机械设计之皮带轮设计

1SEUSEU--QRMQRMChapter11DesignofBeltDrivesPARTⅡDesignofMechanismsandDrivesinCommonUse主讲教师主讲教师————钱瑞明机械设计机械设计MachineDesignMachineDesign2SEUSEU--QRMQRM11.1Introduction概述带传动(beltdrives)通常由主动带轮(drivingpulleyorsheave)1、从动带轮(drivenpulley)2和张紧在两轮上的环形带(belt)3所组成。TheCompositionofBeltDrives——123n1n23SEUSEU--QRMQRMTheTypesofBeltDrives——根据传动原理不同，带传动可分为摩擦传动型和啮合传动型两大类。1.BeltDrivesbasedonFriction(摩擦传动型)工作原理——利用传动带与带轮之间的摩擦力传递运动和动力类型——按带截面形状的不同，可分为：普通平带(flatbelt)传动、V带(V-belt)传动、多楔带(poly-ribbelt)传动、圆带(circlebelt)传动、高速带(high-speedbelt)传动普通平带传动V带传动多楔带传动圆带传动4SEUSEU--QRMQRM普通平带传动——带的截面形状为矩形。有胶帆布平带(应用最多)、编织带及强力锦纶带等类型。平带的规格已经标准化，通常整卷出售，使用时根据所需长度截取，并将其端部联接起来（硫化接头或机械接头）。带的挠性较好，带轮制造方便，工作时带的内面是工作面，与圆柱形带轮工作面接触，属于平面摩擦传动。带的截面形状为等腰梯形。带的厚度较大，挠性较差，带轮制造比较复杂。带的两侧面是工作面，与带轮的环槽侧面接触，属于楔面摩擦传动。在相同的带张紧程度下，V带传动的摩擦力要比平带传动约大70%，其承载能力因而比平带传动高。在一般的机械传动中，V带传动现已取代了平带传动而成为常用的带传动装置。V带传动——5SEUSEU--QRMQRM多平楔带传动——带的截面形状为多楔形，相当于平带与若干等距纵向排列V带的组合，工作面为侧面，具有平带的柔软、V带摩擦力大的特点，比V带传动平稳、外廓尺寸小，用于要求结构紧凑的传动，特别是要求V带根数多或轮轴垂直地面的传动。圆带传动——带的截面形状为圆形，有圆皮带、圆绳带、圆锦纶带等，其传动能力小，主要用于v15m/s，i=1/2~3的小功率传动，如仪器和家用器械中。高速带传动——v30m/s,n1=10000~50000r/min高速带常用重量轻、薄而均匀、挠曲性好的环形平带。带轮用钢或铝合金制造，各面均精加工，并进行动平衡。为防带从带轮上滑落，大、小带轮轮缘制成鼓形面，在轮缘表面开环形槽，以防止在带与轮缘表面间形成空气层而降低摩擦系数，影响正常传动。6SEUSEU--QRMQRM2.BeltDrivesbasedonTeethMeshing(啮合传动型)工作原理——同步带传动(timingorsynchronousbeltdrives)靠带上的齿与带轮上的齿槽的啮合作用来传递运动和动力特点——同步带传动工作时带与带轮之间不会产生相对滑动，能够获得准确的传动比，因此它兼有带传动和齿轮啮合传动的特性和优点。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为承载层，氯丁橡胶或聚氨酯为基体。这种带薄而轻，可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%。此外，由于不是靠摩擦力传递动力，带的预紧力可以很小，作用于带轮轴和其轴承上的力也很小。其主要缺点在于制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。7SEUSEU--QRMQRM带传动的类型按传动比分类——定传动比，有级变速，无级变速按两轴的位置和转向分类——8SEUSEU--QRMQRM优点——z结构简单，传动平稳，缓冲吸振z能实现较大距离两轴间的传动z摩擦型带传动具有过载时将引起带在带轮上打滑，起到防止其它零件损坏的作用（过载保护）缺点——z带与轮面之间存在相对滑动，导致传动效率较低，传动比不准确，带的寿命较短CharacteristicsofBeltDrives——两类带传动都采用带作为中间挠性元件来传递运动和动力。9SEUSEU--QRMQRM11.2AnalysisofWorkingConditionsofBeltDrives带传动工作情况分析11.2.1ForceAnalysisofBeltDrives带传动的受力分析1.TheEffectiveTensileForcesofBeltDrives(带传动的有效拉力)带呈环形，以一定的张紧力(初拉力)F0套在带轮上，使带和带轮相互压紧。静止时，带两边的拉力相等，均为F0。12F0F0F0F0Theangleofcontact(包角)——当带轮(sheave)1直径小于带轮2直径时，α1α2。α1α210SEUSEU--QRMQRM12n1n2F2F1F1F2传动时，由于带与轮面间摩擦力的作用，带两边的拉力不再相等。绕进主动轮的一边，拉力由F0增加到F1，称为紧边拉力(tightsidetension)；而另一边带的拉力由F0减为F2，称为松边拉力(slacksidetension)。DrivingpulleyDrivenpulleyTightsideSlackside若近似认为带工作时的总长度不变，因带是弹性体，符合胡克定律，则带紧边拉力的增加量应等于松边拉力的减少量，即2001FFFF−=−0212FFF=+FfFf1000)m/s()N()kW(vFPe×=定义有效拉力(Effectivetensileforce)Fe——21FFFe−=带传动依靠有效拉力Fe产生转矩实现功率P的传递。11SEUSEU--QRMQRM有效拉力Fe也等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总和Ff。2/2/0201eeFFFFFF−=+=12n1n2F2F1F1F2DrivingpulleyDrivenpulleyTightsideSlacksideFfFf由以上各式分析可知，带的两边拉力F1和F2的大小取决于预紧力F0和带传动的有效拉力Fe。在传动能力范围内，Fe的大小与传递的功率P和带的速度v有关。Fe的变化实际上反映了带与带轮接触面上摩擦力的变化。取包于小带轮上的一段带为分离体，若带轮对带沿接触弧的摩擦力总和为Ff，则由∑T=0得022212111=+−aaafdFdFdFvPFFFFef/100021==−=12SEUSEU--QRMQRM2.TheTensileForceCausedbyCentrifugalForce(由离心力所产生的拉力)当带绕过主、从动轮时作圆周运动，将产生离心力，它使带在全长上各处均受到大小相同的离心拉力。dFNcFcFcdα/2dα/2dαdlr取一微小段带：2sin2)(2ααdFrvrdqc=22sinααdd≈2qvFc=q为带单位长度的质量（kg/m）。13SEUSEU--QRMQRM3.TheMaximalEffectiveTensileForceofBeltDrives(带传动的最大有效拉力)当传递功率（工作阻力）增大时，带的有效拉力也要相应增大，即带和带轮接触面上摩擦力也要增大。但摩擦力有一极限值，当带有打滑趋势时，摩擦力即达到了极限值。有打滑趋势时F1和F2的关系为αfeqvFqvF=−−2221e为自然对数的底；f为带与带轮间的摩擦系数，对于V带传动为当量摩擦系数fv；α为带在带轮上的包角（rad）。2/2/0201eeFFFFFF−=+=带传动的最大有效拉力(即极限摩擦力)——)121)((220+−−=αfeceqvFF增大预紧力F0、包角α、摩擦系数f，或减小带单位长度质量q、带速v，可增大极限摩擦力和带传动的最大有效拉力。14SEUSEU--QRMQRM11.2.2StressAnalysisofBelt带传动中带的应力分析1.TheTensileStressesofTightSideandSlackSide(紧边拉应力和松边拉应力)AF11=σAF22=σA为带的截面面积（mm2）2.TheTensileStressCausedbyCentrifugalForce(离心力所产生的拉应力)AqvAFcc2==σn1n2松边拉应力紧边拉应力n1n2离心应力虽然是由带包绕到带轮上时的圆周运动产生，但作用于整个带长。15SEUSEU--QRMQRM3.TheBendingStress(弯曲应力)n1n2弯曲应力ryEb=σE——带材料的弹性模量；y——由带中性层至最外层的距离，V带y=ha；r——带的曲率半径，mm，V带r=dd/2。带轮直径愈小、带愈厚，弯曲应力就愈大。因此带轮直径不宜过小。小带轮为主动轮时，最大应力发生在紧边进入小带轮处。11maxbcσσσσ++=最大应力出现在何处？三种应力沿带长的分布最小应力出现在何处？ha带截面上的应力是周期性变化的。16SEUSEU--QRMQRM11.2.3ElasticSlidingandSlipping弹性滑动和打滑1.ElasticSliding产生的原因定义由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间的相对滑动称为弹性滑动。由于带是弹性体，受力后必然产生弹性变形。传动工作时因为紧边和松边拉力不同，所以弹性变形也不同。带自b点绕上主动轮时，带所受拉力为F1，带的速度和带轮表面的速度相等。而当带由b点转到c点的过程中，带的拉力由F1降低到F2，因而带的拉伸弹性变形量也随之逐渐减小，相当于带在逐渐缩短，并沿轮面滑动，使带的速度v落后于主动带轮的圆周速度v1，因此两者之间必然发生相对滑动。1n1F2F1DrivingpulleyTightsideSlacksidebc17SEUSEU--QRMQRM同样的现象发生在从动轮上，但情况正好相反，在e点处带和带轮具有相同的速度，但当带由e点转到f点的过程中，带不是缩短而是被拉长，使带的速度v高于从动带轮的圆周速度v2。2n2F1F2DrivenpulleySlacksideTightsidefev1vv2特点不可避免——带的弹性、松边与紧边拉力差传动比不准确；带的磨损、发热、温升，效率降低后果滑动率iddndnddndndnvvvddddddd111121122112211121⋅−=−=−=−=πππε)1(1221ε−==aaddnniε=0.01~0.0218SEUSEU--QRMQRM2.Slipping正常情况下，带的弹性滑动并不是发生在整个接触弧上。接触弧可分滑动弧和静弧两部分，对应的中心角分别称为滑动角α′和静角α″。静弧总是位于带绕上主、从动轮的开始部分。1n1F2F1DrivingpulleyTightsideSlacksidebcα11α′1α′′v滑动角静角2n2Drivenpulleyfeα22α′2α′′静角滑动角19SEUSEU--QRMQRM当带不传递载荷时，滑动角为零。随着载荷的增加，滑动角逐渐增大，静角逐渐减小。当滑动角增大到带轮包角时，达到极限状态，带传动的有效拉力达最大值，带就开始打滑。因α1α2，所以打滑总是先先发生在小带轮上。打滑将造成带的严重磨损，带的运动处于不稳定状态，致使传动失效。1n1F2F1DrivingpulleyTightsideSlacksidebcα11α′1α′′v滑动角静角2n2Drivenpulleyfeα22α′2α′′静角滑动角20SEUSEU--QRMQRMz弹性滑动是由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间的相对滑动z打滑是由于过载（实现功率传递所需要的有效拉力超过了极限摩擦力）所引起的带在带轮上的全面滑动z弹性滑动造成传动比不稳定z打滑是一种失效形式，工作中应避免z动弧是接触弧的一部分，动弧位于主动轮的出口边z当动弧扩展到整个接触弧时发生打滑z弹性滑动不可避免，打滑可以避免z在传动突然超载时，打滑可以起到过载保护作用，避免其它零件发生损坏深入理解弹性滑动和打滑概念——现象、原因、特点、后果如何避免打滑？21SEUSE