机械设计基础 教案

第十章带传动第一节概述是一种带传动应用广泛的机械运动，它通常是由主动轮1，从动轮2和张紧在两轮上的挠性带3所组成，如图所示。一：带传动的工作原理和主要类型根据带传动的工作原理，可将其分为摩擦传动和啮合传动。摩擦型带传动，是以一定的初拉力将带张紧在两带轮上，在带与带轮的接触面间产生正压力。当主动轮转动轮转动时，靠带与带轮间的摩擦力，驱使从动轮，从而达到传递运动和动力的目的。常用的摩擦型带传动，按截面形状可分：平带的截面为矩形或近似为矩形，其工作面是与轮面相接触的内表面。V带的横截面为等腰梯形或近似为等腰梯形，其工作面为与轮槽相接触的两侧面，但V带与轮槽底不接触，在同样的出拉力作用下，V带传动所产生的最大摩擦力比平带传动大3倍，，因而V带传递的功率较大，故应用广泛。V带又分为：图10-3多楔带是以平带为基体体，内表面具有等距纵向楔的环型传动带，其工作面为楔型的侧面，常用于传递动动力大而又要求结构紧凑的场合。原带的横截面为圆形或近似为圆形，传递动力小，常用于仪器和家用电器中。啮合型传动带，又称同步带，是通过带齿与同步带轮的轮齿相啮合传递的。主要用于要求传动比准确的中，小功率传动中，如电子计算机，录音机等。带传动形式有开口传动，交叉传动和角度传动，见图二：带传动的特点由于带传动具有中间挠性元件，并靠摩擦力传动，因此带传动具有下列特点：优点：1）适用于传递远距离的运动和动力，改变带的长度可适应不同的中心距。2）传动带具有良好的弹性，有缓冲和吸震作用，因而传动平稳，燥声小。3）过载时带与带轮之间会出现打滑，可防止损坏其他零件，起过载保护作用。4）结构简单，制造，安装和维护方便，成本低廉。缺点：1）传动外轮廓尺寸大，结构不紧凑，且对轴的压力大。2）带与带轮之间存在弹性滑动和打滑，不能保证准确的传动比。3）机械效率低，带的寿命较短。4）需要张紧装置。第二节V带的结构，标准及带轮结构一：V带的结构和标准普通V带为无接头的环形象胶带，由伸张层（顶胶），强力层（拉抗体），压缩层（底胶）和包布层（胶帆布）组成，见图：按强力层材料的不同可分为帘布芯结构和绳芯结构两种，二者的强力层分别由几层胶连布或一层胶线绳组成，用来承受机体拉力。帘布芯结构制造方便，抗拉强度高，绳芯结构韧性好，抗弯强度高，适用于带轮直径小，载荷不大，转速较高的场合。普通V带（楔角α=40°,相对高度h/bp≈0.7)是标准件，按截面尺寸由小到大分为Y,Z,A,B,C,D,E七种型号，当带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的任意一条周线称为节线；由全部节线构成的面称为节面。节面的宽度称为节宽bp,当垂直其底边弯曲时，该宽度保持不变。在V带轮上，与所配用V带轮的节宽bp相对应的带论直径称为基准直径dd.V带在规定的张紧力下，位于测量带轮基准直径上的周线称为基准长度Ld为标准值。二：V带的结构带轮常用的材料是铸铁，带速v≦25m/s时，用HT150；V=25～30m/s时，用HT200.高速带轮材料可用刚，小功率传动时可用铝或非金属材料（塑料，木材）。带轮由轮缘，轮辐和轮毂三部分组成。普通V带两侧所夹的楔角α匀为40°，但带轮轮槽横截面两侧边所夹的槽角∮，则根据带轮基准直径dd的大小分别为32°，34°，36°，或38°，带轮直径越小，规定的槽角也越小。这是因为考虑到带在带轮上弯曲时，由于截面变形将使其楔角减小的缘故。为了保证轮槽工作面与带轮面紧帖，使∮〈α。第三节带传动的受力分析和应力分析一：带传动的受力分析1、有效拉力为使带传动正常工作，带必须以一定的初拉力F0张紧在带轮上。静止或低速空转时（略去摩擦阻力），带两边的拉力相等，均为F0。当带传递载荷时，由于带与轮面间摩擦力的作用，带两边的拉力不在相等。即将扰进主动轮的一边，拉力由F0增加到F1,称为紧边；另一边的拉力由F0减小到F2,称为松边。设环行带的总长度不变，则紧边拉力的增加量F1-F0应等于松边拉力的减少量F0-F2,即F1-F0=F0-F2或F0=1/2(F1+F2)紧边拉力与松边拉力之差称为带传动的有效拉力F,也就是带所传递的圆周力，其大小由带与带轮接触面的总摩擦力Ff所确定。即F=Ff=F1-F2带传动所能传递的功率P(单位为kW)为：P=Fv/1000式中F为有效拉力，单位为N;v为带速，单位为m./s.若带所传递的圆周力，超过带与带轮接触面间的最大摩擦力总和时，带就会沿着轮面产生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。带为理想的挠性体，通过对带传动即将打滑时的受力分析，可得柔韧体摩擦的欧拉公式F1=F2efa式中，F1,F2为带即将打滑时紧边，松边拉力，单位为N;e为自然对数的底，e=2.71828….;f为摩擦系数（V带用当量摩擦系数fv代替f);∮为带在带轮上的包角，单位rad.得Famx=2F0(efa-1)/(efa+1)上式表明影响带最大有效拉力Fam的因素有：（1）初拉力FoFamx与Fo成正比。这是因为Fo越大，带与带轮之间正压力越大，传动时产生的摩擦力就越大，故Famx越大。但初拉力Fo过大时，会使磨损加剧，从而缩短了带的工作寿命，还会使轴与轴承受力增大，且带易松弛。如Fo过小，则带的传动能力不能充分发挥，传动时易发生跳动和打滑。（2）包角αα越大则Famx越大，因为α增大，将使接触弧上摩擦力总合增加，从而提高了传递载荷的能力。因此，水平传动时，常将松边设计在上边，以增大包角。（3摩擦系数ff越大，摩擦力越大，Famx也越大。2、离心拉力当带以带速v沿带轮缘作圆周运动时，带的质量将引起离心拉力Fc。离心拉力虽只发生在带作圆周运动的部分，但由此引起的拉力却作用在带的全长。Fc是带与带轮间的正压力和摩擦力减小，降低带传动的工作能力，从而使带速v受到了限制。离心拉力的大小近似为：Fc=qv2式中，q为带单位长度质量，单位为kg/m.二、带传动的应力分析带传动工作时，带中的应力有以下几种：1、有紧边拉力和松边拉力产生的拉应力紧边拉应力ß1=F1/A松边拉应力ß2=F2/A式中，A为横带截面面积，单位为mm2.2、带扰过带轮时产生的弯曲应力。带扰过带轮时，因弯曲而产生弯曲应力。由材料力学公式得带的弯曲应力σb=Eha/(d/2)=E2ha/dd≈Eh/dd式中，E为弹性摸量，单位为Mpa;h为带的高度，单位为mm,dd为带轮的基准直径，单位为mm.，则当带的高度h越大，带轮直径越小时，带的弯曲应力σb就越大。为了避免σb过大，则带轮直径就不能过小。各种型号普通V带轮均规定了最小基准直径3、有离心拉力引起的离心应力存在于全部带长的各个截面上，其大小为σc=qv2/A如图为带工作时应力分布情况带受变应力作用，带每绕两带轮循环一周，作用在带上某点的的应力就变化一个一个周期。最大应力发生在带的紧边绕进小带轮处，其值为为σmax=σ1+σb1+σc第四节带传动的弹性滑动及传动比带是弹性体，在力的水平作用下产生深长变形，当带绕过主动轮，由A点转到B点时，带的单位伸长量将逐渐缩短，带沿轮面后缩短，带沿轮面后缩产生相对滑动，从而使带速v落后于主动轮的圆周速度v1。绕过从动轮时带将逐渐伸长，带沿轮面向前滑动，使带速v超前于从动轮的圆周速度v2。这种由于材料的弹性变形而产生的滑动称为弹性滑动。打滑是由于过载引起的全面滑动，它使带磨损加剧，传动失效，应当避免。而弹性滑动是不可避免的，它使带传动不能保证准确的传动比。设dd1,dd2分别为主，从动轮的基准直径，n1,n2分别为主从动轮的转速，则两轮的圆周速度分别为v1＝(πdd1n1)/60x1000;v2=(πdd2n2)/60x1000传动中由于带的滑动引起的从动轮圆周速度的降低率称为滑动率ε，即ε＝(v1-v2)/v1x100%传动的实际传动比为i=n1/n2=dd2/dd1(1-ε)第五节带传动的失效形式及设计准则一、带传动的主要失效形式１、带传动是在周期性应变力状态下工作的，当带的应力循环次数达到一定值时，带将发生疲劳破坏，如脱层，松散，撕裂或拉断．２、当带传递的载荷超过它的最大有效拉力Fmax时，带在带轮上过载打滑．二、设计准则在保证不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命．三、单根普通V带所能传递的额定功率带传动的疲劳强度条件为σmax=σ1+σb1+σc≦［σ］即将打滑时的的最大有效拉力Fmax＝F1(1-1/efα)＝σ1A(1-1/efα)=(［σ］-σb1-σc)A(1-1/efα)则带传动既不打滑又有一定疲劳寿命时单根普通V带所能传递的基本额定功率为P1=Fmaxv/1000=Av/1000(［σ］-σb1-σc)(1-1/efα)第六节普通V带传动的设计计算一、原始数据及设计内容设计带传动的原始数据一般为：传动用途，传递的功率P,两轮转速n1,n2(或传动比i),工作条件及传动位置的要求，外廓尺寸等．设计内容包括：１）合理选择参数确定普通V带的型号，基准长度Ld,跟数z；２）确定传动中心距a,带轮材料，基准直径dd1、dd2及结构尺寸；3)计算带的初拉力F0及作用在轴上的压力Fz;4)选择张紧装置并设计。二、设计步骤和方法1，确定设计功率PdPd=KAP式中，Pd为设计功率，单位为kW；KA为工作情况系数，查值P为所需传递功率，单位为kW。2、选择带的型号普通V带的型号根据传动的设计功率Pd和小带轮的转速由图选取3、确定带轮基准直径dd1dd2并演算带速（1）选小带轮基准直径dd1小带轮基准直径dd1应大于或等于最小基准直径ddmin,即dd1≧ddmin。若dd1过小则带的弯曲应力过大而导致带的寿命降低；反之，则传动的外轮廓尺寸增大。（2）演算带速vv=(πdd1n1)/60x1000一般应使v在5～25m/s范围内。若v过大，则单位时间内带扰过带轮的次数多，寿命短，且离心拉力大而降低带的传动能力。（3）计算大带轮基准直径dd2dd2=n1/n2(1-ε)dd1dd1、dd2应按标准直径系列圆整。4、（1）初定中心距a0中心距过大，传动尺寸增加，且带易震动，影响正常工作；反之，则使包角α1减小，导致承载能力降低，且带长减小，在同样带速下，单位时间内带的扰转次数增多，影响工作寿命。初选中心距a00.7(dd1+dd2)≦a0≦2(dd1+dd2)（2）初算V带基准长度Ld0初算V带基准长度Ld0Ld0≈2a0+π/2(dd1+dd2)+(dd1-dd2)2/4a0(3)确定带的基准长度Ld按表查取与Ld0相近的标准基准长度Ld.(4)确定传动中心距a传动的实际中心距aa≈a0+(Ld-Ldo)/2考虑到安装，调整和松驰后紧张的需要，实际中心距a应有一定的调整范围：amin=a-0.015Ldamax=a+0.03Ld5、验算小带轮包角α1α1=180°-57.3°x(dd1-dd2)/a一般应使α1≧120°否则加大中心距或减小传动比，或者增设张紧轮，使α1值在要求范围内。6、确定V带的根数zz=Pd/[P1]=Pd/(P1+△P1)KαKL式中△P1——额定功率的增量；Kα-----包角修正系数;KL--------带长修正系数。为使个跟带受力均匀，带的跟数不宜过多，一般以z=2～5为宜，最多不超过8～10，否则应改选V带的型号或加大带轮基准直径后重新计算。7、确定带的初拉力F0初拉力不足，则传动时摩擦力小而易打滑；过大则降低带的寿命，并使轴承和轴受到的力增大。单根V带的初拉力F0=500x(2.5-Kα)Pd/Kαzv+qv28、计算作用在带轮轴上的压力FzV带作用在带轮轴上的压力FzFz≈2zF0sinα1/29、确定带轮的结构尺寸,绘制带轮工作图.第七节V带传动的张紧与维护V带工作一段时间后,会因塑性变形而松弛,使初拉力F0降低,影响带的正常传动,为此必须重新张紧.装置有:一、定期改变中心距的张紧装置把装有带轮的电动机安装在滑道上或摆动机座上,传动调整螺钉或调整螺母就可达到张紧目的.二、自动张紧装置三、张紧轮装置第十一章齿轮传动第一节概述齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动.装在两轴上的主,从动轮通过轮尺间的啮合传递运动和动力.一、齿轮传动