带传动是靠带与带轮之间的摩擦力来传递动力的。图5-1所示的小带轮在电动机的驱动下顺时针旋转,带要阻碍带轮的运动,作用于带轮的摩擦力为逆时针方向,如图中的力∑ F 轮 ,而带轮给带的摩擦力与带给带轮的摩擦力互为作用力与反作用力,大小相等方向相反,为顺时针方向,即图中的力∑ F 带 ,因此带在摩擦力的作用下顺时针旋转。带运动至进入大带轮时,带轮要阻碍带的运动,给带的摩擦力方向为逆时针,同理,带给带轮的摩擦力为顺时针,则大带轮在摩擦力的驱动下顺时针旋转。
图5-1 带传动工作原理图
带工作前两边拉力相等(即初拉力 F 0 );工作时,由于带所受摩擦力的方向(图5-1),使带一边的拉力增大至 F 1 ,另一边的拉力减小至 F 2 ,拉力差 F 1 - F 2 = F max 即为有效拉力,其数值等于沿带轮接触弧上摩擦力的总和。
带的受力分析的重点是掌握欧拉公式,即带在即将打滑但还没打滑时紧边拉力与松边拉力之比的关系,如忽略离心力的影响,欧拉公式为
代入 F 1 - F 2 = F max ,得带的有效拉力为
式中 F 1 、 F 2 ——带的紧边与松边的拉力(N);
e——自然对数的底,e=2.7182;
α ——带与带轮接触弧所对的中心角(rad),称为包角;
μ ——带与带轮之间的摩擦因数。
带在工作时受三种应力:由紧边、松边的拉力产生的拉应力,由离心力产生的拉应力,以及弯曲应力。
1.由紧边和松边的拉力产生的拉应力
紧边拉应力(MPa): σ 1 = F 1 / A
松边拉应力(MPa): σ 2 = F 2 / A
式中 A ——带的横截面积(mm 2 )。
2.由离心力产生的拉应力
σ c = F c /A = qv 2 /A
式中 q ——单位带长的质量(kg/m);
v ——带的速度(m/s)。
3.弯曲应力
带绕过带轮时将产生弯曲应力,弯曲应力只产生在带绕过带轮的部分。假设带是弹性体,由材料力学知弯曲应力为
绕过小轮处的弯曲应力:
绕过大轮处的弯曲应力:
式中 E ——带材料的弹性模量(MPa);
y ——带的最外层到节面(中性层)的距离(mm);
d 1 、 d 2 ——小轮、大轮基准直径(mm)。
把上述应力叠加,即得到带在传动过程中处于各个位置时所受的应力情况,如图5-2所示。从图中可知:带的最大应力发生在紧边开始绕上小带轮处的横截面上,其应力值为 σ max = σ 1 + σ c + σ b1 。由于交变应力的作用,将引起带的疲劳破坏而失效,表现为脱层、撕裂、拉断,缩短了带的使用寿命。
由于带是弹性体,受力不同时带的变形量也不相同,如图5-3所示。在主动轮上,当带从紧边 a 点转到松边 b 点时,拉力由 F 1 逐渐降至 F 2 ,带因弹性变形渐小而回缩,带的运动滞后于带轮。也就是说,带与带轮之间产生了相对滑动。在从动轮上,带的运动超前于带轮。这种由于带的弹性变形而引起的带与带轮之间部分接触弧之间的相对滑动,称为弹性滑动,又称丢转。
图5-2 带的应力分布
图5-3 带的弹性滑动
弹性滑动是带传动的特性,不可避免。当带传递载荷超过极限摩擦力时,带的弹性滑动普及全部接触弧,称“打滑”,这是由于超载引起的,应该避免。
带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏(即带疲劳断裂),因此带的设计准则应是在保证不打滑的前提下有一定的疲劳强度和寿命。而要不打滑应满足欧拉公式,即
满足不疲劳破坏的条件为
σ max = σ 1 + σ c + σ b1 ≤[ σ ]
式中 [ σ ]——在特定条件下由带的疲劳强度决定的许用应力(MPa)。
将以上两公式联立即得出带同时满足不打滑及不疲劳断裂时单根带能传递的功率 P 0 :
从而求出单根带所需根数为
式中 K A ——工况系数,其值见表5-1;
P ——V带传递的名义功率(kW);
P 0 ——单根V带在特定条件下所能传递的额定功率(kW),见表5-4;
Δ P 0 ——功率增量(kW),见表5-5;
K α ——包角修正系数,见表5-6;
K L ——长度修正系数,见表5-7。
计算出的根数 Z ≤8,考虑载荷在各带中分布不均,因此常用 Z =3~5。