设计带传动的步骤与计算方法

一、分析带传动的失效形式和设计准则

（一）V带的主要失效形式有两种，即打滑和疲劳损坏

打滑：带所传递的圆周力超过了带与带轮接触面间摩擦力总和的极限值时，带在带轮上会发生明显的相对滑动。

带的疲劳破坏：带在交变应力作用下构件发生的破坏。

（二）带传动的设计准则

针对带传动的主要失效形式，带传动的设计准则是：在保证带传动不打滑的前提下，具有一定的疲劳强度和寿命。

保证不打滑的条件：带传递的有效圆周力F小于或等于带与带轮间的极限摩擦力，即

F≤Ffmax

保证带传动具有一定疲劳强度和寿命的条件：带所受最大应力小于带的许用应力［σ］，即

σmax＝σb1＋σ1＋σc≤［σ］

二、带传动的设计

（一）已知条件

通常情况下设计V带传动时已知的原始数据有：所需传递的额定功率P；小带轮转速n1、大带轮的转速n2或传动比；传动的用途和工作条件；传动位置和总体尺寸限制，原动机种类等。

（二）设计计算方法和步骤

1.确定计算功率Pc

根据传递的功率P、原动机及工作机的类型、载荷性质和每天运转的小时数等因素确定，即

Pc＝KAP

式中：KA——工作情况系数，查表3－1－3可得。

表3－1－3　V带的工作情况系数KA

2.选择带的型号

带式输送机中所用的传动带为普通V带，属于标准件。标准普通V带都制成无接头的环形，其结构如图3－1－8所示，抗拉体的结构分为帘布芯V带［见图3－1－8（a）］和绳芯V带［见图3－1－8（b）］两种类型。

图3－1－8　V带横截面结构

（a）帘布V带；（b）绳芯V带
1—包布层；2—伸张层；3—强力层；4—压缩层

（1）普通V带型号。国家标准规定（GB／T11544—2012），按截面尺寸的大小普通V带分为Y、Z、A、B、C、D、E七种型号，窄V带根据截面尺寸分为SPZ、SPA、SPB、SPC四种型号。V带截面尺寸见表3－1－4。

表3－1－4　V带截面尺寸

（2）普通V带的主要参数。带绕在带轮上时产生弯曲，外层受拉伸长，内层受压缩短，内外层之间必有一长度不变的中性层，其宽度bp称为节宽。V带轮上与bp相应的带轮直径dd称为基准直径，与带轮基准直径相应的带的周线长度称为基准长度，用Ld表示。

（3）普通V带的标记。普通V带的标记是由型号、基准长度和标准号三部分组成，如基准长度为1600mm的B型普通V带，其标记为

B1600GB／T11544—2012

V带的标记及制造年月和生产厂名，通常都压印在带的外表面。

（4）选择V带的型号。根据计算功率Pc和主动轮转速n1，由图3－1－9选择V带型号。当所选的坐标点在图中两种型号分界线附近时，可选择两种型号分别进行计算，然后择优选用。

图3－1－9　普通V带选型图

做一做

结合上述任务，根据计算功率和小带轮的转速，选择带式输送机中带的型号。

3.确定V带轮的基准直径dd1和dd2

（1）初选小带轮的基准直径dd1。

设计时应取小带轮的基准直径dd1≥ddmin，ddmin的值查表3－1－5。带轮直径越小，结构越紧凑，但带的弯曲应力增大，寿命降低，而且带的速度也降低，单根带的基本额定功率减小，所以小带轮的基准直径dd1不宜选得太小。

表3－1－5　带轮最小基准直径（GB／T10412—2002）　mm

（2）验算带的速度v。

由来计算带的速度v，并满足5m／s≤v≤vmax。对于普通V带，vmax＝25～30m／s；对于窄V带，vmax＝35～40m／s。如果v＞vmax，则离心力过大，即应减小dd1；如v过小（v＜5m／s），这将使所需的有效圆周力Fe过大，即所需带的根数过多，于是带轮的宽度、轴径及轴承的尺寸都要随之增大，故v过小时应增大dd1。

（3）计算从动轮的基准直径dd2。

dd2＝idd1，并按V带轮的基准直径系列进行圆整。

做一做

结合上述任务，选择带轮的最小直径，并计算出大带轮的直径。

4.分析与计算技术参数

带传动的中心距如过大，会引起带的抖动，且传动尺寸也不紧凑；中心距越小，带的长度越短，带的应力变化也就越频繁，会加速带的疲劳破坏，当传动比较大时，中心距太小将导致包角过小，降低传动能力。

（1）初步确定中心距a0尺寸。

0.7（dd1＋dd2）≤a0≤2（dd1＋dd2）

（2）初步确定基准长度Ld0尺寸。

按下式计算所需带的基准长度：

根据Ld0，按照表3－1－6选取相近的基准长度Ld。

表3－1－6　普通V带的基准长度系列及长度修正系数

续表

（3）确定实际的中心距。

根据Ld来计算实际中心距。带传动实际中心距a用下式计算：

式中：。

由于带传动的中心距一般是可以调整的，故可近似计算：

考虑到安装调整和张紧的需要，实际中心距的变动范围为

做一做

结合上述任务，选择带式输送机中带传动的中心距和基准直径。

提示：

带的基准长度要按照表3－1－6中的数据进行圆整。

（4）验算小带轮包角α1。

根据包角计算公式及对包角的要求，应保证：

当包角小于允许值时，可以通过采取增加中心距的措施来增加小带轮的包角。

做一做

结合上述任务，计算带式输送机小带轮的包角，并验算是否符合带传动包角的要求。

（5）确定带的根数z。

①单根V带传递的功率。

在包角α＝180°、特定带长、工作平稳的条件下，单根普通V带的基本额定功率P1见表3－1－7。

表3－1－7　单根普通V带的基本额定功率P1　kW

给出的单根V带的基本额定功率是在特定条件下（α＝180°、特定的基准长度）得出的，当实际工作条件与上述条件不同时，应对P1值进行修正，以求得实际工作条件下单根V带的许用功率［P1］，其计算公式为

［P1］＝（P1＋ΔP1）KαKL

式中：ΔP1——基本额定功率增量（kW），由于i≠1时，带在大带轮上的弯曲应力较小，故在寿命相同的条件下，可增大传递的功率，见表3－1－8；

Kα——包角系数，考虑α≠180°时对传动能力的影响，见表3－1－9；(www.xing528.com)

KL——长度系数，考虑带的基准长度不为特定长度时对传动能力的影响，见表3－1－5。

②V带根数的计算。

表3－1－8　单根普通V带的基本额定功率的增量ΔP1　kW

表3－1－9　V带的包角系数Kα

在确定V带的根数时，为了使各根V带受力均匀，根数不应过多，一般以不超过8～10根为宜，否则应改选带的型号重新计算。

做一做

结合上述任务，计算带式输送机选用几根带合适？

（6）计算作用在带传动上的力。

在安装新带时，有没有便捷的方法检测初拉力？

①初拉力的计算。

传动带在工作前必须以一定的预紧力套在带轮上。当传动带静止时，带两边承受相等的拉力，称为初拉力F0。初拉力大小是保证带传动正常工作的重要因素。如果过小，产生的摩擦力小，易发生打滑；如果过大，会使带疲劳寿命降低，轴和轴承上的压力加大。对于V带既要保证传动功率，又不能出现打滑。

单根V带最适宜的初拉力F0为

由于新带易松弛，故对不能调整中心距的普通V带传动，安装新带时的初拉力应为计算值的1.5倍。

做一做

结合上述任务，计算带式输送机中带传动的初拉力F0。

②带传动作用在轴上的压力。

V带的张紧对轴和轴承产生的压力FQ会影响轴和轴承的强度和寿命。为简化其运算，一般按静止状态下带轮两边均作用初拉力F0进行计算，如图3－1－10所示，得

图3－1－10　带传动作用在轴上的压力

做一做

计算学习任务中的带传动作用在带轮上的压力FQ。

（7）V带轮的设计。

①确定带轮设计内容。

根据带轮的基准直径和带轮转速等已知条件，确定带轮的材料、结构形式、轮槽、轮辐和轮毂的几何尺寸、公差和表面粗糙度等相关技术要求。

②确定带轮的材料。

常用材料为灰铸铁HT150或HT200。转速较高时可用铸钢或钢板冲压焊接结构，小功率时可用铸铝或塑料。

③确定带轮的结构形式。

带轮的结构设计，主要是根据带轮的基准直径选择结构；根据带的截面形状确定轮槽尺寸，由经验公式确定带轮的其他结构尺寸；绘制带轮的零件图，并按工艺要求注出相应的技术要求等。

带轮的结构由轮缘（外圈环形部分）、轮毂（与轴连接的筒形部分）和轮辐（连接轮缘和轮毂的中间部分）三部分组成。

根据轮辐结构的不同可将带轮分为实心式、腹板式、孔板式和椭圆轮辐式四种型式，如图3－1－11所示。

图3－1－11　V带轮的结构

（a）实心式；（b）腹板式；（c）孔板式；（d）椭圆轮辐式

V带轮的结构形式与基准直径有关。当带轮的基准直径da≤2.5d［d为安装带轮的轴的直径（mm）］时，可采用实心式；当da≤300mm时，可采用腹板式；当da≥300mm时，可采用轮辐式。

轮毂和轮辐的尺寸参见《机械设计手册》相关内容。

④V带轮的轮槽。

V带轮的轮槽与所选的V带的型号相对应，见表3－1－4。带的两侧面夹角φ均为40°，但带绕过带轮弯曲时会产生横向变形，使其夹角变小。为使带轮轮槽工作面和V带两侧面接触良好，一般轮槽楔角都制成小于40°，且带轮直径越小，轮槽的楔角也越小。

⑤V带轮的技术要求。

轮槽工作面不应有砂眼、气孔，轮辐及轮毂不应有缩孔和较大的凹陷。轮槽棱边要倒圆或倒钝。带轮轮槽工作面的表面粗糙度Ra为3.2μm，轮毂两侧面的表面粗糙度Ra为6.3μm，轮缘两侧面、轮槽底面的粗糙度取为Ra为12.5μm。带轮顶圆的径向圆跳动和轮缘两侧面的端面圆跳动按11级精度取值。其他条件参见GB／T11544—2012中规定。

做一做

（1）同学们分小组，按照上述设计步骤，对带式输送机中的带传动设计结果进行汇总。

（2）绘制带轮的结构图，填写技术要求，检查并签名。

分析如图3－1－12所示台式钻床工作原理，主要分析带传动的类型和传动特点，写出带传动设计的步骤和方法。

图3－1－12　台式钻床的外形结构示意图

1—带传动；2—电动机；3—电气盒；4—立柱；5—底座；6—主轴；7—滚花螺母；8—进给手柄；9—锁紧手把；10—主轴箱

一、知识巩固

对照本任务知识脉络图，梳理自己所掌握的知识体系，并与同学相互交流、研讨个人对机器与机构知识点或技能技巧的理解，注重职业素养提升。

二、拓展任务

（1）根据任务完成的工作步骤及方法，利用所学知识，自主完成自主学习手册中的拓展任务。

（2）查阅《机械设计手册》中带传动的设计，谈谈自己对带传动设计的理解。

降低成本设计技术

降低成本的设计，是在保证功能和质量的前提下，通过降低成本来提高产品经济性以加强竞争优势的设计技术。实践证明，产品成本的70%以上取决于设计。因此，降低和优化产品成本已成为目前众多机电产品开发设计成功的关键。

一、产品成本构成

产品成本包括生产成本、运行成本和维修保障成本。生产成本又分为设计成本、生产准备成本、材料成本和装配成本。产品从设计到使用寿命结束的整个过程称为产品的寿命周期。产品的总成本也就是寿命周期总成本。

二、如何从设计环节降低成本呢？

设计阶段决定了产品的工作原理、零件数量、结构尺寸、材料选用，直接影响加工方法、使用性能等，对产品的成本影响最大。可以从以下几个方面入手：

（1）设计方案对成本的影响是最重要的一环；

（2）结构尺寸对成本的影响，同结构下随着构件尺寸增加，重量和产品成本会大大增加；

（3）零件数对成本的影响，产品由许多零件组成，零件数多，从加工到产品装配、资金运转等方面都会使得成本提高，同时使得供货时间拖长。

三、降低设计成本的措施

降低设计成本主要从降低和减少设计时间入手。

（1）采用计算机辅助设计。用计算机进行情报检索、计算、绘图并进行方案优化设计。

（2）系列设计。设计一种典型方案，利用相似原理及模块化设计原理，较快得到不同参数尺寸的多个系列方案，可以节约设计时间；系列方案变形越多，减少设计时间的效果越显著。

（3）一图多用。采用粘贴复印制图，一图多用，可以节约制图时间。

（1）带传动有何运动特点？

（2）按照截面形状带传动有哪些分类？

（3）弹性滑动和打滑有何本质上的区别？为什么说弹性滑动是不可避免的？

（4）普通V带结构包括哪些部分？

（5）为什么V带传动应用广泛？V带结构有何特点？标准规格如何？

（6）根据国家标准普通V带分为哪些型号？哪个型号的V带截面积最小？

（7）在机械传动系统中，为什么经常将带传动布置在最高级？

（8）什么叫包角？它对带传动有何影响？包角与哪些因素有关？

（9）V带传动的计算准则是什么？

（10）试述V带设计计算的步骤。

（11）有一对V带轮，已知带的型号为A型，两个带轮的基准直径分别为dd1＝125mm、dd2＝250mm，中心距a约为450mm，可调。试选择带的基准长度和确定实际的中心距。