对同步带传动技术的种类、特点及研究现状进行了综述,介绍了几种新型带的传动技术,探讨使用同步带应注意的问题,提出带传动技术的重点研究方向。
带传动是重要的机械传动形式之一。具有以下
优点:①弹性和挠性、可吸收振动、缓和冲击;②传动平稳、噪声小;③过载时传动带与带轮间可发生相对滑动,起到保护作用;④适用于中心距较大的场合;⑤结构简单,制造、安装、维护方便。在机械设备,特别是汽车工业、家用电器和办公机械及各种新型机械装备中普遍使用。
传动带最初由皮革制造,19世纪中叶为橡胶所取代。20世纪60年代开始,陆续由NR、SBR转向CR、PUR。80年代又进一步扩大到采用CSM和HN2BR。随着工业技术水平的不断提高,以及对机械设备精密化、轻量化、功能化和个性化的要求不断向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、长寿命、低噪声、低振动、低成本和紧凑化发展,带传动应用范围越来越广,在许多场合替代了其它传动形式。其品种规格向多样性发展,由传统的普通包布V带和普通平带发展出窄V带、宽V带、广角带、联组V带、切边V带、多楔带、同步带、平带等。1现有摩擦带传动技术种类及特点摩擦带传动包括平带传动、V带传动、多楔带传动及双面V带、圆型带传动等[1]
。
1.1平带传动
平带是传动带最老的一个品种,约有100余年的历史。平带传动中带的截面形状为矩形,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。如图1所示。
平带传动以结构简单、传动方便、不受距离限制、容易调节更换等特点,在各种机械中得到普遍采用。
近年来,在纺织机械、精密机床中采用了尼龙片基平带,以橡胶、PVC、皮革或聚氨脂作覆盖层,用尼龙片基作骨架材料,强度大、伸长小、效率高,比一般平带传动节能15%以上。
平带宽度一般为16～600mm,长度可达100～200m,带中最常见的是帆布带,分为包层式、叠层式和叠包式三种。叠层带为包层带(又称圆边带)的改进产品,带体柔软,富有弹性,耐屈性好,适于在小带轮和20m/s以上的快速传动装置使用。而叠包带介于两者之间,用于边部易受磨损的传动。
1.2三角带传动
三角带传动又称V带传动,带的截面形状为等腰梯形,如图2所示。工作时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带传动的摩擦力比平带传动约大70%,其承载能力也比平带传动高。在一般的机械传动中,V带传动现已取代了平带传动,成为常用的带传动装置,是传动带中产量最大、品种最多、用途最广的一种产品。自从1917年首次由美国制成汽车风扇带,20年代初开始推广之后,半个多世纪以来久用不衰,发展十分迅速。从20世纪60年代开始,为提高传动带的耐久性,又出现了切边式V型带。这种切边V型带,由于胶带结构侧面没有包布,带体十分柔软,耐屈挠疲劳性能非常好,因而得到迅速发展。
1.2.1窄型和宽型三角带传动
窄型V带是美国盖茨公司20世纪50年代开发的一种全新系列高马力V带品种,由于结构合理,强力层线绳受力均匀、传动功率大、传动结构紧凑等,很快就取代普通V带,作为V带的主要产品。普通三角带的宽高比为1∶1.5～1.6,而窄型和宽型的三角带分别为1∶1.2和1∶2。窄型V带的结构尺寸比普通V带可以减少约50%,能节省大量原材料,同时强力均匀,有效接触面积大,弯曲应力小,允许挠曲次数高,可延长使用寿命。目前,3种窄型V带可代替6种标准带,传递功率1～1200kW。3V、5V、8V比标准带高0.51～1.5倍,适用于大功率、要求结构紧凑的传动。其传动效率可达90%～97%,适于短距离、小带轮于变速传动,故又称之为变速带。其特点是在带的上下表面,大多制成单面或双面的弧形或齿形状态,使之易于调速,主要用于低速圆锥式和圆盘式无级变速器中。
1.2.2小楔角和大楔角三角带传动
它同普通三角带的主要区别是,楔角由40°改为30°和60°左右。小楔角V带能使接触面减小,降低所需张力,可延长使用寿命,适于设备的小张力传动。大楔角三角带采用纶绳作强力层,其基体为聚氨脂橡胶浇注而成。大楔角V带为上半部呈矩形,下半部呈倒梯形的六角带,能使摩擦损失减小,承载能力增大,带体柔软,适于轻小型设备的高速传动。
1.2.3活络三角带
活络带由多个小段以金属螺钉连结而成。冲孔带在带体纵向冲有许多等距的透孔用以连接接头。这种V带都是可以接头的三角带,可根据需要长度随意自由接头定长。它弥补了普通三角带无接头,只能按规定长度使用的限制。另外,使用中当三角带体出现局部损坏后,可更换损坏部位继续使用,同时,还具有可自由调节长度的优点。但因强度较低,只能用于低速传动,又由于存在精确度低、传动效率差等问题,近年来使用日趋减少。
1.2.4汽车V带
1911年美国人盖茨发明的V带最早用于汽车以驱动冷却风扇,20世纪70年代,切边V带慢慢替代包布式V带,到20世纪80年代完全被切边V带和多楔带取代。我国最早是1945年由上海民业橡胶厂为进口汽车配件而生产,20世纪50年代,国营上海化工厂按原苏联标准为我国第一辆解放牌汽车配套。20世纪80年代中期,我国一些汽车及拖拉机V带和气泵带的专业生产厂家与南京玻璃纤维研究院合作,成功研制了玻纤帘线强力层风扇带和气泵带,并投入批量生产。玻纤风扇带和气泵带断裂强力高、断裂伸长率小,传输功率大,使用寿命长,正常情况下可行驶4～5万km。
1.2.5农机V带
指专用于农业作业、园艺等设备用传动带,其品种规格几乎包括所有的V带品种和少量的平带及异形带等,其中最主要的联合收割机主传动无极变速器用变速V带(无极变速带)。其特点是工作环境恶劣(日晒雨淋、泥沙粉尘和油污等)、低速高负荷、高冲击、极度拉伸曲挠和大打滑生热,因此形成独立的标准体系。
1.3多楔带传动
多楔带传动在平带的基体下做出许多纵向楔,带轮也有相应的环形轮槽,其工作面为楔的侧面,具有极高的灵活性、柔性,运动平稳、摩擦力大、传递功率大、张紧力小、传动比范围大、传动速度高,结构合理、使用寿命长,兼有平型带和三角带的优点而弥补其不
足。适用于要求结构紧凑,传动功率较大场合,特别适合要求三角带根数多,垂直地面的平行轴传动。但对多楔带与轮槽间距均匀性要求较高,否则会产生有些楔面不接触或接触不良其楔面摩擦效应大大减弱。多楔带传动如图3所示。
20世纪80年代以来,为解决三角带多根成组传动时因产生不一样长而带来的传动效率和使用寿命下降等问题,在多根三角带的上底用一层薄的橡胶联
接起来,习惯称之为联组三角带的V型平带,具有极大的优越性,因而又出现V型平带取代包布式和切边式三角带的现象。这种三角带与平带结合的胶带,虽然对带轮沟槽有特殊的要求,然而由于带体很薄,与带轮的接触面积大、弯曲性好、带轮缩小,使传动装置进一步小型化、节能化,可补偿槽距误差,弥补了多楔带的缺点。在世界发达国家的生产量急剧增长。目前,多楔带生产状况在我国逐渐形成规模,生产设备基本为引进或吸收消化制造,产品质量较好,持续大批量为汽车等多种机械传动装置配套。
1.4圆型带传动
圆型带传动中带的截面形状为圆形,圆型带有圆皮带、圆绳带、圆锦纶带等,可自由弯曲驱动。其传动能力小,主要用于v<15m/s,i=0.5～3的小功率传动。这种带多为聚氨酯制造,通常没有芯体,结构简单,使用方便。圆型带为胶带传动开辟了新的途径,世界各国在小型机床、缝纫机、精密机械等方面需用量急剧增长,今后潜力很大。
1.5高速带传动
带速v>30m/s,轴转速n=10000～50000r/min的带传动属于高速带传动。传动要求运转平稳、传动可靠并具有一定的寿命。高速带常采用质量轻、薄而均匀、挠曲性好的环形平带,过去多用丝织带和麻织带,近年来国内外普遍采用锦纶编织带、薄型锦纶片复合平带等。
图3多楔带图4圆带
2几种新型摩擦带[2]
(1)为增大拉力,研制出图5所示的一种新型V带(ZL0222163L6),它是现有橡胶V带的升级换代产品。由若干块带梯形槽的钢片沿V带长度方向重叠成环形,所有梯形槽分布在V带的外缘而构成V带外缘的环形槽,环形槽内有多匝钢丝绳;橡胶带及钢丝绳将重叠的钢片固定成一条环状V带。这种新型V带能承受很大的正压力、摩擦、温度及磨损。由一排钢丝绳承受长度方向的拉力,能传递很大的功率。而橡胶带一方面固定钢丝绳,另一方面,又由钢片的梯形槽夹紧橡胶带。具有传动能力强、结构紧凑、体积小、性能价格比低、寿命长等优点。
这种新型V带技术效果是,当V带的型号尺寸相同时,其传递的功率比现有橡胶带大数倍;当传递的功率相同时,其型号尺寸小,V带根数少,V带长度小,皮带轮小,体积比橡胶带小数倍。V带用普通钢制成,因此,可节约大量的橡胶。
(2)柱绳式V带
将钢柱平行排成环形,每根钢柱的两端有与皮带锥面配合的斜面,每一斜面上有与该斜面同方向的通槽,在外环形上分布有相互平行且与钢柱垂直的钢丝绳绕组,将各钢柱编织在一起,然后压于硫化橡胶中,形成平整的V带,柱绳式V带(2L01257040.0)。该V带能承受更大的拉力,故传递功率大、寿命长、体积小、外形简单、节约橡胶材料、成本低,柱绳式V带外形及编织图如图6、7所示。
如图8所示,传动带的动力传递过程如下:主动
皮带轮的斜面与V带的若干钢柱1斜面接触,在两者正向压力和摩擦力作用下,将动力传给若干根钢柱,这些钢柱经过内力绕组,将动力传给拉力绕组的钢丝绳2;拉力绕组的钢丝绳再将动力传动给与从动皮带轮接触的内力绕组的钢丝绳,内力绕组再将动力传给与从动皮带轮接触的若干钢柱,然后传给从动皮带轮。在整个动力传递过程中,橡胶均不受力的作
用。
柱绳式V中的技术效果是当传动装置的体积相同时,它比现有V带传递的功率高10倍以上:当传递功率相同时,它构成传动装置的体积比现有V带小,寿命比现有V带长,节约橡胶材料,成本低。与现有金属带比较,柱绳式V中由于各钢柱相隔一定距离,互不影响,钢丝绳具有很好的柔性,传动平稳,工作可靠。钢柱形状简单,拉力绕组与内力绕组为标
准件,生产成本低。
3现有啮合带传动(同步带传动)技术分析
啮合带传动也称同步带传动,如图9、10所示,分为单面齿同步带和双面齿同步带两种类型。前者主要用于单轴传动,后者为多轴或反向传动。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为承载层(无接头带),氯丁橡胶或聚氨酯为机体,通过带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合运动。由于抗拉层受载后变形很小,能保持同步带周节不变,带与轮无相对滑动,从而保证了同步传动,因此它兼有带传动和齿轮啮合传动的特性和优点。带的最基本参数是节距,它是在规定的张紧力下,同步带纵截面上相邻两齿对称中心线的直线距离[3]
由于不是靠摩擦力传递动力,带的预紧力很小,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。同步带根据齿的形状又分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种,圆弧形齿的载能力高,疲劳寿命高。以圆弧形齿的同步带所承受的扭矩为最大,载能力高。从所用材料上,齿型带可区分为橡胶型和聚氨酯型两大类,而前者又有普通橡胶和特种橡胶之分,是由钢帘线或玻璃纤维组成的强力层和以橡胶及尼龙布形成的外包橡胶层或聚氨酯胶层构成。同步带带型如下:MXL为最轻型;XXL为超轻型;XL为特轻型;L为轻型;H为重型;XH为特重型;XXH为超重型。
4使用同步带应注意的问题[4]
(1)带轮使用寿命及齿形精度对同步带传动有重要影响。超过使用寿命,齿廓形状变化,带齿与带轮轮齿不能正确啮合,则会造成同步齿形带在短期内失效。
(2)同步齿形带传动中,为避免同步带从带轮一侧滑脱,带轮必须有挡盘,挡盘应比带的背面高出1～2mm,并有约为5°的倾角。
(3)带轮的材质、齿面硬度等对传动质量有重要影响。带轮最常见的失效形式是齿面磨损和点蚀,因此带轮齿面应有足够的耐磨性和接触强度。研究表明,一般带轮材料可选用中碳钢或中碳合金结构钢,如45钢、40Cr钢、35SiMn钢等,进行正火或调质处理,使齿面硬度为200～260HBS。较高的强度和表面硬度、良好的韧性,才能满足工程实际需要,因硬度适中,故可在热处理以后精切齿廓。
(4)当带轮转速大于极限转速时,必须进行动平衡;小于极限转速时,只需作静平衡,经平衡检测后,带轮的残余不平衡量应不大于允许值。
(5)带轮安装发生偏斜,则带侧面紧压在挡盘上,造成带侧面磨损加剧。因此,安装时必须注意带轮轴线的平行度,使各带轮的传动中心平面位于同一平面内。
(6)带过载或预紧力过大时将导致齿距误差超差,从而产生啮合干涉与齿面磨损,过载时、承载能力大为下降。因此,同步齿形带应用中要防止过载,并选择合适的预紧力。
5带传动技术的研究方向[5]
中国机械工程学会带传动专业技术委员会副主任委员吴贻珍,在对中国传动带技术未来发展的研究中指出:未来带传动将向多品种、系列化方向发展。尼龙片基平带、多楔带和同步带等高传动效率、节能型带在传动带中的比例将继续上升。各种传动带产品都应引入动态疲劳试验的检测项目,并使普通v带使用寿命达到2.5万h;汽车V带寿命与大修寿命相
同,即18万km;农机V带使用寿命达到1000h以上。传动带的骨架材料将向聚酪化、轻量化的方向发展。传动带用化学纤维线绳的规格系列将丰富并标准化,V带聚酪线绳将全部国产化,淘汰棉帆布。国内引进或开发线绳生产设备和软件的企业要使产品质量达到国外同类产品水平,质量、规格和数量均完成对传动带生产企业的配套。对具有经济效益规模的窄V带、联组V带、同步带、切边带、多楔带的应用会在农业、轻工机械、新兴电子行业配套中会越来越多的普及,并充实和扩大规格系列范围,逐步形成我国完整的系列标准。传动带中的齿型带,集齿轮和聚氨酯弹性体制造
的高精度微型带,已进入了高新技术领域。齿型带与传统传动带的最大不同点在于其同步、静音。因此,它是当今最受推崇的环保型产品。近年来,齿型带的齿牙由方齿改为圆齿之后,更进一步增大了传动力,发展前景也极为广阔。
6结语
带传动在现代机械传动中占有重要地位。针对带传动行业发展现状,对带传动品种的理论与实践做深入、细致的研究,切实解决一些基本和关键问题,使带传动技术真正为满足各行业机械装备对带传动日益增长的需求服务,是非常必要的。
参考文献:
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[5]吴贻珍：中国传动带技术现状与未来发展[J].中国橡胶,2006,22
