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同步带设计及典型计算

 

同步带设计
一、同步带概述
1.1.1同步带介绍
  同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动,其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成,以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变,带与带轮之间在传动过程中投有滑动,从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。
同步带传动(见图4-1)时,传动比准确,对轴作用力小,结构紧凑,耐油,耐磨性好,抗老化性能好,一般使用温度-20℃―80℃,v<50m/s,P<300kw,i<10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。
4-1 同步带传统
同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时,通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比,无滑差,可获得恒定的速比,传动平稳,能吸振,噪音小,传动比范围大,一般可达1:10。允许线速度可达50M/S,传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高,一般可达98%,结构紧凑,适宜于多轴传动,不需润滑,无污染,因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用,改变了带传动单纯为摩擦传动的概念,扩展了带传动的范围,从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象,给带传动的发展开辟了新的途径。
1.1.2同步带的特点
 (1)、传动准确,工作时无滑动,具有恒定的传动比;
  (2)、传动平稳,具有缓冲、减振能力,噪声低;
  (3)、传动效率高,可达0.98,节能效果明显;
  (4)、维护保养方便,不需润滑,维护费用低;
  (5)、速比范围大,一般可达10,线速度可达50m/s,具有较大的功率传递范围,可达几瓦到几百千瓦;
  (6)、可用于长距离传动,中心距可达10m以上。
1.1.3同步带传动的主要失效形式
在同步带传动中常见的失效形式有如下几种:
(1)、同步带的承载绳断裂破坏
同步带在运转过程中承载绳断裂损坏是常见的失效形式。失效原因是带在传递动力过程中,在承载绳作用有过大的拉力,而使承载绳被拉断。此外当选用的主动捞轮直径过小,使承载绳在进入和退出带抡中承受较大的周期性的弯曲疲劳应力作用,也会产生弯曲疲劳折断(见图4-2)。
4-2   同步带承载绳断裂损坏
(2)、同步带的爬齿和跳齿
根据对带爬齿和跳齿现象的分析,带的爬齿和眺齿是由于几何和力学两种因素所引起。因此为避免产生爬齿和跳齿,可采用以下一些措施:
1、控制同步带所传递的圆周力,使它小于或等于由带型号所决定的许用圆周力。
2、控制带与带轮间的节距差值,使它位于允许的节距误差范围内。
3、适当增大带安装时的初拉力开。,使带齿不易从轮齿槽中滑出。
4、提高同步带基体材料的硬度,减少带的弹性变形,可以减少爬齿现象的产生。
(3)、带齿的剪切破坏
带齿在与带轮齿啮合传力过程中,在剪切和挤压应力作用下带齿表面产生裂纹此裂纹逐渐向齿根部扩展,并沿承线绳表面延件,直至整个带齿与带基体脱离,这就是带齿的剪切脱落(见图4-3)。造成带齿剪切脱落的原因大致有如下几个:
1、同步带与带轮问有较大的节距差,使带齿无法完全进入轮齿槽,从而产生不完全啮合状态,而使带齿在较小的接触面积上承受过大的载荷,从而产生应力集中,导致带齿剪切损坏。
   2、带与带轮在围齿区内的啮合齿数过少,使啮合带齿承受过大的载荷,而产生剪切破坏。
   3、同步带的基体材料强度差。
为减少带齿被剪切,首先应严格控制带与带轮间的节距误差,保证带齿与轮齿能正确啮合;其次应使带与带轮在围齿区内的啮合齿数等于或大于6,此外在选材上应采用有较高勿切韧挤压强度的材料作为带的基体材料。
4-3   带齿的剪切破坏
   (4)、带齿的磨损
带齿的磨损(见图4-4)包括带齿工作面及带齿齿顶因角处和齿谷底部的廓损。造成磨损的原因是过大的张紧力和忻齿和轮齿间的啮合干涉。因此减少带齿的磨损,应在安装时合理的调整带的张紧力;在带齿齿形设计时,选用较大的带齿齿顶圆角半径,以减少啮合时轮齿的挤压和刮削;此外应提高同步带带齿材料的耐磨性。
4-4 带齿磨损
(5)、同步带带背的龟裂(图4—5)
同步带在运转一段时期后,有时在带背会产生龟裂现象,而使带失效。同步带带背产
生龟裂的原因如下,
 1、带基体材料的老化所引起;
2、带长期工作在道低的温度下,使带背基体材料产生龟裂。
4-5 同步带带背龟裂
 防止带背龟裂的方法是改进带基体材料的材质,提向材料的耐寒、耐热性和抗老化性能,此外尽量避免同步带在低温和高温条件下工作。
1.1.4 同步带传动的设计准则
据对同步带传动失效形式的分析,可知如同步带与带轮材料有较高的机械性能,制造工艺合理,带、轮的尺寸控制严格,安装调试也正确,那么许多失效形式均可避免。因此,在正常工作条件下,同步带传动的主要失效形式为如下三种;
    (1)同步带的承载绳疲劳拉断;
    (2同步带的打滑和跳齿;
    (3)同步带带齿的磨损。
 因此,同步带传动的设计淮则是同步带在不打滑情况下,具有较高的抗拉强度,保证承线绳不被拉断。此外,在灰尘、杂质较多的工作条件下应对带齿进行耐磨性计算。
1.1.5同步带分类
同步带齿有梯形齿和弧齿两类,弧齿又有三种系列:圆弧齿(H系列又称HTD带)、平顶圆弧齿(S系列又称为STPD带)和凹顶抛物线齿(R系列)。
梯形齿同步带   梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种,简称为单面带和双面带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型(代号DA)和交错齿型(代号DB〕。
  梯形齿同步带有两种尺寸制:节距制和模数制。我国采用节距制,并根据ISO 5296制订了同步带传动相应标准GB/T 11361~11362-1989和GB/T 11616-1989。
弧齿同步带   弧齿同步带除了齿形为曲线形外,其结构与梯形齿同步带基本相同,带的节距相当,其齿高、齿根厚和齿根圆角半径等均比梯形齿大。带齿受载后,应力分布状态较好,平缓了齿根的应力集中,提高了齿的承载能力。故弧齿同步带比梯形齿同步带传递功率大,且能防止啮合过程中齿的干涉。
  弧齿同步带耐磨性能好,工作时噪声小,不需润滑,可用于有粉尘的恶劣环境。已在食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。
1.2 同步带传动设计计算
1.电机额定输出功率估算
=7.16W
2、确定计算功率
   电动机每天使用24小时左右,查表4-1得到工作情况系数=1.7。则计算功率为:
12.17W
3、小带轮转速计算
4、选定同步带带型和节距
    由同步带选型图4.1可以看出,由于在这次设计中功率转速都比较小,所以带的型号可以任意选取,现在选取H型带,节距
4-1 工作情况系数看
 
 
 
                                                                                                                         
 
 
 
 
4.1   同步带选型图
5、选取主动轮齿数
      查表4-2知道小带轮最小齿数为14,现在选取小带轮齿数为41。
6小带轮节圆直径确定
=
4-2 小带轮最小齿数表
7、大带轮相关数据确定
   由于系统传动比为,所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数,节距
8、带速v的确定
9、初定周间间距
根据公式
现在选取轴间间距为600mm。
10、同步带带长及其齿数确定
= ()
 =
 =1720.67mm
 
11、带轮啮合齿数计算
有在本次设计中传动比为一,所以啮合齿数为带轮齿数的一半,即=20。
12、基本额定功率的计算
查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N,m=0.448kg/m。
 所以同步带的基准额定功率为
= =0.21KW
4-3 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量
13、计算作用在轴上力
=
=71.6N
1.3
1.3.1 同步带的主要参数
1、同步带的节线长度
    同步带工作时,其承载绳中心线长度应保持不变,因此称此中心线为同步带的节线,并以节线周长作为带的公称长皮,称为节线长度。在同步带传动中,带节线长度是一个重要
参数。当传动的中心距已定时,带的节线长度过大过小,都会影响带齿与轮齿的正常啮合,因此在同步带标准中,对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值,要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内(见表4-4)。
4-4 带节线长度表
2、带的节距Pb
如图4-2所示,同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小,节距越大,带的各部分尺寸越大,承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数.在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时,带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表4-5。
3、带的齿根宽度
    一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度,以s表示。带的齿根宽度大,则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强,相应就能传送较大的裁荷。
 
4-2 带的标准尺寸
 
表4-5 梯形齿标准同步带的齿形尺寸
4、带的齿根圆角
    带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大,可减少齿的应力集中,带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大,过大则使带
齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小,所以设计时应选适当的数值。
5、带齿齿顶圆角半径八
    带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中,带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时,
带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠,而产生干涉,从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合,减少带齿顶部的磨损,宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样,齿顶圆角半径也不宜过大,否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。
 6、齿形角
梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小,带齿纵向截面形状近似矩形,则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内,易产生干涉。但齿形角度过大,又会使带齿易从轮齿槽中滑出,产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。
4.3.2 同步带的设计
在这里,我们选用梯形带。带的尺寸如表4-6。带的图形如图4-3。
4-6 同步带尺寸

型号
节距
齿形角
齿根厚
齿高
齿根圆角半径
齿顶圆半径
H
12.7
40
6.12
4.3
1.02
1.02

图4-3 同步带
1.4 同步带轮的设计
1.4.1 同步带轮的设计的基本要求
1、保证带齿能顺利地啮入与啮出
由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动,因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉,并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。
2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形,能获得大的接触面积,提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时,应使带齿啮入或啮出时变形小,磨擦损耗小,并保证与带齿均匀接触,有较大的接触面积,使带齿能承受更大的载荷。
3、有良好的加了工艺性
    加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员,从而可提高生产率,降低制造成本。
4、具有合理的齿形角
齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数,大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出,但易使带齿产生爬齿和跳齿现象;而齿形角过小,则会造成带齿与轮齿的啮合干涉,因此轮齿必须选用合理的齿形角。
1.4.2 同步带轮的设计结果
   同步带轮用梯形齿,其图形如图4-4。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 

4-4 同步带轮结构
 

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