华中科技大学—机械设计—第05章挠性传动设计ppt课件.ppt

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1、中间有环形挠性构件的一种传动,带传动(belt drives)、链传动(chain drives)和绳传动,如：同步带传动、链传动等, 啮合型传动(toothed type),如：带传动、绳传动等,适用于中心距较大的场合,按工作原理分为：, 摩擦型(frictional type),挠性传动（Flexible drive）：,重点讨论摩擦型的带传动，和链传动,第05章 挠性传动设计,5 挠性传动设计,二、带的分类,一、带传动组成,主动轮(Driving sheave) 、从动轮(driven sheave) 、传动带(belts),V带 (V belt ),平带(Flat belt),多楔带(

2、Poly-rib),圆带(Round),结构简单，效率较高，中心距较大时用,传动能力较平带大，应用最广,用于较大功率、紧凑的场合,传递功率较小，用于轻、小型机械,5-1 带传动概述,5-1 带传动概述,按带的横截面形状，带可分为四种：,5-1 带传动概述,带体薄、软、轻，具有良好的耐弯曲性能，适合于小直径带轮或中心距很大的传动,高速传动时，带轮轮缘表面应有中间凸度，以防皮带滑移胶落,切边式：各层帆布不包叠，侧面为切割而成的平面,包边式：最外一层或数层帆布包叠，侧面为弧形面,平带简介：,5-1 带传动概述,也称“三角带”， V带又分为普通V带、窄V带、宽V带、齿形V带、汽车V带、大楔角V带和联组

3、V带等,结构简单、价格便宜，属应用最广的一种带传动, 普通V带：,V带简介：,工作面是两侧面，能产生比平带更大的摩擦力,5-1 带传动概述,与同型号的普通V带相比，其高度是后者的1.3倍, 窄V带：,自然状态下，带的顶面为拱形，受力后绳芯排列整齐，带芯受力均匀,带的两侧面为内凹形，弯曲变形后变直，能与轮槽保持良好的贴合,窄V带承载能力是普通V带的1.52.5倍，使用寿命更长,5-1 带传动概述,主要用于无级变速装置，常称为无级变速带, 宽V带：,带体宽，可有较大变速范围,带体较薄，以减小弯曲应力和纵向截面变形，但横向变形较大，比普通V带寿命短,为使调速机构灵活，使用时应保持良好的润滑,5-1

4、带传动概述,是切边V带的一种特殊形式，工作面为两侧面，横截面形状与一般的切边V带相同, 齿形V带：,长度方向的齿形可增加带的纵向柔度，使其可在小直径带轮上工作，且不降低横向刚度,5-1 带传动概述,是指用于驱动汽车发动机辅助设备的（如：风扇、发电机、水泵、空调压缩机等）专用V带, 汽车V带：,汽车对带的寿命和可靠性都有较高要求，有专门的国家标准,除了一般的拉伸强度要求外，还有疲劳寿命、耐高温、耐低温的要求等,有包布V带、切边V带和齿形V带之分,多楔带简介：,5-1 带传动概述,兼有平带和V带两者优点，柔软、韧性好，结构紧凑、效率高,带体为整体，传动时长短不一现象消除，充分发挥了胶带作用,空间相

5、同时，多楔带比普通V带的承载能力高约30%,适合于高速传动，v 40m/s，发热少、运转平稳,同步带简介：,5-1 带传动概述,兼有带、链和齿轮传动的优点,带与带轮间无相对滑动，传动比准确,适用的速度和功率范围广,为什么在相同条件下，V带传动能力较平带更大？,5-1 带传动概述,平带的摩擦力为：,V带的摩擦力为：,当量摩擦系数,故：相同条件下，V带的摩擦力大于平带，传动能力更强,摩擦系数,显然： f v f,本章主要讨论普通V带的设计计算！,三、普通V带的型号、结构：,5-1 带传动概述,普通V带:,h /bp0.7,其规格尺寸、性能、测量方法及使用要求均已标准化 ，只需按需要进行选用,按截面

6、的大小分为七种型号：,Y E，截面积逐渐增大,Y、Z、A、B、C、D、E,表5-1,承载能力相应增大,传动转速相应减小,5-1 带传动概述,V带楔角a 等于槽形角j 吗？为什么？,a j,a = 40，而j 40，取34，36和38,带受弯曲变形后，为保证带与轮槽工作面间能良好接触，槽形角j取得更小些,带轮直径越小，弯曲越厉害，槽形角j取得越小,帘芯结构,绳芯结构,1包布层；2顶胶；3抗拉体；4底胶,多层布帘，制造方便,V带结构：,线绳、尼龙绳和钢丝绳组成，高速轻载时用,V带的基准长度 Ld ：,在节线上量得的带周长,带轮的基准直径 dd (pitch diameter )：,与节线相对应的带

7、轮直径,四、带传动的几何参数和尺寸:,5-1 带传动概述,节线：带绕上带轮弯曲时，在带中保持原长度不变的周线,a1： 小带轮包角,a2 ：大带轮包角,a1 a2,带传动中心距(center distance)： a,接触弧所对应的圆心角,带轮包角 (angle of wrap)：,一、受力分析 (Force analysis),安装时带须张紧，张紧力为初拉力(initial tension)F0,带工作前：,带只受初拉力F0作用,5-2 带传动的受力分析及运动分析,5-2 带传动的受力分析及运动分析,带工作时：,带一边拉力增大到F1；一边拉力减小到F2,5-2 带传动的受力分析及运动分析,静止

8、时：两边拉力相等 ，均为F0,传动时：拉力增大的边称为紧边（主动边），力为F1,拉力减小的边称为松边（从动边），力为F2,紧边为绕进主动轮的一边，与带轮的转动方向有关！,紧边：F0F1拉力增加，带增长,松边：F0F2拉力减小，带收缩,带是弹性体，可认为其总长不变，则：,紧边拉力增量 松边拉力减量,Ff,F1F2,有效拉力(Effective tensile force)：,即：,F1 F0 F0 F2,故：,F1 F 2 2 F0, 即带所传递的圆周力 F,5-2 带传动的受力分析及运动分析,F,以主动轮侧的带为隔离体分析：,而有效拉力也必定与带沿接触弧上的总摩擦力Ff 相平衡,F1 F0 F

9、/2,F2 F0 F/2,5-2 带传动的受力分析及运动分析,F 1000 P / v,F与带速v（m/s）和传递功率P（kW）之间的关系为：,故：当v 不变时，P，F ,，因此： Ff,但对一定的带传动，其Ff有一个极限值Fflim，不可能无限增大, 由Fflim决定了带的承载能力,带轮的包角,当Ff 达到极限值Fflim （即将打滑）时：,F0 (F1 F 2) / 2,解得：,Fflim F1F2,故极限摩擦力为：,正常工作时，有效拉力不能超过此值, 初拉力F0,F0，承载能力，避免打滑,影响带承载能力的主要因素：, 包角a,但F0 过大，发热和磨损加剧，易松驰，带寿命缩短,a ，接触弧

10、长，承载能力,故传动比 i 不能太大和 a 不能太小, 摩擦系数 f,f ，承载能力,对V带而言，为当量摩擦系数 fv,i,a1,;,a,a1,因为：,5-2 带传动的受力分析及运动分析,设计时a1 1200，,承载能力计算时，应以a1代入进行计算，,a1 a2,但与材质、表面状态、环境（温度、湿度有关），比较难以控制,若F0 过小，工作潜力不能充分发挥，易打滑,二、带的应力分析(stress analysis),带横截面上的应力组成：, 拉应力(tension stress ), 弯曲应力(bending stress), 离心拉应力(centrifugal tensile stress )

11、,1、拉应力s1 、s2,紧边：,1 F 1/A MPa,松边：,2 F2 /A MPa,A：带的横截面积,两者相差越大，带越易产生疲劳破坏！,5-2 带传动的受力分析及运动分析,2、带的弯曲应力sb,带绕过带轮时会产生弯曲应力,显然：,sb1 sb2,弯曲应力只作用在绕过带轮的那一部分带上,y：节线至带最外层的距离,E：带的弹性模量,带轮直径越小，弯曲应力越大，所以基准直径不能过小,5-2 带传动的受力分析及运动分析,3、离心拉应力sc,带作圆周运动时产生离心力,微弧段dl为分离体，受离心力dc,两端拉力Fc 为离心拉力,离心拉(应)力作用于带的整个周长，且处处相等,注意：,q为带单位长度质

12、量，查表5-1,5-2 带传动的受力分析及运动分析,带横截面的应力为三部分应力之和,剖面上的应力分布：,最大应力发生在:,紧边开始进入小带轮处A点,带受变应力作用，使带产生疲劳破坏,5-2 带传动的受力分析及运动分析,三、带的弹性滑动(Elastic glides),带工作时，两边拉力不等，弹性变形也不同,绕过主动轮：,1、什么是弹性滑动？,绕过从动轮：,带在带轮上微量滑动的现象称之为弹性滑动！,两边拉力不等，弹性变形,拉力逐渐减小，带逐渐收缩，相对带轮向后滑动,拉力逐渐增大，带逐渐伸长，相对带轮向前滑动,5-2 带传动的受力分析及运动分析,弹性滑动是摩擦性带传动的固有特性，无法避免，是一种正

13、常现象！,滑动范围与有效拉力F成正比,若F Fflim，带在整个接触弧上滑动,打滑(slip),打滑是一种失效，应当避免！,（动画）,5-2 带传动的受力分析及运动分析,2、滑动率,主动轮: 带边走边缩短,从动轮: 带边走边伸长,v1 v带, v2,实际传动比：,V带： 0.010.02,粗略计算时忽略不计,5-2 带传动的受力分析及运动分析,一、失效形式, 打 滑,过载 (F Fflim)引起, 疲劳破坏,带受变应力的循环作用,二、设计准则,传递给定载荷时，不打滑且具有足够的疲劳强度和寿命,不打滑条件：,即：,5-3普通V带传动的设计,5-3 普通V带传动的设计,由上可得单根带在既不打滑又有

14、足够疲劳强度时所能传递的最大功率：,表5-2列出了单根V带在特定条件下所能传递的基本额定功率P0,要保证带不疲劳破坏：,即：,5-3 普通V带传动的设计,表5-2 单根普通V带的基本额定功率P0,5-3 普通V带传动的设计,特定条件：,载荷平稳、i=1，a1=180、特定带长,dd2，sb2，传动能力，功率, 带长不为特定带长：, 若i 1：,额定功率增量P0由表5-3查得！,带长，单位时间内应力循环次数，疲劳强度,带长修正系数 KL，查表5-5, 包角a1180,a1 180 ，传动能力,包角修正系数Ka ，查表5-4,故实际工作条件下，单根V带的额定功率为：,5-3 普通V带传动的设计,3

15、、V带传动的设计计算,传递的名义功率P ；,已知条件,主动轮转速n1 ；,从动轮转速n2 或传动比 i ；,传动位置要求 ；,工况条件、原动机类型等；,V带的型号、长度和根数；,设计内容,带轮直径和结构；,传动中心距 a ；,验算带速 v 和包角 ；,计算初拉力和压轴力；,5-3 普通V带传动的设计,1、确定计算功率Pc,工况系数（表5-6）,由Pc、n1确定（图5-7）,2、选择带的型号,5-3 普通V带传动的设计,（注意“空、轻载启动”和“重载启动” ）,dd1：,且需取标准值(表5-7),也取标准值,带轮愈小，弯曲应力愈大，带越容易疲劳,3、选取带轮基准直径dd1和dd2,dd1 ddm

16、in,dd2：,5-3 普通V带传动的设计,滑动率的影响在一般的带传动中可忽略，重要传动时需考虑,v应在525 m/s范围内,v，离心力 ，正压力，承载能力，易打滑,v，P一定时，有效拉力F，带的根数,4、验算带速v,最佳值：2025m/s, 初选中心距a0, 初算带长Ld0, 计算实际中心距a （应圆整）,否则：0.7(dd1+dd2) a0 2(dd1+dd2),a 过小，带短，易疲劳; 包角减小，降低承载能力,a 过大，结构尺寸太大，也易引起带的扇动, 取表5-5取相近的基准带长 Ld,5、确定中心距a和带的基准长度Ld,若空间结构尺寸有要求，则按要求值选定,6、验算小带轮包角a1 (

17、120),5-3 普通V带传动的设计,为何要验算小带轮包角？,根数不宜过多, 否则各带受力不均,7、确定带的根数,打滑首先产生在小带轮上，小轮包角大小反映了带的承载能力,F0，易打滑,8、确定初拉力F0,单根普通V带的初拉力：,9、计算压轴力FQ,反之 ，带寿命，轴及轴承受力,5-3 普通V带传动的设计,10、带轮的结构形式,实心式,辐板式,轮辐式,11、带传动的张紧,5-3 普通V带传动的设计,设计步骤总结:,1、确定计算功率 Pc KAP,2、根据n1、 Pc 选择带的型号,3、确定带轮基准直径dd1、dd2,4、验算带速v （v525m/s）,N,5、确定中心距 a 及带长 Ld,6、验

18、算主动轮的包角a1,7、计算带的根数 z,N,z 过多？,N,Y,8、确定初拉力 F0,9、计算压轴力 FQ,10、带轮结构设计,5-3 普通V带传动的设计, 带具有弹性，能缓冲、吸振，传动平稳，噪声小,一、优点：,带传动的主要特点：,5-3 普通V带传动的设计, 过载时，带在带轮上打滑，防止后续零件遭到破坏，直到保护作用, 适合在中心距较大场合, 结构简单，成本较低，制造、安装、维护都较方便, 带具有相对滑动，传动比不恒定,二、缺点：, 传动效率低，带寿命较短, 外部轮廓尺寸大, 需要张紧，支承带轮的轴及轴承受力较大, 不宜用在高温、易燃等场合,多级传动中，带传动一般放在高速级！,三、掌握带

19、传动的失效形式和设计准则,二、掌握弹性滑动和打滑的基本理论,一、掌握带传动的受力分析及应力分析,四、掌握带传动设计时的参数选择原则,带传动主要内容：,小带轮基准直径dd1 、带速v、包角、中心距、初拉力,5-3 普通V带传动的设计,摩擦型带传动工作时，两边拉力不等。有效圆周力即为拉力差，也等于接触弧上摩擦力总和。极限摩擦力与哪些因素有关？V带传动时横截面内存在哪些应力？哪些参数影响应力的大小？最大应力为多少？发生在何位置？,概念、弹性滑动和打滑的原因及二者的区别,打滑和疲劳破坏；在不发生打滑的条件下带有足够的疲劳强度和寿命,5-3 普通V带传动的设计,P127 题5-4，题5-8,作业,下周五

20、上课时交,注：题5-4可不用画带轮工作图！, 易安装，成本低，远距离传动时结构更轻便, 可做成变速器，如变速自行车, 传递功率比带传动大，效率较高, 瞬时速比变化，振动噪声大，不宜在高速中使用,一、链传动的组成及特点, 能在高温、潮湿、油污等恶劣环境下工作，且压轴力小, 适用的速度比带小， v 15 m/s,组成：主、从动链轮及链条,v 15m/s、P 100kW、i 8,5-4 链传动设计,5-4 链传动设计,二、链传动的类型,链按用途分：传动链、起重链和曳引链,滚子链应用较多，且为标准件,传动链可分：,滚子链 和 齿形链,传动链用于传递运动和动力，应用极广,5-4 链传动设计,结构：,内链

21、板、外链板、套筒、销轴和滚子,n 传递功率,链条尺寸,传递功率,三、滚子链的结构和主要参数,p,但n不宜多（载荷分配不均匀）,主要参数：, 节距，相邻两销轴中心距,标准值,Lp 链节数，表示链的长度，,Lp若为奇数，接头处需采用过渡链节，会产生附加弯矩,常取偶数，以便首尾相连；,链排数 n 单排或多排链,5-4 链传动设计,滚子链分A、B两个系列，常用A系列,滚子链标记：,链号排数链节数 标准编号,链号25.4/16节距 p,例：,10A2132 GB1243.11983,5-4 链传动设计,四、链传动的运动特性分析,1、链传动的平均速度v与平均传动比i,平均传动比：,链轮每转一圈，随之转过的

22、链长为zp,链条的平均速度v：,链轮抽象成正多边形，边长为节距 p ，边数等于链轮齿数 z,即：平均速度和平均传动比均为常数,5-4 链传动设计,2、链传动的运动不均匀性,设链条主动边处于水平位置,水平方向,垂直方向,主动轮侧：,b：v1与水平线的夹角,机械设计,v1,v,v1,销轴轴心A的圆周速度为v1,A,即为链速,和 是常数吗？为什么？,链节对应的中心角：,因此：,5-4 链传动设计,所以链速和垂直分速度均是变化的。,时：,时：,链节从进入到脱离啮合，链条前进的瞬时速度在周期性变化,垂直分速度亦周期性变化，使得链条上下抖动,链条垂直分速度：,链速：,z1j1v 和v的变化,5-4 链传动

23、设计,从动链轮侧：,则：,当主动轮匀速转动时，链条和从动轮的运动是不均匀的,B,瞬时传动比：,链速、从动轮角速度及瞬时速比在周期性变化，,此现象称多边形效应。,轴心B点处的圆周速度v2(设角速度为w2),5-4 链传动设计,3、链传动的动载荷,1) 链速v变化引起的动载荷, 链轮转速n越高, 齿数一定时，节距p越大,动载越大,2)链条垂直方向的动载荷,3)进入啮合时的冲击和动载荷, 直径一定时，齿数z越少,故设计时：v 12m/s，z19，p尽量选小些！, =j1/2时，,措施：齿数尽量取多些 节距尽量取小些 置于低速场合,5-4 链传动设计,1、失效形式, 铰链磨损导致节距变长，引起跳齿或脱

24、链；,五、链传动的失效形式及功率曲线, 链板疲劳断裂由于变应力作用产生疲劳断裂；, 冲击疲劳破坏反复冲击使滚子、套筒疲劳破坏；, 胶 合润滑不良且速度过高使销轴套筒间产生胶合；, 过载拉断载荷过大引起静强度破坏。,5-4 链传动设计,2、链传动的极限功率曲线,各种失效形式限定了链传动所能传递的极限功率的范围,俗称“帐篷曲线”,磨损失效,链板疲劳破坏,滚子冲击疲劳破坏,胶合失效,阴影线内为 极限功率范围,润滑不良或工作条件恶劣时,5-4 链传动设计,3、滚子链传动的额定功率曲线,根据特定条件下的实验结果，经修正后得到常用滚子链的额定功率曲线。,小链轮转速n1,链额定功率P0,确定链号,特定条件:

25、 z119、Lp100节、单排链 ,与带传动设计类似，确定不发生失效的链条规格(链号),5-4 链传动设计,当不能按推荐的方式润滑而使链传动润滑不良时，要根据链条的磨损失效所限定的额定功率选择链条，设计时应将额定功率P0适当降低：当链速v1.5m/s时，取图值的3060，无润滑时，取图值的15（寿命不能保证15000小时）；1.5m/s7m/s，而又润滑不当，则该传动不可靠，不宜采用,5-4 链传动设计,实际情况下的修正系数：,单排链,链长,齿数,齿数系数 Kz 或 Kz（表 5-12）,链长系数 KL（图 5 - 17）,多排链系数 KP（表 5-13）,特定条件下单排链所能传递的功率：P0

26、,实际情况下链条所能传递的功率：P0KzKLKpP0,链传动的计算功率:,要求,则:,P 需传递的名义功率,工作点落在曲线顶点的左侧（链板疲劳）,工作点落在曲线顶点的右侧（冲击疲劳）,KA 工况系数（表 5-11）,由 P0、n1查图5-15确定链号（按单排链）,单排链额定功率,5-4 链传动设计,四、链传动主要参数的选择, 链轮齿数,小链轮齿数 z1 愈多，,传动愈平稳，动载荷减小,通常取 z1 17，,且传动比 i 越小， z1可越多（表5-14）,表5-14,z1 应选为奇数，以使磨损均匀,大链轮齿数 z2 i z1 ，,常取 z2 120，,以防脱链,5-4 链传动设计, 节距 p,节

27、距 p 越大，承载能力越大,但 p 过大，运动越不均匀，冲击越大，且结构庞大,所以，高速重载时，宜选小节距多排链；,低速重载时，宜选大节距单排链, 中心距 a,常取 a （3050）p,a 过小，易疲劳；过大，易抖动,amax 80p,5-4 链传动设计,10、v 0.6m/s时应校核静强度,五、滚子链传动的设计方法,1、选择齿数 z1（按传动比 i）,2、确定齿数 z2z1i 120,3、确定链排数,5、确定系数KA、Kz、KL及Kp,6、计算所需的额定功率P0,7、根据n1及P0查额定功率曲线，确定链的型号和节距,4、初定中心距和链节数,8、计算实际中心距 a,9、计算压轴力 FQ,中心距

28、一般设计成可调整的。,极限拉伸载荷查表 5-10,5-4 链传动设计,六、链传动的润滑,油壶加油,油浴润滑,飞溅润滑,油泵,5-4 链传动设计,七、链轮结构,5-4 链传动设计,链传动主要内容,转速、齿数和节距,三、掌握链传动设计中的参数选择原则,二、掌握链传动的多边形效应及主要影响因素,小链轮、大链轮齿数、节距、中心距,一、掌握链传动的工作原理及特点,啮合传动，中心距大，瞬时速比周期性变化，振动，适合于低速级,5-4 链传动设计,V带传动与链传动比较：,带传动：摩擦力传递运动和动力,2、特点,1、工作原理,链传动：靠啮合传递运动和动力,带优点： 有过载保护作用 有缓冲吸振作用 运行平稳无噪音

29、,链优点： 平均传动比 i 准确，无滑动 结构紧凑，轴上压力小 传动效率高=98% 承载能力高P=100KW 成本低,链缺点： 瞬时传动比不恒定 传动不平稳 传动时有噪音、冲击,带缺点： 有弹性滑动，使传动比i不恒定 张紧力较大，轴上压力较大 结构尺寸较大、不紧凑 打滑，使带寿命较短 带与带轮间会产生摩擦放电，不适宜高温、易燃、易爆的场合,一般用在高速级,一般用在低速级,5 挠性传动动设计,轴上受力较小,传动装置复杂,过载无保护,缓冲性不好,靠摩擦传动,靠啮合传动,缓冲、吸振,过载保护,传动装置简单,轴上受力较大,传动比恒定,传动比不恒定,外廓尺寸较小,外廓尺寸较大,寿命较长,寿命较短,靠啮合传动,振动冲击较大,过载无保护,传动装置简单,轴上受力较小,瞬时速比变化,外廓尺寸较大,寿命较长,速度适应范围广,适合于高速级,适合于低速级,几种传动形式的优、缺点比较：,5 挠性传动动设计,传动方案比较,5 挠性传动动设计,无级变速器原理 ：,5 挠性传动动设计,