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1、機械設(shè)計基礎(chǔ),第七章 帶傳動設(shè)計,機械設(shè)計基礎(chǔ),第七章 帶傳動設(shè)計,1．教學(xué)目標(biāo) 1)帶傳動的受力分析、應(yīng)力分析和彈性滑動。 2)普通V帶傳動的設(shè)計計算和主要參數(shù)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(shè)計計算和主要參數(shù)的合理選 擇。,機械設(shè)計基礎(chǔ),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(xiàn)傳動。,機械
2、設(shè)計基礎(chǔ),7.1 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(xué)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(xiàn)傳動的，如圖6－1所示。,機械設(shè)計基礎(chǔ),其傳動主要是依靠摩擦或嚙合實現(xiàn)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(yán)格，結(jié)構(gòu)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(shè)計基礎(chǔ),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(zhǔn)確的傳動比，傳動效率較低；2）傳遞同樣大的圓周
3、力時，輪廓尺寸和軸上的壓力較大；3）帶的壽命較短。 這種傳動在近代機械中應(yīng)用的十分廣泛，常用于中、小功率，帶速在5～25m/s，傳動比 的情況下。,機械設(shè)計基礎(chǔ),一、帶傳動的類型,從傳動方式來看，主要可以分為兩種（如圖9－1、9－2所示）：1）摩擦型帶傳動；2）嚙合型帶傳動。,圖9－1,圖9－2,機械設(shè)計基礎(chǔ),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9－1,受到預(yù)拉力的作用，帶與帶輪之間的接觸面間產(chǎn)生了正壓力。當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)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(qū)動從動輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)傳動。,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－2,
4、嚙合型帶傳動由同步帶傳動，它是由主動同步帶輪、從動同步帶輪和套在兩輪上的環(huán)形同步帶組成。,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－3,摩擦型帶傳動又可以分為：,機械設(shè)計基礎(chǔ),平帶傳動結(jié)構(gòu)最簡單，傳動效率較高，在傳動中心距較大的場合應(yīng)用較多。除了正常的傳遞方法外，還可以實現(xiàn)交叉和半交叉?zhèn)鲃?，如下圖所示。V帶傳動的傳動能力較大，在傳動比較大時、要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合應(yīng)用較多，是帶傳動的主要類型。,圖9－4,圖9－5,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－6,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(shù)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(shè)計基礎(chǔ),式中： 為當(dāng)量摩擦
5、系數(shù)。 普通V帶的楔角為40，因次可以估算得 ＝（3.63～3.07） 。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(chǎn)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(shè)計基礎(chǔ),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計基礎(chǔ)
6、,二、V帶的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn),圖9－7,V帶結(jié)構(gòu)如圖所示，有四層組成。V帶有許多種類型和型號，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(biāo)準(zhǔn)件，在手冊,中都可以查到。這一部分我們主要以標(biāo)準(zhǔn)普通V帶進行介紹，其方法是一致的。,機械設(shè)計基礎(chǔ),對于普通V帶國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有Y、Z、A、B、C、D、E等7種型號。,當(dāng)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(zhǔn)寬度制。所謂基準(zhǔn)寬度制是以基準(zhǔn)線的位置和基準(zhǔn)寬度來確定帶輪的槽型、基準(zhǔn)直徑和V帶在槽中的位置。,,機械設(shè)計基礎(chǔ),V帶的節(jié)面在
7、輪槽內(nèi)的相應(yīng)位置的寬度稱作輪槽的基準(zhǔn)寬度（ ），等于 ，用來表示輪槽的特征值，是帶輪和皮帶的基準(zhǔn)尺寸。在輪槽基準(zhǔn)寬度處的直徑稱作帶輪的基準(zhǔn)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(zhǔn)直徑上的周線長度稱為基準(zhǔn)長度 。,圖9－8,機械設(shè)計基礎(chǔ),7.2 帶傳動的理論基礎(chǔ),一．帶傳動中的力分析,圖9－9,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(chǎn)生必要的正壓力。此時，當(dāng)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(shè)計基礎(chǔ),圖9－9,當(dāng)主動輪以轉(zhuǎn)速 n1旋轉(zhuǎn)，由于皮帶和帶輪的接觸
8、面上的摩擦力作用，使從動輪以轉(zhuǎn)速n2轉(zhuǎn)動。,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－9,主動輪作用在帶上的力與n1轉(zhuǎn)向相同，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(shè)計基礎(chǔ),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(shè)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(shè)計基礎(chǔ),如果認(rèn)為帶的總長不變，則兩邊帶長度的增
9、減量應(yīng)相等，相應(yīng)拉力的增減量也應(yīng)相等，即： 也即： ………………………(1) 由此可以得到： ……………………(2),,,機械設(shè)計基礎(chǔ),由此式可以看出：F1和F2的大小，取決于初拉力F0及有效圓周力Fe；而Fe又取決于傳遞的功率P及帶速V。 顯然，當(dāng)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(xiàn)顯著的滑動現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“打滑”，從而導(dǎo)致帶傳動不能正常工作，也即傳動失效。,機械設(shè)計基礎(chǔ),二．歐拉公式,,當(dāng)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
10、皮帶為分離體，如圖所示。,圖9－10,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－10,由 得：,∵ 很小， ∴,略去二階微量 得到：,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－10,由 得：,∵ ∴,故有： 即：,機械設(shè)計基礎(chǔ),積分有： 即 →,聯(lián)立上述各式，可求得如下關(guān)系式：,機械設(shè)計基礎(chǔ),式中：Fec表示最大（臨界）有效圓周力。 由上式可以看出：增大F0、包角α、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(yīng)為fv ,稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)。,機械設(shè)計基礎(chǔ),三．帶傳動的應(yīng)力分析,皮帶傳動在工作時，皮帶中的應(yīng)力有三部分組成：因傳遞載荷而
11、產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ；由離心力產(chǎn)生的離心應(yīng)力σc；皮帶饒帶輪彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σb；,機械設(shè)計基礎(chǔ),1)拉應(yīng)力,A—皮帶橫斷面積（mm2）,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－10,2）離心造成的離心應(yīng)力σc： 當(dāng)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(zhì)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(yīng)力。,如圖所示，截取一微段弧 ，設(shè)帶速為v(m/s),帶單位長度的質(zhì)量為m(kg/m)。,機械設(shè)計基礎(chǔ),作圓周運動時，微弧段產(chǎn)生的離心力為,圖9－11,(N),用 表示由離心力的作用使微弧段兩邊產(chǎn)生的拉力，則由力的平衡方程式可得：,機械設(shè)計基礎(chǔ),由于 很小，取 則： =
12、 由離心力引起得拉應(yīng)力為 m—單位長度質(zhì)量（kg/m）； v—帶速(m/s),,機械設(shè)計基礎(chǔ),3）彎曲應(yīng)力：,E— 帶的拉壓彈性模量（MPa） h— 帶厚（mm） dd—帶輪基準(zhǔn)直徑（mm） 注：在材料力學(xué)中，彎曲應(yīng)力 所以,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖9－12,帶上的最大應(yīng)力產(chǎn)生在皮帶的緊邊進入小輪處，其值為：,皮帶是在交變應(yīng)力狀態(tài)下工作的，所以將使皮帶產(chǎn)生疲勞破壞，影響工作壽命。 傳動帶工作時得應(yīng)力分布如圖所示,機械設(shè)計基礎(chǔ),四．帶傳動的彈性滑動和傳動比,圖9－13,傳動帶在工作時，受到拉力的作用要產(chǎn)生彈性變形。由于緊邊和松邊所受到的拉力不同，其所產(chǎn)生的彈性變形也不同，如圖所示。
13、當(dāng)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(shè)計基礎(chǔ),圖9－13,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(zhuǎn)速）。同樣，當(dāng)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(chǎn)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滑動稱作彈性滑動。,機械設(shè)計基礎(chǔ),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(shè)計基礎(chǔ),7.3 帶傳動的計算,一．單根普通V帶的許
14、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(shè)計準(zhǔn)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(jù)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(dǎo)時使用的是平皮帶，對普通V帶要使用當(dāng)量摩擦系數(shù) 。,機械設(shè)計基礎(chǔ),疲勞強度為： （MPa） 與皮帶的材質(zhì)和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有關(guān)。 所以，可以求得皮帶在既不打滑又有一定壽命時，單根皮帶所能傳遞的功率為： （kw）,機械設(shè)計基礎(chǔ),根據(jù)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(xué)纖維線繩結(jié)構(gòu)
15、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(shè)計手冊）。,機械設(shè)計基礎(chǔ),當(dāng)實際工作條件與上述條件不同時（如包角、工況等），應(yīng)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(shù)而確定：,其中： 包角修正系數(shù)，考慮包角不等于180時傳動能力有所下降； 為帶長修正系數(shù)，考慮帶長不等于特定長度時對傳動能力的影響。,機械設(shè)計基礎(chǔ),二．原始數(shù)據(jù)及設(shè)計內(nèi)容,1）設(shè)計普通V帶傳動時，預(yù)先確定的原始數(shù)據(jù)一般有：帶傳動的功率P、大小輪的轉(zhuǎn)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(shè)計的內(nèi)容：傳動帶的型號、長度
16、、根數(shù)、傳動中心距、帶輪直徑、帶輪結(jié)構(gòu)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(shè)計基礎(chǔ),三．設(shè)計步驟,1、確定設(shè)計功率,根據(jù)傳遞的功率P、載荷性質(zhì)、原動機種類和工作情況等確定設(shè)計功率： 其中： 為設(shè)計功率（KW）；KA為工況系數(shù)；P為所需傳遞的功率（KW） 對于反復(fù)啟動、正反轉(zhuǎn)頻繁、工作條件惡劣等場合，其KA應(yīng)乘上1.2。,機械設(shè)計基礎(chǔ),2、選擇帶型 根據(jù)帶傳動的設(shè)計功率 和小帶輪轉(zhuǎn)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根數(shù)等方面最后確定。,機械設(shè)計基礎(chǔ),3、確定帶輪基準(zhǔn)直徑 和 普通V帶傳動的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了帶輪的最
17、小基準(zhǔn)直徑和帶輪的基準(zhǔn)直徑系列見教材上表格。 當(dāng)其它條件不變時，帶輪基準(zhǔn)直徑越小，帶傳動越緊湊，但帶內(nèi)的彎曲應(yīng)力越大，導(dǎo)致帶的疲勞強度下降，傳動效率下降。,選擇小帶輪基準(zhǔn)直徑時，應(yīng)使 ≥ ，并取標(biāo)準(zhǔn)直徑。傳動比要求精確時，大帶輪基準(zhǔn)直徑依據(jù)：,一般情況下，可以忽略滑動率的影響，則有：,機械設(shè)計基礎(chǔ),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，使帶的根數(shù)過多。一般取v＝5～25m/s之間。當(dāng)v＝10～20m/s時，傳動效能可得
18、到充分利用。若v過低或過高，可以調(diào)整 或n1的大小。,機械設(shè)計基礎(chǔ),5、確定中心距和帶長,中心距a的大小，直接關(guān)系到傳動尺寸和帶在單位時間內(nèi)的繞轉(zhuǎn)次數(shù)。中心距大，則傳動尺寸大，但在單位時間內(nèi)繞轉(zhuǎn)次數(shù)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(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑和要求的中心距 計算：,機械設(shè)計基礎(chǔ),根據(jù)初選的帶長 在表格中查取相近的基準(zhǔn)長度 ，然后計算實際的中心距：,式中：,機械設(shè)計基礎(chǔ),6、驗算包角,小帶輪包角為：,（一般要求大于90～120）,7、確定帶的根數(shù),帶的根數(shù)應(yīng)根據(jù)計算進行圓整。當(dāng)z過大時，應(yīng)改選帶輪基準(zhǔn)直徑或改選帶
19、型，重新計算。,機械設(shè)計基礎(chǔ),8、確定初拉力,初拉力F0小，帶傳動的傳動能力小，易出現(xiàn)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(rèn)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(yīng)為：,機械設(shè)計基礎(chǔ),9、計算壓軸力,圖9－14,為了設(shè)計軸和軸承，應(yīng)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(shè)計基礎(chǔ),我們在設(shè)計過程中，帶傳動的設(shè)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(yù)先進行換算。 （2）注意所給出的條件、計算公式的使用方法。 另外，在這個設(shè)計過程中，要注意各個修正系數(shù)的確定方法。
20、,機械設(shè)計基礎(chǔ),7.4 V帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,一．材料,機械設(shè)計基礎(chǔ),二．結(jié)構(gòu),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9－15,機械設(shè)計基礎(chǔ),孔板式結(jié)構(gòu),圖9－16,機械設(shè)計基礎(chǔ),輪輻式結(jié)構(gòu),圖9－17,機械設(shè)計基礎(chǔ),一旦我們在設(shè)計中確定傳動帶之后，對應(yīng)的帶槽（ ）尺寸也就確定了，見表。在設(shè)計繪圖時只需在 確定后，完整繪出零件圖即可 。,其軸孔結(jié)構(gòu)，一般采用平鍵實現(xiàn)周向定位，開出鍵槽的設(shè)計要依據(jù)傳動軸配合進行（一般在平鍵按標(biāo)準(zhǔn)選定后，鍵槽的尺寸也是標(biāo)準(zhǔn)的），可以查閱相關(guān)的手冊進行。,機械設(shè)計基礎(chǔ),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(jīng)過一段時間后，會產(chǎn)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(xiàn)不足必須重新張緊。,常用的張緊裝置有三種：,機械設(shè)計基礎(chǔ),圖 9 | 18,
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