2V帶輪

1.V帶輪設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)V帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量小且質(zhì)量分布均勻；足夠的承載能力；良好的結(jié)構(gòu)工藝性；輪槽工作面要精細(xì)加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。

2.帶輪的材料

帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為HT150或HT200，允許的最大圓周速度為25m/s。轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼(或用鋼板沖壓后焊接而成)。小功率時(shí)可用鑄鋁或塑料。

3.結(jié)構(gòu)尺寸

V帶輪由輪緣、輪轂、輪輻三部分組成。直徑較小時(shí)可采用實(shí)心式(如圖14-4(a)所示)；中等直徑帶輪采用腹板式(如圖14-4(b)、(c)所示)；直徑大于350mm時(shí)可采用輪輻式(如圖14-4(d)所示)。輪轂與輪輻尺寸見圖14-4，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：輪槽尺寸見表14-3。

圖14-4V帶輪的結(jié)構(gòu) dh＝(1.8~2)ds

dr＝da－2(ha＋hf＋δ) h1＝290

h2＝0.8h1

d0＝(dh＋df)/2

ha、hf、δ見表14-1

P-功率 a1＝0.4h1

s＝(0.2~0.3)B

L＝(1.5~2)ds n-轉(zhuǎn)速，r/min a2＝0.8a1

s1≥1.5s s2≥1.5s za——輻條數(shù)

f1＝f2＝0.2h1圖14-4V帶輪的結(jié)構(gòu)

表14-3普通V帶輪的輪槽尺寸(摘自GB/T13575.1－92)mm續(xù)表

14.3.1帶傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

帶傳動(dòng)的主要失效形式是打滑和帶的疲勞破壞。因此，帶傳動(dòng)的計(jì)算準(zhǔn)則是：

(1)保證帶與帶輪間不發(fā)生打滑。

(2)在一定時(shí)限內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞損壞。14.3普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)14.3.2單根V帶的基本額定功率

根據(jù)帶傳動(dòng)的計(jì)算準(zhǔn)則，通過實(shí)驗(yàn)可得單根普通帶V的基本額定功率P0(見表144)。當(dāng)實(shí)際使用條件與實(shí)驗(yàn)條件不相符時(shí)，應(yīng)對(duì)P0值進(jìn)行修正。因此，在實(shí)際使用條件下單根普通V帶許用的額定功率［P0］為

［P0］＝(P0＋ΔP0)KαKL (14-4)

式中:P0為實(shí)驗(yàn)條件下單根普通V帶的基本額定功率，單位為kW，查表144；ΔP0為i12≠1時(shí)單根普通V帶的額定功率增量，單位為kW，查表14-5；Kα為包角系數(shù)，查表14-6；KL為帶長(zhǎng)系數(shù)，查表14-2。

表14-4單根普通V帶的基本額定功率P0(包角α1＝α2＝180°、特定基準(zhǔn)長(zhǎng)度、載荷平穩(wěn))

(摘自GB/T13575.1—92)kW續(xù)

表14-5i12≠1時(shí)單根普通V帶的額定功率ΔP0(摘自GB/T13575.1—92)kW續(xù)表14-6包角修正系數(shù)Kα14.3.3普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.已知條件及設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)的已知條件一般為：原動(dòng)機(jī)的性能，傳動(dòng)用途，傳遞的功率P，兩輪的轉(zhuǎn)速n1、n2(或傳動(dòng)比i12)，工作條件及外廓尺寸要求等。

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

(1)確定普通V帶的型號(hào)、基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld和根數(shù)z。

(2)確定帶輪的材料、基準(zhǔn)直徑dd1、dd2及結(jié)構(gòu)尺寸。

(3)確定傳動(dòng)的中心距a、計(jì)算初拉力F0及作用在軸上的壓力FＱ。

(4)選擇張緊裝置。

2.設(shè)計(jì)步驟和方法

(1)確定計(jì)算功率。

Pc＝KAP (14-5)

式中:Pc為計(jì)算功率，單位為kW；KA為工作情況系數(shù)，查表147；P為傳遞的額定功率，單位為kW。

表14-7工作情況系數(shù)KA

(2)選擇V帶的型號(hào)。根據(jù)計(jì)算功率Pc和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，按圖14-5選擇普通V帶的型號(hào)。當(dāng)選擇的坐標(biāo)點(diǎn)在兩種型號(hào)分界線附近時(shí)，應(yīng)按兩種型號(hào)分別進(jìn)行計(jì)算，然后擇優(yōu)選用。

(3)確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1、dd2。一般取dd1≥ddmin，若dd1過小，則帶的彎曲應(yīng)力太大而導(dǎo)致帶的壽命降低；反之，則帶傳動(dòng)的外廓尺寸增大。表14-8規(guī)定了帶輪的最小基準(zhǔn)直徑ddmin。

大帶輪的基準(zhǔn)直徑dd2由下式計(jì)算

dd2＝i12dd1(1－ε) (14-6)

帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1、dd2應(yīng)符合帶輪基準(zhǔn)直徑尺寸系列。

圖14-5普通V帶選型圖

表14-8普通V帶輪的最小基準(zhǔn)直徑mm

(4)驗(yàn)算帶速v。

(14-7)

式中:dd1為小帶輪的基準(zhǔn)直徑，單位為mm；n1為小帶輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。帶速應(yīng)控制在5～25m/s范圍內(nèi)。

(5)確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。

①初定中心距a0。對(duì)于沒有限定中心距的情況，可按下式初選中心距

0.7(dd1＋dd2)≤a0≤2(dd1＋dd2) (14-8)

若已限定中心距的范圍，則a0應(yīng)在所限定的范圍內(nèi)取值。

②確定帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。按下式初步計(jì)算帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0：

(14-9)

由Ld0和V帶的型號(hào)查表14-2，選取接近的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。③確定實(shí)際中心距a。

(14-10)

考慮安裝、張緊和調(diào)整等，中心距需要有一定的調(diào)整范圍，一般為

amax＝a＋0.03Ld，amin＝a－0.015Ld

(6)驗(yàn)算小帶輪包角α1。

(14-11)

一般要求α1≥120°，若不能滿足，可增大中心距或設(shè)置張緊輪。

(7)確定帶的根數(shù)z。

(14-12)

式中:Pc為計(jì)算功率，單位為kW；［P0］為單根普通V帶在實(shí)際使用條件下的許用額定功率，單位為kW。

帶的根數(shù)z應(yīng)圓整為整數(shù)。為使各根帶受力均勻，帶的根數(shù)z不能太多，一般z＝2~5為宜，最多不多于8～10根。否則應(yīng)加大帶輪基準(zhǔn)直徑或選擇較大型號(hào)的V帶，重新設(shè)計(jì)。

(8)確定單根V帶的初拉力F0。保持適當(dāng)?shù)某趵κ菐鲃?dòng)正常工作的必要條件。初拉力過小，則傳動(dòng)時(shí)摩擦力過小易打滑；初拉力過大，則降低帶的壽命，并增大了軸和軸承的壓力。單根V帶的初拉力可按下式計(jì)算

(14-13)

式中：q為每米帶長(zhǎng)的質(zhì)量，單位為kg/m，查表14-1。其他符號(hào)的意義同前。

(9)計(jì)算作用在帶輪軸上的壓力FQ。為了設(shè)計(jì)軸和軸承，必須求出V帶作用在軸上的壓力FQ。FQ可按下式計(jì)算:

(14-14)14.3.4V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

例14-1

已知電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y100L2—4，額定功率Pm＝3kW，滿載轉(zhuǎn)速nm＝1420r/min，電動(dòng)機(jī)的效率η＝0.93；其V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i12＝2.5；每日工作16h，工作載荷平穩(wěn)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)。試設(shè)計(jì)該傳動(dòng)系統(tǒng)中的普通V帶傳動(dòng)。

解

(1)確定計(jì)算功率Pc。電動(dòng)機(jī)軸的輸出功率即主動(dòng)帶輪的輸入功率為

P0＝ηPm＝0.93×3kW＝2.79kW

查表14-7得KA＝1.1，由式(14-5)得

Pc＝KAP0＝1.1×2.79kW＝3.069kW(2)選擇普通V帶的型號(hào)。根據(jù)Pc＝3.069kW，nm＝1420r/min，由圖14-5查得該坐標(biāo)點(diǎn)位于A型帶區(qū)域，按A型帶進(jìn)行計(jì)算。

(3)確定大小帶輪基準(zhǔn)直徑dd1、dd2。由表14-8取dd1＝80mm，由式(14-6)得

dd2＝i12dd1(1－ε)＝2.5×80×(1－0.02)mm＝196mm

由表14-8取dd2＝200mm。

(4)驗(yàn)算帶速。由式(14-7)得

帶速在5~25m/s之間，合適。

(5)確定V帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld和中心距a?？紤]電動(dòng)機(jī)與減速器的安裝位置，V帶傳動(dòng)的中心距應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)不與減速器外壁接觸，且拆卸方便。據(jù)此，V帶傳動(dòng)的中心距應(yīng)不小于齒輪傳動(dòng)的中心距、從動(dòng)齒輪軸線到減速箱左凸緣外壁距離、減速箱左凸緣外壁與電動(dòng)機(jī)之間的間隙、電動(dòng)機(jī)的外半徑等尺寸之和。

①初步確定中心距a0＝540mm，符合0.7(dd1＋dd2)≤

a0≤2(dd1＋dd2)。②確定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。由式(14-9)得

查表14-2，對(duì)A型帶取Ld＝1600mm。

③計(jì)算實(shí)際中心距。由式(14-10)得(6)驗(yàn)算小帶輪的包角α1。由式(14-11)得

合適。

(7)計(jì)算V帶的根數(shù)。由式(14-12)得

查表14-4得P0＝0.86kW；查表14-5得ΔP0＝0.167kW；

查表14-6得Kα＝0.974；查表14-2得KL＝0.99。則

取z＝4根帶。

(8)計(jì)算初拉力F0。查表14-1得q＝0.1kg/m，由式(14-13)得初拉力為

(9)計(jì)算作用在軸上的壓力FQ。由式(14-14)得

(10)帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1＝80mm、dd2＝200mm，小帶輪擬采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)，大帶輪擬采用腹板式結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和尺寸計(jì)算方法見圖14-4及表14-3，這里不再贅述，兩帶輪材料均用HT200。14.3.5提高帶傳動(dòng)工作能力的措施

(1)增大摩擦系數(shù)f。摩擦式帶傳動(dòng)的摩擦系數(shù)越大，則其傳動(dòng)能力越強(qiáng)。所以，可通過選擇合適的材料副等增大摩擦系數(shù)，以提高帶傳動(dòng)的工作能力。

(2)增大包角α1。柔韌體摩擦其摩擦力的大小，不僅與摩擦系數(shù)和正壓力有關(guān)，而且還與接觸面積的大小有關(guān)。包角越大則接觸面積越大，摩擦力也越大，傳動(dòng)能力越強(qiáng)。采用增大中心距、減小傳動(dòng)比以及在帶傳動(dòng)外側(cè)安裝張緊輪等方法可以增大包角。

(3)保持適當(dāng)?shù)膹埦o力。張緊力越大，摩擦力也越大，傳動(dòng)能力越強(qiáng)。但張緊力太大會(huì)導(dǎo)致帶的壽命縮短。

(4)其他措施。如采用新型V帶、采用高強(qiáng)度材料作為帶的強(qiáng)力層等，都可以提高帶傳動(dòng)的傳動(dòng)能力。

14.4.1V帶傳動(dòng)的張緊

由于帶使用一段時(shí)間后，會(huì)產(chǎn)生塑性變形而松弛，使帶的張緊力減小，其傳動(dòng)能力降低，因而要重新張緊，以保持傳動(dòng)能力。常用的張緊方法有以下兩種。

14.4V帶傳動(dòng)的張緊、安裝和維護(hù)

1.調(diào)整中心距

當(dāng)中心距可調(diào)時(shí)，可加大中心距，使帶張緊。調(diào)節(jié)中心距的張緊裝置有以下兩類：

(1)定期張緊裝置。該裝置采用定期改變中心距的方法來調(diào)節(jié)帶的張緊力，使帶重新張緊。常見的有滑道式和擺架式兩種結(jié)構(gòu)。

①在水平或傾斜度不大的傳動(dòng)中，可用滑道式的方法。將裝有帶輪的電動(dòng)機(jī)安裝在制有滑道的基板上，要調(diào)節(jié)帶的張緊力時(shí)，松開基板上各螺栓的螺母，旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，將電動(dòng)機(jī)向左推移到所需的位置，然后擰緊螺母，如圖14-6(a)所示。

圖14-6調(diào)整中心距張緊裝置②在垂直或接近垂直的傳動(dòng)中，可用擺架式的方法。將裝有帶輪的電動(dòng)機(jī)安裝在可調(diào)整的擺架上，通過調(diào)整螺栓使電動(dòng)機(jī)擺動(dòng)，將帶張緊，如圖14-6(b)所示。

(2)自動(dòng)張緊裝置，如圖14-6(c)所示。該裝置將裝有帶輪的電動(dòng)機(jī)安裝在浮動(dòng)的擺架上，利用電動(dòng)機(jī)的自重，使帶輪繞固定軸擺動(dòng)，以自動(dòng)保持張緊力。

2.采用張緊輪

當(dāng)中心距不能調(diào)節(jié)時(shí)，可采用張緊輪將帶張緊，如圖14-7所示。張緊輪一般放在松邊的內(nèi)側(cè)，使帶只受單向彎曲，同時(shí)張緊輪還應(yīng)盡量靠近大輪，以免過分影響帶在小輪上的包角。張緊輪的輪槽尺寸與帶輪的相同，且直徑小于小帶輪的直徑。

圖14-7張緊輪裝置14.4.2帶傳動(dòng)的安裝和維護(hù)

1.帶傳動(dòng)的安裝

(1)安裝V帶時(shí)，首先將中心距縮小，將帶套在帶輪上