楊玉萍 曹清林 沈世德 (南通工學院 ,南通 226007)
摘 要 本文在總結了同步齒形帶傳動的起源、 發展過程及研究使用現狀和同步齒形帶常用的幾種運動變換方式的基礎上 ,分析了目前齒形帶傳動的發展趨勢。
關鍵詞 同步齒形帶;功能;發展
1 同步齒形帶的產生和發展過程
同步運轉是傳動中的一個理想特性 ,最初由鏈條傳動而獲得。 在鏈條傳動中 ,依靠鏈條與鏈輪的嚙合作用 ,以防滑動 ,確保主從動軸的同步運轉。 但在鏈傳動中 ,由于多邊形效應使鏈條在鏈輪上不均勻起伏 ,造成主從動軸的非同步 ,影響了傳動精度 ,且鏈傳動不能施加預張緊力 ,因此傳動中其中一邊為明顯的松邊 ,造成鏈傳動正反轉時的嚴重失步現象。
帶傳動也是較早用來實現同步運轉的傳動方式。 但由于在傳動過程中存在著不可避免的彈性滑動 ,該傳動方式并不能真正實現主從動軸的同步運轉。
上述兩種傳動方式的優點是可以實現遠距離平行軸間、 結構最簡單的非同步傳動。齒輪傳動是實現同步運轉較為理想的傳動方式 ,但常適用于軸間距較小的場合。 如要實現遠距離平行軸之間的傳動 ,則傳動必須經過若干個過度輪 ,使傳動的結構復雜。
上述傳動方式所存在的缺陷 ,促使人們尋求一種較為理想的傳動方式來代替或改進之。 同步齒形帶即在鏈傳動的基礎上綜合帶傳動、 齒輪傳動的優點而發展起來的新型傳動技術。
同步齒形帶最初由美國的 Uniroyal 公司于 1964年研制 ,并使用于通用汽車公司新型頂置式凸輪軸發動機 ,以代替原有的鏈傳動。 隨后其發展過程主要是齒形和材料兩方面。
1. 1 齒形方面
最初帶的齒廓為梯形 ,其側面為直線(面) 。 這種齒形使齒根部分產生應力集中 ,影響帶的使用壽命和承載能力 ,并在傳動過程中產生較大的振動、 噪音[1 ,2 ],從而影響了帶速的提高。 七十年代 ,Uniroyal 公司又開發了單圓弧齒廓同步帶 ,與梯形齒廓相比 ,后者傳動過程中產生的應力分布更為合理 ,從而大大提高了帶的壽命和承載能力。 但這種齒形也有其缺點 ,就是帶齒槽與輪齒頂直接接觸 ,加劇了帶齒間的磨損。 七十年代末期 ,Goodyear公司研制出雙圓弧齒形的同步帶 ,其目的也在于進一步使應力分布更合理 ,減小噪聲 ,提高帶的壽命和承載能力。
國內六十年代為了解決引進設備的配套而開始研制同步帶 ,使用的是梯形齒形[3 ]。 1986年由青島橡膠工業研究所與安陽機械研究所共同研制出單圓弧齒形的同步帶。 文獻[ 4]介紹了一種輪齒槽底部為外凸圓弧的同步齒形帶。 這種齒形的優點在于進一步改善帶齒的應力分布 ,使之更趨于合理 ,提高帶的壽命和承載能力 ,降低振動和噪聲 ,提高帶的速度。
1. 2 材料方面
同步齒形帶材料包括兩個部分 ,即包括帶齒在內的帶體材料(基體材料)和起承載作用的受拉構件 ,也稱之為骨架材料。
(a)基本材料
最初帶的基本材料主要是天然橡膠 ,由于材料較軟 ,疲勞強度低 ,由此制成的同步帶承載能力小 ,使用壽命短。 80年代中期 ,美國的 Gates Rubber公司為改善帶的性能使用氫化丁晴橡膠代替原來的天然橡膠 ,后者較前者更耐磨、 耐油、 耐高溫 ,可在高達 140℃的溫度下正常工作[5 ]。 目前 ,國外大部分的同步帶都是由氫化丁晴橡膠制成的。 如德國Bayer公司和日本 Zeon公司生產的同步齒形帶即使用這類材料。
我國同步帶的基本材料在很長一段時間內都使用天然橡膠[6 ]。 1987年國務院將開發氯丁膠同步帶列為科技辦專項項目 ,并在實際應用中逐漸開始大量使用氯丁膠。 較之其他材料氯丁膠同步帶強度高、 耐熱、 耐沖擊、 曲撓疲勞性好、 使用壽命長。 同時開發的材料還有聚氨脂 ,其優點是 ,強度高、耐熱 ,比氯丁膠輕 ,制成的帶不易彎曲折斷 ,抗張力大 ,伸長率小。
(b)骨架材料
骨架材料的發展大致經歷了棉、 鋼絲、 尼龍、 維綸、 玻璃纖維和聚脂纖維的過程。 棉線的強度低 ,于 60年代初就已不再使用。 鋼絲的強度雖然高 ,伸長率小 ,但曲撓疲勞性差 ,不利于速度的提高 ,所以 ,在 70年代隨著人造絲、 尼龍、 維綸的出現而停止使用。 人造絲強度高 ,但也有其缺點 ,就是在使用過程中會不斷伸長 ,從而給調距帶來困難。 為改善該不足之處 ,后來又開發了一些合成材料 ,如玻璃纖維和聚脂纖維。 前者的優點是伸長率小 ,但較脆 ,抗疲勞性差。 而后者具有強度高、 伸長率小、 耐熱、 尺寸穩定及較高的抗疲勞性。 青島橡膠工業研究所在 “八五” 規劃中將聚脂纖維列為同步帶骨架材料的主要材料。
由上述兩方面可以看出 ,同步帶的齒形和材料在整個發展過程中出現了許多類型 ,但目前使用較為普遍的齒形為梯形齒和圓弧齒 ,且梯形齒已有相應的 ISO標準、 DIN標準(德國標準)和我國的國家標準( GB)等。 常用的基本材料為氫化丁晴橡膠、 氯丁膠和聚氨脂;常用骨架材料為玻璃纖維和聚脂纖維。
2 同步齒形帶功能和應用
同步齒形帶按功能來分有以下幾種:
(1)動力傳動
這種以傳遞動力(能量)為主 ,傳遞運動(信息)為輔的傳動裝置 ,一般要求傳動的承載能力高 ,抗疲勞性能好、 壽命長 ,所以對齒帶的骨架材料要求強度高 ,曲撓疲勞性好。 常用的傳動方式為轉動→ 轉動 ,在這種傳動方式中 ,帶呈封閉狀 ,主從動軸傳動比恒定。 如汽車發動機上曲軸與凸輪軸之間的傳動 ,數控機床的主傳動裝置 ,均為動力傳動 ,通過齒形帶傳動將原動機的動力傳遞到各運動部件。
(2)運動傳遞
這種傳動以傳遞運動(信息)為主 ,傳遞動力(能量)為輔 ,傳動過程中 ,外載荷較小 ,但要求運動精確。 所以對齒帶的材料要求在力的作用下帶的變形量小。 這種傳動常用的傳動方式為轉動 → 移動或步進式移動。 通常又有三種結構形式: (a)直線機頭:同步帶與被驅動的機頭固聯時 ,同步帶夾持在移動機頭上 ,組成一個閉環(如圖 1a) ; (b)直線工作臺:同步帶的兩端與工作臺固定在一起 ,主動輪的回轉軸線固定并通過兩個滾子保證輪與帶的嚙合 ,輪轉動后帶動齒帶與工作臺一起移動(圖1b) ; (c)直線臺車:齒帶的兩端固定在機架上 ,而主動輪則配置在托架上 ,由兩個彎曲的滾子來保證輪與帶的嚙合 ,輪轉動后 ,使與主動輪聯接在一起的托架一起作直線移動(圖 1c) (見Breco 公司產品說明書(1) 、 (2) 、 (3) (德) ) 。 圖 2為德國 Stoll 公司的 CMS系列電腦控制高性能針織橫機機頭運動示意圖 ,機頭與同步齒形帶固聯 ,齒帶輪由伺服電機驅動 ,使帶作來回直線運動 ,從而帶動機頭在有實際作用的織針上來回作步進運動 ,最高線速度可達 3m/ s。 橫機由傳動機構確保機頭的定位精度 ,保證織物質量(見 stoll 公司產品說明書(德) ) 。 除此以外 ,利用同步齒形帶傳遞運動的實際應用還有很多 ,如機器人的機械手的運動控制、 繪圖儀中筆尖的運動控制、 噴墨打印機中噴墨頭的位置控制、 數控機床中的進給裝置都屬于這類運動。
圖 1 直線驅動齒形帶傳動的三種結構形式
(3)特殊功能
在這類傳動中 ,通常在齒形帶的背面鑄造一些特別外形 ,如在帶背后做成輸送帶等 ,完成特殊功能(見Bando 產品說明書(日) ) 。 圖 3中(a)為輸送帶 , (b)為牽引帶 , (c)為存儲帶。
3 同步帶目前研究情況
隨著機械設備向高精度、 高速、 大功率、 長壽命、 低噪音、 低成本和緊湊化方向發展 ,對帶傳動技術提出了更多更高的要求。 具體概括為如下幾個方面:
(1)提高傳動精度
齒形優選:通過分析齒帶傳動的嚙合原理 ,優化齒形 ,增強包絡的齒數 ,消除嚙合干涉 ,同時盡量減輕多邊形效應的影響 ,平穩傳動(見梯形齒帶代替圓弧齒帶) ,提高傳動精度。材料選擇:帶的骨架材料的伸長率應盡量小 ,避免由于帶的彈性伸長影響傳動精度(由玻璃纖維代替鋼絲索作強力層材料[7 ]。
振動方面:對于直線驅動的齒形帶傳動 ,由于帶的橫向振動與移動件縱向振動的余振響應會直接影響到同步齒形帶傳動的定位精度(見Breco 公司產品說明書(1) 、 (2) 、 (3) (德) ) 。 研究分析振動產生的原因 ,尋找減振的措施。
齒帶上載荷分布:分析齒帶與輪齒嚙合齒上的載荷分配及齒帶在傳動過程中的變形規律[7～9 ]。
尋求使齒帶上載荷分布均勻的齒帶與帶輪的最佳匹配。
(2)提高承載能力 ,延長使用壽命
齒形方面:由圓弧齒代替梯形齒 ,均勻帶齒上的應力分布。 采用適當的齒廓修形 ,改善帶齒面應力分布不勻問題。
材料選擇:要求材料的強度高 ,曲撓疲勞性好。 研究當采用鋼絲索作為帶的強力層時鋼絲索的粗細、 在帶中的排列規律(見Breco公司產品說明書(1) 、 (2) 、 (3) (德) ) 。
減輕振動:研究同步帶傳動的振動 ,減輕由振動而引起的附加動載荷[1 ,2 ,10 ,11 ]。
(3)降低噪音
齒形方面:振動是產生噪音的主要因素之一[10 ],改善齒形可減輕嚙合沖擊振動。
材料方面:尋求更軟的基本材料;可在帶齒或帶體或者帶齒帶體涂上尼龍涂料或酰氨層 ,減少摩擦 ,降低噪音(見Breco公司產品說明書(1) 、 (2) 、 (3) (德) ) 。
其他方面:改善嚙合特性;減輕多邊形效應;降低帶速;合理選擇齒寬;提高制造和安裝精度[12 ]。
(4)傳動的高速化
通過優化齒形、 減輕振動、 減小動載荷和提高制造及安裝精度 ,從而提高傳動的極限速度。
4 結束語
同步齒形帶傳動是實現非同軸、 較長距離運動和動力傳遞及有較高同步運轉精度的傳動機構之一。 深入探討該傳動方式中每一個組成因素對整體機構的傳動精度、 承載能力、 噪音水平及運轉速度等諸方面的影響 ,并尋求較為合理的結構組成 ,這對更好地運用這類傳動方式、 更深入地對提高整體機器的質量都具有重要意義。 因此 ,我們應在本文提出的諸方面加強對同步齒形帶的研究 ,以趕超國外在這方面的研究和應用水平。
參考文獻
1 施紹平 ,翁賢邦 . 同步齒形帶傳動的降噪研究 . 機械設計 ,1991(4)
2 施紹平 ,鄧人忠 . 同步齒形帶傳動系統的振動分析 . 機械設計 ,1992(3)
3 徐溥滋 . 國內外帶傳動發展評述 . 哈爾濱工業大學學報 ,1980年增刊
4 韓永春 ,張立凱 ,徐溥滋 . 高速重載新型同步帶的齒形研究 . 哈爾濱工業大學學報 ,1987(9)
5 Bruce Daris著 . 同步帶是最佳選擇 . 白 潔譯 . 橡膠工業 ,1994(2)
6 工夢熊 . 帶傳動技術的現狀 . 機械制造 ,1992(2)
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9 Kag otani ,Masanori . Study on Transsmission Error in A Synchronous Belt Drive With Eccentric Pulley. Nippon Kikai GakkaiRonbunshu ,1990 :C56(527) :1914～1920
10 Serge Abrate. Vibration of Belts and Belt Drives. Mechanical Machine Theory ,1992 ,27(6) :645～659
11 陳鐵鳴 . 齒形對同步帶傳動噪聲的研究 . 橡膠工業 . 1993(11)
12 韓永春 ,張立凱 ,姜洪源 . 新型圓弧齒同步帶嚙合側隙的計算 . 哈爾濱工業大學學報 ,1989(2)
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