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07第7章带传动

第7章带传动

带传动是一种应用很广的挠性机械传动。

本章将介绍V带传动的工作原理、应用、类型、工作能力分析、标准规范和设计计算方法等。

7.1带传动的工作原理和应用

7.1.1带传动的工作原理及特点

1.带传动的工作原理

带传动一般由主动带轮、从动带轮和紧套在两带轮上的带及机架组成。

图7.1a所示为摩擦型带传动，当主动轮转动时，借助带与带轮接触面间的压力所产生的摩擦力来传递运动和动力。

图7.1b所示为啮合型带传动,利用带上凸齿与齿槽啮合进行传动。

（a）（b）

图7.1带传动

2.带传动的特点

带具有良好的弹性，能够缓冲和吸振，因此传动平稳、噪声小。

过载时，带与带轮间产生打滑，可以防止损坏其它零件，起到安全保护的作用。

带传动结构简单，制造、安装和维护方便，成本低廉。

带在工作时，会产生弹性滑动，因此，传动比不能严格保持不变。

带传动的轮廓尺寸大，传动效率较低。

因此，带传动一般传递功率为50～100kW，带速为（5～25）m/s，传动比不超过5，效率约为0.92～0.97。

7.1.2带传动的类型和应用

摩擦型带传动按带的截面形状可分为：

平带（图7.2a），V带（图7.2b）、多楔带（图7.2c）和圆带（图7.2d）。

图7.1b所示为同步带传动则属于啮合型传动。

若不特别指明，本章主要讨论摩擦型带传动的问题。

1.平带传动

平带是由多层胶帆布构成，其横截面形状为扁平矩形，工作面是与带轮轮面相接触的内表面。

平带传动的结构最简单，主要用于两轴平行、转向相同的较远距离的传动。

2.V带传动

V带的横截面形状为等腰梯形，带轮的轮槽也是梯形，与轮槽相接触的两侧面为工作面。

根据槽面摩擦原理，在相同张紧力和相同摩擦系数的条件下，V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，所以V带传动可传递较大的功率，结构更紧凑，V带传动在机械传动中应用最广泛。

V带按其宽度和高度相对尺寸的不同，又分为普通V带、窄V带、宽V带、汽车V带、齿形V带、大楔角V带等多种类型。

目前，普通V带应用最广，本章主要讨论普通V带的设计问题。

图7.2带传动的主要类型

3.多楔带传动

多楔带相当于平带与多根V带的组合，工作面是楔带的侧面，它兼有两者的优点，柔性好，摩擦力大，传递功率大，多用于结构要求紧凑的大功率传动中。

4.圆形带传动

圆形带的截面形状为圆形，仅用于如缝纫机、仪器等低速、小功率的传动。

5.同步带传动

同步带传动是啮合型带传动。

同步带除保持了摩擦带传动的优点外，还具有传递功率大，传动比准确等优点，多用于要求传动平稳、传动精度较高的场合，如录音机、电子计算机、数控机床、纺织机械等。

7.1.3V带的结构及规格

1.V带的结构

V带的截面结构如图7.3所示，其中图a是帘布结构，图b是绳芯结构。

其中帘布结构的V带，制造方便、抗拉强度好；而绳芯结构的V带，柔韧性好、抗弯强度高，适用于带轮直径小、转速较高的场合。

其结构均由下面几部分组成：

1）包布：

由橡胶帆布制成，起保护作用；

2）顶胶：

由橡胶制成，当带弯曲时承受拉伸；

3）底胶：

由橡胶制成，当带弯曲时承受压缩；

4）抗拉体：

由几层挂胶的帘布或浸胶的棉线（或尼龙）绳构成，承受基本拉伸载荷。

（a）（b）

图7.3V带的截面结构图7.4带轮基准直径

当V带受弯曲时，顶胶伸长，而底胶缩短，只有在两者之间有一层既不受拉也不受压的中性层长度不变，称为节面。

带的节面宽度称为节宽bp,当带绕在带轮上弯曲时，其节宽保持不变。

在V带轮上，与所配用V带的节宽bp相对应的带轮直径称为基准直径dd（图7.4）。

2.V带的规格和基本尺寸

V带有基准宽度制和有效宽度制，本章采用的是基准宽度制。

普通V带已标准化，标准普通V带通常制成无接头的环形带。

在GB11544-89中，按其截面尺寸由小到大分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，见表7.1。

表7.1普通V带的截面尺寸（摘自GB11544-1989）

型号

bp（mm）

5.3

8.5

11.0

14.0

19.0

27.0

32.0

b（mm）

h（mm）

40°

V带在规定的张紧力下，位于带轮基准直径dd上的周线长度称为基准长度Ld。

V带的公称长度以基准长度Ld表示（如图7.5）。

普通V带基准长度系列Ld及长度系数KL见表

7.2。

图7.5V带的公称长度

表7.2普通V带的基准长度系列及长度系数

基准长度

Ld（mm）

长度系数KL

200

0.81

224

0.82

250

0.84

280

0.87

315

0.89

355

0.92

400

0.96

0.87

450

1.00

0.89

500

1.02

0.91

560

0.94

630

0.96

0.81

710

0.99

0.82

800

1.00

0.85

900

1.03

0.87

0.81

1000

1.06

0.89

0.84

1120

1.08

0.91

0.86

1250

1.11

0.93

0.88

1400

1.14

0.96

0.90

1600

1.16

0.99

0.92

0.83

1800

1.18

1.01

0.95

0.86

2000

1.03

0.98

0.88

2240

1.06

1.00

0.91

2500

1.09

1.03

0.93

2800

1.11

1.05

0.95

0.83

3150

1.13

1.07

0.97

0.86

3550

1.17

1.09

0.99

0.89

7.2带传动的受力分析和应力分析

7.2.1受力分析

安装带传动时，传动带即以一定的张紧力F0紧套在两个带轮上。

由于F0作用，带与带轮相互压紧，并在接触面之间产生一定的正压力。

带传动未工作时，传动带上下两边的拉力相等，都等于F0（如图7.6a所示）。

F0又称为初拉力。

带传动工作时，主动轮1以转速n1转动，通过带与带轮接触面间产生的摩擦力Ff，驱动从动轮以转速n2转动，此时带两边的拉力不再相等。

如图7.6b所示，作用在主动轮处带上的摩擦力的方向与主动轮的转向相同；作用在从动轮处带上的摩擦力的方向与从动轮的转向相反。

因此带两边的拉力也发生变化，带绕上主动轮的一边被拉紧，称为紧边，其拉力由F0增大到F1；带绕上从动轮的一边则被放松，称为松边，带的拉力由F0减少到F2。

图7.6带传动的工作原理图

设带的总长度不变，则带紧边拉力的增加量应等于松边拉力的减少量，即

F1－F0=F0－F2

F1+F2=2F0（7.1）

在图7.6b中，当取主动轮一端的带为分离体时，则总摩擦力Ff和两边拉力对轴心的力矩的代数和为零。

即：

Ff=F1－F2

在带传动中，紧边拉力和松边拉力之差就是带传动传递的圆周力，称为有效拉力F，它在数值上等于任意一个带轮接触弧上的摩擦力总和Ff，即：

F=Ff=F1－F2（7.2）

带传动所能传递的功率P为：

（kW）（7.3）

式中：

F——有效拉力（N）；

v——带的速度（m/s）。

由上式可知，当带速一定时，传递的功率愈大，则有效拉力愈大，所需带与轮面间的摩擦力也愈大。

7.2.2应力分析

带传动工作时，带中的截面产生的应力包括三部分：

1.拉应力

在带传动工作时，紧边和松边由拉力产生的拉应力分别为

（7.4）

式中：

、

紧边、松边上的拉应力（MPa）；

F1、F2紧边、松边的拉力（N）。

A带的截面面积（mm2）；

2.离心应力

当带以切线速度v沿带轮轮缘作圆周运动时，带本身的质量将引起离心力。

离心力将使带受拉，在截面上产生离心拉应力。

离心应力沿带的全部长度分布相等。

（MPa）（7.5）

式中：

带速（m/s）；

带单位长度上的质量（Kg/m）。

3.弯曲应力

带绕过带轮时，由于弯曲变形，从而产生弯曲应力，如图7.7所示。

带的弯曲应力为

（7.6）

式中：

弯曲拉应力（MPa）；

h带的高度（mm）；

ddV带的基准直径（mm）；

E带材料的弹性模量（MPa）。

由上式可知，带轮直径愈小，则带所受的弯曲应力就愈大。

小带轮处的弯曲应力大于大带轮处的弯曲应力，设计时应限制小带轮的最小直径。

图7.7表示带工作时的应力分布情况。

带中产生的最大应力发生在带的紧边开始绕入小带轮处，其值为：

（7.7）

图7.7带工作时的应力分布情况示意图

7.3带传动的弹性滑动与失效形式

7.3.1带传动的弹性滑动

带是弹性体，在传动过程中，由于受拉力而产生弹性变形。

带在工作时，带两边（紧边和松边）的拉力不同，因而弹性变形也不同。

如图7.8所示，当带的紧边在a点绕上主动轮1时，带速v与带轮1的圆周速度v1相等，但在轮1由a点转动到b点的过程中，带所受的拉力由F1逐渐降到F2，带的弹性变形也就随之逐渐减小，因而带沿带轮的运动是一面绕进，另一面又相对主动轮向后缩，故带速v低于主动轮1的圆周速度v1。

同理，带绕进从动轮2由点c转动到点d的过程中，作用在带上的拉力由F2逐渐增大到F1，带的弹性变形也逐渐增加，这时带一面随从动轮绕进，另一面又相对从动轮向前伸长，带速v高于从动带轮2的圆周速度v2。

由于带的弹性变形而引起带在带轮上滑动的现象，称为弹性滑动。

弹性滑动是带传动工作时的固有的特性，是不可避免的。

图7.8带传动的弹性变形

由上述分析可知，因弹性滑动的影响，将使从动轮的圆周速度v2低于主动

轮的圆周速度v1，从动轮圆周速度降低的程度可用滑动率

来表示

（7.8）

此时，从动轮实际的转速和带传动实际传动比分别为

（7.9）

式中：

dd1,dd2——分别为两个带轮的基准直径（mm）。

由于滑动率随所传递载荷的大小而变化，不是一个定值，故带传动的传动比亦不能保持准确值。

带传动正常工作时，其滑动率

≈1％～2％，在一般情况下可以不予考虑。

7.3.2带传动的失效形式

1.打滑

当其他条件不变且初拉力一定时，带与带轮接触面之间的摩擦力有一极限值。

当传递的有效拉力F超过带与轮面间的极限摩擦力时，带就会在带轮轮面上发生明显的全面滑动，这种现象称为打滑。

打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，传动失效。

在正常工作时，应当避免出现打滑现象。

当带开始打滑时紧边拉力F1，与松边拉力F2之间的关系可以用欧拉公式表示：

（7.10）

式中：

f带与带轮面间的摩擦系数；

带轮的包角，即带与带轮接触弧所对应的圆周角（rad）；

自然对数的底，即e=2.718…

因此，根据式（7.1）、（7.2）可推出最大有效拉力为：

（7.11）

由式（7.11）可知，最大有效拉力与下列的因素有关：

（1）初拉力F0

最大有效拉力F与F0成正比。

F0越大，则带与带轮之间的正压力越大，传动时的摩擦力就越大，即F也越大。

但F0过大时，将使带的磨损加剧，缩短了带的工作寿命；如F0过小，带的工作能力不能充分发挥，运转时带易发生跳动和打滑。

（2）摩擦系数f

f越大，摩擦力就越大，传动能力越大，即F也越大。

而摩擦系数f与带及带轮的材料、表面状况、工作环境等有关。

（3）包角

最大有效拉力F随包角

的增大而增大。

因为包角

增大，带与带轮之间的摩擦力总和增加，从而提高了传动的能力。

因此，设计时为了保证带具有一定的传动能力，要求V带小轮上的包角

≥120°。

另外，要注意带的弹性滑动和打滑是截然不同的概念，打滑是由于超载所引起的带在带轮上的全面滑动，是可以避免的。

2.疲劳破坏

由图7.7可知，作用在带上某一截面上的应力随着带的运转的位置而不断变化的，即带是处于变应力状况下工作的，当应力循环次数达到一定数值后，传动带在变应力的反复作用下，发生裂纹、脱层、松散、直至断裂。

将引起带的疲劳破坏。

7.4V带轮结构和带传动张紧装置

7.4.1普通V带轮材料与结构

1.普通V带轮材料

V带轮常用的材料是铸铁。

当v≤25m/s时，常用牌号为HT150；当v≥25～30m/s时，常用牌号为HT200；高速带轮可采用铸钢或钢板焊接而成；小功率时也可采用铸铝或工程塑料。

2.普通V带轮结构

（1）实心式

如图7.9a所示，当带轮的基准直径dd≤（2.5～3）d（d为轴的直径）时采用实心带轮。

图7.9V带轮结构

（2）腹板式（或孔板式）

如图7.9b所示，当带轮的基准直径dd≤（250～300）mm时采用腹板带轮（或孔板带轮）。

（3）轮辐式

如图7.9c所示，当带轮的基准直径大于350mm时，多采用轮辐带轮。

V带轮轮槽尺寸见表7.3。

V带轮的最小基准直径ddmin及基准直径系列见表7.4。

其他结构尺寸的确定可参照图7.9所列的经验公式计算，画出带轮工作图。

表7.3普通V带轮的最小基准直径ddmin及基准直径系列

V带轮槽型

ddmin/mm

125

200

355

500

基准直径系列

2831.535.54045505663717580（85）90（95）100112118125132140150160（170）180200212224（236）250（265）280315355375400（425）450（475）500（530）560630…

表7.4V带轮轮槽尺寸

型号

5.3

8.5

11.0

14.0

19.0

27.0

32.0

1.6

2.0

2.75

3.5

4.8

8.1

9.6

4.7

8.7

10.8

14.3

19.9

23.4

8±0.3

12±0.3

15±0.3

19±0.4

25.5±0.5

37±0.6

44.5±0.7

11.5

5.5

7.5

（

为轮槽数）

≤60

≤80

≤118

≤190

≤315

＞60

≤475

≤600

＞80

＞118

＞190

＞315

＞475

＞600

7.4.2带传动的张紧装置

普通V带长期在张紧状态下工作，会产生塑性变形而出现松弛现象，使带的初拉力减小，承载能力降低。

因此，必须将带重新张紧，以保证带传动正常工作。

常用的几种张紧装置如图7.10所示。

1.定期张紧装置

图7.10a、b是采用滑轨和调节螺钉或采用摆动架和调节螺栓改变中心距的张紧方法。

前者适用于水平或倾斜不大的布置，后者适用于垂直或接近垂直的布置。

图7.10带传动的张紧装置

2.利用张紧轮的张紧装置

当带传动的中心距不能调节时，可以采用张紧轮将带张紧，如图7.10c所示，它靠平衡锤将张紧轮压在带上，以保持带的张紧。

张紧轮一般安装在松边的内侧，使带只受单向弯曲。

为了保证小带轮包角，张紧轮应尽量靠近大带轮安装。

3.自动张紧装置

图7.10d是采用重力和带轮上的制动力矩，使带轮随浮动架绕固定轴摆动而改变中心距的自动张紧方法。

为了延长带的寿命，保证带传动的正常运转，必须重视正确地使用和维护保养。

使用时注意：

1）安装带时，最好缩小中心距后套上V带，再予以调整，不应硬撬，以免损坏胶带，降低其使用寿命。

2）严防V带与油、酸、碱等介质接触，以免变质，也不宜在阳光下曝晒。

3）带根数较多的传动，若坏了少数几根需进行更换时，应全部更换，不要只更换坏带而使新旧带一起使用；这样会造成载荷分配不匀，反而加速新带的损坏。

4）为了保证安全生产，带传动须安装防护罩。

7.5V带传动的设计计算

7.5.1设计准则和单根V带的许用功率

1.带传动的设计准则

根据前面的分析可知，带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏，所以带传动的设计准则为：

在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和使用寿命。

2.单根V带的许用功率

单根V带所能传递的功率P0与带的型号、长度、带速、带轮直径、包角大小以及载荷性质等有关。

为了便于设计，测得在载荷平稳，包角为180°及特定长度的实验条件下，单根V带在保证不打滑并具有一定寿命时所能传递的功率P0（kW），称为额定功率。

各种型号的P0值见表7.5。

表7.5单根普通V带的基本额定功率P0（摘自GB/T13575.1-1992）

（在包角=180、特定长度、平稳工作条件下）（kW）

带型

小带轮基准直径dd1/mm

小带轮转速n1/（r/min）

400

730

800

980

1200

1460

2800

0.06

0.08

0.09

0.14

0.09

0.13

0.17

0.20

0.10

0.15

0.20

0.22

0.12

0.18

0.23

0.26

0.14

0.22

0.27

0.30

0.16

0.25

0.31

0.36

0.26

0.41

0.50

0.56

100

112

125

0.27

0.39

0.47

0.56

0.67

0.42

0.63

0.77

0.93

1.11

0.45

0.68

0.83

1.00

1.19

0.52

0.79

0.97

1.18

1.40

0.60

0.93

1.14

1.39

1.66

0.68

1.07

1.32

1.62

1.93

1.00

1.64

2.05

2.51

2.98

125

140

160

180

200

0.84

1.05

1.32

1.59

1.85

1.34

1.69

2.16

2.61

3.05

1.44

1.82

2.32

2.81

3.30

1.67

2.13

2.72

3.30

3.86

1.93

2.47

3.17

3.85

4.50

2.20

2.83

3.64

4.41

5.15

2.96

3.85

4.89

5.76

6.43

200

224

250

280

315

400

2.41

2.99

3.62

4.32

5.14

7.06

3.80

4.78

5.82

6.99

8.34

11.52

4.07

5.12

6.23

7.52

8.92

12.10

4.66

5.89

7.18

8.65

10.23

13.67

5.29

6.71

8.21

9.81

11.53

15.04

5.86

7.47

9.06

10.74

12.48

15.51

5.01

6.08

6.56

6.13

4.16

当实际使用条件与实验条件不符合时，应当加以修正，修正后即得实际工作条件下单根V带所能传递的功率，称为许用功率[P0]。

[P0]的计算公式如下

式中：

Kα包角系数，考虑不同包角α对传动能力的影响，其值见表7.6；

KL长度系数，考虑不同带长对传动能力的影响，其值见表7.2。

△P0功率增量（kW），考虑传动比

时带在大带轮上的弯曲应力较小，从而使P0值有所提高，△P0值见表7.7。

表7.6包角系数Kα

包角α

100

110

120

130

140

Kα

0.56

0.62

0.68

0.73

0.78

0.82

0.86

0.89

包角α

150

160

170

180

190

200

210

220

Kα

0.92

0.95

0.96

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

表7.7单根普通V带

时额定功率的增量△P0（摘自GB/T13575.1-1992）（kW）

带型

小带轮转速n1/（r/min）

传动比i

1.00

1.01

1.02

1.04

1.05

1.08

1.09

1.12

1.13

1.18

1.19

1.24

1.25

1.34

1.35

1.51

1.52

1.99

2.0

400

730

800

980

1200

1460

2800

0.00

0.01

0.00

0.01

0.02

0.00

0.01

0.02

0.00

0.01

0.03

0.00

0.01

0.02

0.03

0.00

0.01

0.02

0.03

0.00

0.01

0.02

0.04

0.01

0.02

0.04

0.01

0.02

0.03

0.04

400

730

800

980

1200

1460

2800

0.00

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