《机械设计》知识点整理-链传动

本文最后更新于:2021年9月12日 中午

近期正在编写的新书《机械设计》知识点整理第九章 链传动 刚刚完成了第一稿,这也是新书完成编写的第一个章节,特摘至博客以示纪念

9-1 链传动的特点及应用

链传动是一种挠性传动,通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。

组成

  • 链条
  • 小链轮
  • 大链轮

链传动优点

  • (与摩擦型带传动比)
  • 保持准确的平均传动比
  • 传动效率高
  • 作用于轴上的径向压力小
  • 链传动的整体尺寸较小,结构较为紧凑
  • 能在高温的潮湿环境中工作
  • (与齿轮传动比)
  • 制造安装精度要求较低
  • 成本较低
  • 在远距离传动时,比齿轮传动轻便得多

链传动缺点

  • 只能实现平行轴间链轮的同向传动
  • 运转时不能保持恒定的瞬时传动比
  • 磨损后易发生跳齿
  • 工作时有噪声
  • 不宜用在载荷变化很大、高速、急速反向的传动中

应用场合

  • 要求工作可靠
  • 两轴相距较远
  • 低速重载
  • 工作环境恶劣
  • 其他不宜使用齿轮传动的场合

链条按用途分类

  • 传动链
    • 短节距精密滚子链(简称滚子链)
    • 齿形链
  • 输送链
  • 起重链

9-2 传动链的结构特点

滚子链

  • 一般传递的功率在 100kW 以下
  • 链速不超过 15m/s
  • 推荐使用的最大传动比 imaxi_{\max} = 6

滚子链结构

  • 滚子
  • 套筒
  • 销轴
  • 内链板
  • 外链板

滚子链的结构

配合方式

  • 过盈配合
    • 内链板与套筒之间
    • 外链板与销轴之间
  • 间隙配合
    • 滚子与套筒之间
    • 套筒与销轴之间

活动方式

  • 内、外链板相对挠曲时,套筒可绕销轴自由转动
  • 滚子活套在套筒上,工作时沿链轮齿廓滚动,以减轻齿廓的磨损
  • 销轴与套筒接触面是链的主要磨损位置,应在内、外链板间留少许间隙,便于润滑油渗入

链板制成 8 字形

  • 使各个横截面具有接近相等的抗拉强度
  • 减小链的质量和运动时的惯性力

多排链

传递大功率时可以使用多排链,排数越多承载能力越强

但受限于精度,各排链承受的载荷不易均匀,故排数不宜过多

双排链

接头形式

滚子链的接头形式

滚子链接头形式选择

滚子链和链轮啮合的基本参数

  • 节距 pp (主要参数)
  • 滚子外径 d1d_1
  • 内链节内宽 b1b_1
  • 排距 ptp_t​​ (多排链)

滚子链的基本参数

我国链条标准

GB/T 1243-2006

链号数 × 25.416\frac{25.4}{16} = 节距值

后缀 A 或 B 表示 A 系列(适用于以美国为中心的西半球区域,主要)或 B 系列(欧洲区域)

滚子链的标记

链号 - 排数 - 整链链节数 标准编号

例:08A-1-88 GB/T 1243-2006 表示 A 系列、节距 12.7 mm、单排、88节的滚子链

齿形链

又称无声链,由一组带有两个齿的链板左右交错并铰接而成

齿楔角:

  • 每个链板的两个外侧直边(工作边)间的夹角
  • 一般为60°

内导板齿形链

内导板齿形链导向性好,工作可靠,适用于高速重载传动

链轮宽度大于25 ~ 30 mm 时,一般采用内导板齿形链

外导板齿形链

外导板齿形链结构简单但导向性差,链轮宽度较小时使用

齿形链优点

  • 传动平稳、噪声小
  • 承受冲击性能好
  • 效率高
  • 工作可靠

应用场合:高速、大传动比、小中心距等工作条件较为严酷的场合

齿形链缺点:结构复杂、难于制造、价格较高

9-3 滚子链链轮的结构和材料

链轮由轮齿、轮缘、轮辐和轮毂组成。链轮设计主要是确定其结构和尺寸,选择材料和热处理方法。

链轮齿形

非共轭啮合

实际齿槽形状取决于加工轮齿的刀具和加工方法,并应使其位于最小和最大齿槽形状之间

查表:滚子链链轮的齿槽形状

链轮的基本参数和主要尺寸

基本参数

  • 配用链条的节距 pp
  • 滚子外径 d1d_1
  • 排距 ptp_t
  • 齿数 zz

链轮的主要尺寸和计算公式:查表

链轮的结构

尺寸 结构
小直径 整体式
中等直径 孔板式
大直径 可将齿圈用螺栓连接或焊接在轮毂上

链轮的材料

小链轮应采用较好的材料制造

链轮常用材料和应用范围:查表

9-4 链传动的工作情况分析

链传动的运动特性

当链绕在链轮上时,其链节与相应的轮齿啮合后,这一段链条将曲折成正多边形(边长 pp​​​ ,边数 zz​​​ )的一部分(见图)。

链的平均速度 vv (m/s)为

v=z1n1p60×1000=z2n2p60×1000v = \frac{z_1n_1p}{60 \times 1000} = \frac{z_2n_2p}{60 \times 1000}

字母符号 含义
z1z_1​​ 、 z2z_2​​ 主、从动链轮的齿数
n1n_1n2n_2 主、从动链轮的转速,r/min

链传动平均传动比:

i=n1n2=Z2Z1i = \frac{n_1}{n_2} = \frac{Z_2}{Z_1}

链速瞬时变化

前提:主动链轮转速恒定

链传动的速度分析_主动轮

铰链 AA​ 实际用于牵引链条运动的速度 vxv_x

vx=v1cosβ=R1ω1cosβv_x = v_1 \cos\beta = R_1 \omega_1 \cos\beta

R1R_1 为主动链轮的分度圆半径,m

β=±φ12=±180z1\beta = \pm \frac{\varphi_1}{2} = \pm \frac{180^{\circ}}{z_1}​ 链速最低

β=0\beta = 0 链速最高

链速变化呈周期性,链轮转过一个链节,对应链速变化的一个周期

转速越高、齿数越少,链速变化范围越大

铰链 AA 带动链条上下运动,上下运动的链速 vy1v_{y1}​ 也随链节周期性变化

vy1=v1sinβ=R1ω1sinβv_{y1} = v_1 \sin\beta = R_1\omega_1\sin\beta

链传动的速度分析_从动轮

从动链轮上,铰链 CC 沿圆周方向运动的线速度

v2=R2ω2=vxcosγv_2 = R_2\omega_2 = \frac{v_x}{\cos\gamma}

由此,从动轮转速为

ω2=vxR2cosγ=R1ω1cosβR2cosγ\omega_2 = \frac{v_x}{R_2\cos\gamma} = \frac{R_1\omega_1\cos\beta}{R_2\cos\gamma}

γ\gamma±180z2\pm \frac{180^{\circ}}{z_2} 内不断变化,β\beta 也在变化,所以即使 ω1\omega_1 为常数,ω2\omega_2也是周期性变化的​

链传动瞬时传动比

i=ω1ω2=R2cosγR1cosβi = \frac{\omega_1}{\omega_2} = \frac{R_2 \cos\gamma}{R_1\cos\beta}

链传动多边形效应

链传动的传动比变化与链条绕在链轮上的多边形特征有关

链传动的动载荷

链速变化引起的惯性力:

Fd1=macF_{d1} = ma_c

字母符号 含义
mm 紧边链条的质量,kg
aca_c 链条变速运动的加速度,m/s²

视主动链轮匀速转动,当 β=±φ12=±180z1\beta = \pm \frac{\varphi_1}{2} = \pm \frac{180^{\circ}}{z_1} 时,

(ac)max=R1ω12sin(±180z1)=ω12p2(a_c)_{\max} = -R_1\omega_1^2\sin(\pm\frac{180^{\circ}}{z_1}) = \mp \frac{\omega_1^2p}{2}

从动链轮因角加速度引起的惯性力为:

Fd2=JR2dω2dtF_{d2} = \frac{J}{R_2} \frac{d\omega_2}{dt}

字母符号 含义
JJ 从动系统转化到从动链轮轴上的转动惯量,kg · m²
ω2\omega_2 从动链轮的角速度,rad/s

链轮转速越高、节距越大、齿数越少,则惯性力越大,相应动载荷越大;同时链条沿垂直方向的变速运动也会产生一定的动载荷

链节和链轮啮合瞬间的相对速度,也将引起冲击和振动:节距越大、链轮转速越高,冲击越严重

链传动的受力分析

链条安装时应有一定的张紧力——通过使链条保持适当的垂度所产生的悬垂拉力

紧边拉力与松边拉力

F1=Fe+Fc+FfF_1 = F_e + F_c + F_f

F2=Fc+FfF_2 = F_c + F_f

字母符号 含义
FeF_e 有效圆周力,N
FcF_c 离心力引起的拉力,N
FfF_f 悬垂拉力,N

有效圆周力

Fe=1000PvF_e = 1000\frac{P}{v}

字母符号 含义
PP 传递的功率,kW
vv 链速,m/s

离心力引起的拉力

Fc=qv2F_c = qv^2

qq 为链条单位长度的质量,kg/m

悬垂拉力:

Ff=max(Ff,Ff)F_f = \max(F^\prime_f, F^{\prime\prime}_f)

其中:

Ff=Kfqa×102F^\prime_f = K_f qa \times 10^{-2}

Ff=(Kf+sinα)qa×102F^{\prime\prime}_f = (K_f + \sin\alpha)qa \times 10^{-2}

字母符号 含义
aa 链传动的中心距,mm
KfK_f 垂度系数,查表

9-5 滚子链传动的设计计算

链传动的失效形式

  • 链的疲劳破坏
    • 经过一定循环次数后,链板将会因疲劳而断裂
    • 套筒和滚子表面将会因冲击而出现疲劳点蚀
    • 链条的疲劳强度为决定链传动承载能力的主要因素
  • 链条铰链的磨损
    • 使链节距增大,链条总长度增加
    • 使链的松边垂度发生变化
    • 增大运动的不均匀性和动载荷,引起跳齿
  • 链条铰链的胶合
    • 胶合在一定程度上限制了链传动的极限转速
  • 链条的静力破坏
    • 当链速较低时(vv < 0.6 m/s),如果链条负载不增加而变形持续增加,即认为链条正在被破坏
    • 导致链条变形持续增加的最小负载将限制链条能够承受的最大载荷

链传动的额定功率

极限功率曲线

极限功率曲线示意图

  1. 在润滑良好、中等速度下,链传动的主要承载能力主要取决于链板的疲劳强度
  2. 随着转速提高,链传动的动载荷增大,传动能力主要取决于滚子和套筒的冲击疲劳强度
  3. 当转速很高时,胶合将限制链传动的承载能力

额定功率曲线

采用额定功率 PcP_c​ 限制链传动的实际工作能力

A系列单排滚子链额定功率曲线

通过试验确定额定功率曲线,一个试验条件:查表

当链传动的工作条件与试验条件不同时,额定功率应予以修正。修正时考虑工作情况、主动链轮齿数、链传动的排数

链传动的参数选择

链轮齿数 z1z_1​ 和 z2z_2​​

链轮齿数过少的缺点:

  • 增加运动的不均匀性和动载荷
  • 链条在进入和退出啮合时,链节间的相对转角增大
  • 链传动的圆周力增大,从整体上加速铰链和链轮的磨损
  • 链轮最小齿数 zminz_{\min} = 9
  • z1z_1 ≥ 17 (一般)
  • z1z_1 ≥ 25 (高速传动或承受冲击载荷的链传动)、链轮应淬硬

链轮齿数过多的缺点:

  • 增大传动总体尺寸
  • 易发生跳链、脱链:链节增长量 Δp\Delta p​ 一定时,链轮齿数越多,链轮上一个链节所对的圆心角就越小,铰链所在圆的直径的增加量 Δd\Delta d​ 越大,铰链会更接近齿顶(如图),从而增大跳链和脱链机会
  • zmaxz_{\max} ≤ 150,一般 zz ≤ 114

链节距增长量和铰链外移量

常取链轮齿数为奇数,并尽可能与链节数互质:链节数通常为偶数,这样可以使链条和链轮磨损均匀

传动比 ii

  • ii ≤ 6 (一般)
  • 2 ≤ ii ≤ 3.5 (常用)
  • 链条在小链轮上的包角不应小于120°

中心距 aa

中心距过小的缺点:

  • 单位时间内链条的绕转次数增多,链条曲伸次数和应力循环次数增多,加剧链条的磨损和疲劳
  • 链条在小链轮上的包角变小,每个轮齿所受的载荷增大,易出现跳齿和脱链现象

中心距太大的缺点:松边垂度过大,传动时造成松边颤动

情况 中心距取值
无其他限制 a0a_0 = (30 ~ 50) pp
无其他限制,无张紧装置或托板 a0maxa_{0\max} = 80 pp
有张紧装置或托板 a0maxa_{0\max} 可以大于80
中心距不能调整 a0max30pa_{0\max} \approx 30p

链的节距 pp 和排数

节距大可以提高承载能力

节距的缺点:

  • 总体尺寸增大
  • 多边形效应显著
  • 振动、冲击、噪声更严重
工作情况 链的节距排数选择 理由
—— 较小节距单排链 使结构紧凑、延长寿命
速度高、功率大 小节距多排链 ——
中心距小、传动比大 小节距多排链 经济
中心距大、传动比小 大节距单排链 经济

滚子链传动的设计计算

已知条件

  • 链传动的工作条件
  • 传动位置与总体尺寸限制
  • 所需传递的功率 PP
  • 主、从动链轮转速 n1n_1n2n_2 或传动比 ii

设计内容

  • 链条型号、链节数 LpL_p、排数
  • 链轮齿数 z1z_1z2z_2
  • 链轮的材料、几何尺寸
  • 链传动的中心距 aa
  • 压轴力 FpF_p
  • 润滑方式、张紧方式等

设计步骤和方法

(1)选择链轮齿数 z1z_1z2z_2 和确定传动比 ii

链轮齿数一般为 17 ~ 114

传动比:

i=z2z1i = \frac{z_2}{z_1}

(2)计算当量的单排链计算功率 PcaP_{ca}

Pca=KAKzKpPP_{ca} = \frac{K_A K_z}{K_p} P

字母符号 含义
KAK_A 工作情况系数,查表
KzK_z 主动链轮齿数系数,Kz=(19Z1)1.08K_z = (\frac{19}{Z_1})^{1.08}
KpK_p 多排链系数,对双排链取值 1.7,三排链取值 2.5
PP 传递的功率,kW

(3)确定链条型号和节距 pp

链条型号:查表(根据当量的单排链计算功率 PcaP_{ca} 、单排链额定功率 PcP_c 、主动链轮转速 n1n_1

确定链条节距 pp :查表

(4)计算链节书和中心距

初选中心距 a0a_0 = (30 ~ 50) pp ,按下式计算链节数 Lp0L_{p0}

Lp0=2a0p+z1+z22+(z2z12π)2pa0L_{p0} = 2\frac{a_0}{p} + \frac{z_1 + z_2}{2} + (\frac{z_2 - z_1}{2\pi})^2\frac{p}{a_0}

为避免使用过渡链节,应将计算出的链节数 Lp0L_{p0} 圆整为偶数 LpL_p

链传动最大中心距为

amax=f1p[2Lp(z1+z2)]a_{\max} = f_1p[2L_p - (z_1 + z_2)]

f1f_1 为中心距计算系数,查表

特别地,当两链轮的齿数相等( z=z1=z2z = z_1 = z_2 )时,链传动的最大中心距为

amax=p(Lpz2)a_{\max}= p(\frac{L_p - z}{2})

(5)计算链速 vv​ ,确定润滑方式

链的平均速度 vv​ (m/s)计算公式:见 9-4-链传动的运动特性

润滑方式:查表

(6)计算链传动作用在轴上的压轴力 FpF_p

FpKFpFeF_p \approx K_{Fp}F_e

字母符号 含义
FeF_e 有效圆周力,N
KFpK_{Fp} 压轴力系数。对于水平传动,取值 1.15;对于垂直传动,取值 1.05

9-6 链传动的布置、张紧、润滑与防护

链传动的布置

链轮必须位于铅垂面内,两链轮共面

中心线可以水平或倾斜,尽量不要处于铅锤位置

紧边在上,松边在下

具体布置:查表

链传动的张紧

目的:避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象、增加链条与链轮的啮合包角

张紧方法:

  • 调节中心距(中心距可调时)
  • 张紧轮
    • 链轮或滚轮
    • 直径与小链轮的直径相近
    • 自动张紧(弹簧、吊重等)或定期张紧(螺旋、偏心等调整装置)
  • 压板、托板

链传动的润滑

润滑作用:缓和冲击、减轻磨损、延长链条使用寿命

推荐润滑方式:查表

链传动的防护

应用防护罩将链传动装置封闭,与灰尘隔离以保证正常润滑


《机械设计》知识点整理-链传动
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作者
Muzing
发布于
2021年8月8日
更新于
2021年9月12日
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