一种新型两层多孔式磁性V带的结构设计

2016-07-25孟兆明

橡胶工业 2016年5期

孟兆明，李杰

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061）

带传动具有传动距离远、结构简单、传动平稳、成本低廉和缓冲吸振等特点，在机械工程中被广泛应用。

目前工程机械中大量使用的普通V带采用三层实心式结构。由于V带传动采用摩擦传动，传统普通V带设计为上下层是胶体、中间层是抗拉体，截面中性层只有一个。目前标准V带的中性层往往偏离抗拉体中心，且普通V带型号间无任何规律，当V带经过带轮产生弯矩而发生弯曲变形时，抗拉体与上下胶体这两个分界面处都产生相对错位移动，易造成V带的滑移破坏。为此，本工作设计了一种新型两层多孔式磁性V带[1]。

1 V带截面结构设计及中性层计算

普通V带抗拉体的材料单一，由于位置所限，材料有效利用率低，导致V带承载能力较弱；另外传统实心式V带的弯曲柔性差、无用材料相对较多、质量大，弯曲应力和离心拉应力大，V带容易产生疲劳破坏。

普通V带截面结构见图1[2]。新型V带截面结构如图2所示，由抗拉体、胶体和磁性包布三部分组成。新型V带能有效地提高承载能力、减小质量、降低弯曲应力和离心拉应力，并且还能够防止由于弯矩及弯曲变形引起的材料错位、滑移和断裂等破坏。

图1 普通V带截面结构示意

图2 新型V带截面结构示意

1.1 普通V带

根据图1所示的普通V带截面结构，建立如图3所示的截面结构坐标，根据文献[3]和[4]，得到普通V带中性层位置关系式。图3中b为截面顶宽，h为截面高度，m为截面顶胶厚度，e为截面抗拉体厚度。

图3 普通V带截面结构坐标及尺寸

式中E1——顶胶和底胶的弹性模量；

E2——抗拉体的弹性模量；

y——任意位置离中性层的垂直距离；

A——V带截面面积；

δ1——传统V带中性层距上端面的距离。

展开公式（3）有

整理公式（4）得三层实心式V带中性层位置δ1：

1.2 新型V带

根据图2所示的新型V带截面结构和图3所示的截面结构坐标，令新型V带中性层恰好位于两种不同材料的分界线上，得到如图4所示的两层实心式V带坐标及尺寸。由于新型V带胶体处设置了圆柱孔，以增加带的柔性、减少应力集中、降低弯曲应力，因此每组孔间隔一定的距离，传动中圆柱孔截面造成的中性层变化微弱，可略去不计[5]。新型V带在胶体内侧设计有均布的数组圆柱孔，每组平行排列2～5个，孔径、孔长以及每组孔间距与V带的型号相关。

图4 两层实心式V带截面结构坐标及尺寸

由于V带绕在带轮上时，V带的弯曲应力分布从胶体内侧到中性层是逐渐降低的，因此胶体内侧设计的孔形最佳为锥形孔，孔径从内侧到中性层逐渐减小。为了加工制造方便、降低成本，实际应用中的孔形可设计为圆柱孔，其高度为胶体厚度的1/3～1/2较好。

令δ2=e，m=0，则新型V带中性层位置关系式为

运算简化公式（7），得到新型V带的中性层位置δ2：

2 V带应力分析

V带传动最大的弯曲应力位于V带与小带轮接触处，其弯曲应力σb为

式中M——V带弯矩；

I——V带截面中性层的惯性扭矩；

d1——小带轮直径；

ymax——V带截面上下端面至V带中性层的距离。

2.1 弯曲拉应力对比

V带最大的弯曲拉应力发生在V带截面的最上端。比较图3和4以及公式（5）和（8）可知，对于相同截面尺寸的V带，由于抗拉体材料厚度、位置的不同，新型V带的中性层位置远远低于普通V带的中性层位置，因此，对于V带的最大弯曲拉应力，尽管同样位于V带截面的最上端，但是新型V带的弯曲拉应力小于普通V带。

2.2 弯曲压应力对比

根据公式（9）可知，V带最大的弯曲压应力发生在V带截面的最下端。比较图1和2可知，由于图2所示的新型V带下端加工设置了数组圆柱孔，相对图1所示的普通V带结构，新型V带不仅减少了胶体的材料、增加了胶体的柔性，还有效地降低了弯曲压应力。

3 V带包布材料选择

依据带传动欧拉公式[2]，V带的临界有效拉力（Fec）与其他影响因素的关系式为

式中Fmin——V带最小初拉力；

f——V带与带轮的摩擦因数；

α——V带与带轮的最小接触包角。

根据公式（10），新型V带的包布采用磁性材料制造，将抗拉体和胶体整合为一体，除可固定两层材料外，还增加了V带与铁质材料带轮的吸附力，增大了V带与带轮的摩擦因数，从而可提高带的有效拉力和传动能力。需要特别强调的是，为了提高带的传动能力，增大V带与带轮的摩擦因数，带轮的材料尽量选择铸铁，V带传动装置尽量采用闭式传动方式。