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链条链轮DOC
第6章链传动
本章提示:
链传动由两个链轮和绕在两轮上的中间挠性件-----链条所组成。
靠链条与链轮之间的啮合来传递两平行轴之间的运动和动力,属于具有啮合性质的强迫传动。
其中,应用最广泛的是滚子链传动。
本章介绍了链传动的工作原理、特点及应用范围;重点分析了链传动的运动不均匀性(即多边形效应)产生的原因和链传动的失效形式;阐明了功率曲线图的来历及使用方法;着重讨论了滚子链传动的设计计算方法及主要参数选择;简要介绍了齿形链的结构特点以及链传动的润滑和张紧的方法。
基本要求
1).了解链传动的工作原理、特点及应用
2).了解滚子链的标准、规格及链轮结构特点。
3).掌握滚子链传动的设计计算方法。
4).对齿形链的结构特点以及链传动的布置、张紧和润滑等方面有一定的了解。
6.1概述
链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成,见图6.1,以链作中间挠性件,靠链与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。
在链传动中,按链条结构的不同主要有滚子链传动和齿形链传动两种类型:
1.滚子链传动
滚子链的结构如图6.2。
它由内链板1、外链板2、销轴3、套筒4和滚子5组成。
链传动工作时,套筒上的滚子沿链轮齿廓滚动,可以减轻链和链轮轮齿的磨损。
把一根以上的单列链并列、用长销轴联接起来的链称为多排链,图6.3为双排链。
链的排数愈多,承载能力愈高,但链的制造与安装精度要求也愈高,且愈难使各排链受力均匀,将大大降低多排链的使用寿命,故排数不宜超过4排。
当传动功率较大时,可采用两根或两根以上的双排链或三排链。
为了形成链节首尾相接的环形链条,要用接头加以连接。
链的接头形式见图6.4。
当链节数为偶数时采用连接链节,其形状与链节相同,接头处用钢丝锁销或弹簧卡片等止锁件将销轴与连接链板固定;当链节数为奇数时,则必须加一个过渡链节。
过渡链节的链板在工作时受有附加弯矩,故应尽量避免采用奇数链节。
链条相邻两销轴中心的距离称为链节距,用p表示,它是链传动的主要参数。
滚子链已标准化,分为A、B两种系列。
A系列用于重载、高速或重要传动;B系列用于一般传动。
表6.1列出了部分滚子链的基本参数和尺寸。
2.齿形链传动
齿形链传动是利用特定齿形的链板与链轮相啮合来实现传动的。
齿形链是由彼此用铰链联接起来的齿形链板组成(图6.5),链板两工作侧面间的夹角为60°,相邻链节的链板左右错开排列,并用销轴、轴瓦或滚柱将链板联接起来。
按铰链结构不同,分为圆销铰链式、轴瓦铰链式和滚柱铰链式三种,见图6.5b。
与滚子链相比,齿形链具有工作平稳、噪声较小、允许链速较高、承受冲击载荷能力较好和轮齿受力较均匀等优点;但结构复杂、装拆困难、价格较高、重量较大并且对安装和维护的要求也较高。
6.2滚子链链轮的结构设计
1.链轮的齿形
链轮齿形必须保证链节能平稳自如地进入和退出啮合,尽量减少啮合时的链节的冲击和接触应力,而且要易于加工。
常用的链轮端面齿形见图6.6。
它是由三段圆弧aa、ab、cd和一段直线bc构成,简称三圆弧-直线齿形。
齿形用标准刀具加工,在链轮工作图上不必绘制端面齿形,只需在图上注明"齿形按3RGB1244-85规定制造"即可,但应绘制链轮的轴面齿形,见图6.7,其尺寸参阅有关设计手册。
工作图中应注明节距p、齿数z、分度圆直径d(链轮上链的各滚子中心所在的圆)、齿顶圆直径da、齿根圆直径df。
其计算公式为
2.链轮结构
图6.8为几种常用的链轮结构。
小直径链轮一般做成整体式(图6.8a),中等直径链轮多做成辐板式,为便于搬运、装卡和减重,在辐板上开孔(图6.8b),大直径链轮可做成组合式(图6.8c,d),此时齿圈与轮芯可用不同材料制造。
3.链轮材料
链轮材料应保证轮齿有足够的强度和耐磨性,故链轮齿面一般都经过热处理,使之达到一定硬度。
常用材料见表6.2。
6.3链传动工作情况分析
6.3.1链传动的运动分析
1.链传动的运动不均匀性
链条进入链轮后形成折线,因此链传动的运动情况和绕在正多边形轮子上的带传动很相似,见图6.9。
边长相当于链节距p,边数相当于链轮齿数z。
链轮每转一周,链移动的距离为zp,设z1、z2为两链轮的齿数,p为节距(mm),n1、n2为两链轮的转速(r/min), 则链条的平均速度v(m/s)为
v=z1pn1/60*1000=z2pn2/60*1000 (6.4)
由上式可得链传动的平均传动比 i=n1/n2=z2/z1 (6.5)
事实上,链传动的瞬时链速和瞬时传动比都是变化的。
分析如下:
设链的紧边在传动时处于水平位置,见图6.9。
设主动轮以等角速度ω1转动,则其分度圆周速度为R1ω1。
当链节进入主动轮时,其销轴总是随着链轮的转动而不断改变其位置。
当位于β角的瞬时,链水平运动的瞬时速度等于销轴圆周速度的水平分量。
即链速v
v=cosβR1ω1 (6.6)
角的变化范围在±φ1/2之间,φ1=360。
/z1。
当β=0时,链速最大,vmax=R1ω1;当β=±φ1/2时,链速最小,vmin=R1ω1cos(φ1/2)。
因此,即使主动链轮匀速转动时,链速v也是变化的。
每转过一个链节距就周期变化一次,见图6.10。
同理,链条垂直运动的瞬时速度v`=R1ω1sinβ也作周期性变化,从而使链条上下抖动。
从动链轮由于链速v≠常数和γ角的不断变化(图6.9),因而它的角速度ω2=v/R2cosγ也是变化的。
链传动比的瞬时传动比i为 i=ω1/ω2=R2cosγ/R1cosβ (6.7)
显然,瞬时传动比不能得到恒定值。
因此链传动工作不稳定。
2.链传动的动载荷
链传动在工作时产生动载荷的主要原因是:
(1)链速和从动链轮角速度周期性变化,从而产生了附加的动载荷。
链的加速度愈大,动载荷也将愈大。
链的加速度为
可见,链轮转速愈高、链节距愈大、链轮齿数愈少,动载荷都将增大。
2)链沿垂直方向分速度也作周期性地变化,使链产生横向振动,这也是链传动产生动载荷的原因之一。
(3)链节进入链轮的瞬时,链节与链轮轮齿以一定的相对速度啮合,链与轮齿将受到冲击,并产生附加动载荷。
如图6.11所示,根据相对运动原理,把链轮看作静止的,链节就以角速度-w进入轮齿而产生冲击。
这种现象,随着链轮转速的增加和链节距的加大而加剧。
使传动产生振动和噪声。
(4)若链张紧不好、链条松弛,在起动、制动、反转、载荷变化等情况下,将产生惯性冲击,使链传动产生很大的动载荷。
由于链传动的动载荷效应,链传动不宜用于高速。
6.3.2链传动的受力分析
安装链传动时,只需不大的张紧力,主要是使链松边的垂度不致过大,否则会产生显著振动、跳齿和脱链。
若不考虑传动中的动载荷,作用在链上的力有:
圆周力(即有效拉力)F、离心拉力FC和悬垂拉力Fy。
如图所示。
链在传动中的主要作用力有:
(1)链的紧边拉力为 F1=F+FC+Fy (N) (6.8)
(2)链的松边拉力为 F2=FC+Fy (N) (6.9)
(3)围绕在链轮上的链节在运动中产生的离心拉力FC=qv2 (N) (6.10)
式中:
q为链的每米长质量,Kg/m,见表6.1;
v为链速m/s。
(4)悬垂拉力
可利用求悬索拉力的方法近似求得 Fv=Kvqga (N) (6.11)
式中:
a为链传动的中心距,m;
g为重力加速度,g=9.81m/s2;
Kv为下垂量y=0.02a时的垂度系数,与安装角β有关(图6.12),见表6.3。
链作用在轴上的压力FQ可近似地取为FQ=(1.2~1.3)F,有冲击和振动时取大值。
6.4滚子链传动的设计计算
6.4.1滚子链传动的主要失效形式
链传动的主要失效形式有以下几种:
(1)链板疲劳破坏 链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下,经过一定的循环次数,链板会发生疲劳破坏。
正常润滑条件下,疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素。
(2)滚子套筒的冲击疲劳破坏 链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。
在反复多次的冲击下,经过一定的循环次数,滚子、套筒会发生冲击疲劳破坏。
这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中。
(3)销轴与套筒的胶合 润滑不当或速度过高时,销轴和套筒的工作表面会发生胶合。
胶合限定了链传动的极限转速。
(4)链条铰链磨损 铰链磨损后链节变长,容易引起跳齿或脱链。
开式传动、环境条件恶劣或润滑密封不良时,极易引起铰链磨损,从而急剧降低链条的使用寿命。
(5)过载拉断 这种拉断常发生于低速重载或严重过载的传动中。
6.4.2滚子链传动的额定功率曲线
(1)极限传动功率曲线在一定使用寿命和润滑良好条件下,链传动的各种失效形式的极限传动功率曲线如图6.13所示。
曲线1是在正常润滑条件下,铰链磨损限定的极限功率;曲线2是链板疲劳强度限定的极限功率;曲线3是套筒、滚子冲击疲劳强度限定的极限功率;曲线4是铰链胶合限定的极限功率。
图中阴影部分为实 际使用的区域。
若润滑不良、工况环境恶劣时,磨损将很严重,其极限功率大幅度下降,如图中虚线所示。
(2)许用传动功率曲线
为避免出现上述各种失效形式,图6.14给出了滚子链在特定试验条件下的许用功率曲线。
试验条件为:
z1=19、链节数Lp=100、单排链水平布置、载荷平稳、工作环境正常、按推荐的润滑方式润滑、使用寿命15000h;链条因磨损而引起的相对伸长量Δp/p不超过3%。
当实际使用条件与试验条件不符时,需作适当修正,由此得链传动的计算功率应满足下列要求
式中P0--许用传递功率(kW),由图6.14查取;
P--名义传递功率(kW);
KA--工作情况系数,见表6.4。
KZ--小链轮齿数系数,见表6.5,当工作点落在图6.14某曲线顶点左侧时(属于链板疲劳),查表中,当工作点落在某曲线顶点右侧时(属于滚子、套筒冲击疲劳)查表中;
KL--链长系数,根据链节数,查表6.6;
Kp--多排链系数,查表6.7。
6.4.3滚子链传动的设计步骤和传动参数选择
(1)传动比i链的传动比一般≤8,在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10。
如传动比过大,则链包在小链轮上的包角过小,啮合的齿数太少,这将加速轮齿的磨损,容易出现跳齿,破坏正常啮合。
通常包角最好不小于120。
,推荐传动比i=2~3.5。
(2)链轮齿数z1和z2 首先应合理选择小链轮齿数z1。
小链轮齿数不宜过少,过少时,传动不平稳、动载荷及链条磨损加剧,摩擦消耗功率增大,铰链的比压加大及链的工作拉力增大。
但是z1不能太大,因为z1大,z2更大,不仅增大传动尺寸,而且铰链磨损后容易引起脱链,将缩短链的使用寿命。
因为若链条的铰链发生磨损,将使链条节距变长、链轮节圆d`向齿顶移动(图6.15)。
节距增长量Δp与节圆外移量Δd`的关系,可由式(6.1)导出:
由此可知Δp一定时,齿数越多节圆外移量Δd`就越大,也越容易发生跳齿和脱链现象。
滚子链的小链轮齿数按表6.8推荐范围选择。
大链轮齿数z2按z2=iz1确定,一般应使z2≤120。
在选取链轮齿数时,应同时考虑到均匀磨损的问题。
由于链节数最好选用偶数,所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。
(3)链速和链轮的极限转速链速的提高受到动载荷的限制,所以一般最好不超过12m/s。
链轮的最佳转速和极限转速可参看图6.14。
图中接近于最大许用传动功率时的转速为最佳转速,功率曲线右侧竖线为极限转速。
(4)链节距链节距愈大,链和链轮齿各部尺寸也愈大,链的拉曳能力也愈大,但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。
因此设计时,在承载能力足够的条件下,应选取较小节距的单排链,高速重载时,可选用小节距的多排链。
(5)链的长度和中心距若链传动中心距过小,则小链轮上的包角也小,同时啮合的链轮齿数也减少;若中心距过大,则易使链条抖动。
一般可取中心距a=(30~50)p,最大中心矩amax≤80p。
链的长度常用链节数Lp表示。
按带传动求带长的公式可导出
式中a--链传动的中心矩。
由此算出的链的节数,必须圆整为整数,且最好为偶数。
然后根据圆整后的链节数用下式计算实际中心矩:
为了便于安装链条和调节链的张紧程度,一般中心距设计成可以调节的。
若中心距不能调节而又没有张紧装置时,应将计算的中心距减小2~5mm。
这样可使链条有小的初垂度,以保持链传动的张紧。
(7)主要尺寸(略)
6.5链传动的布置、张紧和润滑
6.5.1链传动的布置
为使链传动能工作正常,应注意其合理布置,布置的原则简要说明如下:
(1)两链轮的回转平面应在同一垂直平面内,否则易使链条脱落和产生不正常的磨损。
(2)两链轮中心连线最好是水平的,或与水平面成以下的倾角,尽量避免垂直传动,以免与下方链轮啮合不良或脱离啮合。
(3)常见合理布置形式参见表6.9。
6.5.2链传动的张紧
链传动中如松边垂度过大,将引起啮合不良和链条振动,所以链传动张紧的目的和带传动不同,张紧力并不决定链的工作能力,而只是决定垂度的大小。
张紧的方法很多,最常见的是移动链轮以增大两轮的中心矩。
但如中心距不可调时,也可以采用张紧轮张紧,见图6.16a、b。
张紧轮应装在靠近主动链轮的松边上。
不论是带齿的还是不带齿的张紧轮,其分度圆直径最好与小链轮的分度圆直径相近。
此外还可以用压板或托板张紧(图6.16c、d)。
特别是中心距大的链传动,用托板控制垂度更为合理。
6.5.3 链传动的润滑
链传动的润滑至关重要。
合宜的润滑能显著降低链条铰链的磨损,延长使用寿命
链传动的润滑方法可根据图6.17选取。
通常有四种润滑方式:
Ⅰ-人工定期用油壶或油刷给油;Ⅱ-滴油润滑,用油杯通过油管向松边内外链板间隙处滴油;Ⅲ-油浴润滑或飞溅润滑,采用密封的传动箱体,前者链条及链轮一部分浸入油中,后者采用直径较大的甩油盘溅油;Ⅳ-油泵压力喷油润滑,用油泵经油管向链条连续供油,循环油可起润滑和冷却的作用。
链传动使用的润滑油运动粘度在运转温度下约为20~40mm2/s。
只有转速很慢又无法供油的地方,才可以用油脂代替。
小结
1.链传动属于啮合传动,能获得准确的平均传动比,又能实现较大中心距的传动。
由于刚性链节在链轮上呈多边形分布,引起瞬时传动比周期性变化和啮合时的冲击,因而其传动平稳性差。
2.链传动运动不均匀及刚性链节啮入链轮齿间时引起的冲击,必然要引起动载荷。
当链啮入链轮齿间时,就会形成不断的冲击、振动和噪声,这种现象称为"多边形效应"。
链的节距越大,链轮转速越高,"多边形效应"就越严重。
在设计时,必须对链速加以限制。
此外,选取小节距的链条,也有利于降低链传动的运动不均匀性及动载荷。
3.链传动的设计计算通常是根据所传递的功率P、工作条件、链轮转速n1、n2等,选定链轮齿数z1、z2,确定链的斩草除根距、列数、传动中心距、链轮结构、材料、润滑方式等。
(1)合理选定链轮齿数是设计中的一项重要任务。
小链轮齿数z1选得过少时,多边形效应增强,速度变化率急剧增加,故限定链轮最小齿数zmin=9。
选得多一些,一般来说对传动有利,但若选提太多,则大链轮齿数z2将更多,不仅增大了传动尺寸和重量,而且还会由于链节距磨损伸长,易使链条从链轮上脱落,缩短链条使用寿命,故常取z2max=120。
(2)链节距P已标准化。
它不仅反映了链条和链轮各部分尺寸的大小,而且是决定链传动承载能力的重要参数之一。
为了使结构紧凑、传动平稳,尽可能选用较小节距的单列链;速度小而功率大时,可选用小节距的多列链。
滚子链链轮的结构设计
1.链轮的齿形
链轮齿形必须保证链节能平稳自如地进入和退出啮合,尽量减少啮合时的链节的冲击和接触应力,而且要易于加工。
常用的链轮端面齿形见图12.6。
它是由三段圆弧aa、ab、cd和一段直线bc构成,简称三圆弧一直线齿形。
齿形用标准刀具加工,在链轮工作图上不必绘制端面齿形,只需在图上注明"齿形按3RGBT1244-1985规定制造"即可,但应绘制链轮的轴面齿形,见图12.7,其尺寸参阅有关设计手册。
工作图中应注明节距p、齿数z、分度圆直径d(链轮上链的各滚子中心所在的圆)、齿顶圆直径da、齿根圆直径df。
其计算公式为
链轮材料 链轮材料应保证轮齿有足够的强度和耐磨性,故链轮齿面一般都经过热处理,使之达到一定硬度。
常用材料见表12.2。
12.3链传动工作情况分析
12.3.1链传动的运动分析
1.链传动的运动不均匀性
链条进入链轮后形成折线,因此链传动的运动情况和绕在正多边形轮子上的带传动很相似,见图12.9。
边长相当于链节距p,边数相当于链轮齿数z。
链轮每转一周,链移动的距离为zp,设z1、z2为两链轮的齿数,p为节距(mm),n1、n2为两链轮的转速(r/min), 则链条的平均速度v(m/s)为
v=z1pn1/[60×1000]=z2pn2/[60*1000] (12.4)
由上式可得链传动的平均传动比 i=n1/n2=z2/z1
(12.5)
事实上,链传动的瞬时链速和瞬时传动比都是变化的。
分析如下:
设链的紧边在传动时处于水平位置,见图12.9。
设主动轮以等角速度ω1转动,则其分度圆周速度为R1ω1。
当链节进入主动轮时,其销轴总是随着链轮的转动而不断改变其位置。
当位于β角的瞬时,链水平运动的瞬时速度v等于销轴圆周速度的水平分量。
即链速v
v=cosβR1ω1 (12.6)
图12.9
角的变化范围在±φ1/2之间,φ1=360。
/z1。
当β=0时,链速最大,vmax=R1ω1;当β=±φ1/2时,链速最小,vmin=R1ω1cos(φ1/2)。
因此,即使主动链轮匀速转动时,链速v也是变化的。
每转过一个链节距就周期变化一次,见图12.10。
同理,链条垂直运动的瞬时速度v`=R1ω1sinβ也作周期性变化,从而使链条上下抖动。
从动链轮由于链速v≠常数和γ角的不断变化(图12.9),因而它的角速度ω2=v/R2cosγ也是变化的。
链传动比的瞬时传动比i为 i=ω1/ω2=R2cosγ/R1cosβ
(12.7)显然,瞬时传动比不能得到恒定值。
因此链传动工作不稳定。
说明:
1.第一字母表示排数S-单排(可省略)D-二排T-三排Q-四排
2."H"表示齿部淬火,齿部不需淬火则不标注,订货时需别作说明。
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