一種農(nóng)機(jī)用錐套式帶輪的設(shè)計(jì)

河北雙天機(jī)械制造有限公司 趙西哲 張瑞星

引言

皮帶具有良好的彈性，在工作中不僅能緩和沖擊及振動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)起來(lái)平穩(wěn)無(wú)噪聲。載荷過(guò)大時(shí)后皮帶會(huì)在輪上打滑，因此可以防止其他零部件損壞，起到一個(gè)安全保護(hù)的作用。皮帶作為中間零件，在一定范圍內(nèi)可以根據(jù)需要來(lái)選定長(zhǎng)度，以適應(yīng)中心距要求較大的工作條件，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易制造，安裝和維修都很方便，成本比較低。因此皮帶傳動(dòng)在農(nóng)機(jī)行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。目前秸稈粉碎還田機(jī)、秸稈收集機(jī)、打捆機(jī)等農(nóng)機(jī)具常見(jiàn)的皮帶輪安裝結(jié)構(gòu)多數(shù)由圓柱孔加平鍵組成，此種結(jié)構(gòu)雖然加工方便，但由于配合較緊，加之皮帶輪長(zhǎng)時(shí)間工作，軸孔配合表面易產(chǎn)生銹蝕等，拆換較困難，需用撥輪器或錘擊拆卸，易損壞帶輪，嚴(yán)重時(shí)使軸彎曲變形等。

較之于普通直孔式皮帶輪，錐套帶輪有諸多優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊，不需要軸定位，安裝方便，只需選配不同孔徑的錐套，同一款帶輪即可應(yīng)用于不同軸徑，增加產(chǎn)品通用性，允許較大軸徑公差、通過(guò)錐面壓緊連接, 其定心精度高等。

目前市場(chǎng)上的錐套主要有TB 錐套、QD 錐套兩種，如圖1 所示，這兩種錐套與皮帶輪相匹配的孔都是半邊的，并且錐套上的兩個(gè)光孔與帶輪上的兩個(gè)螺紋孔分別組成了一個(gè)完整的孔，錐套上的一個(gè)螺紋孔又與皮帶輪上的一個(gè)光孔組成了一個(gè)完整的孔。在裝配時(shí),將兩個(gè)螺釘安裝在皮帶輪的兩個(gè)螺紋孔中并不斷擰緊，隨著螺紋作用將螺釘推向皮帶輪上錐孔的小端皮帶輪，而錐形套上的兩個(gè)光孔并沒(méi)有完全透穿，這樣，當(dāng)螺釘?shù)念^部抵住光孔的底部時(shí)，就將力傳遞給了錐套，錐套就向皮帶輪錐孔的小端運(yùn)動(dòng)，這時(shí)因?yàn)殄F度的原因，錐套會(huì)不斷包緊軸，而軸又反作用于錐套，再作用于皮帶輪。這樣皮帶輪、錐套以及軸就緊密地組裝在一起了。這兩種錐套帶輪加工難度大，加工工序多，成本較高?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一種加工簡(jiǎn)單、成本低廉、易于大量在農(nóng)機(jī)具上使用的蘭盤式錐套帶輪。

圖1

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖2 所示蘭盤式錐套帶輪的錐套設(shè)計(jì)為開(kāi)口式，外圓為1:10 的圓錐形，內(nèi)孔為帶鍵槽的圓柱形，斷面蘭盤上有3 個(gè)直徑13mm 的均布過(guò)孔，3 個(gè)M12 的均布螺紋孔；帶輪內(nèi)孔為1:10 的圓錐形，帶輪輪轂上設(shè)有3 個(gè)M12 的均布螺紋孔。錐套可采用Q235 材質(zhì)，或35 號(hào)以上優(yōu)質(zhì)碳素鋼調(diào)質(zhì)后精車加工后留磨量，在磨床上磨到精度尺寸即可；帶輪可采用HT200 材質(zhì)，按尺寸單獨(dú)加工成型即可。

圖2

安裝時(shí)3 個(gè)M12 螺栓穿過(guò)錐套蘭盤上3 個(gè)φ13 的過(guò)孔擰入帶輪上的M12 螺紋孔中，靠螺栓的緊固力使帶輪和錐套沿軸向相對(duì)移動(dòng)，錐套外錐面與帶輪內(nèi)孔錐面互相貼合壓緊，錐套內(nèi)孔向內(nèi)收縮抱緊軸，外錐套向外膨脹撐緊輪轂，并產(chǎn)生徑向壓力，工作中依靠由徑向壓力派生的摩擦力承擔(dān)載荷。載荷可以包含純轉(zhuǎn)矩、純軸向力和轉(zhuǎn)矩與軸向力的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)了軸和輪轂的軸向和周向固定。當(dāng)錐套將皮帶輪與軸連接在一起時(shí)，就形成了一個(gè)過(guò)盈配合的連接體。錐套內(nèi)孔與軸有鍵連接，其是通過(guò)鍵來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和力的。錐套與皮帶輪間雖然沒(méi)有鍵連接，但是接合面存在正壓力，產(chǎn)生的摩擦力就可以傳遞轉(zhuǎn)矩和力了。

2 自鎖分析

錐套與軸之間的軸向固定是通過(guò)摩擦力來(lái)保證的，為了工作可靠性，無(wú)論帶輪受到多大的徑向載荷，錐套與軸都不能發(fā)生軸向相對(duì)移動(dòng)，即錐套與軸產(chǎn)生自鎖。錐套與軸之間的受力分析如圖3 所示，軸對(duì)錐套的約束力包含法向約束力FN1和摩擦力FS1,這兩個(gè)力的合力FR1為軸的全約束力，它的作用線與接觸面的公法線形成一夾角α，夾角α 與錐套的半錐角相等。當(dāng)摩擦力FS1達(dá)到靜摩擦力最大值時(shí)，夾角α 也達(dá)到最大αf，即為摩擦角。取接觸面的摩擦系數(shù)μ=0.12，af=arctanμ=6.80。當(dāng)半錐角小于αf時(shí)，錐套與軸之間可產(chǎn)生自鎖。

圖3

3 軸向壓緊力分析

軸向壓緊力由螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生。錐套受到軸向壓緊力F 后，產(chǎn)生帶輪與軸對(duì)其的擠壓力與摩擦力。錐套與帶輪間的動(dòng)力傳遞由摩擦力提供。所以軸向壓緊力對(duì)動(dòng)力的傳遞有著直接的影響。由于物體平衡時(shí)靜摩擦力有一定的范圍，在0 與最大靜摩擦力之間，所以有摩擦?xí)r的平衡問(wèn)題的解亦有一定的范圍，而不是一個(gè)確定值，取摩擦力為極值處分析討論。

3.1 當(dāng)靜摩擦力為最大值時(shí)

現(xiàn)取錐套為受力平衡對(duì)象，錐套的受力分析如圖4 所示。錐套受到帶輪對(duì)它的壓力FN2和摩擦力μ2FN2，合力為N2；錐套受到軸對(duì)它的壓力FN1和摩擦力μ1FN1，合力為N1，則N2與FN2的夾角為錐套與帶輪之間的摩擦角ψ2，N1與FN1的夾角為錐套與軸之間的摩擦角ψ1，半錐角為α，壓緊時(shí)N1、N2、F 三力處于平衡，可得：

圖4

取α=2.860得出F=0.475FN1；F=0.468FN2

3.2 當(dāng)摩擦力為0 時(shí)

錐套的受力分析如圖5 所示。

圖5

4 螺栓的選用

錐套與帶輪間的動(dòng)力傳遞由摩擦力提供，配合面的許用擠壓應(yīng)力根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取[p]=125MPa。錐套與帶輪間的接觸面積為S，最大允許接觸力為FN2，最大允許軸向壓緊力按照F=0.05FN2計(jì)算，可得出F 的最小值，所施加的軸向力不大于這個(gè)最小值時(shí)，接觸面不會(huì)被壓潰。

選用三根螺栓固定，螺栓強(qiáng)度級(jí)別為8.8 級(jí)，[σ]=400MPa，每根螺栓承受預(yù)緊力F'=30495N，根據(jù)確定螺栓小徑為11mm，如果超出此值，接觸面可能被壓潰。根據(jù)錐套帶輪的結(jié)構(gòu)選用M12 螺栓。三根M12 螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力為73918N。這時(shí)我們根據(jù)預(yù)緊力產(chǎn)生的最小接觸力來(lái)計(jì)算接觸力，如果最小接觸力能滿足傳遞的扭矩, 就可以確定此結(jié)構(gòu)安全可靠。

錐套與帶輪間的摩擦力μ2FN2=0.3×157944=47383N

摩擦力提供的轉(zhuǎn)矩為T=μ2FN2d=47383×63/1000=2985Nm

錐套與軸之間的平鍵選用普通型平鍵A 型14x9x70，所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為500Nm 左右，所以錐套與帶輪摩擦力傳遞的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平鍵連接所傳遞的轉(zhuǎn)矩，因此可以保證工作可靠。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)力學(xué)分析確定壓緊力F 與接觸力F2的關(guān)系。以FN2通過(guò)接觸面的最大擠壓應(yīng)力得出，進(jìn)而確定了壓緊力F 的值。然后選用合適的螺栓并對(duì)其校核，滿足傳遞轉(zhuǎn)矩的要求。最終得出此結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，為設(shè)計(jì)可靠的錐套式帶輪提供了理論依據(jù)。

（2）分析過(guò)程中由于摩擦力值的不確定性，為了簡(jiǎn)化分析，需要在兩個(gè)極值處進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)校核接觸面的強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)摩擦力為0 計(jì)算，此時(shí)接觸力最大滿足接觸面強(qiáng)度要求，即摩擦力在變動(dòng)范圍內(nèi)都可以滿足接觸面強(qiáng)度要求；當(dāng)校核傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，根據(jù)摩擦力最大值計(jì)算，此時(shí)接觸力最小滿足傳遞轉(zhuǎn)矩要求，即摩擦力在變動(dòng)范圍內(nèi)都可以滿足傳遞轉(zhuǎn)矩要求。