對同步帶傳動技術(shù)的種類、特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,介紹了幾種新型帶的傳動技術(shù),探討使用同步帶應(yīng)注意的問題,提出帶傳動技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。
帶傳動是重要的機(jī)械傳動形式之一。具有以下
優(yōu)點(diǎn):①彈性和撓性、可吸收振動、緩和沖擊;②傳動平穩(wěn)、噪聲小;③過載時傳動帶與帶輪間可發(fā)生相對滑動,起到保護(hù)作用;④適用于中心距較大的場合;⑤結(jié)構(gòu)簡單,制造、安裝、維護(hù)方便。在機(jī)械設(shè)備,特別是汽車工業(yè)、家用電器和辦公機(jī)械及各種新型機(jī)械裝備中普遍使用。
傳動帶最初由皮革制造,19世紀(jì)中葉為橡膠所取代。20世紀(jì)60年代開始,陸續(xù)由NR、SBR轉(zhuǎn)向CR、PUR。80年代又進(jìn)一步擴(kuò)大到采用CSM和HN2BR。隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高,以及對機(jī)械設(shè)備精密化、輕量化、功能化和個性化的要求不斷向高精度、高速度、大功率、高效率、高可靠性、長壽命、低噪聲、低振動、低成本和緊湊化發(fā)展,帶傳動應(yīng)用范圍越來越廣,在許多場合替代了其它傳動形式。其品種規(guī)格向多樣性發(fā)展,由傳統(tǒng)的普通包布V帶和普通平帶發(fā)展出窄V帶、寬V帶、廣角帶、聯(lián)組V帶、切邊V帶、多楔帶、同步帶、平帶等。1現(xiàn)有摩擦帶傳動技術(shù)種類及特點(diǎn)摩擦帶傳動包括平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動及雙面V帶、圓型帶傳動等[1]
。
1.1平帶傳動
平帶是傳動帶最老的一個品種,約有100余年的歷史。平帶傳動中帶的截面形狀為矩形,工作時帶的內(nèi)面是工作面,與圓柱形帶輪工作面接觸,屬于平面摩擦傳動。如圖1所示。
平帶傳動以結(jié)構(gòu)簡單、傳動方便、不受距離限制、容易調(diào)節(jié)更換等特點(diǎn),在各種機(jī)械中得到普遍采用。
近年來,在紡織機(jī)械、精密機(jī)床中采用了尼龍片基平帶,以橡膠、PVC、皮革或聚氨脂作覆蓋層,用尼龍片基作骨架材料,強(qiáng)度大、伸長小、效率高,比一般平帶傳動節(jié)能15%以上。
平帶寬度一般為16～600mm,長度可達(dá)100～200m,帶中最常見的是帆布帶,分為包層式、疊層式和疊包式三種。疊層帶為包層帶(又稱圓邊帶)的改進(jìn)產(chǎn)品,帶體柔軟,富有彈性,耐屈性好,適于在小帶輪和20m/s以上的快速傳動裝置使用。而疊包帶介于兩者之間,用于邊部易受磨損的傳動。
1.2三角帶傳動
三角帶傳動又稱V帶傳動,帶的截面形狀為等腰梯形,如圖2所示。工作時帶的兩側(cè)面是工作面,與帶輪的環(huán)槽側(cè)面接觸,屬于楔面摩擦傳動。在相同的帶張緊程度下,V帶傳動的摩擦力比平帶傳動約大70%,其承載能力也比平帶傳動高。在一般的機(jī)械傳動中,V帶傳動現(xiàn)已取代了平帶傳動,成為常用的帶傳動裝置,是傳動帶中產(chǎn)量最大、品種最多、用途最廣的一種產(chǎn)品。自從1917年首次由美國制成汽車風(fēng)扇帶,20年代初開始推廣之后,半個多世紀(jì)以來久用不衰,發(fā)展十分迅速。從20世紀(jì)60年代開始,為提高傳動帶的耐久性,又出現(xiàn)了切邊式V型帶。這種切邊V型帶,由于膠帶結(jié)構(gòu)側(cè)面沒有包布,帶體十分柔軟,耐屈撓疲勞性能非常好,因而得到迅速發(fā)展。
1.2.1窄型和寬型三角帶傳動
窄型V帶是美國蓋茨公司20世紀(jì)50年代開發(fā)的一種全新系列高馬力V帶品種,由于結(jié)構(gòu)合理,強(qiáng)力層線繩受力均勻、傳動功率大、傳動結(jié)構(gòu)緊湊等,很快就取代普通V帶,作為V帶的主要產(chǎn)品。普通三角帶的寬高比為1∶1.5～1.6,而窄型和寬型的三角帶分別為1∶1.2和1∶2。窄型V帶的結(jié)構(gòu)尺寸比普通V帶可以減少約50%,能節(jié)省大量原材料,同時強(qiáng)力均勻,有效接觸面積大,彎曲應(yīng)力小,允許撓曲次數(shù)高,可延長使用壽命。目前,3種窄型V帶可代替6種標(biāo)準(zhǔn)帶,傳遞功率1～1200kW。3V、5V、8V比標(biāo)準(zhǔn)帶高0.51～1.5倍,適用于大功率、要求結(jié)構(gòu)緊湊的傳動。其傳動效率可達(dá)90%～97%,適于短距離、小帶輪于變速傳動,故又稱之為變速帶。其特點(diǎn)是在帶的上下表面,大多制成單面或雙面的弧形或齒形狀態(tài),使之易于調(diào)速,主要用于低速圓錐式和圓盤式無級變速器中。
1.2.2小楔角和大楔角三角帶傳動
它同普通三角帶的主要區(qū)別是,楔角由40°改為30°和60°左右。小楔角V帶能使接觸面減小,降低所需張力,可延長使用壽命,適于設(shè)備的小張力傳動。大楔角三角帶采用綸繩作強(qiáng)力層,其基體為聚氨脂橡膠澆注而成。大楔角V帶為上半部呈矩形,下半部呈倒梯形的六角帶,能使摩擦損失減小,承載能力增大,帶體柔軟,適于輕小型設(shè)備的高速傳動。
1.2.3活絡(luò)三角帶
活絡(luò)帶由多個小段以金屬螺釘連結(jié)而成。沖孔帶在帶體縱向沖有許多等距的透孔用以連接接頭。這種V帶都是可以接頭的三角帶,可根據(jù)需要長度隨意自由接頭定長。它彌補(bǔ)了普通三角帶無接頭,只能按規(guī)定長度使用的限制。另外,使用中當(dāng)三角帶體出現(xiàn)局部損壞后,可更換損壞部位繼續(xù)使用,同時,還具有可自由調(diào)節(jié)長度的優(yōu)點(diǎn)。但因強(qiáng)度較低,只能用于低速傳動,又由于存在精確度低、傳動效率差等問題,近年來使用日趨減少。
1.2.4汽車V帶
1911年美國人蓋茨發(fā)明的V帶最早用于汽車以驅(qū)動冷卻風(fēng)扇,20世紀(jì)70年代,切邊V帶慢慢替代包布式V帶,到20世紀(jì)80年代完全被切邊V帶和多楔帶取代。我國最早是1945年由上海民業(yè)橡膠廠為進(jìn)口汽車配件而生產(chǎn),20世紀(jì)50年代,國營上?；S按原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)為我國第一輛解放牌汽車配套。20世紀(jì)80年代中期,我國一些汽車及拖拉機(jī)V帶和氣泵帶的專業(yè)生產(chǎn)廠家與南京玻璃纖維研究院合作,成功研制了玻纖簾線強(qiáng)力層風(fēng)扇帶和氣泵帶,并投入批量生產(chǎn)。玻纖風(fēng)扇帶和氣泵帶斷裂強(qiáng)力高、斷裂伸長率小,傳輸功率大,使用壽命長,正常情況下可行駛4～5萬km。
1.2.5農(nóng)機(jī)V帶
指專用于農(nóng)業(yè)作業(yè)、園藝等設(shè)備用傳動帶,其品種規(guī)格幾乎包括所有的V帶品種和少量的平帶及異形帶等,其中最主要的聯(lián)合收割機(jī)主傳動無極變速器用變速V帶(無極變速帶)。其特點(diǎn)是工作環(huán)境惡劣(日曬雨淋、泥沙粉塵和油污等)、低速高負(fù)荷、高沖擊、極度拉伸曲撓和大打滑生熱,因此形成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)體系。
1.3多楔帶傳動
多楔帶傳動在平帶的基體下做出許多縱向楔,帶輪也有相應(yīng)的環(huán)形輪槽,其工作面為楔的側(cè)面,具有極高的靈活性、柔性,運(yùn)動平穩(wěn)、摩擦力大、傳遞功率大、張緊力小、傳動比范圍大、傳動速度高,結(jié)構(gòu)合理、使用壽命長,兼有平型帶和三角帶的優(yōu)點(diǎn)而彌補(bǔ)其不
足。適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊,傳動功率較大場合,特別適合要求三角帶根數(shù)多,垂直地面的平行軸傳動。但對多楔帶與輪槽間距均勻性要求較高,否則會產(chǎn)生有些楔面不接觸或接觸不良其楔面摩擦效應(yīng)大大減弱。多楔帶傳動如圖3所示。
20世紀(jì)80年代以來,為解決三角帶多根成組傳動時因產(chǎn)生不一樣長而帶來的傳動效率和使用壽命下降等問題,在多根三角帶的上底用一層薄的橡膠聯(lián)
接起來,習(xí)慣稱之為聯(lián)組三角帶的V型平帶,具有極大的優(yōu)越性,因而又出現(xiàn)V型平帶取代包布式和切邊式三角帶的現(xiàn)象。這種三角帶與平帶結(jié)合的膠帶,雖然對帶輪溝槽有特殊的要求,然而由于帶體很薄,與帶輪的接觸面積大、彎曲性好、帶輪縮小,使傳動裝置進(jìn)一步小型化、節(jié)能化,可補(bǔ)償槽距誤差,彌補(bǔ)了多楔帶的缺點(diǎn)。在世界發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)量急劇增長。目前,多楔帶生產(chǎn)狀況在我國逐漸形成規(guī)模,生產(chǎn)設(shè)備基本為引進(jìn)或吸收消化制造,產(chǎn)品質(zhì)量較好,持續(xù)大批量為汽車等多種機(jī)械傳動裝置配套。
1.4圓型帶傳動
圓型帶傳動中帶的截面形狀為圓形,圓型帶有圓皮帶、圓繩帶、圓錦綸帶等,可自由彎曲驅(qū)動。其傳動能力小,主要用于v<15m/s,i=0.5～3的小功率傳動。這種帶多為聚氨酯制造,通常沒有芯體,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。圓型帶為膠帶傳動開辟了新的途徑,世界各國在小型機(jī)床、縫紉機(jī)、精密機(jī)械等方面需用量急劇增長,今后潛力很大。
1.5高速帶傳動
帶速v>30m/s,軸轉(zhuǎn)速n=10000～50000r/min的帶傳動屬于高速帶傳動。傳動要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動可靠并具有一定的壽命。高速帶常采用質(zhì)量輕、薄而均勻、撓曲性好的環(huán)形平帶,過去多用絲織帶和麻織帶,近年來國內(nèi)外普遍采用錦綸編織帶、薄型錦綸片復(fù)合平帶等。
圖3多楔帶圖4圓帶
2幾種新型摩擦帶[2]
(1)為增大拉力,研制出圖5所示的一種新型V帶(ZL0222163L6),它是現(xiàn)有橡膠V帶的升級換代產(chǎn)品。由若干塊帶梯形槽的鋼片沿V帶長度方向重疊成環(huán)形,所有梯形槽分布在V帶的外緣而構(gòu)成V帶外緣的環(huán)形槽,環(huán)形槽內(nèi)有多匝鋼絲繩;橡膠帶及鋼絲繩將重疊的鋼片固定成一條環(huán)狀V帶。這種新型V帶能承受很大的正壓力、摩擦、溫度及磨損。由一排鋼絲繩承受長度方向的拉力,能傳遞很大的功率。而橡膠帶一方面固定鋼絲繩,另一方面,又由鋼片的梯形槽夾緊橡膠帶。具有傳動能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、性能價格比低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
這種新型V帶技術(shù)效果是,當(dāng)V帶的型號尺寸相同時,其傳遞的功率比現(xiàn)有橡膠帶大數(shù)倍;當(dāng)傳遞的功率相同時,其型號尺寸小,V帶根數(shù)少,V帶長度小,皮帶輪小,體積比橡膠帶小數(shù)倍。V帶用普通鋼制成,因此,可節(jié)約大量的橡膠。
(2)柱繩式V帶
將鋼柱平行排成環(huán)形,每根鋼柱的兩端有與皮帶錐面配合的斜面,每一斜面上有與該斜面同方向的通槽,在外環(huán)形上分布有相互平行且與鋼柱垂直的鋼絲繩繞組,將各鋼柱編織在一起,然后壓于硫化橡膠中,形成平整的V帶,柱繩式V帶(2L01257040.0)。該V帶能承受更大的拉力,故傳遞功率大、壽命長、體積小、外形簡單、節(jié)約橡膠材料、成本低,柱繩式V帶外形及編織圖如圖6、7所示。
如圖8所示,傳動帶的動力傳遞過程如下:主動
皮帶輪的斜面與V帶的若干鋼柱1斜面接觸,在兩者正向壓力和摩擦力作用下,將動力傳給若干根鋼柱,這些鋼柱經(jīng)過內(nèi)力繞組,將動力傳給拉力繞組的鋼絲繩2;拉力繞組的鋼絲繩再將動力傳動給與從動皮帶輪接觸的內(nèi)力繞組的鋼絲繩,內(nèi)力繞組再將動力傳給與從動皮帶輪接觸的若干鋼柱,然后傳給從動皮帶輪。在整個動力傳遞過程中,橡膠均不受力的作
用。
柱繩式V中的技術(shù)效果是當(dāng)傳動裝置的體積相同時,它比現(xiàn)有V帶傳遞的功率高10倍以上:當(dāng)傳遞功率相同時,它構(gòu)成傳動裝置的體積比現(xiàn)有V帶小,壽命比現(xiàn)有V帶長,節(jié)約橡膠材料,成本低。與現(xiàn)有金屬帶比較,柱繩式V中由于各鋼柱相隔一定距離,互不影響,鋼絲繩具有很好的柔性,傳動平穩(wěn),工作可靠。鋼柱形狀簡單,拉力繞組與內(nèi)力繞組為標(biāo)
準(zhǔn)件,生產(chǎn)成本低。
3現(xiàn)有嚙合帶傳動(同步帶傳動)技術(shù)分析
嚙合帶傳動也稱同步帶傳動,如圖9、10所示,分為單面齒同步帶和雙面齒同步帶兩種類型。前者主要用于單軸傳動,后者為多軸或反向傳動。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層(無接頭帶),氯丁橡膠或聚氨酯為機(jī)體,通過帶的凸齒與帶輪外緣上的齒槽進(jìn)行嚙合運(yùn)動。由于抗拉層受載后變形很小,能保持同步帶周節(jié)不變,帶與輪無相對滑動,從而保證了同步傳動,因此它兼有帶傳動和齒輪嚙合傳動的特性和優(yōu)點(diǎn)。帶的最基本參數(shù)是節(jié)距,它是在規(guī)定的張緊力下,同步帶縱截面上相鄰兩齒對稱中心線的直線距離[3]
由于不是靠摩擦力傳遞動力,帶的預(yù)緊力很小,作用于帶輪軸和其軸承上的力也很小。其主要缺點(diǎn)在于制造和安裝精度要求較高,中心距要求較嚴(yán)格。同步帶根據(jù)齒的形狀又分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種,圓弧形齒的載能力高,疲勞壽命高。以圓弧形齒的同步帶所承受的扭矩為最大,載能力高。從所用材料上,齒型帶可區(qū)分為橡膠型和聚氨酯型兩大類,而前者又有普通橡膠和特種橡膠之分,是由鋼簾線或玻璃纖維組成的強(qiáng)力層和以橡膠及尼龍布形成的外包橡膠層或聚氨酯膠層構(gòu)成。同步帶帶型如下:MXL為最輕型;XXL為超輕型;XL為特輕型;L為輕型;H為重型;XH為特重型;XXH為超重型。
4使用同步帶應(yīng)注意的問題[4]
(1)帶輪使用壽命及齒形精度對同步帶傳動有重要影響。超過使用壽命,齒廓形狀變化,帶齒與帶輪輪齒不能正確嚙合,則會造成同步齒形帶在短期內(nèi)失效。
(2)同步齒形帶傳動中,為避免同步帶從帶輪一側(cè)滑脫,帶輪必須有擋盤,擋盤應(yīng)比帶的背面高出1～2mm,并有約為5°的傾角。
(3)帶輪的材質(zhì)、齒面硬度等對傳動質(zhì)量有重要影響。帶輪最常見的失效形式是齒面磨損和點(diǎn)蝕,因此帶輪齒面應(yīng)有足夠的耐磨性和接觸強(qiáng)度。研究表明,一般帶輪材料可選用中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,如45鋼、40Cr鋼、35SiMn鋼等,進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理,使齒面硬度為200～260HBS。較高的強(qiáng)度和表面硬度、良好的韌性,才能滿足工程實(shí)際需要,因硬度適中,故可在熱處理以后精切齒廓。
(4)當(dāng)帶輪轉(zhuǎn)速大于極限轉(zhuǎn)速時,必須進(jìn)行動平衡;小于極限轉(zhuǎn)速時,只需作靜平衡,經(jīng)平衡檢測后,帶輪的殘余不平衡量應(yīng)不大于允許值。
(5)帶輪安裝發(fā)生偏斜,則帶側(cè)面緊壓在擋盤上,造成帶側(cè)面磨損加劇。因此,安裝時必須注意帶輪軸線的平行度,使各帶輪的傳動中心平面位于同一平面內(nèi)。
(6)帶過載或預(yù)緊力過大時將導(dǎo)致齒距誤差超差,從而產(chǎn)生嚙合干涉與齒面磨損,過載時、承載能力大為下降。因此,同步齒形帶應(yīng)用中要防止過載,并選擇合適的預(yù)緊力。
5帶傳動技術(shù)的研究方向[5]
中國機(jī)械工程學(xué)會帶傳動專業(yè)技術(shù)委員會副主任委員吳貽珍,在對中國傳動帶技術(shù)未來發(fā)展的研究中指出:未來帶傳動將向多品種、系列化方向發(fā)展。尼龍片基平帶、多楔帶和同步帶等高傳動效率、節(jié)能型帶在傳動帶中的比例將繼續(xù)上升。各種傳動帶產(chǎn)品都應(yīng)引入動態(tài)疲勞試驗(yàn)的檢測項(xiàng)目,并使普通v帶使用壽命達(dá)到2.5萬h;汽車V帶壽命與大修壽命相
同,即18萬km;農(nóng)機(jī)V帶使用壽命達(dá)到1000h以上。傳動帶的骨架材料將向聚酪化、輕量化的方向發(fā)展。傳動帶用化學(xué)纖維線繩的規(guī)格系列將豐富并標(biāo)準(zhǔn)化,V帶聚酪線繩將全部國產(chǎn)化,淘汰棉帆布。國內(nèi)引進(jìn)或開發(fā)線繩生產(chǎn)設(shè)備和軟件的企業(yè)要使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平,質(zhì)量、規(guī)格和數(shù)量均完成對傳動帶生產(chǎn)企業(yè)的配套。對具有經(jīng)濟(jì)效益規(guī)模的窄V帶、聯(lián)組V帶、同步帶、切邊帶、多楔帶的應(yīng)用會在農(nóng)業(yè)、輕工機(jī)械、新興電子行業(yè)配套中會越來越多的普及,并充實(shí)和擴(kuò)大規(guī)格系列范圍,逐步形成我國完整的系列標(biāo)準(zhǔn)。傳動帶中的齒型帶,集齒輪和聚氨酯彈性體制造
的高精度微型帶,已進(jìn)入了高新技術(shù)領(lǐng)域。齒型帶與傳統(tǒng)傳動帶的最大不同點(diǎn)在于其同步、靜音。因此,它是當(dāng)今最受推崇的環(huán)保型產(chǎn)品。近年來,齒型帶的齒牙由方齒改為圓齒之后,更進(jìn)一步增大了傳動力,發(fā)展前景也極為廣闊。
6結(jié)語
帶傳動在現(xiàn)代機(jī)械傳動中占有重要地位。針對帶傳動行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,對帶傳動品種的理論與實(shí)踐做深入、細(xì)致的研究,切實(shí)解決一些基本和關(guān)鍵問題,使帶傳動技術(shù)真正為滿足各行業(yè)機(jī)械裝備對帶傳動日益增長的需求服務(wù),是非常必要的。
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