CN102016354B - 同步带链轮 - Google Patents

Abstract

一种链轮包括用于接合齿带的至少一个凹槽，所述凹槽具有齿腹，当该齿带是齿条形式时，该齿腹具有在带齿根半径(R8)的大约105％和大约125％之间的凹槽顶半径(R1)，所述凹槽顶半径通过线性齿腹部(202)连接到凹槽弓形共轭齿腹部(200)，并且所述线性齿腹部设置为相对于凹槽中心线(CL)成在大约18°到大约24°之间的角度(Φ)，并包括至少大约20％的链轮凹槽深度(h)的长度。

Description

同步带链轮

技术领域

本发明涉及同步带链轮，更具体地，涉及包括通过线性齿腹部连接到凹槽弓形共轭齿腹部的凹槽顶端半径的同步带链轮。

背景技术

同步带传动系统广泛用于工业中，其作为链传动或齿轮传动链的替代，用以在轴之间传递转矩和/或平移运动。

带传动具有节线，其从带和链轮齿上偏移并位于带拉伸件内。偏移的节线引入了这样的问题，即在不同带负载和链轮直径下具有最小干涉的情况下确保带齿良好地进入到链轮凹槽中。

带齿/链轮齿干涉问题又混以以下问题：带制造公差和链轮制造公差，其导致在带齿和链轮齿之间小的节距差；加工公差，其导致链轮齿和带齿齿腹(flank)轮廓之间小的偏差；在模制过程中的聚合物收缩，这导致小于理想的带齿的形状；带齿在负载下的旋转和变形，这导致进和出带齿/链轮齿的干涉；和由链轮凹槽深度/带齿高度中的偏差引起的弦效应，这导致在带齿和链轮齿之间明显的节距差。

带齿和链轮齿之间该节距的不匹配导致皮带轮齿的上部、尤其是链轮顶半径与曲线链轮齿腹相交的区域刮擦带齿齿腹的上部，最终削弱带齿覆盖物，导致带齿失效。

本领域的代表是美国专利第4605389号，其公开了带齿的动力传送带，其带齿具有等切面曲线形式的齿腹表面，其带链轮的链轮齿具有等切面(tractrix)曲线形式的齿腹表面，带和链轮一起展现了平滑的运行和防棘轮效应的特性。

所需要的是一种链轮，其具有通过线性齿腹部连接到凹槽弓形共轭齿腹部的凹槽顶半径。本发明满足该需求。

发明内容

本发明的主要方面是提供具有凹槽顶半径的链轮，该凹槽顶半径通过线性齿腹部连接到凹槽弓形共轭齿腹部上。

本发明的其他方面将通过本发明下面的描述和附图而指出或变得显而易见。

本发明包括一种链轮，该链轮包括用于接合齿带的至少一个凹槽，所述凹槽具有齿腹，当该齿带是齿条形式时，该齿腹具有在带齿根半径(R8)的大约105％和大约125％之间的凹槽顶半径(R1)，所述凹槽顶半径通过线性齿腹部(202)连接到凹槽弓形共轭齿腹部(200)，和所述线性齿腹部设置为相对于凹槽中心线(CL)成在大约18°到大约24°之间的角度(Φ)，并包括至少大约20％的链轮凹槽深度(h)的长度。

附图说明

附图，其结合在本说明中并形成本说明的一部分，示出了本发明的优选实施方式，并且和描述一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术中的带和链轮啮合接合的横截面图。

图2是现有技术中的凹槽轮廓的横截面图。

图3是现有技术中的带结构的横截面图。

图4是本发明的链轮凹槽的横截面图。

图5是与本发明的链轮凹槽接合的带齿的横截面图。

图6是与本发明的链轮啮合的带的横截面图。

图6A是图6的细节。

图7是具有尺寸的本发明的链轮凹槽的横截面图。

图8示出与图7的链轮凹槽轮廓接合的带齿的轮廓。

图9是具有尺寸的本发明的链轮凹槽的横截面图。

图10是在现有技术的带和现有技术的链轮与本发明的链轮之间对齿负载分布进行比较的示图。

具体实施方式

图1是现有技术中的带和链轮啮合接合的横截面图。具有齿高h2和齿基宽b比大约为0.70的现有技术中的齿带的轮廓与现有技术中的链轮12的齿的一部分32啮合，以示出带的啮合特性如何依赖于其齿腹表面的形状。尽管在完全接合在链轮腔16中的带齿14和链轮腔16之间没有干涉的配合，但正进入链轮凹槽20的带齿18和正离开链轮凹槽24的带齿22具有的齿腹表面26、28如此“陡峭”，以致它们刮擦在链轮凹槽齿腹30、32的侧面的上部上，如由交迭区域34、36所示出的。在带运行过程中，齿齿腹和凹槽齿腹之间的刮擦引起噪音并可能导致不想要的带振动。如果在链轮齿腹之间的距离变窄以便于齿进入和出去而不发生干涉，例如通过从交迭区域34、36去除齿材料，那么每个带齿将仅仅平移到靠着链轮凹槽齿腹的位置，在那里将再次发生带齿干涉。

图2示出了等切面曲线92、94的形成，当带齿为齿条形式时，其用于生成现有技术中的齿带的齿腹轮廓。

通常，等切面曲线限定为悬链线的渐开线。等切面曲线的特征在于切线的一部分在其在曲线上的接触点和直角坐标轴之间保持恒定的长度。所有切线的方向基本上近似于带齿在不与链轮齿干涉的情况下进入链轮凹槽时的相对运动方向。

用于现有技术中的齿齿腹或凹槽齿腹的等切面曲线92的形状可以在直角坐标系中表达为如下的等式：

$y=A[\ln (A/x+\sqrt{{(A/x)}^2-1})-\sqrt{1-{(x/A)}^2}]$

其中：

y轴是垂直于带的纵向轴线；

x轴是平行于带的纵向轴线；

y＝y轴坐标；

x＝x轴坐标；和

A＝切线的所述一部分，该部分在等切面曲线上的一点和y轴之间是恒定的。

等切面曲线92始于点(x，y)，该点对应于在带齿顶上的点。在图中，点x位于离y轴距离A处，其中线A也表示该曲线在点(x，y)处的切线。在点(x2，y2)处，切线A2的长度等于线段A。当曲线92继续时，在点(x3，y3)处的切线A3长度等于切线A2和线段A。如同所示的，曲线92继续以虚线延伸到点(x4，y4)，该点在线93的投影上。线93对应于带齿连接表面(land surface)的位置的y轴坐标。点(x4，y4)位于离x轴距离为h2处，该距离对应于带齿的高度。曲线92通过半径R过渡到线93中。

等切面曲线94以类似的方式生成，其始于点(x5，y5)，该点与点(x，y)间隔距离L。曲线94继续以生成到点(x6，y6)，该点与点(x4，y4)间隔距离b。距离b建立带齿的基宽。

图3是现有技术中的带结构的横截面图。典型的现有技术中的齿带包括弹性本体96，在一侧上包括多个带齿98，而在另一侧上形成任何需要的形状——例如平滑的背层100或波状的背层102。该本体采用任何合适的弹性体以已知的方式模制或浇铸而成，所述弹性体例如是天然橡胶、合成橡胶或者它们的混合；或者是能浇铸的弹性体，例如聚亚氨酯。

拉伸件104设置在本体中并限定出节线106或者纵向轴线，在运行过程中，带绕着该线发生弯曲。拉伸件可以由任何合适的高模量的材料制成，例如：螺旋钢索、纤维玻璃绳、例如以商标Kevlar或Kevlar49出售的芳族聚酸胺纤维，等等。碳纤维绳也可以用于拉伸件104。

现有技术中已知的纤维材料可以选择性地设置在带齿中以提高它们的模量，并且可选地，抗磨织物108可以设置作为齿面。

每个现有技术中的带齿中，当带齿为齿条形式时，其齿腹表面112、114的至少主要部分110基本上为等切面曲线的形式，该等切面曲线以结合图2所述的方式生成。该等切面曲线通过半径R过渡到连接表面115中。类似地，等切面曲线的半径或延长线用于过渡到带齿顶116，该带齿顶116可以具有长度L。

如在纵向截面中看到的，带齿通过节距P间隔，每个带齿具有基宽b和高度h2。齿腹表面的陡度对棘轮效应具有影响并通过比率A/h2控制。比率A/h2在大约0.55-0.90。

带齿的深度，其对棘轮效应也有影响，通过比率h/b控制。该比率h/b在大约0.30-1.0。

比率b/p部分地用于减小在进入和出去的过程中带齿和链轮之间的交迭干涉。比率b/p在大约0.80-0.35。

对于公开的每个比率，b/2的量总是大于(A-x4)的量，以避免等切面曲线92、94理论上互相交迭。

这里对带齿齿腹表面的描述是对于带齿为“齿条形式”的情形，也即，当y轴垂直于节线时，即带是平坦的，好像压在平坦的表面上。当带弯曲时，例如当它在链轮上行进时，y轴不再垂直于节线，因为其与带齿保持处于固定的关系。

根据本发明，链轮凹槽齿腹200设计为与前面所述的带齿共轭(conjugate)，并且分开为展开的共轭宽度加上任何需要的带齿宽度到链轮凹槽宽度间隙上。本发明的链轮凹槽底部可以轻微地突起、轻微地凹进或平坦，其形式对于本发明的合适地运行是不重要的。链轮凹槽深度(“h”，见图4)(沿着链轮凹槽的中心线从外径OD1量到链轮凹槽的底部)从比带齿高度h2小大约2％到比带齿高度h2大大约4％，所述带齿高度h2为从带连接线(land line)量到带齿顶，参见图3。

链轮凹槽齿腹的线性部202包括在链轮凹槽深度h的大约20％到大约50％之间的长度。每个齿腹部202以与链轮凹槽中心线CL成在大约18°和大约24°之间的角度Φ设置。在指出的范围内的该角度Φ取决于链轮节距(P)、链轮外直径OD1和需要的棘轮阻力程度。通常，更陡峭的齿腹为系统提供更大的棘轮阻力，但是更少免除啮合干涉。

当带是齿条形式时，链轮顶半径(R1，参见图7)在带根半径(R8，参见图5)的大约105％到大约125％的范围内。

设计参数的这种组合导致了具有“漏斗”效应的链轮凹槽，当带齿进入和退出链轮凹槽时，这种链轮凹槽引导带齿进入到位而不施加不适当的局部剪切负载到带齿的齿腹上。这导致带寿命显著地增长和更好地分布齿剪切负载以最小化弦效应和带齿旋转。

图4是本发明的链轮凹槽的横截面图。在本例中，凹槽弓形齿腹200从P3通到P4的部分与这里所述的带齿齿腹114共轭，并且理想的链轮凹槽从中心线CL偏移到带齿间隙201，即P4到P5。部分201位于等于凹槽深度h的深度。

齿腹部200包括半径R2和R3，参见图7。半径R2和R3可以相等(R2＝R3)或者不相等(R2≠R3)。

齿腹的线性部202设置为与链轮凹槽中心线CL成角度Φ，该部分202从在点P3处的下链轮凹槽弓形齿腹沿切线方向向外延伸。链轮顶半径R1大于在齿条形式中的带齿根半径R8，从在点P2处对线性链轮凹槽齿腹部的切线延伸到链轮外侧直径OD1。

图5示出齿条形式的14mm节距的现有技术带齿接合本发明的32凹槽14mm链轮。凹槽尺寸比带齿的稍微要大。在齿条形式中，节线106是线性的。

图6示出了现有技术中的带与本发明的链轮啮合。每个齿14、18、22分别啮合凹槽160、180、190。该图示出在带齿上齿腹114和根半径R8(参见图5和7)与链轮凹槽上齿腹202和顶半径R1(参见图5)之间的间隙。这可以对比于图1中所示的现有技术中的带齿和链轮凹槽的接合，其中不存在这样的间隙。图6A是图6的细节。

图7是本发明的实施方式。描述了32凹槽的14mm节距的链轮。在本例中，链轮凹槽深度h选择为等于大约0.23”的带齿高度h2。链轮凹槽200的下共轭部占总的凹槽深度h的大约36.2％。为了说明目的，部分200这里示出为半径R2和R3的组合，但是也可以包括等切面曲线或一些其他曲线的组合，其近似于带齿的共轭。所述数值只是例子而不旨在限制本发明的范围。

在点P2和P2’之间测量得到的链轮凹槽的下齿腹宽度等于带齿共轭宽度加上大约0.01英寸的设计间隙201。凹槽底部，R4，可以稍微凹进，但是典型地近似于直线。线性上齿腹部202从点P2延伸到P1，与链轮凹槽中心线成大约23°的角度。部分202的总长度为沿着链轮凹槽中心线CL测量得到的链轮凹槽深度h的大约43％。链轮凹槽顶具有大约0.06英寸的半径R1。R1接合链轮外径在点P0处的切线和线性链轮凹槽上齿腹部在点P1处的切线。半径R1是齿条形式的带齿根半径R8的大约124％。数值的例子只提供用于示例而不旨在限定本发明的范围。

在图7中，在P4和P5之间的部分包括轻微的半径，这为凹槽产生轻微凹进的底部。该曲线也可以轻微地凸起。在图4中，该部分是线性的。因此，部分P4到P5可以是弯曲的或线性的而不会不利地影响本发明。在本实施方式中，齿腹部200包括半径R2、R3、R4。

图8示出与图7的链轮凹槽轮廓接合的带齿的轮廓。

本发明的系统实现了相对于现有技术的显著程度的改进，如通过下表1中的结果所示的。现有技术中的带在32凹槽14mm节距的现有技术的链轮和32凹槽14mm的本发明链轮上采用已知的工业标准测试进行了测试，其中本发明链轮采用了图7和图9中所描述的设计。下面是测试程序的结果：

表1

至带失效时的小时数

链轮类型	测试81	测试72	角度Φ
				现有技术中的轮廓	(未测试)	218小时	弯曲
图7的轮廓	598小时	(未测试)	～23°
				图9的轮廓	151小时	363小时	～18°

图9是带有尺寸的本发明链轮凹槽的横截面图。所述尺寸只提供作为例子而不旨在限定本发明的范围。在本实施方式中，齿腹部200包括半径R2、R3、R4、R5，上齿腹部202具有的角度Φ为18°。

图10是在现有技术的带和现有技术的链轮与本发明链轮之间对齿负载分布进行比较的示图。

关于现有技术的带和现有技术的链轮之间的接合，剪切负载最初集中在与连接表面115相交的齿根(大致沿着R8)上。这可以导致齿根处的破裂。齿的破裂最终引起带失效。

在现有技术的带和本发明的链轮之间接合的情形下，线性齿腹部202的使用引起剪切负载沿着基本上整个齿腹114传送到带齿。这避免了在齿根处集中剪切力，从而显著地增加了带的工作寿命。

尽管本发明的形式已经在这里描述，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离这里所述的本发明的精神和范围的情形下，对于结构和部件关系可以作出变形。

Claims (3)

1.一种链轮，包括：

用于接合齿带的至少一个凹槽；

所述凹槽具有齿腹，当该齿带是齿条形式时，该齿腹具有在带齿根半径(R8)的105％和125％之间的凹槽顶半径(R1)；

所述凹槽顶半径通过线性齿腹部(202)连接到凹槽弓形共轭齿腹部(200)；和

所述线性齿腹部设置为相对于凹槽中心线(CL)成在18°到24°之间的角度(Φ)，并包括至少20％的链轮凹槽深度(h)的长度。

2.根据权利要求1所述的链轮，其中：

链轮凹槽深度(h)是在比齿带齿高度(h2)小2％到比齿带齿高度(h2)大4％的范围内。

3.根据权利要求1所述的链轮，其中：

所述线性齿腹部(202)具有在凹槽中心线(CL)上测量时小于大约50％的链轮凹槽深度(h)的长度。

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