浅谈齿形同步带在电梯门系统的应用

霍俊超，邓浩斌

（日立电梯（中国）有限公司，广东广州 511430）

浅谈齿形同步带在电梯门系统的应用

霍俊超，邓浩斌

（日立电梯（中国）有限公司，广东广州 511430）

从20世纪初到现在，电梯发展已有100多年历史。门系统的部件是电梯的核心部件之一，起着至关重要的作用。门机的发展历程中，由摇臂式门机发展到皮带驱动式门机。到目前为止，所有的电梯门机均离不开皮带。皮带在门系统的应用中，齿形同步皮带最受欢迎。齿形同步皮带相对于其他皮带性能更优越。随着化学工业的发展，皮带的种类也越来越多，选择材料合适的皮带对门机使用性能的提高有着必不可少的帮助。

皮带；齿形同步带；门系统；开门机

0 引言

随着现代化工业的发展，皮带的应用越来越广。在ATM、自动检票机的分离装置和定位装置及信息读取装置、印刷机、邮件自动分拣机、纺织机械、汽车、机器人、电动注射成型机、机床主轴、CT扫描相机、数码相机、电梯等设备中均需要应用到皮带传动，工业上对皮带的需求越来越广。而对于电梯门系统，皮带必不可少。

1 皮带的分类及其在门系统的应用

带传动可根据传动方式的不同分为摩擦传动和啮合传动两大类。摩擦带传动包括平带、V带、多楔带等。啮合传动主要是同步带。其中平带由顶布、带芯和底布组成。V带可分为包布带和切边带。包布带和切边带均有粘合胶、芯绳，包布带外层为外包布，切边带顶层为顶布。多楔带由粘合胶、芯绳、顶布和楔胶组成。同步带则由背胶、芯绳、齿包布、齿胶组成[1]。

门系统中分为层门和轿门部分。轿门部分包括开门机、轿门板、安全触板或光幕、轿门地坎、门套。层门部分包括层门导轨架、层门板、层门地坎、门套等。轿门部分随轿厢运动。每台电梯只有一至两个开门机。层门部分每层均有，由于其成本随建筑的层数而增加，因此层门联动采用了成本较低的钢丝绳。综观开门机的发展史，由早期的铰链门发展到现在的皮带传动门机。铰链门机又称摇臂式门机，广泛应用于20世纪70年代的电梯门，通过三相异步电机，带动链轮旋转，并通过一系列的连杆机构实现门的开合，传动系统与门板属于刚性连接。到了20世纪80年代初期，皮带开始应用于电梯开门机。使用三相异步电机，通过平带带动驱动轮旋转，实现减速和增大力矩，驱动轮与从动轮之间用V带传动，中分门通过皮带连接板夹住上皮带和下皮带，实现门的反向运动。旁开门则通过皮带连接板夹住皮带的一边使第一门运动，并通过钢丝绳联动装置联动第一门与第二门，但平带没有楔紧效应。到20世纪90年代初的门机则是电机到驱动轮，驱动轮到从动轮均使用V带，V带应用在大部分门机上。到20世纪90年代末随着永磁同步驱动技术应用在门电机上，实现了无需减速装置的直驱方式，但仍使用V带。V带因依靠摩擦传动，故使用一段时间后容易打滑，造成维修保养的不便。而且对带轮楔角与V带楔角配合要求较高，不同楔角容易产生打滑和皮带过早磨损，或容易产生侧翻和皮带脱落。打滑的另一个弊端是会令开关门末端位置的误差增大，在关门末端位置易产生撞门现象，在开门末端位置可能产生开门到位时电机还继续旋转，令门机械部件或皮带疲劳或损坏。而且需要的初张力也较大，因此电机设计所需要的轴载荷也相应需要较大，造成电机功率必须更大，相关传动部件的强度也要求更高，使得设备体积大、成本高。在20世纪90年代末期，三菱、东芝等电梯制造商已开始将齿形同步带应用在电梯开门机上，直到现今，齿形同步带在门系统中已得到广泛应用，无论是日系的异步门，还是欧系的同步门，均通用齿形同步带传动。

2 齿形同步带的分类及特点

齿形同步带按齿形可分为梯形齿和曲线齿。梯形齿中，节距有3/8 in（9.525 mm）和1/2 in（12.7 mm）两种。最初应用于驱动缝纫机的上、下往复运动，以后其用途日益广泛增加1/5 in（5.080 mm）、7/8 in（22.225 mm）、1/4 in（6.350 mm）和1/12.5 in（2.032 mm）四种节距，一直沿用至今。曲线齿在台型齿的基础上开发，相比梯型齿，有以下优点：（1）曲线齿采用公制节距；（2）曲线齿的齿形大，因此跳齿扭矩大；（3）曲线齿与带轮啮合过程较平滑、噪声低；（4）带齿与带齿轮的齿侧间隙小，定位精度高；（5）曲线齿的多边形效应小，传动误差小，定位精度高；（6）曲线齿受力后在齿根部无应力集中现象，齿剪切强度高[2]。

齿形皮带相对于V带有以下特点。

（1）齿形带轮的节圆直径更小

V带传动属于摩擦传动，其轮径不能过小，否则会因包角小而降低传动效率，容易打滑。同步带传动属于啮合传动，不会发生打滑，因此直径可更小。

例如在S5M型同步带的最小带轮直径为ϕ22.28 mm（最小齿数为14），相比之下M型V带轮最小直径才ϕ40 mm。又如S8M型同步带，带轮的最小直径为ϕ56.02 mm（最小齿数为22），对应地A型V带的最小带轮直径为ϕ67 mm。因此齿形同步带具有带轮直径小的优势。

（2）同步带的延伸率更小

V带的芯线一般使用聚酯纤维，同步带的芯线一般使用玻璃纤维。玻璃纤维的最大特点是受热时不易被拉长，具有延伸率小的优点，如图1所示：

图1 V带与同步带延伸率对比

从图1可知，同步带的抗拉伸性优于V带。

（3）同步带轮的输出力和传动容量更大

电机输出公式：F=2T/d

其中T为电机的扭矩，d为节圆直径，F为电机额定输出力。

可知，在相同的电机输出扭矩下，电机输出力与带轮直径成反比，门机的拖动负载取决于输出力F。

在已知功率情况下，V带的动态轴负载的计算式为：

其中：Fc——动态轴负载（N），Pd——设计动力（kW），v——皮带速度（m/s），Kθ——接触角修正系数，θ1——小皮带轮的接触角（°）。

同步带的动态轴负载的计算式为[1]：

其中：Fc——动态轴负载（N），Pd——设计动力（kW），v——皮带速度（m/s）

由上可知，在相同皮带速度情况下，传动容量与输出力/动态轴负载成正比。因此带轮直径越小，传动容量越大。容易推出，同步带的传动容量优于V带。

（4）同步带的噪音稍比V带大

噪音与带与带轮的接触面积有关。齿形带的运行噪音来自两个方面。一方面是带齿和齿轮啮合时产生的冲击噪音。这是由于带的多边形效应及带齿与轮齿相互碰撞而发出的声音。实际上啮合冲击噪音是带与带齿槽所形成的空腔内气柱共鸣产生的。另一方面是带的弦振动噪音，包括带与带轮的挡边摩擦，及带运行时与空气摩擦产生的噪音等。

但对于如开门机相对低速转动的机构，V带与齿形同步带的噪音差异基本上可以忽略。

3 齿形同步带在开门机的应用方式对皮带性能的影响

同步带应用在开门机有两种布置方式，分别位横向放置和竖向放置。横向放置主要是因为门电机为碟型（也叫卧式电机，皮带连接板夹上或下皮带使其与门板联动）。竖向放置主要是因为门电机为筒式（也叫立式电机，皮带连接板一般夹前皮带使其与门板联动）。皮带竖向放置时，过大的跨距长度会令皮带因重力作用下垂，皮带受横向剪切的程度大于电机横向放置时。用立式电机通常是为节省门上坎部件的布置空间，同时因皮带竖向放置的限制，带轮的轴间距不能过大，因此皮带竖向放置时只能联动一边门，另一边门只能依靠钢丝绳联动装置。因此此种布置方式多应用在同步门的中分与旁开门，而对于异步门，只能应用在旁开门，应用在中分门的并不多见。而对于同步带横向放置，则皮带受重力时的下垂范围远小于同步带的弯曲允许范围，因此适合于同步门和异步门。对于中分的异步门，皮带可双边联动，但对于同步门只能联动单边，这是由于皮带驱动门刀转动决定两门不能用皮带联动。因此同步门所需要的皮带跨距长度更小，而异步门则多用长跨距同步带。

对于同步门，在关门末端时，大多需要电机的堵转力令门刀闭合或张开，故此阶段内对皮带的拉力过大。为降低跳齿轮的几率，初始张力应比异步门的稍大。

初始张力的计算公式为：

其中：Fδ——挠曲负载；Ls——跨距长度；Lp——皮带长度；Y——与皮带型号有关的常数；δ——在Fδ作用下的挠度；T0——皮带的初始张力。

由上式可知，在相同的挠曲负载情况下，Ls/ Lp越大，所需的初始张力T0就越小。而轴间距缩小时，皮带周长缩短量为轴间距缩小量的2倍。因此轴间距越小，轴间距与周长的比就越小，在皮带同一挠度下所需的张紧负载（T0）就越大。因此同步门机一般不宜使用长跨距同步带。

4 不同材料齿形同步带在开门机的应用

齿形皮带的橡胶材料分为：天然橡胶、丁苯橡胶、丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶。天然橡胶的耐磨性、抗弯曲开裂性最好。氯丁橡胶的耐老化性、耐臭氧、耐碱性最好。丁腈橡胶的耐油性最好。更高抗拉强度要求的可用氢化丁腈橡胶（可达50～400 kgf/cm2）或聚氨酯橡胶（200～450 kgf/cm2），氢化丁腈橡胶成本较高，聚氨酯橡胶耐热、耐酸、碱性差，若井道环境较恶劣，也不适用。

齿形皮带的芯线材料分为：聚酰胺、聚酯、芳纶、棉、玻璃纤维、钢丝。其中玻璃纤维的抗拉强度较大，因此其延伸率也较小。芯线的抗拉强度对比如表1。

表1 芯线的抗拉强度对比

由表1可知，玻璃纤维的抗拉性能优于其他材料，其稳定性和弯曲疲劳性能好，在齿形皮带中最常用。但由于水对玻璃纤维的延伸率影响较大，吸水后的玻璃纤维性能大大下降。故消防梯中不能使用玻璃纤维芯线的皮带，而推荐使用芳纶芯线，芳纶芯线的弯曲疲劳性和耐水性更好。

在常规的使用工况下的门机，一般选用氯丁橡胶、玻璃纤维芯线的皮带。而在消防梯，一般不使用玻璃纤维芯线的皮带，而采用帆布或芳纶芯线的。

5 齿形同步带的选用要领

标准的齿形同步带选用方法是根据电机输出功率选用。还有另一种是依惯性矩计算，主要应用在正反转频繁的场合。第三种是依有效拉力，主要应用在低速的传送用带场合。

根据电机功率设计时，应先确定电机的技术特征，例如电机的额定功率，带轮的转速，带轮的节圆直径。根据电机的额定功率，结合实际工况，确定负荷修正系数、惰轮比修正系数、速比修正系数、环境修正系数，得出设计功率；再根据带轮节圆直径，将转速换算成皮带的线速度。结合以上所得值，明确带的型号，计算带与带轮的齿数，修正带与带轮的啮合齿数，然后确定带宽，最后进行传动设计确认。

根据实际载荷设计，首先要判断是否需正反转和急剧变速，若有经常正反转，则需考虑惯性矩的传动设计，要计算负载的惯性矩，计算加、减速转矩，确定各种修正系数，再确定带的型号，后续步骤同根据电机功率设计时的相同。若没有正反转频繁和急剧变速的场合，则可根据有效拉力设计，进行有效拉力的计算，再根据其值得出设计拉力，再确定皮带型号，后续步骤同根据电机功率设计时的相同。

6 结论

本文结论如下:

（1）齿形同步带在电梯开门机中应用最广泛：

（2）齿形同步带比其他皮带拥有更优异的性能，包括带轮直径可做得更小、延伸率更小、输出的传动容量更大；

（3）一般工况下的门机，可选用玻璃纤维芯线，氯丁橡胶的齿形同步带。

［1］阪东化学株式会社.阪东传动带综合设计手册［Z］. 2011.

［2］日本传动带专业技术委员会.带传动与精密传送实用设计［Z］.1996.

The Application of Toothed Timing Belt in the Door System

HUO Jun-chao，DENG Hao-bin
（Hitachi Elevator（China）Co.，Ltd.，Guangzhou511430，China）

From last century，the development of elevator history has over 100 years.Door system，one of the core components of elevator，plays an important role in the elevator’s movement.In the course of door machine development，belt drawing door machine had been replaced the rocker door machine.Up to now，belts are inseparable from elevator door machine.In the application of door system，the toothed timing belts are the most widely used.Toothed timing belt has the better performance to other belts.With the development of the chemical industry，the kind of the belt is also increasing.Choose the right material of belts is indispensable to improve the performance of door machine.

belt；toothed timing belt；door system；door machine

TU857

：A

：1009－9492(2014)12－0233－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.060

霍俊超，男，1983年生，广东顺德人，硕士研究生。研究领域：电梯门系统。已发表论文6篇。

(编辑：王智圣)

2014－07－23