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1、长春理工大学硕士学位论文汽车用直齿同步带传动性能研究姓名：蒋明申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：李占国20100301摘要本文在系统分析了国内外同步带的研究发展现状的基础上，归纳总结了汽车同步带传动的结构及性能特点。给出了同步带传动的力学参数，并首次在国内利用M F B D(多柔性体动力学)刚柔耦合技术，以多体动力学软件R e e u r D y r 为平台，建立了同步带啮合传动的动力学仿真模型，对啮合传动过程中同步带带齿所受的齿面接触力和应力情况进行了仿真分析，利用有限元方法在A N S Y S 软件中用六面体单元进行了同步带的网格划分，并导入R e c u r D y n 中
2、进行了带齿的应力状态仿真，为汽车同步带齿形设计及传动性能分析提供了一种新方法。系统研究了汽车同步带横向振动和纵向振动，并建立振动模型，利用R e c u r D y n 软件进行了汽车同步带传动的平稳性仿真分析，系统归纳研究了同步带多轮传动设计方法，并在R e c u r D y n 中建立了多轮系同步带传动的模型，利用W i n d o w sV i s u a lC 计算机语言编制了同步带单级、多级传动设计计算的程序，并通过实例验证了该程序的可行性和准确性。关键词：同步带R e c u r D y nM F B D 多轮传动设计方法A B S T R A C TT l l i sp a p
3、 e rs u m su pt ot h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a p a b i l i t yo fs y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o n，b a s e do nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d yo ns y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o n O nt h eb a s
4、 i s t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r sf o rs y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o nw a sp r e s e n t e d，t h ec a l c u l a t i o no fc o n t a c tf o r c ea n ds t r e s s e sf o rb e l tt o o t hd u r i n gt h em e s h i n gi m p a c tw i t ht h ep u l l e yi nt h et r a n s
5、m i s s i o nw a sa n a l y z e du s i n gM F B D(M u l t iF l e x i b l e-b o d yD y n a m i c s)s i m u l a t i o n sf o rt h ef i r s tt i m ei n t e r i o r l y T h er i g i d-f l e x i b l ec o u p l i n gd y n a m i c sm o d e lW a sc r e a t e db yan e wm u l t i b o d yd y n a m i c ss o f t
6、 w a r e“R e c u r D y n T h ef i n i t ee l e m e n tm e s hg e n e r a t i o no ft h em o d e lc o m b i n e dw i t hh e x a h e d r a le l e m e n t sW a sp e r f o r m e di nA N S Y S w h i c hs h o w st h es t r e s s e so ft h eb e l tt o o t ht r a n s f e r e di n t oR e c u r D y n，a san e
7、wm e t h o df o rt h ed e s i g na n dc a p a b i l i t ya n a l y s i so fa u t o m o b i l es y n c h r o n o u sb e l t T h ev i b r a t i o no fs y n c h r o n o u sb e l ti nt h et r a n s m i s s i o nW a sa n a l y z e db yt h ev i b r a t i o nm o d e la n dt h et r a n s m i s s i o ns t a
8、b i l i t yW a ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yR e c u r D y n T h ed e s i g nm e t h o do fs y n c h r o n o u sb e l tg e a rt r a i nt r a n s m i s s i o nW a sp r e s e n t e da n dt h em o d e lw a$c r e a t e di nt h es o f t w a r e T h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e ma b
9、 o u ts y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o nw a sd e v e l o p e du s i n gW i n d o w sV i s u a lC j|，w h i c he v a l u a t e dt h ed a t ap r o c e s s i n ga n dv e r i f i e db ye x a m p l e s K e yw o r d s：S y n c h r o n o u sb e l tR e c u r D y nM F B DG e a rt r a i nD e s
10、i g nm e t h o dI I长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文汽车用直齿同步带传动性能研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：渤垫!竺年三月互日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库
11、和C N K I 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：蚴五1 2年立月丛日-，杉_、指导导师签名厂主銎羔刚醴型阵j 月彭日第一章绪论同步带是单面或双面具有等距齿的环形带，前者主要用于单轴传动，后者为多轴或反向传动，与其他带传动相比，具有同步无滑差、传动效率高、传动精度高、节能效果明显、传动速度范围大，兼带传动、链传动、齿轮传动的特点和长处于一身，主要应用在纺织机械、烟草机械、造纸机械、办公设备、机床、汽车发
12、动机传动系统、家电等领域。美国U n i r o y a l 公司在4 0 年代发明出同步带，被称为划时代的传动机构而引起世界的广泛注意【l】。历经6 0 余年的研究与开发，在很多领域代替了齿轮传动和链传动以及摩擦型带传动。在汽车发动机传动系统中，同步带特别适用于凸轮轴上置的配气机构。从偏心轴经过燃料喷射泵到气门凸轮轴之间的传动称为正时传动，汽车发动机的种类一般分为多缸汽油机、多缸柴油机和混合型发动机，这种多缸内燃机进气阀和排气阀的开启和闭合在各缸之间传动必须严格地按时间顺序动作，即为正时传动【2 1。由于轿车发动机传动系统设计小型化的要求和降低传动系统制造成本及传动平稳性、低噪音的要求，自2
13、 0 世纪7 0 年代，日本丰田和美国福特等国际著名汽车生产企业在这种正时传动过程中采用了同步带传动。汽车发动机借助曲柄连杆机构中带有飞轮的曲轴与进、排气凸轮轴来传递动力，为保证传动的稳定性和喷油泵、水泵等稳定的传动速比，因此要求传动系统具有恒定的速比和较好的稳定性，所选择的传动方式一般有链传动和带传动。同步带传动与链传动相比，具有如下的特点：1、有高的同步传动性能：同步带传动通过带齿与轮齿的精确啮合，可消除带的滑动和速度变化。同时同步带传动比链传动具有更小的齿侧间隙，而提高了传动的精确性，保证了发动机的正常工作。2、传动平稳、噪声低：同步带属弹性体，能吸收振动，缓和冲击，而且在传动过程中没有
14、链传动的多边形效应，因此传动平稳性好。3、无需润滑：同步带传动为橡胶复合材料弹性体与带轮的啮合传动，传动过程中无需像链传动必须配备必要的润滑装置，因此不需要定期保养，也不需要加润滑油，节省了保养时间和润滑费用，而且消除了润滑油的污染。4、传动系统空间小、可减轻发动机传动系统的重量：在汽车发动机传动系统设计方面，其传递功率和重量的比率是一项重要的指标。由于同步带为橡胶复合材料弹性体，与传动链相比单位体积的重量轻，且无需润滑而省略了润滑装置所占用的重量和空间，很大程度上降低了发动机传动系统的重量和尺寸，从而提高了发动机的设计指标。，-5、成本低、经济性好：同步带传动与链传动相比，由于同步带为橡胶复
15、合材料弹性体，因此同步带轮加工精度与链轮加工精度相比要求较低，同时同步带为整体硫化一次成型，所以与链条加工相比其制造费用很低。注，足幽际上发展很挟的一种新型同步带传动方式，其其体形式如图Il 所d；。汽车同步带作为同步带传弓u 中f j 勺高、精、尖、难的一共产品，其所需的橡胶材料、包柑、线绳的性能和成型上艺及硫化工艺等制造工艺和相应的技术要求较高。自2 0世纪8 0 年代以来，同本M I T S U B O S H T 公司、美国U n i r o y a l 公司笔幽外发达国家著名的制带公司丌展图1 _ 1 同步带传动了系列的丌发与研究丁作，使汽车同步带的使用寿命和传递功率及平稳性大大提高
16、。如|本的M I T S U B O S H T 公司生产的汽车同步带使用寿命选1 0 万公里。目前3 0 0 0 m l以下排气量的轿车发动机传动系统中，绝大部分采用了同步带传动在阿本几乎为1 0 0 粟|，欧洲有8 0 采用在美国有4 0 采用p l。如英国的沃克斯豪尔、西亚特、德国的盅马、欧宝、奥迪、大众汽车、意大利的非亚特、日本的尼桑、丰田、马自达，法国的雪铁龙、雷诺和美国的福特等车型均采用同步带。现我国引进及合资的轿车生产线除广州标致外，均将同步带应用在汽车发动机的传动上，如马自达2 0 0 0 等车型采用1 0 9 Z A：上海大众、桑塔纳、P A S S A T、一汽奥迪等车型采
17、用1 2 1 Z A 型同步带p 1 国内20 L 以下的轿车基本采用了同步带传动州。1 国内外发展概况美国U n i r o y a l 公司在4 0 年代发明出同步带，所生产的梯形齿同步带由于使用寿命和传递功率不大，仪州于要求有定传动比的一般机械传动中。为了改善传动的平稳性和提高使用寿命和传递功率，到了6 0 年代后期，美国的通用汽车公司率先将同步带安装仵汽牟发动机上，片J 米驱动发动机的顶霭凸轮轴，代替了以往的链条。日本本田汽牟公司制造的柴福牌汽车宫士重工的“雪克斯”牌汽车都率先装上了同步带。7 0 年代幸J 美国U n i r o y a l 公司又推 i 圆弧齿同步带(H T D l
18、 此后G o o d y e a r 和意大利P E I L L I 公司公司又相继开发出了双圆弧同步带与抛物线齿涮步带，到了9 0 年代，美国G a t e s 公司又推出了H T D 2I 神步带|4】。由于世界性的大范围能源危机、油价上涨，国内外对汽车行业都提了新的要求，在能源节约、尾气排放噪音控制一些方面都陆续出台相应的法规和政策，迫使汽车制造商对其产品更新换代。新技术、新材料的应用也势在必行，J 玎同步带传动代特原柬汽车发动机配气系统中的链传动。随着氯丁橡胶、聚酯线绳、包布及带成型技术和硫化技术的发展，同步带传动历经6 0 余年的研究与开发，使同步带的传动性能得到了大幅度提高，替代了
19、如齿轮传动和链传动及摩擦性带传动一些中、低载荷传动，如汽车发动机传动机构中采用的汽车用同步带【4】。目前，国外具有一定影响力和市场的同步带生产厂家如意大利倍耐力公司，日本M I T S U B O S H T、英国盖茨公司等。些技术发达的国家如日本、美国等对于同步带的生产量相当可观，据统计，日本每年的同步带产量可达到1 8 亿条，并实现1 0 0 0 多亿日元的年销售额，规格种类多，同步带的物理性能和结构尺寸、外观质量及使用寿命均居国际领先。国内为汽车发动机传动系统配套汽车同步带的胶带企业规模较大的有无锡贝尔特、宁波裕江、贵州大众、辽阳凯利特等近3 0 家公司，年产5 0 0 -6 0 0 万
20、条各种规格的汽车同步带，年销售额达1 5 亿元【5】。我国作为仅次于美国、日本两国的橡胶生产大国，每年的橡胶产量也相当可观。随着我国在世界上的经济地位日益强大，许多发达国家的汽车制造厂商都纷纷进入中国市场，对汽车用同步带的需求量迅速增加，与此同时，由于我国生产的汽车用同步带在耐高温i 耐水性及使用寿命等综合性能方面的落后，每年仍必须大量从国外进口与合资汽车生产配套的汽车用传动带，这说明我国的汽车同步带产业目前还满足不了我国汽车工业发展的需求，这也影响到了我国同步带的出口。近2 0 年来针对同步带使用要求的不断提高，国内外制带企业及相应的研究机构对同步带生产用橡胶、包布、线绳，制带设备、生产工艺
21、、传动性能评价方法及设计方法进行了广泛的研究。1、同步带齿形及传动性能近些年，同步带齿形已由开始的梯形齿同步带向圆弧齿同步带方向发展，这种同步带具有高转矩、低噪音、寿命长的特点。其啮合方式合理，可以有比梯形齿同步带更多的啮合齿数，在减少干涉方面比梯形齿同步带出色，使用寿命也比梯形齿同步带高。根据我国机械行业标准J B T 7 5 1 2 1 9 4 圆弧齿同步带传动带规定，圆弧齿同步带主要分为3 M、5 M、8 M、1 4 M、2 0 M 五种。在同步带齿形尺寸设计和改善同步带啮合特性及提高同步带传动功率、传动平稳性、使用寿命等方面开展了相应的研究工作。苏联学者哥列维奇，n H 伏罗别也夫等人
22、对同步带的失效形式和计算方法作了较深入的研究，提出了同步带耐磨性、剪切强度及传动效率等多种计算方法，并采用有限单元法计算了带齿工作时的应力分布。日本小山富夫从带齿间的载荷分布、带与轮间的节距差值、带的疲劳强度和断裂特性、带的不完全啮合影响等多方面开展了试验研究，分析了同步带的强度，苏联学者哥列维奇等对同步带的寿命、可靠性也作了较深入的研究【6】。国内哈尔滨工业大学徐浦滋等开展了平顶圆弧齿同步带接触应力的研究、华中科技大学方文中开展了同步带传动的载荷分布研究、辽阳凯利特橡胶有限公司和长春大学合作开展了同步带齿形设计及传动性能评价研究等。同步带传动特性研究是同步带传动的一个较新的研究课题，日本学者
23、笼谷正则等人从初拉力，传动误差，带的爬齿现象等多方面分析了同步带的传动特性，并采用高速摄影拍摄了带齿和轮齿的啮合过程。日本及苏联学者久保爱三、沙勃乞夫针对同步带传动的振动和噪声开展了研究，提出了降低振动和噪声的方法。国内南通工学院杨玉萍等对同步带传动时的纵向和横向振动进行了理论分析。在同步带传动疲劳试验台研究方面，日本、美国、德国等国际著名同步带生产企业先后开发研制出了针对汽车同步带疲劳性能试验的专用试验台，如疲劳寿命试验台和曲挠性能试验台等，国内哈尔滨工业大学、长春理工大学、长春大学等单位也先后开发出了汽车同步带疲劳性能试验的专用试验台，青岛宜利达工业公司、贵州创新橡塑机电设备公司先后开发了
24、汽车V 带和汽车多楔带传动性能疲劳寿命试验台。2、同步带传动设计方法同步带传动设计方法是选择同步带及带轮结构参数的主要依据，受到各国同步带生产厂和用户的重视。在许多企业标准中都提出了各自的设计和选择同步带参数的计算方法。1 9 8 1 年国际标准化组织制定了以同步带抗拉强度为设计准则的计算方法，I S 0 5 2 9 5 1 9 8 1 同步带额定功率和传动中心距的计算的国际标准。但采用此法时，其中同步带的基准额定功率(或许用拉力)需采用生产厂提供的同步带性能数据。我国1 9 8 9 年等效采用了I S 0 5 2 9 5 1 9 8 1 标准，制订了国标G B l l 3 6 2 8 9 同
25、步带额定功率和传动中心距的计算，1 9 9 2 年参照采用日本U N I T T A 公司的设计方法制订了F Z T9 0 0 4 2 4 9 2 纺织机械用同步带传动高扭矩同步带传动的设计计算，1 9 9 4 年参照采用美国U N I R O Y A L 公司和法国T R A N S A CS A 公司和日本U 虮T T A 公司资料制订了J B T7 5 1 2 3 9 4 圆弧齿同步带传动设计方法，这些同步带传动的设计方法基本局限于两轮传动，随着汽车发动机传动系统小型化的要求，汽车同步带传动驱动的从动轮不断增加，因此国内还没有针对汽车发动机传动系统的多轮同步带传动设计方法，一定程度上制约
26、了我国汽车同步带传动系统设计自主研发能力。3、同步带用材料(1)同步带用橡胶早期的同步带采用浇注法聚氨酯橡胶制造，该橡胶具有一般液体橡胶的优点，不需要炼胶汪延等设备，工艺简单，成型方便，采用离心浇注法j j 可生产精密的、形状复杂的轻型传送带：因此，聚氨酯同步带只应用于办公机械、家电、放映机等的低速轻负荷传动中。由于聚氨酯同步带用胶的耐热和耐水性不好，在8 0。C 左右就发粘，在潮湿环境中易水解，使聚氨酯同步带强度下降严重，又因为浇注法生产的聚氨酯同步带不能放置齿面包布，与有耐磨尼龙包布的氯丁橡胶同步带相比，耐磨性和整体强度较低，因此在汽车发动机传动系统中和一般工业传动中不能使用。而采用氯丁橡
27、胶和聚酯线绳为骨架材料制造的同步带，具有优异的抗拉伸性能和动态疲劳性能，并具有耐气候老化、耐油、阻燃及突出的粘合性能。但耐热性较差，使氯丁橡胶同步带的使用温度范围为一3 0。C -1 2 0。C。难以满足汽车发动机对转速、功率和耐热性的要求。2 0世纪7 0 年代中期开发的氢化丁腈橡胶(I-r N B R)与氯丁橡胶相比，氢化丁腈橡胶具有优良的耐高温性，使用温度范围为4 0。C -1 7 5。C，有优异的物理机械性能和高弹性、耐臭氧、耐曲挠龟裂、耐油、耐磨性能，具有良好的加工工艺性能。因此，同步带用橡4胶逐步向氢化丁腈橡胶发展【7】o(2)同步带用骨架材料早期生产的聚氨酯同步带，骨架材料一般采
28、用镀铜钢丝，但用钢丝作为骨架材料制成的同步带经使用后伸长率大，使同步带节距发生变化，导致带齿与带轮啮合不良，造成跳齿，加速了带的啃齿和磨损，因此必须寻找新的骨架材料。随着工业技术的发展，玻璃纤维制造中的拉丝、加捻、后处理等工艺的改进，研制开发出了针对同步带需求的玻璃纤维线绳，该强力层材料具有抗拉强度高、弹性模量大、耐热性好、尺寸稳定性好、伸长小、与橡胶粘合性好等优点。经用丁二烯、苯乙烯、丁二烯吡啶三元共聚物胶乳或与氯丁胶乳的共混物对玻纤绳进行浸渍，提高了玻纤绳的抗曲挠性和与橡胶的粘合性能，保证了汽车同步带和一般工业用同步带传动对骨架材料的要求。但是玻纤绳也存在许多缺点，如脆性i 不耐曲折和对冲
29、击负荷稳定性差，致使同步带使用可靠性降低【8】。2 0 世纪9 0 年代初，国外采用芳纶线绳做同步带的骨架材料。芳纶与其他常用骨架材料比较有如下优点：密度仅为钢丝的五分之一，玻纤的二分之一；在等重量下，强度为钢丝的8 倍，玻纤的3 倍，弹性模量约为钢丝和玻纤的2 倍；在同体积下，芳纶的强度比钢丝和玻纤高约5 0；芳纶的拉伸性能、弯曲性能、扭转性能的指标均高于传统的同步带骨架材料，对提高同步带的承载能力、减轻同步带的重量，减少同步带运行时的离心力和振动特别有利。芳纶的高模量、低伸长率及蠕变小赋予同步带良好的尺寸稳定性，芳纶耐高温性好，使用温度可达2 4 0。C，国外某制带公司已将芳纶1 4 1
30、4 作为骨架材料用于高性能同步带生产中，但由于芳纶的价格远远高于玻纤绳，目前还难以在汽车同步带中使用。表1-1 给出了同步带强力层用骨架材料可选纤维的力学性能【9】。表卜1 各种纤维力学性能比较芳纶玻纤钢幺幺尼龙碳纤维密度(g c m 3)1 4 42 5 87 81 41 7 5模量(g d)3 5 02 4 02 0 03 20拉伸强度(I P a)2 7 62 82 70 92 6断裂伸长率()4 O4 03 0、1 31 0(3)同步带的包布层为了保护同步带齿胶不受磨损，在同步带的齿表面覆盖一层耐磨包布，要求该布纬向伸长率 1 3 0，经向强力 2 8k N 5c m，早期一般用工业用
31、尼龙原丝织制包布，它拉伸强度高，耐磨、耐撕裂性也好。但尼龙的耐热性较差，在1 2 0。C 下经5 0h 开始出劣化现象，到4 0 0 h 强度下降3 0 -7 0。随着同步带使用要求的提高，目前由涤纶或芳纶织物取代尼龙织物做齿面包布的倾向。目前汽车发动机正向小型化、高效能化发展，发动机周围的环境温度越来越高，使用条件也越来越苛刻，因而要求单根胶带能带动更多部件，对带的传动能力、传动效率、使用寿命、环境适应性、噪音控制以及维修保养周期提出了更高的要求，因此汽车用同步带的研究与开发重点在以下几方面：(1)同步带齿形从梯形齿向修正曲线齿方向发展；(2)汽车同步带用橡胶材料向高饱和丁腈橡胶，抗拉层采用
32、芳纶纤维，双层尼龙弹力包布方向发展；(3)汽车同步带传动性能评价所需要的数字化动态试验与检测分析设备急待开发；(4)汽车同步带向抗高温、承受强载荷、提高抗磨损能力，减小噪音方向发展；(5)针对汽车发动机传动系统结构小型化设计的需求，急待开发汽车同步带传动多轮设计方法_ 1 2 汽车同步带传动的特点与分类1 2 1 汽车同步带传动的特点在顶置式汽车发动机中，同步带与链条相比，不仅具有精确的同步性能，而且充分发挥了结构简单、重量轻、运转噪声小、不需润滑，能远距离传动的特点，与其他传动相比，同步带传动具体有以下优点：(1)工作时无滑动，有准确的传动比带传动分为摩擦传动和啮合传动两种，同步带传动是啮合
33、传动，由于内部的其中承受拉力的抗拉层绳芯能保证带的节距在受拉状态下不发生变化，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。(2)传动效率高，节能效果好由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，_ 般可达O 9 8，与齿轮、链条或其它传动带相比，有明显的节能效果。(3)传动比范围大，结构紧凑因为是啮合传动，相比其它类型的传动形式，同步带传动所需的带轮直径和轴承尺寸较小，传动比可控制在1 0 以下，在传动比较大的条件下，设置结构相对要来得紧凑。(4)不需经常调整张紧力，维护方便同步带内部绳芯所用的材料如芳纶线绳等可以保证传动过程中带体不被伸长，所以不需经常调整张紧，在该过程中也不用额外添加润滑
34、和供油系统，节省了成本。(5)恶劣环境条件下能正常工作在具有灰尘杂质、水及腐蚀介质的恶劣工作条件下，链条易生锈、磨损；三角带会产生打滑，而同步带传动却能适应这些条件。由于它是啮合传动，在有雨水情况下不会打滑，减少带的磨损。在有灰尘杂质时，由于同步带带齿进入带轮轮槽时，带齿将挤压原留在轮槽内的空气，使受压的空气向轮槽两侧排出，这种空气挤压将同时起到清理啮合表面、带走灰尘杂质的作用，从而减少了同步带的磨损。此外同步带有较6高的耐腐蚀性、耐热性，在高温、有腐蚀气体情况下仍能正常工作【1 0】。1 2 2 汽车用同步带的分类与主要参数同步带按照带齿的结构形状分为单面齿同步带和双面齿同步带，一般常用的为
35、单面齿同步带，按齿形分为梯形齿和圆弧齿两种，见图1 2。r 梯形齿单砸同步带广一单面齿同步带一1 L 圆弧齿单面同步带l同步带l。广梯形齿l一型(对称)双面齿同步带一fJL 圆弧齿L 一双面齿同步带-l卜梯形齿LB 型(交错)双面齿同步带一L 圆弧齿图1 2 同步带分类有时同步带也按应用领域进行分类，一般分为一般传动用同步带、汽车同步带、纺织机械用高扭矩同步带、烟草机械用高速同步带、小型家电用同步带等【1 j l。我国一般传动用同步带采用的是节距制，分为七种型号，其型号和节距见表卜2。表卜2 同步带型号与对应节距型号节距(m m)M X L2 0 3 2X X L3 1 7 5X L5 0 8
36、 0L9 5 2 5H1 2 7 0 0“XH2 2 2 2 57 7：X X H3 1 7 5 0目前国内汽车用同步带按带齿结构分为梯形齿汽车同步带和圆弧齿汽车同步带。1、梯形齿汽车同步带按照G B l 2 7 3 4 2 0 0 3 汽车同步带传动标准规定，根据所传递载荷的大小；汽车同步带可分为两种型号；Z A 型轻负荷汽车同步带，主要用于汽油发动机；Z B 型重负荷汽车同步带，主要用于柴油发动机。7两者节距均为只=9 5 2 5 m m，汽车同步带的标记是以带的齿数、型号、带宽表示，例女1：I-8 0 Z A l 9，齿数为8 0，节距是9 5 2 5 m m，A 代表齿形，宽度为1 9
37、 m m。Z A 和Z B 型梯形齿带的带齿尺寸如图1 3 和表l 一3 所示【1 2】：图1 3Z A 和Z B 型梯形齿带齿结构图中：咒带齿的节距；忽齿高；吃带高；S _ 齿宽：一f口节线差；齿形角；耳齿根圆角半径；墨齿顶圆角半径表1 3Z A 和Z B 型梯形齿带齿公称尺寸名称代号公称尺寸z A 型：-Z B 型齿节距m m忍9 5 2 59 5 2 5齿形角度2 f l4 04 0带高m m忍4 I4 5节线差m ma0 6 8 60 6 8 6齿根圆角半径m m：?R rO 5 1。1 0 2齿顶圆角半径m m县O 5 l：1 0 2齿高m m忽1 9 12 2 9齿宽m mS4 6
38、 56 1 22、曲线齿汽车同步带曲线齿同步带包括三种齿形：H 系列(圆弧齿)、S 系列(单项圆弧齿)和R 系列(凹顶抛物线齿)。图1 4 是Z H、Z S、Z R 三种弧形齿汽车同步带的带齿结构。(a)圆弧齿(b)渐开线齿(C)凹项抛物线图1 4 弧形齿(z H、Z S、Z R)汽车同步带带齿结构曲线齿汽车同步带的H 系列弧齿汽车同步带公称尺寸见表1-4，S 系列弧齿汽车同步带公称尺寸见表1 5。表1 _ 4H 系列弧齿汽车同步带公称尺寸名称代号公称尺寸Z H 型一Y H 型齿节距m m j只9 5 2 5 9 5 2 5弧齿半径m mR2 4 52 1 1带高m mh，5 55 2节线差m
39、 ma0 6 8 60 6 8 6R 半径距m my1 0 5O 9 3齿根圆角半径m m0O 7 60 6 4齿高m m忽3 53 0 4根半径距m mJ3 2 72 8 49表1 5S 系列弧齿汽车同步带公称尺寸名称代号公称尺寸Z S 型Y S 型齿节距m m只9 5 2 59 5 2 5齿宽m mJ6 1 95 2 0带高m mh，5 7 05 2 0节线差r a ma0 6 8 60 6 8 6弧齿半径m mR6 1 95 2 0齿根圆角半径m m0 9 5ijO 8齿高m m忽3 53 0 4齿根圆角半径m m屹O 9 50 81 3 梯形齿同步带的材料与制造1 3 1 梯形齿同步带
40、的材料汽车同步带一般是由带背、带齿、含有骨架线绳的强力层和覆盖在齿面上的齿包布组成，具体结构如图1 5 所示。带背翟力层图1 5 汽车同步带的结构l、带齿和带背同步带的带齿是直接与钢制带轮进行啮合并传递扭矩的元件。因此不仅要求有高的剪切强度和耐磨性，而且要求有高的耐油性和耐热性。带背是用于连接i 包覆承载绳的。在运转时还承受弯曲应力，因此要求带背有良好的柔韧性和耐弯曲疲劳能力，以及与承载绳有好的粘结性能。带齿、带背一般采用相同材料制成，常用的有如下两1 0种材料：(1)氯丁橡胶(C R)它是用氯丁二烯乳液聚合而成。其优点是抗动态屈挠性能好，不易龟裂，而且有较高的耐臭氧性、耐油性、不燃性和抗老化
41、性。它与承载绳的粘结性也优于聚氨酯橡胶。缺点是耐磨性及弹性均低于聚氨酯橡胶，因此在采用氯丁橡胶制造同步带时，都在带齿表面覆盖一层织物以增加强带齿的耐磨性【1 3】。(2)氢化丁腈橡胶(r e,m R)利用氢化丁腈橡胶为带体、带背主要材料生产的的汽车用同步带与氯丁橡胶相比，H N B R 具有优良的耐高、低温(4 0。C -1 7 5。C)能力，带齿有较好的刚度，不易产生爬齿现象。不局限于低功率传动，在高速、大功率传动上也得以应用。其各方面性能如表1-6 所示。表1-6 H N B R 综合性能性能指标。邵尔A 型硬度度4 5 9 01 0 0 定伸应力瓜伊3 2 03 0 0 定伸应力M P5
42、 3 0拉伸强度M P1 3 3 5扯断伸长率1 0 0 6 0 0 回弹值室温3 0 5 0j7 0。C5 3 -5 6压缩永久变形2 3。Cx 7 0 h1 51 5 0。C x 7 0 h2 02 0 0。Cx 7 0h：2 5阿克隆磨耗量c m 3室温O 0 3 O 0 51 5 0。C0 0 4 -0 0 6目前国内外同步带体材料的发展趋势为氢化丁腈橡胶。占了汽车用同步带采用制造材料的5 0 以上【l4 1。氯丁橡胶和三种氢化丁腈橡胶的同步带使用寿命和裂口增长率如图1 6 和图1 7 所示【b】。2、强力层骨架材料强力层的骨架材料，即承载绳。它在同步带工作时传递动力，同时也保证带的节
43、距不变。因此对承载绳材料有较高的强度和伸长率要求。目前常用的材料有如下三种：图1 6 两种橡胶材料同步带使用寿命比对【峋1 0 0 01 0 01 0温度秒o C图1 7 C R、H N B R 裂1 3 增长率比对(1)钢丝。+由多股钢丝安螺旋形绕制而成。由钢丝组成的承载绳的优点是有较高的抗拉强度j 较小的伸长率，在拉力下能保证带的节距不变。而能正常工作。缺点是钢丝与带的基体材料(聚氨酯或氯丁胶)的粘结性较差，在传递大扭矩时，易使承载绳与基体材料脱开，造成同步带失效，此外钢丝承载绳的柔韧性较差，易弯曲疲劳折断。目前这种钢丝承载绳主要在以聚氨酯橡胶为基体的同步带中。(2)玻璃纤维。承载绳用多股
44、玻璃纤维按螺旋形绕制而成。为增强与基体材料的粘结力，一般相邻两根玻璃纤维绳以相反的螺旋方向绕制：。由玻璃纤维组成的承载绳的优点是在拉力作用下伸长变形小，能保证带尺寸的稳定性，拉断时伸长率小于4，故能可靠地保持带节距不变。其次它有良好的柔韧性和较高的弯曲疲劳寿命，在与基体材料的粘结性及耐腐蚀性等方面均优于钢丝承载绳。因此玻璃纤维承载绳有逐渐代替钢丝绳的趋势。缺点是目前国内生产的玻璃纤维绳抗拉强度较低，其质量还需进一步提高。(3)芳香族聚酰胺纤维。简称芳纶(K e u l a rA r a m i d)，这是美、日等国应用在同1 2步带承载绳上的新的合成纤维。其特点是韧性好，是涤纶纤维的两倍，比玻
45、璃纤维和钢丝要高得多，而在抗拉强度上与钢相同，此外它的弹性模量高，耐腐蚀，而且具有高温的稳定性，所以是一种较理想的承载绳材料【r 7 1。3、同步带齿包布同步带的齿布和线绳需用布加以保护，以提高带齿的抗剪切力和耐磨耗性并使线绳不受轮齿的损害。要求布有很高的强度，一定的耐磨性和低的摩擦系数，一般用尼龙6 6 高强丝制造。近年来随着汽车同步带向高性能方向发展，对齿布的要求也越来越高，已有采用芳纶尼龙复合布，已提高耐磨性、抗剪切和抗疲劳性。1 3 2 梯形齿同步带的制造为使同步带具有高的抗疲劳强度、弹性、热稳定性、耐磨性。汽车用橡胶同步带在结构上，其齿表面上增设了尼龙包布层，在制造上采用了高温硫化的
46、逐步成型法。以氯丁橡胶或氢化丁腈橡胶作为带齿及带背基体材料，以玻璃纤维作为抗拉绳，尼龙包布为带齿覆盖层的橡胶同步带生产流程如下【l8】：(1)制备圆筒形内模，其外表面加工有与同步带相同的齿形。内模的节圆周长根据同步带的节线长度及带制造过程中的收缩量确定。(2)制备有尼龙经、纬线织成的纬线方向可伸缩性的齿面包布，把包布浸胶，然后把包布包缠在内模外周表面，要求包布的纬线方向与外模的齿向垂直。j(3)在内模包布层外，以一定张力成螺旋状卷绕经过浸胶处理的玻璃纤维绳。卷绕时，以纤维成左、右旋向的两根线绳同时绕上内模表面，以增加与基体材料的粘着力。(4)在玻璃纤维绳外围贴上胶片，并用压辊滚压。(5)在胶片
47、外周面套上用耐热橡胶制成的圆筒形气囊，在气囊上开有蒸汽进、出口。在气囊外周表面同心地装上铁箍，以确保气囊位置。(6)把模具置于硫化罐内，并向气囊内通入高压高温蒸气，气囊向外膨胀受到铁箍限制，仅能向内膨胀，而在圆周方向均匀地向胶片加压加温。(7)在高温(1 7 0 1 8 0。C 左右)下，胶片呈粘稠流体状，并在压力(O 8 O 9 M P a 左右)下渗过玻璃纤维绳，把尼龙包布压紧在内模齿槽表面，胶液充满齿槽。(8)排出高温蒸汽，并进行冷却。(9)把模具放在专用夹具上，用压缩空气脱模，取出同步带制成品。(1 0)把同步带制成品套在两个转动鼓上进行磨削，并用组合刀进行裁边，按需要裁成一定带宽的同
48、步带。其具体流程如图1 8 所示。1 4 研究的目的及意义图1 8 同步带制造流程汽车同步带研究应用在我国起步较晚，2 0 世纪9 0 年代中期，随着国内引进国际著名品牌汽车生产线而带来的对汽车发动机传动系统用汽车同步带的需求，从而加速了国内胶带企业及研究机构对汽车同步带的研究开发，历经近2 0 年的发展，已形成了为国内汽车生产企业配套生产汽车同步带的企业近3 0 家。据统计国内2 0 0 8 年汽车用同步带(含配套市场需求)销售近1 0 0 0 万烈3 1，2 0 0 9 年1 0 月我国轿车生产总量已突破1 0 0 0 万辆，而国产汽车同步带的使用寿命一般在2 -4 万公里，预测到2 0
49、1 0 年汽车同步带的需求达到3 5 0 0 万条，对同步带的需求很大，应用前景相当乐观【l】。而汽车用同步带作为汽车发动机中不可或缺的一部分，重点开展针对汽车同步带传动性能的研究与评价及汽车传动带设计方法的深入的研究对我国汽车同步带的发展有着极其深远的影响。近年来，以大专院校、研究院所为主要代表的理论研究队伍对汽车同步带性能研究主要从啮合齿间载荷的分布、带的损坏形式和寿命、同步带的传动误差、传动过程中产生的振动和噪声等方面开展了相应的研究工作。在带齿变形和强度、传动精度、1 4使用寿命的影响因素、带及带轮的制造技术等研究取得了一定的成果和进展，对推广同步带的应用、延长同步带的使用寿命起到积极
50、的作用。但是，目前国内还没有对同步带啮合传动进行刚柔耦合动力学方面的研究，过去研究所取得的一些成果仅仅是把同步带传动过程中的带及带轮作为刚体来进行带齿的载荷分析研究，使带齿和带轮啮合的分析结果与实际情况存在着一定的误差和与实验相比离散性较大，因此在汽车同步带齿形及结构尺寸设计方面至今仍沿用着国外发达国家所提出的梯形齿和曲线齿的齿形和尺寸，甚至包括齿顶、齿根圆角及齿宽等参数都不能改变，严重制约了国内汽车发动机生产厂家对汽车发动机传动系统小型化设计的发展需求，同时也导致同步带生产企业没有较强的自主创新能力。在汽车同步带设计方法方面，因涉及到国外著名胶带企业的核心技术，难以获得传动设计时所需要的相关