《机械设计基础》第十章 带传动

机械设计基础《机械设计基础》机械设计基础第十章带传动带传动是一种常用的机械传动装置，他的主要作用是传递转矩和转速。大部分带传动是依靠挠性传动带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的。10.1概述组成：主动轮、从动轮、传动带和机架。10.1.1带传动的类型及应用1．按传动原理分摩擦型带传动啮合型带传动机械设计基础2．按传动带的截面形状分（1）平带平带的截面形状为矩形，内表面为工作面（2）V带V带的截面形状为梯形，两侧面为工作面（3）圆形带横截面为圆形，（4）多楔带它是在平带的基体上由多根V带组成的传动带（5）同步带纵截面为齿形机械设计基础10.1.2带传动的特点（1）带有良好的弹性，可缓和冲击和振动，传动平稳、噪音小。（2）过载时，带在带轮上打滑，对其它零件起安全保护作用。（3）结构简单，制造、安装和维护方便，成本较低。（4）能适应两轴中心距较大的场合。（5）工作时有弹性滑动，传动比不准确，传动效率低。（6）外廓尺寸较大，结构不紧凑，带的寿命短，作用在轴上的力大。（7）不宜用于易燃易爆场合。一般情况下，带传动传动的功率P≤100kW，带速5～25m/s，平均传动比ii≤5，传动效率为94%～97%。目前带传动所能传递的最大功率为700kW，高速带的带速可达60m/s。机械设计基础10.1.3V带的结构和型号标准普通V带都制成无接头的环形。其构造如图所示。当V带受弯曲时，带中保持其原长度不变的周线称为节线，由全部节线构成节面。带的节面宽度称为节宽（bd）,V带受纵向弯曲时，该宽度保持不变。机械设计基础普通V带已标准化，其周线长度Ld为带的基准长度。普通V带两侧楔角φ为40°，相对高度约为0.7，并按其截面尺寸的不同将其分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。型号YZABCDE顶宽b（mm）6.010.013.017.022.032.038.0节宽pb（mm）5.38.511.014.019.027.032.0高度h（mm）4.06.08.011.014.019.023.0楔角40°每米质量q（kg/m）0.030.060.110.190.330.661.02普通V带横截面尺寸（GB/T11544-1997）（单位：㎜）机械设计基础10.2带传动的工作情况分析10.2.1带传动的受力分析紧边松边张紧状态:工作状态:拉力增加→紧边Ｆ0↗Ｆ1紧边拉力拉力减少→松边Ｆ0↘Ｆ2松边拉力带两边拉力相等→张紧力Ｆ0带两边拉力不相等（通过带所受摩擦力分析得知）机械设计基础有效圆周力F（N）、速度V（m/s）和传递功率P（KW）之间的关系为设带在工作前后总长不变，并考虑带为弹性体，则紧边拉力的增加量应等于松边拉力的减少量。∴Ｆ1－Ｆ0＝Ｆ0－Ｆ2即：2Ｆ0＝Ｆ1＋Ｆ2有效圆周力F的大小松紧边拉力差，即为带传动的有效圆周力F，在数值上F等于任一带轮与带接触弧上的摩擦力的总和Ff，即KW机械设计基础最大有效圆周力当带在带轮上即将打滑尚未打滑时，摩擦力达到临界值，此时带所能传递的有效圆周力亦达到最大值。临界状态下的F1与F2之间的关系可用著名的欧拉公式表示为：fV为当量摩擦系数，f为带与带轮之间的摩擦系数；φ为带的楔角；α为带轮包角，rad；e为自然对数的底。根据前述几个公式经整理后，可得出带所能传递的最大有效圆周力为：机械设计基础（1）初拉力0FF与0F成正比，初拉力0F增大，带与带轮间的正压力增大，则传动时产生的摩擦力就越大，故F也就越大。但0F过大会加剧带的磨损，致使带过快松弛，缩短其工作时间。（2）包角包角越大，带传动的圆周力就越大。对于带传动，大带轮的包角2大于小带轮的包角1，因此打滑首先发生在小带轮上。一般要求1≥120o（特殊情况下允许1≥90）（3）当量摩擦系数ff越大，摩擦力也越大，F就越大。与平带相比，V带的当量摩擦系数f较大，所以V带传递能力远高于平带。F由式上式可知，带所传递的圆周力F与下列因素有关：10.2.2带传动工作时的应力分析带是在变应力下工作，当应力较大，应力变化频率较高时，带将很快产生疲劳断裂而失效，从而限制了带的使用寿命。带传动工作时，带所受应力有如下几种：机械设计基础1．由紧边拉力和松边产生的拉应力紧边拉应力松边拉应力∵F1F2∴σ1＞σ22．由离心力产生的拉应力3．由带弯曲产生弯曲应力机械设计基础带工作时总应力分布如图所示。由图可见，带上的应力是变化的，最大应力发生在紧边与小带轮的接触处。其最大应力为机械设计基础10.2.3带传动的弹性滑动和传动比由于带是弹性体，工作时会产生产生弹性变形。当带由紧边绕经主动轮进入松边时，它所受的拉力由F1逐渐减小为F2，带因弹性变形变小而回缩，带的运动滞后于带轮，即带与带轮之间产生了局部相对滑动。导致带速低于主动轮的圆周速度。相对滑动同样发生在从动轮上，使带的速度大于从动轮的圆周速度。这种由于带的弹性变形而引起带与带轮之间的局部相对滑动，称为弹性滑动。弹性滑动和打滑是两个完全不同的概念，打滑是过载引起的，因此可以避免。而弹性滑动时由于带的弹性和拉力差引起的，是传动中不可避免的现象。由弹性滑动所引起的从动轮的圆周速度2v小于主动轮的圆周速度1v，其速度的降低率用滑动率表示，即d11d22121d11dndnvvεvdn机械设计基础由上式可得带传动的传动比为从动轮的转速d212d1(1)dnind1d12d2(1)ndnd因带传动的滑动率通常为0.01～0.02，在一般计算中可忽略不计，因此可得带传动的传动比为d212d1dnind机械设计基础10.3普通V带传动的设计计算10.3.1带传动的失效形式和设计准则由于带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏，因此带传动的设计准则是在保证带传动不打滑的情况下，使带具有一定的疲劳强度和寿命。10.3.2单根普通V带所能传递的功率在带的实际工作条件与上述特定条件不同时，需对P0进行修正。修正后即得与实际条件相符的单根普通V带所能传递的功率，称该功率为许用功率[P0]。△P0---功率增量，考虑传动比i≠1时，带在大轮上的弯曲应力较小，故寿命相同的条件下，可增大传递的功率。Kα---包角修正系数，考虑α≠180°时，对传动能力的影响。KL---带长度修正系数，考虑带长与特定长度不同时对传动能力的影响。机械设计基础10.3.3普通V带传动的设计方法和步骤一.已知条件和设计的内容已知条件：传动用途、工作情况和原动机种类；传递的功率Ｐ，主、从动轮的转速n1，n2(或传动比)；其它要求，如外廓尺寸及安装位置要求等。设计内容：确定带的型号、基准长度、根数；确定带轮的材料、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力；初拉力和张紧方式。机械设计基础二.V带传动的设计步骤1、确定计算功率PC2、选择V带型号3、确定带轮的基准直径d1、d24、验算带速v5、计算中心距和带长6、验算小带轮包角7、确定V带根数8、计算初拉力F09、计算轴上压力10．带轮结构的设计机械设计基础1．确定计算功率cPKPKA---工作情况系数表10-7工作情况系数K机械设计基础2．选定V带的型号根据计算功率和小带轮的转速，按图10-10选择普通V带的型号。机械设计基础3．确定带轮的基准直径为降低带的弯曲应力，小带轮的基准直径d1应大于或等于该型号带轮的最小直径dmin。大轮直径由公式求得，并圆整，取标准系列值。表10-3V带轮最小直径及标准直径系列机械设计基础5、计算中心距和带长初定中心距：如果中心距未给出，可按下式初选中心距a0确定带长：初定带长L0可按下列几何长度计算公式求得根据初定的L0由表10-2选取相近的基准长度Ld。传动的实际中心距可近似按下式确定：L0=2a0+(d1+d2)+4、验算带速v带速v不能太大也不能太小，一般v应在5~25m/s范围内。机械设计基础6、验算小带轮包角对于V带，一般要求α1≥120°，否则，应增大中心距或加张紧轮。7、确定V带的根数为了使每根V带受力均匀，带的根数不宜太多，通常取带的根数小于10根。机械设计基础初拉力F0的大小对带传动的正常工作及寿命影响很大。初拉力不足，易出现打滑；初拉力过大，则V带寿命降低，压轴力增大。8、计算初拉力F0式中PC——计算功率，kW；Z——V带的根数；v——V带速度，m/s；Kα——包角修正系；q——v带每米长质量，kg/m。由于新带易松弛，所以对于非自动张紧的带传动，安装新带时的初拉力应为上述初拉力的1.5倍。机械设计基础9、计算轴压力V带作用在轴上的压力FQ一般可近似按两边的初拉力F0的合力来计算。FQ=2ZFo机械设计基础10．带轮结构的设计带轮结构的设计根据带轮槽型、槽数、基准直径和轴的尺寸确定。参见本章10.4节部分或有关机械设计手册。【例10-1】设计一带式输送机的普通V带传动。原动机为Y112M-4异步电动机，其额定功率P=4kW，满载转速1n=1440r/min，从动轮转速2n=470r/min，单班制工作，载荷变动较小，要求中心距a≤550mm。解.（1）确定计算功率cP由表10-7查的1.1K，故c1.144.4PKPkW（2）选择带型根据cP=4.4kW和1n=1440r/min，由图10-9初步选定A型V带。（3）选取带轮基准直径1dd和2dd由表10-3取d1100dmm，按公式计算大带轮基准直径d2d1d2d121440100306470nddmmn机械设计基础由表10-3取直径系列值，d2315dmm，则实际传动比i、从动轮的实际转速分别为d2d13153.15100didd2d13153.15100did121440457r/min3.15nni从动轮的转速误差率为457-470100%2.8%470在5%以内，符合要求。（4）验算带速vd113.1410014407.54601000601000dnvm/s带速v在5～25m/s范围内，故合适。机械设计基础（5）确定中心距a和带的基准长度dL由式（10-13）初定中心距0450amm符合下式：d1d20.7()dd0ad1d22()dd=0.7(100315)mm0a2(100315)mm由式（10-14）的带长2d2d100d1d20()2()24ddLadda23.14(315100)2450(100315)244501578mm由表10-2查的A型带基准长度d1600Lmm，计算实际中心距d001600157845046122LLaamm取460amm机械设计基础6．验算小带轮包角1d2d1131510018057.318057.3153.2460dda120包角合适。7．确定带的根数z由表10-4、表10-5查得，01.31PkW，00.17PkW。由表10-6查得，0.926K。由表10-2查得，0.99LK。由式（10-17）得z≥cc0004.43.25()(1.310.17)0.9260.99LPPPPPKK取z=4根。8．确定初拉力0F由式（10-18）计算单根普通V带的初拉力机械设计基础2c025002.5(1)5004.42.5(1)0.17.5447.540.926129.7PFqvzvK9．计算作用在轴上的压力FQ由式（10-19）得1Q0153.22sin24129.7sin100922FzF10．带轮的结构设计按本章10.4节内容进行设计（设计过程及带轮零件工作图略）机械设计基础10.4V带轮的设计10.4.1V带轮的要求对于V带轮设计的主要要求是：（1）质量轻、结构工艺性好。（2）无过大的铸造内应力。（3）质量分布较均匀，转速高时要进行动平衡试验。（4）轮槽工作面表面粗糙度要合适，以减少带的磨损。（5）轮槽尺寸和槽面角保持一定的精度，以使载荷沿高度方向分布10.4.2V带轮的材料带轮的材料以铸铁为主，常用牌号