1、第16章 链传动16.1概述链传动是间接啮合传动,由主、从动链轮和传动链组成(图16-2),通过主、从动链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。图16-2链传动的组成链传动与齿轮传动相比,制造、安装精度要求较低,成本也低;远距离传动时,结构更轻便。与摩擦型带传动比较,由于无弹性滑动、平均传动比恒定,效率更高;压轴力较小,结构更紧凑;链传动也能在恶劣环境条件下工作。但链传动只能用于平行轴间的同向传动,并且工作时瞬时传动比不恒定;当高速工作时,振动噪声大;磨损后易发生脱链。链传动按用途可分为传动链、输送链和起重链。输送链和起重链主要用在运输和起重机械中。传动链又可以分为齿形链、短节距精密滚子链(简称
2、滚子链)两类。本章主要介绍传动链中的滚子链的设计。滚子链常用于传动系统的低速级,传递功率在100kW以下,链速不超过15m/s,推荐使用的最大传动比imax=8。链传动性能设计的主要内容包括:选择链参数:型号、节数和排数;确定链传动结构参数:链轮直径、中心距及结构尺寸;确定工作条件参数:压轴力等。链传动设计可按图16-4所示的流程图进行。图16-3齿形链图16-4链传动设计流程图 滚子链的结构如图16-5所示。内链板与套筒间、外链板与销轴间为过盈配合,滚子与套筒间、套筒与销轴间为间隙配合。由于套筒可绕销轴自由转动,这就使内外链板绕上链轮时可产生相对挠曲变形。滚子活套在套筒上,工作时可沿链轮齿廓
3、滚动,减轻齿廓的磨损。链的磨损主要发生在销轴和套筒的接触面上。因此,内、外链板间应留少许间隙,以便润滑油渗入销轴和套筒的摩擦面间。16.2滚子链的结构特点图16-5滚子链的结构1滚子2套筒3销轴4内链板5外链板图16-6双排链 大功率传递时,可采用双排链(图16-6)或多排链。多排链的承载能力与排数成正比。但由于精度的影响,各排链承受的载荷不均匀,故排数不宜过多。滚子链的接头形式如图16-7所示。当链节数为偶数时,接头处可用开口销(图16-7a)或弹簧卡子(图16-7b)来固定,前者用于大节距链,后者用于小节距链;当链节数为奇数时,需采用图16-7c所示的过渡链节。由于过渡链节的链板工作时受附
4、加弯矩作用,易发生疲劳破坏,因此一般情况最好不用奇数链节数。图16-7滚子链的接头形式 链的寿命受元件材料和热处理方法影响很大。链的所有元件均需经过热处理,以提高其强度、耐磨性和耐冲击性。16.3链传动工作状况分析16.3.1链传动运动特性分析 由于链条是刚性链节通过销轴铰接而成的,故当链条绕在链轮上时,链与链轮啮合区段的链节间将曲折成正多边形的一部分,如图16-8所示。该正多边形的边长等于链条的节距p,边数等于链轮齿数z。传动时,链轮每转过一圈,链条走过的长度为zp,所以链的平均速度(m/s)为式中z1、z2主、从动链轮的齿数;n1、n2主、从动链轮的转速(r/min)。链传动的平均传动比为
5、16.3.2链传动的动载荷工作过程中由于链速和从动链轮转速的变化,会引起惯性力的变化及相应的动载荷。链前进方向速度变化引起的惯性力为 Fd1=mac(16-8)式中m紧边链条质量(kg);ac链条变速运动的加速度(m/s2)。若主动链轮匀速转动,则当=1/2=180/z1时，有同理,链条沿垂直方向的速度变化,也会引起动载荷。从动链轮因角加速度引起的惯性力为图16-10链节和链轮啮合时的冲击式中J从动系统转化到从动链轮轴上的转动惯量(kgm2);2从动链轮的角速度(rad/s)。由式(16-9)和式(16-11)可见,链轮的转速越高链轮的转速越高,节距越大节距越大,齿数越少齿数越少,惯性惯性力就
6、越大力就越大,相应的动载荷也就越大。相应的动载荷也就越大。此外,链节和链轮轮齿接触的瞬间,因链节的运动速度和链轮轮齿的运动速度在大小和方向上的差别,也将引起冲击和附加的动载荷。如图16-10所示。16.3.3链传动的受力分析 为保证工作中松边不致过松,以避免出现链条的不正常啮合、跳齿或脱链现象,安装时应使链条受到一定的张紧力。张紧力是通过使链条保持适当垂度所产生的悬垂拉力获得的。链传动是啮合传动,与带传动相比,所需的张紧力要小得多。链传动在工作时,也存在紧边拉力和松边拉力。如果不计传动中的动载荷,则紧边拉力和松边拉力分别为F1=Fe+Fc+FfF2=Fc+Ff(16-12)式中Fe有效圆周力(
7、N);Fc离心力引起的拉力(N);Ff悬垂拉力(N)。有效圆周力为 Fe=1000P/V(16-13)式中P传递的功率(kW);v链速(m/s)。离心力引起的拉力为Fc=qv2(16-14)式中q链条单位长度的质量(kg/m)。悬垂拉力Ff为 Ff=max(Ff,Ff)(16-15)其中：Ff=Kfqa x 102 Ff=(Kf+sin)qa x102 式中a链传动的中心距(mm);Kf悬垂系数,如图16-11所示。图中f为下 垂度,为中心线与水平面的夹角。图16-11悬垂系数16.4链传动性能设计16.4.1链传动的失效形式1.链板的疲劳破坏链板的疲劳破坏传动中,链条反复经受松边与紧边的变化
8、载荷作用,当达到一定的循环次数时,使链条产生疲劳。实验及实践证明,在润滑良好,中等速度下工作的链传动,其链板首先出现疲劳断裂。2.套筒、滚子的冲击疲劳套筒、滚子的冲击疲劳链节与链轮齿啮合时,会在滚子与链轮间产生冲击。高速时,这种冲击载荷很大,使套筒或滚子的表面发生冲击疲劳破坏。3.销轴与套筒的胶合销轴与套筒的胶合在高速大负荷工况下,链节啮合时受到的冲击能量较大,销轴与套筒间的摩擦热量大、局部温升高、油膜易破裂,导致销轴与套筒工作表面金属的直接接触,产生局部粘着,从而导致销轴与套筒工作表面产生胶合。4.链条铰链的磨损链条铰链的磨损链工作过程中,铰链中的销轴与套筒间不仅承受较大的压力,而且还有相对
9、转动,导致铰链磨损,结果是导致链节距增大,链条总长增加,从而使链条的松边垂度发生变化,同时增加了运动的不均匀性和动载荷,引起跳齿、脱链。若润滑不良,还有可能出现急剧磨损现象。5.链条的静力破坏链条的静力破坏当链速较低时(v0.6m/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。16.4.2链传动的额定功率1.极限功率曲线 链传动的各种失效形式与传递功率和链速的关系称为极限功率曲线,如图16-12所示。该曲线是在特定条件下由实验获得的。由图可见,在润滑良好、中等速度下,链传动的承载能力主要取决于链板的疲劳强度。随着转速的
10、增高,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。当转速很高时,胶合将限制链传动的承载能力。图中虚线是在润滑不良时出现过度磨损情况,应予避免,故不作考虑。图16-12极限功率曲线2.额定功率曲线 为了保证链传动工作的可靠性,采用额定功率来限制链传动的实际工作能力。额定功率曲线以极限功率曲线为基础而得到,如图16-13所示。图16-13所示额定功率曲线的实验条件为:主动链轮和从动链轮安装在水平平行轴上;主动链轮轮齿数z1=25;无过渡链节的单排滚子链;链条长120个链节;传动减速比i=3;链条预期使用寿命15000h;工作环境温度为-5+70;两链轮共面,链条保持规定的张紧度
11、;平稳运转,无过载、冲击或频繁起动;清洁的环境,合适的润滑。图16-13A系列单排滚子链额定功率曲线链传动的实际工作条件与实验条件不同时,额定功率应予以修正。修正时应考虑:工作情况;主动链轮齿数;链传动的排数。16.4.3链传动的参数选择 小链轮齿数z1减少,可减小外廓尺寸。但是齿数过少,会加剧多边形效应。小链轮的齿数z1,一般取z1zmin=17。对于高速传动或承受冲击载荷的链传动,z1不少于25,且链轮齿应淬硬。小链轮的齿数z1也不宜取得太大。在传动比给定时,z1大,大链轮齿数z2也相应增大,其结果不仅增大了传动的总体尺寸,而且容易发生跳齿和脱链。通常限定大链轮z2max114。链节数一般
12、取偶数。为使链条和链轮磨损均匀,常取链轮齿数为奇数,并与链节数互质。优先选用的链轮齿数系列为:17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。2.传动比i 传动比过大,链条在小链轮上的包角减小,导致同时啮合齿数减少,每个轮齿的载荷增大,加剧轮齿的磨损,且易出现跳齿、脱链现象。一般链传动的传动比i6,常取i=23.5。1.链轮齿数z1和z23.中心距a中心距太小,增加了单位时间内链条的循环次数,加剧了链的磨损和疲劳,同时将使小链轮上的包角变小。中心距太大,松边垂度加大,造成松边颤动。设计时,若中心距不受限制,可取a0=(3050)p,最大取a0max=80p,有张紧装置或托板时,a
13、0max可大于80p;若空间紧张,可取a0max30p。4.链的节距p和排数节距p增大,承载能力增大,但总体尺寸增大,多边形效应加剧,振动、冲击和噪声也加重。设计时应在保证承载能力的前提下尽量选取较小节距的单排链。高速、大功率时,可选用小节距的多排链。从经济上考虑,当中心距小、传动比大时,应选小节距的多排链;中心距大,传动比小时,应选大节距的单排链。16.4.4链传动性能设计 链传动性能设计时应已知:链传动的工作条件、原动机类型、传递功率P、主从动链轮转速n1、n2或传动比i、对传动的尺寸限制要求等。链传动性能设计主要步骤如下:1)选择链轮齿数z1、z2。按z1zmin=17选取小链轮齿数。大
14、链轮齿数 z2=iz1114(16-16)2)确定单排链计算功率Pca。根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和排数,将所传递的功率折算为单排链计算功率。即 式中KA工况系数,见表16-2;Kz主动链轮齿数系数,如图16-15所示;Kp多排链系数,双排链时Kp=1.75,三排链时Kp=2.5;P传递的功率(kW)。3)确定链条型号和节距p。链条型号根据计算功率Pca和主动链轮转速n1由图16-13 选定。再由表16-1确定链条节距p。4)计算链节数和计算中心距。初选中心距a0=(3050)p,按下式计算链节数Lp0 为避免使用过渡链节,链节数Lp0应圆整为偶数Lp。链传动的计算中心距为 ac=f1
15、p(Lp-z1-z2)(16-19)式中f1中心距计算系数,见表16-3。实际中心距为 a=ac-a(16-20)式中a中心距调节量,a=(0.0020.004)ac。5)验算链速v,确定润滑方式。平均链速按式(16-1)计算,一般应使v15m/s。根据链速v,由图16-16选择合适的润滑方式。6)计算链传动作用在轴上的压轴力Fp。压轴力Fp可近似取为FpKFpFe(16-21)式中Fe有效圆周力(N);KFp压轴力系数,对于水平传动=1.15;对于垂直传动=1.05。图16-15主动链轮齿数系数Kz图16-16润滑方式选择图1人工定期润滑2滴油润滑3油池润滑或油盘飞溅润滑4压力供油润滑16.
16、5链传动结构设计16.5.1滚子链链轮的结构设计1.链轮的材料 链轮轮齿要具有足够的疲劳强度和耐磨性。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多,所受的冲击也比较大,故小链轮应采用较好的材料制造。链轮常用材料和应用范围见表16-4。2.链轮的结构 链轮的常见结构形式如图16-17所示。小直径的链轮可制成整体式(图16-17a);中等尺寸的链轮可制成孔板式(图16-17b);大直径的链轮,可将齿圈用螺栓连接或焊接在轮毂上(图16-17c)。图16-17链轮常见结构3.链轮齿形滚子链与链轮的啮合是非共轭啮合,链轮齿形的设计比较灵活。国家标准GB/T 12432006中没有规定具体的链轮齿形,仅规定了最小和
17、最大齿槽形状及其极限参数,见表16-5。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圆弧半径之间。4.链轮的基本参数和主要尺寸链轮的基本参数是配用链条的节距p、套筒的最大外径d1、排距pt和齿数z。链轮的主要尺寸和计算公式见表16-6和表16-7。16.5.2链传动的布置、张紧、润滑和防护1.链传动的布置 链传动布置时,链轮必须位于铅垂面内,两链轮共面。中心线可以水平,也可以倾斜,但是尽量不要处于铅垂位置。一般紧边在上,松边在下,避免松边在上时下垂量过大阻碍顺利啮入。2.链传动的张紧 链传动张紧的目的链传动张紧的目的是避免链条下垂度过大,产生啮合不良、链条上下振颤现象
18、,同时也可增大啮合包角。当中心线与水平线夹角大于60时,通常应设张紧装置。常用张紧方法有常用张紧方法有:最简单的是通过调节中心距来调整张紧程度;当受空间限制中心距不可调时,可设置张紧轮,如图16-18所示。张紧轮可以是链轮,也可以是滚轮。可自动张紧(图16-18a、b),也可定期张紧(图16-18c、d),还可用压板或托板张紧(图16-18e)。当上述措施都难以采用时,也可在链条磨损变长后去掉12个链节,以恢复适宜的张紧程度。图16-18链传动的张紧装置3.链传动的润滑链传动的润滑应引起充分重视,避免因润滑不良出现过度磨损情况,对高速重载链传动尤为重要。良好的润滑可减轻摩擦、减缓磨损,延长链条使用寿命。润滑方式根据工作速度由图16-16选择。润滑方式的说明列于表16-9。表16-9滚子链的润滑方式和供油量4.链传动的防护为防止操作人员因意外碰触到链传动中的运动部件而受到伤害,应采用防护罩将其封闭。防护罩兼具防尘作用,以保持较佳的润滑状态。
