机械结构设计基础_02-13带传动的类型、特点和应用&联轴器、离合器、制动器和弹簧

机械设计基础2第2章带传动1.阐述V带传动的类型、特点和应用。2.V带的结构构造、国家标准及选用、V带轮的结构构造与设计。3.V带的应力分析、失效形式、设计准则。4.普通V带传动的设计计算和同步齿形带的选用。知识点：32.1概述带传动由主动轮1、从动轮2和紧套在两轮上的传动带3所组成（图2.1）。当原动机驱动主动轮转动时，依靠带与带轮间的摩擦力拖动从动轮一起转动，并传递一定的动力。带传动主要用于两轴平行且转向相同的场合。与其他机械传动相比，带传动的优点：①适合中心距较大的传动；②结构简单，造价低廉；③带具有良好的挠性，可缓冲吸振，传动平稳；④过载时带与带轮间发生打滑现象，可防止损坏其他零件。缺点：①在传递同样大小功率的前提下，传动的外廓尺寸较大；②由于有弹性滑动，所以不能保证恒定的传动比；③带的寿命较短；④有时需要张紧装置。图2.1带传动42.1概述通常，带传动用于中小功率电动机与工作机械间的传动。目前V带的应用最多，一般带速为v=5～25m/s,传动比i≤7,传动效率η≈0.92～0.97，传递的功率最大可达700kW。在带传动中，常用的有平带传动［图2.2（a）］﹑V带传动［图2.2（b）］﹑多楔带传动［图2.2（c）］和同步带传动等。前三种依靠摩擦进行传动，而同步带属于啮合带传动。传动带大多制成无接头的环形。平带的横截面为扁平矩形，其工作面为与带轮接触的内表面。平带传动结构最简单，带轮制造容易，在传动中心距较大的场合应用较多。图2.2带传动的类型52.1概述V带的横截面为等腰梯形，工作时只与轮槽的侧面接触，故其两侧面为工作面。由于轮槽的楔形效应，在同样的初拉力下，V带传动比平带传动能产生更大的摩擦力，具有更大的传动能力，这是V带传动的主要优点。另外，V带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，V带多数已经标准化并大量生产。因而，V带传动比平带传动应用广泛得多，本章着重研究V带传动。多楔带兼具有平带弯曲应力小和V带传动能力强的优点，常用于传递功率大且要求结构紧凑的场合，传动比可达10，带速可达40m/s。在安装带传动时必须将传动带张紧在带轮上，当工作一段时间后，传动带会因为永久变形和磨损而松弛，此时必须重新张紧，如图2.3所示以保持传动带的张紧。图2.3带传动的张紧装置62.1概述下面研究带传动中各几何参数之间的关系。如图2.4所示，当带的张紧力为规定值时，两带轮轴线间的距离称为中心距。带与带轮接触弧所对的圆心角称为包角，用α表示。设d1、d2分别为小、大带轮的直径，Ld为带长，则有α=π±2θ图2.4带传动几何参数的关系72.2带传动工作情况的分析安装带传动时，需要将传动带张紧，即传动带以一定的初拉力F0紧套在带轮上。由于F0的作用，带和带轮的接触面上产生了正压力。静止时，传动带两边的拉力相等，都等于初拉力F0，见图2.5(a)。带传动工作时［图2.5(b)］，设主动轮以转速n1转动，传动带作用在主动轮上的摩擦力与主动轮的圆周速度方向相反，主动轮作用在传动带上的摩擦力Ff与主动轮的圆周速度方向相同，传动带在此摩擦力驱动下运动；同理，传动带作用在从动轮上的摩擦力Ff与传动带的运动方向相同，从动轮即靠此摩擦力作用以转速n2转动，从而实现了从主动轮到从动轮的传动。2.2.1带传动的受力分析图2.5带传动的受力情况82.2带传动工作情况的分析首先研究平带传动。如图2.6所示，如果不考虑传动带做圆周运动时所产生的离心力的影响，在带与带轮接触弧上取一微段dl，所对圆心角为dθ，于是分别根据力在径向和切向的平衡条件可得图2.6带的受力分析92.2带传动工作情况的分析带传动工作时，传动带上有以下几种应力：2.2.2带的应力分析1.拉应力式中：F1、F2拉力，N；A——带的横截面积，mm2，见表2.1。在接触弧上，传动带上的拉应力介于σ1和σ2之间。102.2带传动工作情况的分析2.离心力所产生的拉应力式中：v──带速，m/s；q──传动带单位长度的质量，kg/m。当带绕上带轮后，带做圆周运动。如图2.7所示，在微段dl上产生的离心力为图2.7带的离心力112.2带传动工作情况的分析3.弯曲应力式中：E——带的弹性模量，MPa；d——带轮的基准直径，mm，对于V带，指轮槽基准宽处带轮的直径；h——带的高度，mm。带绕上带轮后，会产生弯曲应力，带的弯曲应力为图2.8带的应力分布122.2带传动工作情况的分析带传动工作时，受到拉力后要产生弹性变形。由于紧边和松边拉力不相等，故弹性变形也不相同（图2.9）。当传动带在D点绕上主动轮1时，其所受的拉力为F1，带的线速度v等于主动轮的圆周速度v1。而带在由D点转到A点的过程中，带所受的拉力逐渐由F1降低到F2，带的弹性变形也随之逐渐减少，即带沿主动轮的运动是一面绕进，一面向后收缩,使得带的速度v落后于主动轮的圆周速度v1，这说明带与带轮之间存在相对滑动。同样，在从动轮处也存在相对滑动，不同的是带沿从动轮的运动是一面绕进，一面向前伸长，使得带的速度v超前于从动轮的圆周速v2。这种由于带的弹性变形而引起的带与带轮间的滑动，称为弹性滑动。这是带正常工作时固有的特性。2.2.3带的弹性滑动和打滑图2.9带传动的弹性滑动注：轮缘的箭头表示带轮相对与带的滑动方向132.3普通V带传动的设计计算V带由顶胶1、抗拉体2、底胶3和包布4等部分组成（图2.10）。抗拉体用于承受拉力，由帘布或细线组成，其材料可用化学纤维或棉织物，化学纤维的承载能力较高。顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩。包布采用耐磨的橡胶帆布，将结构包裹成型。2.3.1概述图2.10带的结构1.顶胶；2.抗拉体；3.底胶；4.包布带有以下类型：普通V带、窄V带、宽V带、连组V带、齿形V带、大楔形V带、汽车V带等多种类型，其中普通V带应用最广。本节主要研究普通V带的设计计算。142.3普通V带传动的设计计算楔角φ=40°、相对高度约为0.7的V带称为普通V带。普通V带已标准化，按截面尺寸的不同，分为Y、Z、A、B、C、D、E七种（截面尺寸按顺序排列依次增大，带的承载能力也依次增大）。窄V带分为SPZ、SPA、SPB、SPC四种，截面高度和节宽度的比值为0.9。见表2.1。152.3普通V带传动的设计计算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条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。由式（2.5）、式（2.7）和式（2.9），并以f′代替f，可得单根V带在有打滑趋势时的有效拉力，即最大有效拉力：2.3.2设计准则及单根V带的基本额定功率为了使带传动有一定的疲劳寿命，应使σmax=σ1+σc+σb1≤σ,即σ1≤σ－σc－σb1（2.17）式中:［σ］——带的许用应力。162.3普通V带传动的设计计算设带传动传递的额定功率为P，KA为工作情况系数（表2.6），则计算功为PC=KAP（kW）（2.21）2.3.3普通V带的型号和根数的确定172.3普通V带传动的设计计算小轮直径应不小于表2.7所示的ddmin,否则将因弯曲应力过大而使带的寿命降低；但也不能过大，过大的带轮直径将使传动的外廓尺寸增大。选定小轮直径dd1后，要验算带速2.3.4主要参数的选择和计算1.选择带轮直径dd1、dd2,验算带速v对于普通V带传动，一般应使v在5～25m/s的范围内。大轮直径dd2=idd1。dd1、dd2应符合带轮最小基准直径尺寸系列（表2.7）和基准直径系列（表2.8）。182.3普通V带传动的设计计算果中心距未预先给定，则可按下式初步确定中心距a0确定a0后，可按式（2.2）初定V带的基准长度根据Ld从表2.5选取接近的基准长度Ld，再按下式近似计算出传动的中心距a≈a0+(Ld-L′d)/2(2.26)考虑安装调整﹑补充张紧的需要，中心距的变化范围为：（a-00015Ld）～(a+0.03Ld)。2.选择中心距a和带的基准长度Ld，验算小轮的包角α1192.3普通V带传动的设计计算保持适当的初拉力是带传动正常工作的重要条件，由式（2.8）可知带传动的最大有效拉力Femax与F0成正比；但初拉力过大将增大轴和轴承上的压力，并降低带的寿命。单根普通V带合适的初拉力可按下式计算：式中:PC——计算功率，kW;z——V带根数；v——V带速度,m/s;Kα——包角系数；q——V带单位长度的质量，kg/m。3.确定带的初拉力F0202.3普通V带传动的设计计算压轴力FQ即带传动作用在轴上的力，为了设计安装带传动的轴和轴承，必须计算压轴力FQ。可以不考虑带的两边的拉力差，近似地按带的两边初拉力F0的合力计算FQ（图2.13）4.计算压轴力FQ图2.13压轴力F0212.4同步带传动同步带是以细钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带。由于带的强力层承载后变形小；且内周制成齿状使其与齿形的带轮相啮合，故带与带轮间无相对滑动，构成同步传动，如图2.14所示。2.4.1同步带传动的特点和应用图2.14同步带结构与同步带传动222.4同步带传动（1)节距pb与基本长度Lp在规定张紧力下，同步带相邻两齿对称中心线的距离，称为节距pb。同步带工作时保持原长度不变的周线称为节线，节线长度上Lp为基本长度(公称长度)，轮上相应的圆称为节圆。如图2.14所示，显然Lp=pbz。(2)模数m与齿轮一样，也规定模数m=pb/π。2.4.2同步带的参数、类型和规格1.同步带的参数2.同步带的类型和规格同步带分为梯形齿和圆弧齿两大类，如图2.15所示。目前梯形齿同步带应用较广，圆弧齿同步带因其承载能力和疲劳寿命高于梯形齿而应用日趋广泛。同步带按结构分为单面和双面同步带两种型式。双面同步带按齿的排列不同又分为对称齿双面同步带(DA型)和交错齿双面同步带(DB型)两种，如图2.16所示。此外，还有特殊用途和特殊结构的同步带。本节仅讨论单面梯形齿同步带。232.4同步带传动图2.15梯形齿和圆弧齿同步形图2.16对称齿双面同步带和交错齿双面同步带242.4同步带传动1)同步带轮的材料及轮辐、轮毂结构同V带轮。为防止齿形带工作时从带轮上脱落，一般推荐小带轮两边均有挡圈，而大带轮则无挡圈；或大小带轮均为单面挡圈，但挡圈各在不同侧，如表2.10所示。2)同步带轮轮齿形状有渐开线齿廓和直边齿廓两种(用于梯形齿同步齿形带)，其中渐开线齿廓的同步带轮可借用齿轮刀具展成加工，齿廓具体尺寸请参阅有关手册。3)周节制同步齿形带轮的宽度如表2.11所示，节线长度如表2.12所示，直径如表2.13所示。4)周节制同步带轮标记由带轮齿数、带型号、轮宽代号和标准代号组成。2.4.3同步带轮252.4同步带传动262.4同步带传动272.4同步带传动已知条件：①传动功率；②小带轮和大带轮转速；③传动用途、载荷性质、外廓尺寸、原动机种类以及工作制度等，如图2.17所示。设计计算步骤如表2.14所示。2.4.4同步带传动设计图2.17同步齿形带选型图282.4同步带传动292.4同步带传动302.5V带轮的结构设计对V带轮的要求有质量小，结构工艺性好，无过大的铸造内应力，质量均匀，轮槽工作面具有较高的表面精度，轮槽的尺寸和角度具有一定的精度。制造V带轮的材料可采用灰铸铁、钢、铝合金或工程塑料，以灰铸铁应用最为广泛。当带速v≤25m/s时，采用HT150；v25m/s时采用HT200，速度更高的带轮可采用球墨铸铁或铸钢，也可采用钢板冲压后焊接带轮。小功率传动可采用铸铝或工程塑料。带轮由轮缘、轮辐、轮毂三部分组成。V带轮按轮辐结构不同分为四种型式，如图2.18所示。带轮基准直径dd≤(2.5～3)d0(d0为带轮轴直径)时可采用S型［实心带轮，图2.18(a)］；dd≤300mm时可采用P型［腹板式带轮，图2.18(b)］；当dd-dl≥100mm时，可采用H型［孔板式带轮，图2.18(c)］；dd300mm时可采用E型［轮辐式带轮，图2.18(d)］。每种型式根据轮毂相对腹板(轮辐)位置不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等几种，带轮的结构尺寸如表2.16所示。带轮的轮缘尺寸如表2.17所示，表