(同步帶)帶傳動技術研究與展望

  對同步帶傳動技術的種類、特點及研究現狀進行了綜述,介紹了幾種新型帶的傳動技術,探討使用同步帶應注意的問題,提出帶傳動技術的重點研究方向。
   帶傳動是重要的機械傳動形式之一。具有以下
   優點:①彈性和撓性、可吸收振動、緩和衝擊;②傳動平穩、噪聲小;③過載時傳動帶與帶輪間可發生相對滑動,起到保護作用;④適用於中心距較大的場合; ⑤結構簡單,製造、安裝、維護方便。在機械設備,特別是汽車工業、家用電器和辦公機械及各種新型機械裝備中普遍使用。
   傳動帶最初由皮革製造,19世紀中葉為橡膠所取代。 20世紀60年代開始,陸續由NR、SBR轉向CR、PUR。 80年代又進一步擴大到採用CSM和HN2BR。隨著工業技術水平的不斷提高,以及對機械設備精密化、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、低成本和緊湊化發展,帶傳動應用範圍越來越廣,在許多場合替代了其它傳動形式。其品種規格向多樣性發展,由傳統的普通包布V帶和普通平帶發展出窄V帶、寬V帶、廣角帶、聯組V帶、切邊V帶、多楔帶、同步帶、平帶等。 1現有摩擦帶傳動技術種類及特點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餘年的歷史。平帶傳動中帶的截面形狀為矩形,工作時帶的內面是工作面,與圓柱形帶輪工作面接觸,屬於平面摩擦傳動。如圖1所示。
   平帶傳動以結構簡單、傳動方便、不受距離限制、容易調節更換等特點,在各種機械中得到普遍採用。
   近年來,在紡織機械、精密機床中採用了尼龍片基平帶,以橡膠、PVC、皮革或聚氨脂作覆蓋層,用尼龍片基作骨架材料,強度大、伸長小、效率高,比一般平帶傳動節能15%以上。
   平帶寬度一般為16~600mm,長度可達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)的改進產品,帶體柔軟,富有彈性,耐屈性好,適於在小帶輪和20m/s以上的快速傳動裝置使用。而疊包帶介於兩者之間,用於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。工作時帶的兩側面是工作面,與帶輪的環槽側面接觸,屬於楔面摩擦傳動。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。在一般的機械傳動中,V帶傳動現已取代了平帶傳動,成為常用的帶傳動裝置,是傳動帶中產量最大、品種最多、用途最廣的一種產品。自從1917年首次由美國製成汽車風扇帶,20年代初開始推廣之後,半個多世紀以來久用不衰,發展十分迅速。從20世紀60年代開始,為提高傳動帶的耐久性,又出現了切邊式V型帶。這種切邊V型帶,由於膠帶結構側面沒有包布,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50年代開發的一種全新系列高馬力V帶品種,由於結構合理,強力層線繩受力均勻、傳動功率大、傳動結構緊湊等,很快就取代普通V帶,作為V帶的主要產品。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帶的結構尺寸比普通V帶可以減少約50%,能節省大量原材料,同時強力均勻,有效接觸面積大,彎曲應力小,允許撓曲次數高,可延長使用壽命。目前,3種窄型V帶可代替6種標準帶,傳遞功率1~1200kW。 3V、5V、8V比標準帶高0.51~1.5倍,適用於大功率、要求結構緊湊的傳動。其傳動效率可達90%~97%,適於短距離、小帶輪於變速傳動,故又稱之為變速帶。其特點是在帶的上下表面,大多製成單面或雙面的弧形或齒形狀態,使之易於調速,主要用於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,適於設備的小張力傳動。大楔角三角帶採用綸繩作強力層,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,適於輕小型設備的高速傳動。
   1.2.3活絡三角帶
   活絡帶由多個小段以金屬螺釘連結而成。沖孔帶在帶體縱向衝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,可根據需要長度隨意自由接頭定長。它彌補了普通三角帶無接頭,只能按規定長度使用的限制。另外,使用中當三角帶體出現局部損壞後,可更換損壞部位繼續使用,同時,還具有可自由調節長度的優點。但因強度較低,只能用於低速傳動,又由於存在精確度低、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年美國人蓋茨發明的V帶最早用於汽車以驅動冷卻風扇,20世紀70年代,切邊V帶慢慢替代包布式V帶,到20世紀80年代完全被切邊V帶和多楔帶取代。我國最早是1945年由上海民業橡膠廠為進口汽車配件而生產,20世紀50年代,國營上海化工廠按原蘇聯標準為我國第一輛解放牌汽車配套。 20世紀80年代中期,我國一些汽車及拖拉機V帶和氣泵帶的專業生產廠家與南京玻璃纖維研究院合作,成功研製了玻纖帘線強力層風扇帶和氣泵帶,並投入批量生產。玻纖風扇帶和氣泵帶斷裂強力高、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農機V帶
   指專用於農業作業、園藝等設備用傳動帶,其品種規格幾乎包括所有的V帶品種和少量的平帶及異形帶等,其中最主要的聯合收割機主傳動無極變速器用變速V帶(無極變速帶)。其特點是工作環境惡劣(日曬雨淋、泥沙粉塵和油污等)、低速高負荷、高衝擊、極度拉伸曲撓和大打滑生熱,因此形成獨立的標準體系。
   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,帶輪也有相應的環形輪槽,其工作面為楔的側面,具有極高的靈活性、柔性,運動平穩、摩擦力大、傳遞功率大、張緊力小、傳動比範圍大、傳動速度高,結構合理、使用壽命長,兼有平型帶和三角帶的優點而彌補其不
   足。適用於要求結構緊湊,傳動功率較大場合,特別適合要求三角帶根數多,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,否則會產生有些楔面不接觸或接觸不良其楔面摩擦效應大大減弱。多楔帶傳動如圖3所示。
   20世紀80年代以來,為解決三角帶多根成組傳動時因產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
   接起來,習慣稱之為聯組三角帶的V型平帶,具有極大的優越性,因而又出現V型平帶取代包布式和切邊式三角帶的現象。這種三角帶與平帶結合的膠帶,雖然對帶輪溝槽有特殊的要求,然而由於帶體很薄,與帶輪的接觸面積大、彎曲性好、帶輪縮小,使傳動裝置進一步小型化、節能化,可補償槽距誤差,彌補了多楔帶的缺點。在世界發達國家的生產量急劇增長。目前,多楔帶生產狀況在我國逐漸形成規模,生產設備基本為引進或吸收消化製造,產品質量較好,持續大批量為汽車等多種機械傳動裝置配套。
   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,可自由彎曲驅動。其傳動能力小,主要用於v<15m/s,i=0.5~3的小功率傳動。這種帶多為聚氨酯製造,通常沒有芯體,結構簡單,使用方便。圓型帶為膠帶傳動開闢了新的途徑,世界各國在小型機床、縫紉機、精密機械等方面需用量急劇增長,今後潛力很大。
   1.5高速帶傳動
   帶速v>30m/s,軸轉速n=10000~50000r/min的帶傳動屬於高速帶傳動。傳動要求運轉平穩、傳動可靠並具有一定的壽命。高速帶常採用質量輕、薄而均勻、撓曲性好的環形平帶,過去多用絲織帶和麻織帶,近年來國內外普遍採用錦綸編織帶、薄型錦綸片複合平帶等。
   圖3多楔帶圖4圓帶
   2幾種新型摩擦帶[2]
   (1)為增大拉力,研製出圖5所示的一種新型V帶(ZL0222163L6),它是現有橡膠V帶的升級換代產品。由若干塊帶梯形槽的鋼片沿V帶長度方向重疊成環形,所有梯形槽分佈在V帶的外緣而構成V帶外緣的環形槽,環形槽內有多匝鋼絲繩;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、結構緊湊、體積小、性能價格比低、壽命長等優點。
   這種新型V帶技術效果是,當V帶的型號尺寸相同時,其傳遞的功率比現有橡膠帶大數倍;當傳遞的功率相同時,其型號尺寸小,V帶根數少,V帶長度小,皮帶輪小,體積比橡膠帶小數倍。 V帶用普通鋼製成,因此,可節約大量的橡膠。
   (2)柱繩式V帶
   將鋼柱平行排成環形,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,在外環形上分佈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,然後壓於硫化橡膠中,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,這些鋼柱經過內力繞組,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力繞組的鋼絲繩,內力繞組再將動力傳給與從動皮帶輪接觸的若干鋼柱,然後傳給從動皮帶輪。在整個動力傳遞過程中,橡膠均不受力的作
   用。
   柱繩式V中的技術效果是當傳動裝置的體積相同時,它比現有V帶傳遞的功率高10倍以上:當傳遞功率相同時,它構成傳動裝置的體積比現有V帶小,壽命比現有V帶長,節約橡膠材料,成本低。與現有金屬帶比較,柱繩式V中由於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,工作可靠。鋼柱形狀簡單,拉力繞組與內力繞組為標
   準件,生產成本低。
   3現有嚙合帶傳動(同步帶傳動)技術分析
   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。前者主要用於單軸傳動,後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體,通過帶的凸齒與帶輪外緣上的齒槽進行嚙合運動。由於抗拉層受載後變形很小,能保持同步帶週節不變,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點。帶的最基本參數是節距,它是在規定的張緊力下,同步帶縱截面上相鄰兩齒對稱中心線的直線距離[3]
   由於不是靠摩擦力傳遞動力,帶的預緊力很小,作用於帶輪軸和其軸承上的力也很小。其主要缺點在於製造和安裝精度要求較高,中心距要求較嚴格。同步帶根據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,是由鋼帘線或玻璃纖維組成的強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失效。
   (2)同步齒形帶傳動中,為避免同步帶從帶輪一側滑脫,帶輪必須有擋盤,擋盤應比帶的背面高出1~2mm,並有約為5°的傾角。
   (3)帶輪的材質、齒面硬度等對傳動質量有重要影響。帶輪最常見的失效形式是齒面磨損和點蝕,因此帶輪齒面應有足夠的耐磨性和接觸強度。研究表明,一般帶輪材料可選用中碳鋼或中碳合金結構鋼,如45鋼、40Cr鋼、35SiMn鋼等,進行正火或調質處理,使齒面硬度為200~260HBS。較高的強度和表面硬度、良好的韌性,才能滿足工程實際需要,因硬度適中,故可在熱處理以後精切齒廓。
   (4)當帶輪轉速
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