交通运输案例导入通过链式运输机和自行车上的链传动.docx
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交通运输案例导入通过链式运输机和自行车上的链传动
第九章链传动
案例导入:
通过链式运输机和自行车上的链传动,导入滚子链传动的类型和特点,分析其运动特性,介绍滚子链及链轮的结构、设计计算的方法,并介绍链传动的布置张紧和润滑方法。
第一节链传动的特点和类型
一、链传动的类型
链传动是以链条为中间传动件的啮合传动。
如图9-1所示链传动由主动链轮1、从动链轮2和绕在链轮上并与链轮啮合的链条3组成。
按照用途不同,链可分为起重链、牵引链和传动链三大类。
起重链主要用于起重机械中提起重物,其工作速度v≤0.25m/s;牵引链主要用于链式输送机中移动重物,其工作速度v≤4m/s;传动链用于一般机械中传递运动和动力,通常工作速度v≤15m/s。
图9-1链传动
传动链有齿形链和滚子链两种。
齿形链是利用特定齿形的链片和链轮相啮合来实现传动的,如图9-2所示。
齿形链传动平稳,噪声很小,故又称无声链传动。
齿形链允许的工作速度可达40m/s,但制造成本高,重量大,故多用于高速或运动精度要求较高的场合。
本章重点讨论应用最广泛的套筒滚子链传动。
二、链传动的特点
(1)和带传动相比。
链传动能保持平均传动比不变;传动效率高;张紧力小,因此作用在轴上的压力较小;能在低速重载和高温条件下及尘土飞扬的不良环境中工作。
(2)和齿轮传动相比。
链传动可用于中心距较大的场合且制造精度较低。
(3)只能传递平行轴之间的同向运动,不能保持恒定的瞬时传动比,运动平稳性差,工作时有噪声。
通常链传动传递的功率P≤100KW,中心距a≤5~6m,传动比i≤8,线速度v≤15m/s,广泛应用于农业机械、建筑工程机械、轻纺机械、石油机械等各种机械传动中。
第二节滚子链和链轮
一、滚子链的结构和规格
滚子链由内链板1、套筒2、销轴3、外链板4和滚子5组成,如图9-3所示。
内链板和套筒、外链板和销轴用过盈配合固定,构成内链节和外链节。
销轴和套筒之间为间
隙配合,构成铰链,将若干内外链节依次铰接形成链条。
滚子松套在套筒上可自由转动,
链轮轮齿与滚子之间的摩擦主要是滚动摩擦。
链条上相邻两销轴中心的距离称为节距,
用p表示,节距是链传动的重要参数。
节距p越大,链的各部分尺寸和重量也越大,承
载能力越高,且在链轮齿数一定时,链轮尺寸和重量随之增大。
因此,设计时在保证承载能力的前提下,应尽量采取较小的节距。
载荷较大时可选用双排链(图9-4)或多排链,但排数一般不超过三排或四排,以免由于制造和安装误差的影响使各排链受载不均。
链条的长度用链节数表示,一般选用偶数链节,这样链的接头处可采用开口销或弹簧卡片来固定,如图9-5a、b)所示,前者用于大节距链,后者用于小节距链。
当链节为奇数时,需采用过渡链节如图9-5c)所示。
由于过渡链节的链板受附加弯矩的作用,一般应避免采用。
GB/T1243-97规定滚子链分为A、B系列,其中A系列较为常用,其主要参数如表9-1所示。
表中链号和相应的国际标准号一致,链号乘以25.4/16mm即为节距值。
a)b)c)
图9-5滚子链接头形式
表9-1A系列滚子链的基本参数和尺寸(GB/T1243-97)
链号
节距p
(mm)
排距Pt
(mm)
滚子外径
d1(mm)
内链节内
宽b1(mm)
销轴直径
d2(mm)
内链板高
度h2(mm)
单排极限拉伸
载荷FQ(KN)
单排每米质量q(kg/m)
08A
12.70
14.38
7.92
7.85
3.98
12.07
13.8
0.60
10A
15.875
18.11
10.16
9.40
5.09
15.09
21.8
1.00
12A
19.05
22.78
11.91
12.57
5.96
18.08
31.1
1.50
16A
25.40
29.29
15.88
15.75
7.94
24.13
55.6
2.60
20A
31.75
35.76
19.05
18.90
9.54
30.18
86.7
3.80
24A
38.10
45.44
22.23
25.22
11.11
36.20
124.6
5.60
28A
44.45
48.87
25.40
25.22
12.71
42.24
169.0
7.50
32A
50.80
58.55
28.58
31.55
14.29
48.26
222.4
10.10
40A
63.50
71.55
39.68
37.85
19.85
60.33
347.0
16.10
48A
76.20
87.83
47.63
47.35
23.81
72.39
500.4
22.60
滚子链的标记为:
链号—排数—链节数标准号。
例如:
16A—1—82GB/T1243—97表示:
A系列滚子链、节距为25.4mm、单排、链节数为82、制造标准GB/T1243—97。
二、滚子链链轮
1.链轮的基本参数及主要尺寸
链轮的基本参数为:
链轮的齿数z、配用链条的节距p、滚子外径d1及排距pt。
链轮的主要尺寸及计算公式如表9-2所示。
表9-2滚子链链轮主要尺寸(mm)
名称
代号
计算公式
备注
分度圆直径
齿顶圆直径
可在damax、damin范围内任意选取,但选用damax时,应考虑采用展成法加工时有发生顶切的可能性。
分度圆弦齿高
ha是为简化放大齿形图的绘制而引入的辅助尺寸(见表9-3)
hamax相应于damaxhamin相应于damin
齿根圆直径
df=d-d1
齿侧凸缘(或排间槽)直径
h2—内链板高度(见表9-1)
注:
da、dg值取整数,其他尺寸精确到0.01mm.
2.链轮的齿形
链轮的齿形应能保证链节平稳而自由地进入和退出啮合,不易脱链,且形状简单便于加工。
GB/T1243-97规定了滚子链链轮的端面齿形(表9-3)和轴面齿形(表9-4),由于滚子表面齿廓与链轮齿廓为非共轭齿廓,故链轮齿形设计有较大的灵活性,即在最大、最小范围内均可使用。
若链轮采用标准齿形,在链轮工作图上可不绘制出端面齿形,只须注明按GB/T1243-97制造即可。
但为了车削毛坯,需将轴面齿形画出。
3.链轮的结构和材料
链轮的结构如图9-6所示。
直径小的链轮常制成实心式(图a);中等直径的链轮常制成辐板式(图b);大直径(d>200mm)的链轮常制成组合式,可将齿圈焊接在轮毂上(图d)或采用螺栓联接(图c)。
表9-3滚子链链轮的齿槽尺寸计算公式
名称
单位
计算公式
最大齿槽形状
最小齿槽形状
齿面圆弧半径re
mm
齿沟圆弧半径ri
mm
齿沟角
(°)
注:
链轮的实际齿槽形状,应在最大齿槽形状和最小齿槽形状范围内
表9-4滚子链链轮轴向齿廓尺寸
名称
代号
计算公式
备注
p≤12.7
p>12..7
齿
宽
单排
双排、三排
四排以上
bf1
0.93b1
0.91b1
0.88b1
0.95b1
0.93b1
0.93b1
P>12.7时,经制造厂同意亦可使用P≤12.7时的齿宽。
b1—内链节内宽(见表9-1)
倒角宽
倒角半径
倒角深
圆角半径
链轮齿总宽
ba
rx
h
ra
bfm
ba=(0.1~0.15)p
rx≥p
h=0.5p
ra≈0.04p
bfm=(m-1)pt+bf1m—排数
仅适用于B型
链轮的材料应有足够的强度和耐磨性,齿面要经过热处理。
由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮轮齿的啮合次数多,受冲击也比较大,因此所用材料应优于大链轮。
链轮所用材料及热处理工艺见表9-5。
表9-5链轮材料及热处理
材料
热处理
齿面硬度
应用范围
15、20
渗碳淬火、回火
50~60HRC
z≤25有冲击载荷的链轮
35
正火
160~200HBS
z>25的主、从动链轮
45、50
45Mn、ZG310-570
淬火、回火
40~50HRC
无剧烈冲击振动和要求耐磨的主、从动链轮
15Cr、20Cr
渗碳淬火、回火
55~60HRC
z<30传递较大功率的重要链轮
40Cr、35SiMn、35CrMo
淬火、回火
40~50HRC
要求强度较高又要求耐磨的重要链轮
Q235-A、Q275
焊接后退火
140HBS
中低速、功率不大的较大链轮
灰铸铁(不低于HT200)
淬火、回火
260~280HBS
z>50的从动链轮及外形复杂或强度要求一般的链轮
夹布胶木
P<6KW,速度较高,要求传动平稳和噪声小的链轮
第三节链传动的传动比及运动的不均匀性
链传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带很相似,如图9-7所示。
多边形边长相当于链节距p,边数相当于链轮的齿数z。
链轮每转过一周,链条转过的长度为pz,当两链轮的转速分别为n1和n2时,链条的平均速度为:
(m/s)(9-1)
由上式得链传动的平均传动比为:
(9-2)
虽然链传动的平均速度和平均传动比不变,但它们的瞬时值却是周期性变化的。
为便于分析,设链的紧边(主动边)在传动时总处于水平位置,图9-7a)中铰链已进入啮合。
主动轮以角速度ω1回转,其圆周速度v1=r1ω1,将其分解为沿链条前进方向的分速度v和垂直方向的分速度则:
(9-3)
(9-4)
式中:
1为主动轮上铰链A的圆周速度方向与链条前进方向的夹角。
当链节依次进入啮合时1角在±180°/z1范围内变动,从而引起链速v相应作周期性变化。
当1=±180°/z1时图9-7b、d)链速最小,;当1=0°时(图9-7C)链速最大,vmax=r1ω1。
故即使ω1为常数,链轮每送走一个链节,其链速v也经历“最小-最大-最小”的周期性变化。
同理链条在垂直方向的速度也作周期性变化,使链条上下抖动。
(图9-7b、c、d)。
用同样的方法对从动轮进行分析可知,从动轮角速度ω2也是变化的,故链传动的瞬时传动比(i12=ω1/ω2)也是变化的。
a)
b)c)d)
图9-7链传动运动分析
链速和传动比的变化使链传动中产生加速度,从而产生附加动载荷、引起冲击振动,故链传动不适合高速传动。
为减小动载荷和运动的不均匀性,链传动应尽量选取较多的齿数z1和较小的节距p(这样可使1减小),并使链速在允许的范围内变化。
第四节链传动的设计计算
一、链传动的失效形式
由于链条的强度比链轮的强度低,故一般链传动的失效主要是链条失效,其失效形式主要有以下几种:
(1)链条铰链磨损。
链条铰链的销轴与套筒之间承受较大的压力且又有相对滑动,故在承压面上将产生磨损。
磨损使链条节距增加,极易产生跳齿和脱链。
(2)链板疲劳破坏。
链传动紧边和松边拉力不等,因此链条工作时,拉力在不断地发生变化,经一定的应力循环后,链板发生疲劳断裂。
(3)多次冲击破断。
链传动在启动、制动、反转或重复冲击载荷作用下,链条、销轴、套筒发生疲劳断裂。
(4)链条铰链的胶合。
链速过高时销轴和套筒的工作表面由于摩擦产生瞬时高温,使两摩擦表面相互粘结,并在相对运动中将较软的金属撕下,这种现象称为胶合。
链传动的极限速度受到胶合的限制。
(5)链条的静力拉断。
在低速(v<0.6m/s)重载或突然过载时,载荷超过链条的静强度,链条将被拉断。
二、滚子链的额定功率曲线
链传动的工作能力受到链条各种失效形式的限制。
通过试验可获得链条在一定条件下所能传递的功率P0。
图9-8所示的A系列滚子链额定功率曲线图制定条件为:
z1=19;Lp=100节;i=3;a=40p;满负荷连续运转寿命为15000h;两轮端面共面;采用推荐的润滑方式润滑。
当链传动不能按推荐的方式润滑时,图中规定的功率P0应降低取下列数值:
v≤1.5m/s时,取(0.3~0.6)P0;1.5m/s
当要求实际工作寿命低于15000h时,可按有限寿命设计,此时允许传递的功率高些。
三、设计计算步骤
链传动设计计算的原始条件为:
①传动的工作情况,原动机、工作机的种类;②传递的功率P;③主、从动轮的转速n1、n2或传动比i;④中心距大小,传动的布置等。
链传动设计计算内容包括:
①链条的型号、节距、排数和节数;②链轮的齿数、尺寸、结构和材料;③中心距a;④作用在轴上的力FQ等。
根据链速的大小,链传动的计算方法有以下两种:
1.中、高速链传动(v≥0.6m/s)的设计计算步骤:
链条在中、高速条件下,可能发生磨损、链板疲劳破坏、滚子和套筒点蚀以及套筒和销轴胶合失效,所以应按功率曲线设计计算。
(1)选择链轮的齿数z1、z2。
为减少运动的不均匀性和动载荷,小链轮的齿数不宜过少,通常zmin=17(链速极低时最少可到9),可按链速由表9-6选取z1。
大轮齿数z2=iz1,z2不宜过多,z2过多不仅使传动的尺寸和重量增加,而且链节伸长后易出现跳齿和脱链现象,通常z2max<120。
为使链条磨损均匀,一般链节数Lp多为偶数,链轮齿数多为奇数。
一般传动比i≤7;推荐i=2.0~3.5,低速和载荷平稳时i可达10。
i过大,链条在小链轮上的包角减小,啮合的轮齿数减小,轮齿的磨损加快。
表9-6滚子链传动的主动轮齿数z1
链速v(m/s)
0.6~3
3~8
>8
z1
≥15~17
≥19~21
≥23
(2)初定中心距a0。
中心距a小,结构紧凑,但链节数少,当链速一定时,单位时间内每一链节的应力循环次数增多,加快了疲劳和磨损。
中心距a大,链节数多,使用寿命长,但结构尺寸增大。
当中心距过大时,会使链条松边垂度过大,发生颤动,使传动平稳性下降。
一般取:
a0=(30~50)p(9-5)
amax=80p,采用张紧装置时a0可大于80p。
(3)确定链节距p。
链传动传递的功率P与特定条件下链条的额定功率P0之关系为:
P0≥(9-6)
式中:
KA为链传动的工作情况系数,见表9-7;KZ为小链轮齿数系数,即考虑z1≠19时的系数,见表9-8,当链传动的工作区在额定功率曲线(图9-8)顶点左侧时查KZ、在右侧时查KZ′;Km为链的多排系数,见表9-9。
载荷种类
工作机械举例
原动机
电动机或汽轮机
内燃机
载荷平稳
液体搅拌机、离心泵、离心式鼓风机、纺织机械、轻型运输机、链式运输机、发电机
1.0
1.2
中等冲击
一般机床、压气机、木工机械、食品机械、印染纺织机械、一般造纸机械、大型鼓风机
1.3
1.4
较大冲击
锻压机械、矿山机械、工程机械、石油钻井机械、振动机械、橡胶搅拌机
1.5
1.7
表9-7链传动的工作情况系数KA
根据式9-6求得的P0和小链轮转速n1,由图9-8查得链的型号以及节距p。
在满足传动功率的前提下,应尽量取较小的节距。
对高速(v>8m/s时)重载的链传动可选取小节距多排链。
表9-8小链轮的齿数系数KZ
Z1
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
Kz
Kz′
0.887
0.846
1.00
1.00
1.11
1.16
1.23
1.33
1.34
1.51
1.46
1.69
1.58
1.89
1.70
2.08
1.82
2.29
1.93
2.50
表9-9多排链系数Km
排数
1
2
3
4
Km
1.0
1.7
2.5
3.3
(4)校核链速v,确定润滑方式。
链速计算值为
(9-7)
v应符合选取z1时所假定的链速范围,并由图9-9确定润滑方式。
图9-9推荐使用的润滑方式
(5)确定链条节数Lp。
链条节数Lp的计算值为
(9-8)
计算得到的Lp应圆整为相近的整数,并尽可能取偶数。
(6)计算实际中心距a。
由式9-8得:
mm(9-9)
为使链条松边具有合理的垂度,以利链与链轮顺利啮合,安装时应使实际中心距较理论中心距a小2~5mm。
(7)计算轴压力FQ。
轴压力按下式计算:
(9-10)
式中:
为链所承受的圆周力,N。
(8)计算链轮端面和轴面尺寸,绘制链轮工作图。
由表9-2计算链轮端面尺寸,由表9-4计算链轮的轴向尺寸。
按所求尺寸绘制工作图,并注明齿形标准、齿数和节距。
2.低速链传动()的静强度计算:
对于低速链传动,其主要失效形式为过载拉断,故应按静强度计算,校核其静强度安全系数s即:
≥4~8(9-11)
式中:
FQ为单排链条的极限拉伸载荷(见表9-1);m为链条排数。
第五节链传动的布置、张紧和润滑
一、链传动的布置
链传动的布置按两轮中心连线的位置可分为:
水平布置(图9-10a)、倾斜布置(图9-10b)和垂直布置(图9-10c)三种。
通常情况下两轴线应在同一水平面(水平布置)。
两轮的回转平面应在同一平面内,否则易引起脱链和不正常磨损。
应是链条紧边在上松边在下,以免松边垂度过大使链与轮齿相干涉或紧松边相碰。
倾斜布置时,两轮中心线与水平面夹角应尽量小于45°。
应尽量避免垂直布置,以防止下链轮啮合不良。
二、链传动的张紧
链传动工作时合适的松边垂度一般为:
f=(0.01~0.02)a,a为传动中心距。
若垂度过大,将引起啮合不良或振动现象,所以必须张紧。
最常见的张紧方法是调整中心距法。
当中心距不可调整时,可采用拆去1~2个链节的方法进行张紧或设置张紧轮。
张紧轮常位于松边,如图9-10所示。
张紧轮可以是链轮也可以是滚轮,其直径与小链轮相近。
a)b)c)
图9-10链传动的布置和张紧
a)b)
c)d)e)
图9-11链传动的润滑
三、链传动的润滑
良好的润滑能减小链传动的摩擦和磨损,能缓和冲击、帮助散热,是链传动正常工作的必要条件。
如前所述,在选择链条型号时已选定链传动的润滑方式(图9-9)。
具体的润滑装置如图9-11所示。
润滑油应加于松边,因为松边面间比压较小,便于润滑油的渗入。
润滑油推荐用L—AN32、L—AN46和L—AN68号全损耗系统用油。
【实训例9-1】试设计一链式运输机的滚子链传动。
已知:
传递功率P=15KW,电动机转速n1=970r/min,速比i=3,载荷平稳。
解:
实训过程如表9-10所示。
表9-10实训例9-1实训过程
计算项目
计算与说明
计算结果
1.确定链轮的齿数Z1、Z2
假定v=3~8m/s
查表9-6取Z1=21
z2=iz1=3×21=63<120
z1=21
z2=63
2.初定中心距a0
取a0=40p
a0=40p
3.确定链节距p
查表9-7得KA=1;查表9-8得KZ=1.11;查表9-9得Km=1;
根据P0和n1查图9-8得:
选用12A号链条p=19.05mm
链号12A
p=19.05mm
4.验算链速确定润滑方式
m/s
符合原假设,由图9-9知应采用油浴或飞溅润滑
v=6.47m/s
采用油浴或飞溅润滑
5.确定链条节数Lp
=123.12取Lp=124节
Lp=124节
6.确定实际中心距a′
理论中心距:
=770.5mm
实际中心距:
a′=a-(2~5)取:
a′=770.5-2.5=768mm
a′=768mm
7.计算轴压力FQ
FQ=(1.2~1.3)Ft
圆周力
取FQ=1.25Ft=1.25×2318.39=2897.99N
FQ=2897.99N
8.链条标记
12A-1-124GB/T1243-97
12A-1-124
GB/T1243-97
9.计算链轮尺寸绘制链轮工作图
mm
mm
其他尺寸计算和链轮工作图略
d1=127.82mm
d2=382.18mm
习题九
9-1链传动和带传动、齿轮传动相比有哪些优缺点?
9-2套筒滚子链由哪几部分组成、标记方法是什么?
9-3链传动节距的大小对传递载荷及运动的不均匀性方面有何影响、应怎样选择节距?
9-4链轮齿数对链传动的运动有何影响、应怎样选择齿数?
9-5链传动的额定功率曲线实验条件是什么、传递功率P与额定功率P0之间的关系是什么?
9-6链传动有哪两种计算方法?
9-7如何确定链传动的润滑方式?
9-8已知一链传动设备,小链轮的分度圆直径d1=77.16mm,转速n1=300r/min,传递的功率P=1KW,求作用在链轮轴上的压力。
9-9一单排套筒滚子链传动,已知链条型号为12A,小链轮齿数为z1=19、转速n1=750r/min,速比i=3,中心距a≈760mm,原动机为电动机,工作机为轻型运输机。
试计算:
(1)链的节数?
(2)链条能传递的最大功率?
(3)链条能传递的最大圆周力?
实训九链传动设计
1.实训目的
熟练掌握链传动的设计方法。
2.实训的内容要求
请为一链式输送机设计链传动。
已知:
传递功率P=10KW,链轮转速n1=970r/min,n2=330r/min,载荷平稳。
3.实训过程
参考实训例9-1进行。
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