保持正时皮带同步

齿形、皮带材料和链轮公差如何影响定位精度?让我们来探索一下。

同步带(原名正时带)可精确匹配或同步两个或多个轴的运动。同步带使轴保持同步,因为它们的齿面与相关链轮的凹槽啮合。这使它们成为索引、定位和恒速应用的理想选择,可消除间隙,并允许相对较小的驱动力在长距离上起作用。

与任何多轴定时功能一样,同步带传动需要高精度定位或配准。配准是两个链轮之间的角度位置差异,可分为静态或动态。 静止的 配准涉及驱动器从初始位置移动到次要位置的准确程度,主要由间隙决定。 动态的 另一方面,定位精度是整个周期的精度测量指标,受皮带伸长、齿隙和齿偏转的影响。选择皮带传动装置时,必须考虑这两种类型的定位精度。

配置文件类型

在同步带传动中,皮带齿在链轮槽中的形状和配合度或轮廓是确定定位精度的起点。常见的轮廓包括梯形、高扭矩驱动 (HTD) 和改进的曲线。皮带齿和链轮槽之间的适当间隙可使齿顺利进出。皮带制造商设定的间隙值因节距大小而异,但通常在 0.002 到 0.007 英寸之间。间隙过大会导致不准确,而间隙过小会产生过多的噪音、振动和磨损。理想的齿形可最大限度地减少间隙,而不会损害皮带操作。

梯形齿廓起源于 20 世纪 40 年代,因其在负载下在链轮槽内呈现的形状而得名。虽然这种配合最初可以提供精度,但接触点上集中的应力会加速皮带磨损,降低使用寿命和精度。此外,齿廓通常较浅且齿侧角较小,限制了承载能力,并使皮带容易发生棘轮效应(跳齿)。尽管如此,梯形齿廓系统至今仍然可行,特别是用于轻载驱动器上的定位应用。

HTD 齿廓于 20 世纪 70 年代开发,解决了梯形皮带传动的承载限制问题。其承载能力优势源于深圆齿形,齿侧角比梯形齿廓更大(更陡),接触面积更大。然而,这些较大的皮带齿需要相当大的间隙才能干净利落地进入和退出链轮槽。这种设计固有的高齿隙通常使 HTD 齿廓只适用于对定位精度要求不高的应用。

20 世纪 80 年代初,出现了另一种轮廓,即改进的曲线。它是 HTD 设计的改进版,具有减小齿深、增大齿侧角和最小化间隙的特点。此外,皮带齿面区域(齿间)与链轮槽中的皮带齿压缩共同承担拉伸负载,从而具有出色的抗棘轮性能。

挠度和伸长率

影响定位精度的另外两个因素是齿偏转和伸长。无论齿形如何,如果在负载下变形或偏转,就会导致运动损失,从而增加定位不准确性。

虽然难以量化,但皮带齿偏转量在很大程度上取决于负载、链轮尺寸和皮带安装张力。一般来说,齿材料越硬,偏转越小。动力传动带中使用的两种常见材料是氯丁橡胶 (Neoprene) 和聚氨酯,这两种材料都可以通过改变其化学配方来硬化。需要注意的是:太硬的材料可能会对皮带的弯曲疲劳特性产生负面影响并增加驱动噪音。

皮带伸长是一个更大的问题,它是由于皮带承受较大的拉伸载荷而引起的。安装和工作张力载荷会影响皮带的总张力。皮带的拉伸量取决于施加的载荷,更重要的是取决于皮带/拉伸线增强材料的模量。模量越高,皮带的拉伸越少,定位精度越高。但是,增加的拉伸线模量必须与足够的皮带弯曲疲劳特性相平衡,以保持使用寿命。模量因皮带节距大小和材料结构而异。
玻璃纤维是同步带中最常见的增强材料。它为许多应用提供了高拉伸模量,以及出色的柔韧性。芳纶和钢丝绳提供了更高的模量,但牺牲了弯曲柔韧性。碳纤维绳相当新,仅适用于特殊应用。碳纤维绳在高拉伸模量和弯曲柔韧性之间提供了出色的平衡。

链轮公差

所有链轮都需要严格的公差才能与同步带配合和啮合,而链轮的材质会直接影响这一点。例如,带有机加工凹槽的标准金属链轮通常足以满足套准传动的要求,但塑料模制链轮可能不行,因为它们的耐磨性较低。有时,设计师会通过减少间隙凹槽来提高链轮的精度,以提高皮带传动的定位精度。虽然这有一定好处,但在高速应用中,这可能会导致皮带磨损加快和噪音增加。

提高定位精度的另一种方法是稍微加大链轮外径 (OD),使其节距略大于皮带。(在链轮上,节距是凹槽中心之间的距离,在链轮的节圆上测量。)使用这种策略时,设计师通常会将链轮外径加大标准公差,并将新外径公差设置为原始值的一半。皮带齿和链轮凹槽之间的这种改进配合产生了更大的干涉,从而提高了定位精度。例如,如果标准链轮外径为 3.000 +0.003/-0.000 英寸,则新链轮外径将为 3.003 +0.0015/-0.000 英寸。
链轮镀层是提高皮带传动定位精度的第三种技术。0.0005 至 0.002 英寸厚的镀镍层可稍微增加链轮外径,同时减少槽间隙。

选择驱动器设计

正确的节距尺寸和服务系数也有助于提高定位精度。在确定节距尺寸以及链轮尺寸和皮带宽度时,设计人员应考虑应用的负载和速度要求。为了进一步协助选择,皮带制造商还提供设计手册和软件程序。

根据负载特性的严重程度,可以应用服务系数。通常,对于需要精确定位的驱动器,建议使用 2.0 或更高的服务系数。在尺寸不合适的驱动器中,皮带可能会在链轮槽中升起,从而增加定位误差。
根据所选的驱动器,皮带设计可能有多种节距。例如,一种驱动器选项可能使用 8 毫米节距、62 毫米皮带,而另一种驱动器选项可能使用 14 毫米节距、37 毫米皮带。通常首选较小的节距,因为间隙较小,可以提供更好的定位精度。  

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