拋雪機(jī)的帶傳動連接設(shè)計

陳泳松

（中國重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力科迪亞克機(jī)械有限責(zé)任公司，廣西 柳州 525112）

0 引言

同步帶傳動是一種常見的嚙合機(jī)械傳動，同步帶傳動具有傳動比精確、傳動效率高、傳動功率大等特點。同時，同步帶具有緩沖、減震作用，在傳動過程中能最大程度保證傳動的平穩(wěn)，相比齒輪傳動有過載保護(hù)作用，可有效保護(hù)傳動系統(tǒng)內(nèi)的動力輸出源。因此這種傳動方式常應(yīng)用在機(jī)器人行業(yè)、汽車行業(yè)、數(shù)控機(jī)床、輕紡織行業(yè)、高速設(shè)備等行業(yè)。同步帶傳動的傳動功率范圍廣，可以從幾十瓦到幾百千瓦。

拋雪機(jī)是一種掛接在裝載機(jī)、重卡或者皮卡前部，帶有獨(dú)立動力源及獨(dú)立控制系統(tǒng)的除雪設(shè)備。這種除雪設(shè)備因為需要掛接在現(xiàn)有的獨(dú)立的行走設(shè)備前部，需要做到體積小及重量輕，所以在傳動布局的時候需要在保證傳動性能的前提下盡可能地讓結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。同時考慮到除雪部件（即除雪絞龍和葉輪）轉(zhuǎn)動速度高，作業(yè)時阻力大，需要用較高的轉(zhuǎn)動扭矩驅(qū)動。傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行可以有效提高系統(tǒng)使用壽命、保證設(shè)備可靠性，所以在我公司生產(chǎn)的拋雪機(jī)中采用傳動軸傳動和同步帶傳動結(jié)合的方式作業(yè)功率的高效傳遞[1]。

本研究探討筆者所在公司的某型號拋雪機(jī)的帶傳動連接方案，著重分析該型號拋雪機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及帶傳動系統(tǒng)。設(shè)計的同步帶傳動系統(tǒng)為日益追求緊湊、輕量化高效可靠的除雪設(shè)備設(shè)計提供了一種思考的方向，并填補(bǔ)了國內(nèi)除雪設(shè)備行業(yè)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用空白。

1 拋雪機(jī)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

我公司生產(chǎn)的拋雪機(jī)主要由集雪絞龍、拋雪葉輪、作業(yè)發(fā)動機(jī)、連接掛架、電液控制系統(tǒng)四部分組成（圖1）。作業(yè)發(fā)動機(jī)③提供功率及扭矩輸出，通過傳動系統(tǒng)將功率及扭矩輸出到作業(yè)屬具拋雪葉輪①和集雪絞龍②上，積雪絞龍通過轉(zhuǎn)動將積雪收集，拋雪葉輪通過高速轉(zhuǎn)速動將收集到的積雪高速、遠(yuǎn)距離拋出，達(dá)到除雪的目的。設(shè)備上電液控制系統(tǒng)⑤則用于實現(xiàn)拋雪作業(yè)左右動作的啟停、調(diào)速，以適應(yīng)各種不同的除雪工況。連接掛架④是用于拋雪機(jī)與底盤設(shè)備的連接，使拋雪機(jī)輕松、快速安裝到底盤上。

圖1 拋雪機(jī)主要組成部分

拋雪機(jī)的傳動系統(tǒng)如圖2，與發(fā)動機(jī)連接的離合器⑧與同步帶系統(tǒng)⑨直接連接，同步帶系統(tǒng)⑨通過傳動軸⑦已分動箱⑥連接，分動箱⑥直接驅(qū)動拋雪葉輪⑤，同時分動箱⑥通過傳動軸④與分動箱②連接，分動箱②的兩個輸出口分別驅(qū)動集雪絞龍①、集雪絞龍③。

圖2 拋雪機(jī)傳動示意圖

2 拋雪機(jī)的基本參數(shù)和工作性能要求

定義發(fā)動機(jī)的額定功率為Pm，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為n1，主動輪轉(zhuǎn)速為n2，從動輪的轉(zhuǎn)速為n3，分動箱⑥的輸入轉(zhuǎn)速為n4，分動箱⑥的輸出轉(zhuǎn)速為n5，分動箱⑥的速比為i1，主動輪與從動輪的安裝中心距為a，主動輪與從動輪間的速比為i2。

根據(jù)工作需求，拋雪葉輪需求轉(zhuǎn)速n6=450 r/min，同時該傳動系統(tǒng)為減速增扭系統(tǒng)，所以傳動方案中主動輪為小輪，從動輪為大輪。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及發(fā)動機(jī)選型，確定以下參數(shù)，并根據(jù)以下已知條件進(jìn)行設(shè)計計算。

3 設(shè)計計算

為了在滿足使用要求的前提下，選擇成本最低、使用壽命長及噪聲適中的同步帶和同步帶輪，本文對作業(yè)發(fā)動機(jī)與拋雪葉輪之間的連接進(jìn)行設(shè)計計算。根據(jù)發(fā)動機(jī)功率及轉(zhuǎn)速以及作業(yè)絞龍作業(yè)需求轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行設(shè)計計算，通過選型計算確定同步帶傳動方案的強(qiáng)度和傳動速比。最終通過查閱相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定同步帶及帶輪的型號[2]。

根據(jù)上述已知參數(shù)及結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)與主動輪通過離合器是軸連接，有主動輪轉(zhuǎn)速等于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：

從動輪轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)上述介紹連接方案，分動箱⑥輸出端與葉輪為軸連接，分動箱輸出轉(zhuǎn)速與葉輪轉(zhuǎn)速相等，即

從動輪轉(zhuǎn)速與分動箱⑥輸入轉(zhuǎn)速相等，通過速比為的分動箱傳遞扭矩，

通過以上公式，確定同步帶系統(tǒng)的傳動速比：

初定帶傳動系統(tǒng)的傳動速比為1.052減速。

3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計功率Pd

kA為載荷修正系數(shù),根據(jù)設(shè)備作業(yè)條件：拋雪機(jī)，24 h/日運(yùn)轉(zhuǎn)，查表1工況系數(shù)，取kA=1.5。

表1 工況系數(shù)

3.2 確定帶的型號和節(jié)距

根據(jù)以上計算結(jié)果有設(shè)計功率Pd=141 kW，轉(zhuǎn)速n2=1800 r/min，查閱資料可知圓弧齒同步帶系統(tǒng)，能夠滿足大功率的傳動，其傳動功率比梯型齒和T型齒通常大3～5倍。所以本設(shè)計選用圓弧齒同步帶，同時通過圖3功率與轉(zhuǎn)速的交匯點落在14M同步帶的適用區(qū)域內(nèi)，初步選用的14M圓弧齒同步帶，通過表2同步帶節(jié)距表，查閱得到14M圓弧齒同步帶的節(jié)距Pb=14 mm。

圖3 圓弧齒同步帶選型圖

表2 同步帶節(jié)距表（部分）

3.3 選擇小帶輪齒數(shù)z1

由于小帶輪齒數(shù)z1=1800 r/min，且選用的同步帶為14M圓弧齒同步帶，查表3圓弧齒最小帶輪齒數(shù)選型表得小帶輪最小需用齒數(shù)zmin=32。同時考慮到帶速與安裝尺寸允許時，z1盡量取較大值，本設(shè)計中參考設(shè)計安裝尺寸，同時該傳動系統(tǒng)為降速增扭系統(tǒng)，最小帶輪為從動輪，故選定z1=45。

表3 圓弧齒最小帶輪齒數(shù)選型表

3.4 確定帶輪節(jié)圓直徑

查機(jī)械設(shè)計手冊[3]表4圓弧齒節(jié)圓直徑得，小帶輪節(jié)圓直徑d1=200.53 mm。

表4 圓弧齒節(jié)圓直徑（部分）

帶速

大帶輪齒數(shù)

查表3圓弧齒最小帶輪齒數(shù)選型表取z2=47，大帶輪節(jié)圓直徑d2=209.45。

3.5 傳動中心距a0確定

查機(jī)械設(shè)計手冊有：

本機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計要求傳動中心距a=450 mm，在的取值范圍內(nèi)，所以確定a=450 mm。

3.6 確定同步帶的節(jié)線長度Lp

查表5圓弧齒帶的節(jié)線長度，取Lp=1610 mm，則有，同步帶齒數(shù)Zb=115。

表5 圓弧齒帶的節(jié)線長度

3.7 計算小齒輪嚙合齒數(shù)Zm

3.8 確定同步帶基準(zhǔn)額定功率

查表6圓弧齒同步帶基準(zhǔn)功率表，根據(jù)已知z1=45，n2=1800 r/min，所以P0取值可以大于31.60，小于34.47，本設(shè)計中取P0=33 kW。

表6 圓弧齒同步帶基準(zhǔn)功率表（部分）

3.9 確定同步帶帶寬bs

查機(jī)械設(shè)計手冊一般bs＜d1=200.53，所以取bs=170。

4 設(shè)計結(jié)果整理

經(jīng)過上述計算，整理可得需要的同步帶傳動系統(tǒng)的參數(shù)如下：

同步帶：選用14M圓弧齒同步帶，Zb=115，Lp=1610 mm，ds=170 mm，Pb=14

同步帶輪：z1=45，d1=200.53 mm，z2=47，d2=209.45 mm

傳動中心距：a=450 mm

帶輪的實際傳動速比為：

經(jīng)過核算，葉輪實際轉(zhuǎn)速為：

n6＞設(shè)計需求450 r/min，且誤差為（453～450）/450=0.6%，小于5%的設(shè)計誤差，方案滿足。

5 結(jié)語

通過以上設(shè)計計算，實現(xiàn)了對拋雪機(jī)帶傳動系統(tǒng)的選型設(shè)計，得到滿足既定型號拋雪機(jī)的同步帶傳動系統(tǒng)的同步帶、同步帶輪的所有參數(shù)及設(shè)計規(guī)范內(nèi)合理的同步帶帶、帶輪選型，最終完成該機(jī)型拋雪機(jī)的同步帶傳動系統(tǒng)的設(shè)計。同時也為后續(xù)其他型號拋雪機(jī)的同步帶傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供設(shè)計參考。