CN111133226B - 在成角度驱动传动带系统中使张力分布归一化并且使侧壁磨损最小化 - Google Patents

在成角度驱动传动带系统中使张力分布归一化并且使侧壁磨损最小化 Download PDF

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Abstract

本公开涉及将传动带用于成角度驱动的方法和设备。扭转的几何形状应用到传动带的第一自由跨越部。滑轮在第一自由跨越部的第一末端处支承传动带的第一自由跨越部，并且滑轮是定位和定向旋转滑轮或从动滑轮中的至少一个，以使传动带的第一自由跨越部的几何中心线相对于第一自由跨越部的第二末端以给定的偏离角错位。

Description

在成角度驱动传动带系统中使张力分布归一化并且使侧壁磨 损最小化
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月10日提交的标题为“在成角度驱动传动带系统中使张力分布归一化并且使侧壁磨损最小化(Normalizing Tension Distribution andMinimizing Sidewall Abrasion Within Angular Drive Belt Systems)”的美国临时申请第62/530,420号的优先权，其，该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及基于传动带的动力传递方法和系统。
背景技术
开端式平传动带用于在诸如电梯、叉车(升降机)和剪刀式升降机之类的振荡线性应用中传递动力。平传动带的材料结构上的创新带来了传动带性能提高。与线材绳索相比，这些传动带具有许多优势，包括：免维护运行以延长使用寿命、降低制造成本以及在给定设定的(一组)工作负载的情况下较小的设计空间。
通常，在平传动带的应用上要格外小心，因为滑轮的不正确的放置或对齐可能导致传动带过早(以及潜在地灾难性)故障。比起线材绳索来说，平传动带对滑轮错位更敏感。通常，平传动带(即无齿传动带)不适用于扭转的几何形状。以一个特定的例子为例，0.25度的偏离角将缩短线材绳索的使用寿命明显缩短，可能会使工作寿命减少15％。线材绳索必须在凸缘上横向弯曲以适应所需的离开角度，但是它完全可以沿这个方向弯曲。
另一方面，平传动带在垂直于其弯曲主轴线的方向上是相当刚强的，因此，同样的0.25度偏离角可能会使线材绳索的加强聚氨酯平传动带的寿命缩短95％或更多。
线材绳索比平传动带维持的另一个明显优势是它们可以向任何方向弯曲。这允许设计者将滑轮放置成彼此不在一个平面内，使他们能够创建提供加强的功能的更为复杂的滑轮布置。传动带同样可以用平面外的滑轮来实现，然而滑轮的放置和布置比线材绳索更受约束。如传动带要在两个滑轮之间的自由跨越部中扭转，则该跨越部必须满足一般工程实践中规定的特定最小长度。对于90度的扭转，通常建议该跨越部至少为带的宽度的20倍。该度量通常称为“扭转比”：对于90度的扭转，自由的跨越部的长度除以传动带的宽度例如来说，考虑一条传动带，传动带宽度为20毫米、自由跨越部为300毫米、扭转度为45度的。则该跨越部的扭转比将为30：1。在工程实践中，通常不建议使用比20：1更剧烈的扭转，因为更紧密的扭转可能传达的附加的紧凑优势伴随着严重缩短的使用寿命。
发明内容
本文公开了用于设计成角度平传动带驱动系统的方法、系统和部件，与未扭转的几何形状相比，该成角度平传动带驱动系统包含剧烈扭转的几何形状，而使用寿命的缩短可忽略不计。使用这些方法，某种实现方式可以实现例如7：1的剧烈的扭转比，而使用寿命却只有很小的损失，由此提供了更紧凑的设计范围。
用于实现这种扭转比的正确设计技术源于对在滑轮界面处受到偏离角和扭转几何形状两者影响的平传动带的故障模式的基本理解。在直的(未扭转的)平传动带受到显著偏离角的情况下，三种故障模式占主导：沿凸缘的传动带护套的侧壁磨损，该沿凸缘的传动带护套阻止传动带沿滑轮行进至传动带中间位置，基于张力的与侧壁接触边缘相对的线材的杯形故障(cupping failure)或疲劳故障，以及在承受较高张力的线材绳索下方的过早的护套劣化。值得注意的是，这三个条件是同时发生的：错位的滑轮将使传动带内的张力分布偏移，在滑轮的“高角”上引起较高的传动带张力以及由此产生的滑轮压力。压力分布不均是引起传动带在无凸缘圆筒形滚筒上行进至中间位置的驱动力。但是，如果存在凸缘，其将使传动带上的净压力分布反向，并且沿与高张力相反的传动带侧壁来接触。因此，偏离角的状况会造成三重破坏，在传动带的外套的侧壁、架强股线以及滑轮表面和传动带高压侧的股线之间的外套材料上引起过度的应力。
使两个滑轮之间的传动带的自由跨越部经受成角度驱动的扭转几何形状还经由多种机制对传动带造成过度的压力。首先，任何加强的平传动带的几何形状的扭转都会引起张力以基本抛物线形加恒定分布的形式偏移到最外股线。这是由于与传动带中心附近的股线相比，外股线必须行进更长的螺旋路径。但是，取决于材料和几何形状，这种张力不平等可能很小。
在实践中，钢制加强聚氨酯构造的扭转平传动带在由于与传动带本身的扭转相关联的弯曲、张紧或扭转应力疲劳很早之前，就会由于滑轮相互作用而失效。要理解这一点，我们必须考虑到，一条扭转的平传动带除了其张紧负载外，还会承受整体的扭转力矩。从扭转的传动带跨跨越部的任何自由本体(free-body)截面可以很容易地看出这一点：较外股线的张力矢量不平行于中心轴线，因为它们遵循其各自线材绳索的螺旋路径。一旦不平行的张力适量跨过股线集成以获得由此产生的传动带负载，各个张力矢量的不平行性就会导致上述扭转力矩，该力矩在自由跨越部中的所有点位处都通过扭转的传动带。
行进穿过传动带自由跨越部的扭转力矩必须由自由跨越部两端的支承本体提供，无论它们是滑轮或是终端。如果想像一下由压在传动带两侧的两个圆筒形滚动体组成的一对滑轮，相对的滚动体的面上的压力提供了以合意的对称方式将扭转力矩施加到传动带上的必要的接触。然后，主滑轮自由地以标准方式向平传动带提供重定向压力。在这种情况下，我们应当预期仅与扭转的几何形状本身引起的应力相关联的使用寿命减少，而这种应力很小。
然而，大多数滑轮设计不具有相对的滚动体，该相对的滚动体的唯一目的是助于提供行进穿过跨越部的扭转力矩。由于主滑轮只能对传动带的底表面施加压力，因此必须经由其他方法获得扭转力矩；即，朝滑轮一侧的压力分布的侧向偏移与使传动带保持与滑轮表面的接触的主滑轮压力相结合。这种偏移在视觉上是可区分的(参见图5)：传动带和滑轮之间的接合线从平行于滑轮的旋转轴线变为倾斜成角度。结果是，传动带接受来自滑轮的不对称支承，其中在发生传动带接合到滑轮上时，传动带的一个边缘上发生接触早于在另一边缘上发生接触。这导致传动带的加强股线内的张力分布朝向从滑轮先接收接触的传动带边缘偏移，因为使其加强股线从它们自由跨越部状态延长的任何在传动带上施加的几何形状都会导致受影响股线内的更高张力状态。然后，股线中不均匀的张力分布在传动带的与高张力状态相对的一侧上引起侧壁压力响应。
因此，本发明的一方面提供针对成角度驱动采用传动带的方法。该方法包括：将扭转的几何形状应用于传动带的第一自由跨越部，在第一自由跨越部的第一末端处经由自由旋转滑轮或从动滑轮来支承传动带的第一自由跨越部，以及，定位和定向旋转滑轮或从动滑轮中的至少一个从而使传动带的第一自由跨越部的几何中心线相对于第一自由跨越部的第二末端以给定的偏离角错位。
传动带是平传动带(即，无齿的)。在一些实施方式中，平传动带包括钢传动带、芳族聚酰胺传动带、聚酯传动带、聚氨酯传动带和合成纤维加强传动带中的至少一个。在一些实施方式中，自由旋转滑轮或从动滑轮包括一个或多个带凸缘的滑轮。
在一些实施方式中，传动带的第一自由跨越部的给定偏离角的错位的方向和幅度与传动带的未扭转和错位的第二自由跨越部的方向和大小相对应(相当)，并且有支承滑轮，该支承滑轮的在传动带的未扭转和未对齐的第二自由跨越部的接合界面处从一个边缘到相对边缘的横跨传动带的总张力差基本上与在具有扭转的几何形状的第一自由跨越部的接合界面处从第一自由跨越部的一个边缘到相对边缘的总张力差相反。
在一些实施方式中，传动带的第一自由跨越部包括扭转的几何形状，该扭转的几何形状所具有的扭转比为20：1或更小，并且所具有的偏离角在0.25至1.5度的范围内。
在一些实施方式中，自由旋转滑轮或从动滑轮包括一个或多个滑轮，其对于传动带的第一自由跨越部具有一个维度的引入的偏离角错位，该传动带在滑轮的一个接合界面上具有扭转的进入部，并且在滑轮的另一个接合界面上具有直的离开部。
在一些实施方式中，自由旋转滑轮或从动滑轮包括一个或多个滑轮，其对于传动带的第一自由跨越部具有两个维度的引入的偏离角错位的，该传动带在滑轮的一个接合界面上具有扭转的进入部，并且在滑轮的另一个接合界面上具有直的离开部。
本发明的另一方面提供用于针对成角度驱动采用传动带的设备。设备包括：传动带，其具有以扭转的几何形状来构造的自由跨越部；自由旋转滑轮和从动滑轮中的至少一个，其支承传动带的自由跨越部的第一端；以及滑轮支承组件，其容纳自由旋转滑轮和/或从动滑轮。滑轮支承组件构造成将自由旋转滑轮和/或从动滑轮定位和/或定向，从而使传动带的自由跨越部的几何中心线相对于被定位在传动带的自由跨越部的第二端的固定的滑轮以给定的偏离角错位，并且使自由旋转滑轮和/或从动滑轮保持在给定的偏离角，以维持错位。
在一些实施方式中，滑轮支承组件被构造成滑动的。
在一些实施方式中，固定的滑轮与自由旋转滑轮和/或从动滑轮正交。
传动带是平传动带(即，无齿的)。在一些实施方式中，平传动带包括钢传动带、芳族聚酰胺传动带、聚酯传动带或另一种高性能合成纤维加强传动带中的一个或多种。
在一些实施方式中，自由旋转滑轮或从动滑轮包括一个或多个带凸缘的滑轮。在一些实施方式中，扭转的几何形状包括具有15：1或更低的扭转比的剧烈扭转。在一些实施方式中，带凸缘的滑轮可以被加宽以包括用于带的沟槽，该沟槽比需要凸缘引导的带(无齿)宽约1mm。
本发明的各种实施例有助于减小成角度驱动中的扭转传动带跨越部的股线的张力分布的不对称性的幅度，因而允许具有与非扭转平传动带驱动相当的性能和寿命的更紧凑的成角度驱动设计。使本发明成为可能的一个关键见解是观察到：具有显著扭转的完全对齐的成角度驱动和具有以偏离角形式的显著错位的直的(非扭转)传动带驱动两者均表现出导致过早故障的相似的滑轮压力图案(型式)、传动带张力和侧壁磨损。如果设计者要选择一个偏离角条件，该条件的侧壁磨损负载和不均匀的张力分布反映了现有扭转传动带成角度驱动的情况，则可以将偏离角附加到其他完全对齐的成角度驱动中，使得该偏离角中和以下不希望的副作用，即，张力分布不均匀和侧壁磨损较高。对于给定的扭转比和传动带横截面，存在一个补偿偏离角，其通过使扭转的传动带中的张力分布重新归一化(否则该张力分布会偏移到一个边缘)而允许极大地延长传动带的使用寿命。发明人已经发现，这些补偿偏离角通常非常显著，有时会超过1度(偏离角如此严重，以至于其会在数百个滑轮弯曲周期内迅速破坏一条未扭转的传动带，而不是达到其预期的几百万次的循环后再出现故障)。
尽管有意将偏离角引入到具有自由跨越部的传动带拓扑中可能会使传动带的使用寿命缩短到1/100甚至更少，但相同的偏离角可以将剧烈扭转的传动带几何形状的寿命延长到100或更多倍，上述自由跨越部是直的或具有相对较小扭转。对于15：1或更低的扭转比，在针对补偿偏离角在0.25和1.5度之间的使用寿命测试中，可以将扭转的传动带的寿命延长两个数量级或更长。
可以根据经验确定传动带扭转的自由苦逼最有效的补偿偏离角，而无需进行高循环测试。如果扭转的区段以快速速率(诸如7Hz)在带凸缘的滑轮上运行，则接受来自滑轮的磨损的侧壁将显著变热，并且可以利用热感摄像机检测。因此，人们可通过创建如下的设置从而获得有效的补偿偏离角，即，在该设置中偏离角可以变化，直到将其改变直到热感摄像机在传动带整个宽度上记录到均匀的热量累积为止。人们还可以利用压敏膜获得有效的补偿偏离角，将其放置在滑轮和传动带表面之间，并在移除后读取膜的颜色分布。自然地，人们重复这一过程，增加偏离角，直到传动带边缘之间的张力分布接近均匀并且差异最小为止。
本发明的实施方式假定的是：偏离角和高度扭转的几何形状两者对传动带张力分布和传动带磨损摩擦学表现出相似的影响，并且通过适当地叠加这些条件，实施例可以采用具有剧烈的扭转的几何形状和大大延长传动带使用寿命的有意设计的补偿偏离角的成角度驱动。
附图说明
技术人员将理解，附图主要是出于说明性目的，并且无意于限制本文所述的发明主题的范围。附图不必须按比例绘制；在一些情况下，本文中公开的创造性主题的各个方面在附图中可以夸张或放大示出，以助于对不同特征的理解。在附图中，相同的附图标记通常指代相同的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。
图1示出了典型的平传动带驱动(现有技术)的一些元件。
图2描绘了具有带凸缘的滑轮、平行的轴线和滑轮平行错位的平传动带驱动系统，该滑轮平行错位在自由跨越部中引入偏离角。
图3示出了错位的平传动带驱动样本的俯视图。
图4是在具有显著偏离角的跨越部的滑轮接合界面处明显的张力分布的示例性图示。
图5示出了图1中明显的扭转的自由跨越部的俯视图。
图6是在适当对齐的扭转的自由跨越部的滑轮接合界面处明显的张力分布的示例性图示。
图7描绘了具有包含着补偿偏离角设计元件的扭转的自由跨越部的样本的俯视图。
图8描绘了具有扭转的自由跨越部的样本的同样的俯视图，其中没有副支承滑轮，以更清楚地描绘出传动带横截面的几何中心。
图9是具有扭转的自由跨越部和补偿偏离角设计元件的样本的张力分布的示例性图示。
图10示出了具有由滑轮支承的扭转的自由跨越部的机器。
图11示出了没有支承结构的图10的扭转的自由跨越部。
图12描绘了图11中所示的实施例的侧视图。
图13示出了图10所示的机器的侧视图。
图14示出了在扭转的跨越部处利用补偿偏离角的另一机器。
图15示出了图14的自由跨越部，以及传动带的其余部分及其支承滑轮。
图16示出了图14的滑轮从它们几何上的真实切线位置移位的方向。
图17示出了用于分析扭转比的模型的扭转传动带。
图18A和18B示出了传动带的正交的(非轴向)张力分量的建模。
图19A和19B示出了对进入到滑轮中的过渡接触的分析。
图20A和20B示出了可以用来找到合适的偏离角的净长度差。
图21示出了三角函数和麦克劳林级数如何允许相对松弛量ΔL与过渡区的大小相关联。
图22示出了作为扭转比和宽度比的函数来绘制的理论的补偿偏离角的曲线图。
具体实施方式
以下是使成角度传动带驱动系统内的传动带张力分布归一化的方法的相关联的各种概念以及示例性实施例的的各种概念的更详细说明。
图1描绘了具有平传动带的成角度驱动设计的现有技术。平传动带驱动组件101由多个滑轮103组成，这些滑轮103可包括用于传动带引导的凸缘。平传动带102围绕多个滑轮103卷绕。在两个滑轮之间存在单个扭转的自由跨越部102A。按照常规的工程实践，传动带中心线将与每个滑轮表面相切并与每个滑轮的旋转轴线正交。一般规定扭转的自由跨越部102A具有相对低的扭转，其中扭转比(L/W)大于20：1。如该样本所示，扭转的自由跨越部102A具有约8：1的扭转比。伴随着滑轮正确对齐，这种传动带的拓扑结构将由于侧壁磨损和滑轮界面处的股线的不平衡张力分布而迅速劣化。
图2描绘了不带有扭转而是具有两个平行的错位的滑轮203A和203B的平传动带驱动设计。偏离角(在图3中更明显)将引起传动带护套的迅速劣化以及随后的加强股线的退化。
图3示出了图2所示的样本的俯视图，其中标记了滑轮203A和203B。自由跨越部202具有在任一端处的滑轮接合界面处的几何扭结。接触线是传动带的自由跨越部与滑轮接触处的线，并在左边滑轮处以端部301A和端部301B来标记该接触线。滑轮203A的相切中心线303A与滑轮表面相切并且垂直于滑轮的旋转轴线304。在完全对齐的带驱动中，自由跨越部202的几何中心线将穿过相切中心线303A。然而，在该样本中，几何中心线303B与相切中心线303A形成小角度304。自由跨越部202与滑轮203A的这种角度错位被称为偏离角。设计师忽略的不期望偏离角错位可能是传动带过早故障的原因。
图4示出了在图3中的样本的接触线处的传动带内的加强股线的示例性张力分布图401。边缘A和B对应于接触线的标记端301A和301B。在图3中证明的偏离角导致不对称的张力分布，其中有朝向与偏离角偏移的方向相反的端部301B的偏置。不对称性402的大小表示最接近传动带各自边缘的两条股线之间的股线张力差。张力分布不均匀会经由三种机制引起过早的传动带故障。高张力边缘将由于加强股线(束)中明显的张力和弯曲应力而过早失效。股线和滑轮表面之间的护套材料(通常为聚氨酯)将由于其从高张力股线受到的高压缩水平而迅速劣化。最后，在位置302处带有凸缘的滑轮的侧壁磨损将使护套材料的侧壁劣化。
图5描绘了具有扭转的自由跨越部501的完全对齐的成角度驱动。传动带505的几何中心线垂直于滑轮502的旋转轴线504。对于具有相对较缓的扭转几何形状的高扭转比自由跨越部，此对齐方式是正确的并且经常使用。对于具有剧烈扭转几何形状的带有较小扭转比的设计(诸如此样本)，传动带故障将迅速发生，并且与高扭转比自由跨越部相比使用寿命缩短90至99％。剧烈的扭转会引起自由跨越部501与滑轮502之间的接触线503发生显著的角度偏移，使其不平行于滑轮的旋转轴线504。传动带边缘501A在相对的传动带边缘501B之前接触滑轮，其中边缘501A从滑轮接收附加的支承，在传动带的那一侧引起更高的张力。另外，该扭转的几何形状本身引起传动带的外股线遵循螺旋路径，该螺旋路径比位于更靠近平传动带的几何中心线的内股线更长。因此，外股线比内股线承受更高的张力。这两个条件叠加在一起以在滑轮的接合界面处、在传动带内形成高度不均匀的张力分布。像偏离角状态一样，高扭转状态导致加强股线张力升高，高张力股线下方的护套材料发生高压缩，以及传动带侧壁与位置502A处的滑轮凸缘之间的侧壁磨损，所有这些都会导致传动带迅速劣化。
图6示出了在接触线503附近的传动带内的加强股线张力的示例性形式。传动带的下部边缘501A比与其相对的边缘501B承受明显更高的张力。此外，外股线比内股线承受更大的张力。这两个状态共同产生了所描绘的张力分布601。不对称性602的大小为负，并且朝向边缘A偏置。
图7描绘了具有补偿的偏离角的成角度驱动。此样本类似于图5的那个，其中副滑轮703的位置向下偏移。这导致自由跨越部701的几何中心线从其完全对齐状态704A改变为错位状态704B，在接合界面701C处产生了偏离角705。因此，自由跨越部701的几何中心线704B不再垂直于滑轮的旋转轴线706。相对于传动带驱动的运行状态精心选择了偏离角705，在诸如这样的具有剧烈扭转的样本的情况下，该偏离角705引起接合界面701C处的传动带内的张力分布的不对称性减小。传动带边缘701A和701B附近的加强股线由于有意地引入的偏离角705而处于更相似的张力状态。
图8描绘了相同的样本，其中去除副滑轮703，以便更好地示出偏离角错位。设计者已经将与副滑轮703的接合界面801从其完全对齐的状态偏移开，并且使自由跨越部701在接合界面701C处具有偏离角705。
图9描绘了在接合界面701C处的传动带的加强股线内的张力分布的示例性形式。边缘A和B对应于传动带的边缘701A和701B。张力分布901基本上是平的，在传动带的边缘701A和701B附近的外股线中的具有低的标准偏差和相同的张力状态。张力分布是两个独立的接合界面状态叠加的结果。偏离角张力分布401(出于比较目的而在此示出)的外股线张力差的大小为402且符号为正。扭转的样本张力分布601的外股线张力差大小为602并且符号为负。当两个条件叠加时，它们形成张力分布901，该张力分布901的平均值与401和601两者的平均值基本相似，但其不对称性的幅度已减小。接合界面701C处的张力分布的这种归一化使得使用寿命的显著延长。
图10至16描绘了针对成角度驱动的补偿偏离角的设计使用实例。
图10示出了具有由滑轮1003支承的扭转的自由跨越部1001的机器。如图所示，传动带的中心线从滑轮1003的几何切线1002偏离。支承结构1004相对于机器的其余部分来定位滑轮1003。
图11示出了图10的扭转的自由跨越部，其中结构1004被隐藏。支承滑轮1003沿方向1101偏移，以产生用于正确补偿接合界面处的不均匀张力的偏离角。
图12描绘了图11中所示的实施例的侧视图。滑轮1003按照方向矢量1101偏移，该方向矢量1101指向页面中。
图13示出了具有支承结构1004的图10所示的机器的侧视图。
图14示出了在扭转的跨越部处利用补偿偏离角的另一台机器。扭转的自由跨越部1401在任一端处由处在其它滑轮和支承结构1404中的支承滑轮1402和1403支承，支承结构1404维持所有旋转部件的相对位置。
图15示出了图14的自由跨越部1401以及传动带的其余部分及其支承滑轮。为了清楚起见，在该图中结构1404的其余部分被隐藏。
图16示出了滑轮从它们几何上的真实切线位置移位的方向。滑轮1402已经按照方向矢量1602稍微偏移开，以使其接合界面处的张力归一化。滑轮1403已经按照方向矢量1601稍微偏移开，以使其接合界面处的张力分布归一化。
应当注意，在此实施的技术是设计意图之一：设计者知道，剧烈扭转、宽度较窄、经加固的传动带的中间运行位置将与不扭转的真实运行的传动带大不相同，这会使他或她将诸如滑轮表面、凸缘或隆起之类的导向几何结构放置在有意引起补偿偏离角的位置中以延长传动带使用寿命。在某些仍采用所公开的设计技术的特定情况下，凸缘可能是不必要。
图17示出了用于分析扭转比的模型的扭转传动带。有意将偏离角引入到扭转的跨越部接合界面中可以将严重扭转的传动带系统的使用寿命提高几个数量级。成角度驱动显示出不均匀的传动带张力分布，这在滑轮接合界面处尤为严重。以下分析为确定偏离角的补偿提供了理论基础和未被公开的解决方案。随后的分析将使用以下符号：
总的传动带张力-T
滑轮直径-D滑轮
滑轮半径-R滑轮
最外线材绳索之间的中心线距离-ωos
扭转比-(T.R.)
过渡区的长度-X
传动带的一半宽度-R
传动带的全部宽度-W
螺旋角-Ψ
扭转比-θ
关于(相对于)进行以下分析，做出了以下假设：
·传动带内的线材绳索遵循平行的螺旋路径，这些螺旋路径的半径与离开传动带中心的位移的成正比
·传动带无限灵活且无限细，并且没有径向护套顺应性
·对于某些量值小于0.1弧度的角进行小角度近似
·传动带和滑轮之间的接合界面处的接触线从边缘到边缘是倾斜的，并且呈直线形状
·过渡区内的压力分布负责在传动带的自由跨越部内提供内部扭转力矩
·过渡区关于垂直于总的传动带张力矢量的半径对称
·引入的偏离角经由标准弯曲方程式提供长度差，其中应变与离开中间轴线的距离成正比
推导
获得补偿性偏离角的总体策略可以如下描述：第一步是找到过渡区的长度。这是经由负载积分和负载静力学方法完成的。首先推导传动带的内部扭转力矩，然后是由未知的过渡区域长度X施加在传动带上、在过渡区中的扭转力矩。由于扭转的自由跨越部仅从过渡区获得其内部力矩，因此我们可以设定这两个扭转力矩之间相等，从而获得区域X的长度。
传动带与滑轮交界的周缘长度X可以用来评估经由一些相对简单的三角学产生的相对几何松弛量。在过渡区域中，传动带的下部边缘与滑轮维持接触，而传动带的上部边缘行进通过自由空间，引起导致张力的不对称的长度的不对称。
然后，在过渡区处的计算的长度差与由偏离角产生的净长度差相反，以简单的弯曲梁来建模，其中应变与离开中心线的距离成正比。设定未知幅度的偏离角以抵消在第2部分中推导出的净长度差，使沿传动带外边缘的长度相等。
第1部分-获得过渡区的长度X。
使用螺旋几何模型以获得作为r的函数的传动带内的加强线材绳索的螺旋角，r是离开传动带的中心点的距离。然后，螺旋角与扭转比T.R.相关联。
螺旋
Figure BDA0002398497690000131
当Ψ很小：
Figure BDA0002398497690000132
关于扭转比的分析。
Figure BDA0002398497690000133
Figure BDA0002398497690000134
L＝2R(T.R.)
Figure BDA0002398497690000135
参于T.R.＝20，
Figure BDA0002398497690000136
传动带的内部扭转力矩是通过以下方式推导的，即，对传动带的加强的线材绳索内的非轴向的张力分量积分。发现内部扭转力矩取决于传动带宽度(总宽度＝2R)、总张力T和螺旋角Ψ。
关于具有给定T.R.的传动带内的内部扭转力矩的分析。假设的传动带具有总张力T、宽度w以及呈均匀分布的幅度T/w，可以如图18A和18B所示对正交的(非轴向)张力分量来建模，其中
Figure BDA0002398497690000141
Figure BDA0002398497690000142
Figure BDA0002398497690000143
Figure BDA0002398497690000144
Figure BDA0002398497690000145
以下工作建立了二维表面积分，该二维表面积分用来找出由于接触的非对称性质而使滑轮在过渡区中施加在传动带上的旋转力矩。
可以根据图19A和19B来描述进入到滑轮中的过渡接触，假设的一条直的接触线LOC。基于图19A和19B，
dM＝rPdxdr
Figure BDA0002398497690000146
Figure BDA0002398497690000147
二维积分的计算得出了针对在过渡区M界面处提供的旋转力矩的公式基础。发现过渡区处提供的旋转力矩是过渡区的长度X、X、平均滑轮压力P和传动带的一半宽度R的函数，其中
Figure BDA0002398497690000151
Figure BDA0002398497690000152
Figure BDA0002398497690000153
Figure BDA0002398497690000154
Figure BDA0002398497690000155
结合/>
Figure BDA0002398497690000156
以及/>
Figure BDA0002398497690000157
由于传动带的内部扭转力矩是由过渡区界面处的力矩提供的，因此我们可以将该两者之间设定为相等。这允许我们能够找到作为滑轮直径D滑轮和扭转比T.R.的函数的过渡区的长度X。
设定M界面＝Mint.得出
Figure BDA0002398497690000158
其中/>
Figure BDA0002398497690000159
Figure BDA00023984976900001510
Figure BDA00023984976900001511
因为
Figure BDA00023984976900001512
R带轮＝19mm
X＝2R带轮Ψ
Figure BDA00023984976900001513
第2部分-评估由于过渡区的存在而在传动带的边缘之间产生的相对松弛量的大小。
给定过渡区的长度X和滑轮半径R滑轮，二维几何模型建立了一些需要计算的长度。
给定过渡界面的长度X，找到净长度差，然后可以如图20A和20B所示使用该净长度差找到合适的偏离角。
如图21所示，使用三角函数和麦克劳林级数(Maclaurin series)可将相对松弛量ΔL与过渡区的大小以及滑轮直径相关联。
第3部分-找到补偿性偏离角
偏离角经由标准的梁弯曲方程式来建模，其中传动带的外边缘和内边缘各自遵循具有相同中心点的弧形。外边缘行进的距离比内边缘行进的距离大以下因数，即，θ偏离*ωos，其中ωos是最外加强绳索中心线之间的距离。将其设定为等于过渡区产生的净松弛量(松弛伸长量)ΔL，导致两个边缘之间的净等长条件。这允许我们能够找到所需的偏离角θ偏离。
现在可以声明理论偏离角：
Figure BDA0002398497690000161
结果与分析。
可以将理论补偿偏离角作为扭转比和宽度比ωos/D滑轮的函数来绘制，如图21所示。宽度比简单来说就是两个最外绳索之间的距离除以滑轮的直径，对于给定的滚筒(drum)尺寸，滑轮的直径随传动带宽度的增加而增加。它在传动带宽度增加时接近传动带宽度比W/D滑轮，但是对于较小的宽度来说，最外线材绳索之间的中心线距离ωos可能是不可忽略的传动带宽度本身的80％。扭转比是无量纲的，量化为发生90度传动带扭转的长度除以传动带宽度。
讨论和结论
补偿性偏离角的相关性是扭转比T.R的立方因数反比和宽度比ωos/D滑轮的反比。在以上绘图中可以清楚地看到两者：对于给定的滚筒直径，当传动带宽度减小时，所需的偏离角增加。立方因数特别有影响：对于扭转比小于10且宽度因数较低的剧烈扭转的传动带，所需的偏离角在数量级上接近1度。
经验数据表明，此处推导的理论值减少到1/2到1/3。这可能是由于多种因素造成的，包括：材料柔韧性、传动带弯曲刚度或过渡区和自由跨越部的不准确几何建模。尽管存在幅度误差，但是值得对扭转比的立方反比关系和宽度比的反线性关系的基本关系在相当大的几何形状和材料范围内保持是否成立来测试。
传动带动力传递的设计者通过在几何上定义理想的传动带路径来开始其CAD。它们这样做的理解是，无论何处发生扭转跨越部，可以根据经验或理论推导的特定的偏离角应当是必须的，并且它们将偏离角相应地放置在理想传动带路径的几何形状中。然后，设计人员将在位置处添加带轮、终端等或者将添加直径尺寸上与预期的正确对齐方式有所不同(例如，大了2毫米且宽了1毫米)的带轮、终端等。设计者为带轮增加了必要的支承结构。-设计者关注用于系统的公差和对齐度，并调节对齐度以使对齐度从如本文所公开的对中错位开。
如本文所使用的，术语“约”、“大约”、“基本上”和类似术语旨在具有广泛的含义，与本公开的主题所涉及的本领域普通技术人员的普遍和接受的用法相一致查阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许对所描述的某些特征来说明，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应当被解释为指示所描述的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更，并且被认为在本公开的范围内。
应当注意，本文中用来描述各种实施例的术语“示例性”旨在指示这样的实施例是可能的实施例的可能的示例、表示和/或图示(并且该术语并不旨在表示这样的实施例必然是极好的或最高级的示例)。
为了本公开的目的，术语“联接”是指两个构件彼此直接或间接地接合。这种接合本质上可以是固定的或可移动的。这种接合可以通过以下方式获得，即，利用两个构件或两个构件以及彼此一体形成为单个整体的任何附加的中间构件，或者利用两个构件或两个构件以及彼此附接的任何附加的中间构件。这种接合本质上可以是永久的，或者本质上可以是可移动的或可释放的。
应当注意，根据其它示例性实施例，各种元件的定向可以不同，并且这种变体旨在被本公开所涵盖。应当认识到，所公开的实施例的特征可以结合到其它公开的实施例中。
重要的是要注意，各个示例性实施例中所示的其弹簧系统或部件的构造和布置仅是示例性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是查阅本公开的本领域技术人员将容易理解，在实质上不背离所公开主题的新颖教导和优点的情况下，可以进行许多修改(例如，各种元件的大小、维度、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等)。例如，示出为一体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其它方式变化，并且离散元件的性质或数量或者位置可以改变或变化。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或次序可以根据可替换实施例来变化或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。
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尽管已经在本文中描述和示出了各种创造性实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或多个优点的各种其它手段和/或结构，并且这些变体和/或修改中的每一个被认为在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、维度、材料和构造是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明教导的一个或多个特定应用。本领域技术人员将认识到，或能够仅通过常规实验确定的是，本文所述的具体创造性实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以举例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式实践本发明的实施例。本公开的创造性实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料，套件和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，则包括两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合。
而且，本文描述的技术可以实施为一种方法，已经提供了该方法的至少一个示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造这样的实施例，其中以与所示出的顺序不同的顺序来执行动作，这也可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施例中被示为顺序动作。
如本文限定和使用的所有定义应当被理解为根据字典定义、通过引用纳入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义进行掌控。
除非明确指出相反的含义，否则在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为表示“至少一个”。
在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应该理解为是指这样结合的元件中的“一个或两个”，即，在某些情况下共同存在并且在其它情况下不是共同存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应当以相同的方式解释，即，共同存在的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元件以外，还可能可选择地存在其它元件，无论与那些具体标识的元件相关联还是无关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包含”之类的开放式语言结合使用时，在一个实施例中，对“A和/或B”的引用仅指代A(可选地包括除B以外的元件)；在另一个实施例中，仅指代B(可选地包括除A以外的元件)；在又一个实施例中，指代A和B两者(可选地包括其它元件)；等等。
如在本文的说明书和权利要求书中所使用的，“或”应当被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应当解释为包含性的，即，包含多个元件或一列表元件中的至少一个，但也包括多于一个，以及(可选地)其它未列出的项目。仅明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或当在权利要求书中使用时的“由...组成”，将指的是在多个元件或一列表的元件中仅包括一个一个元件。一般而言，本文中使用的术语“或”仅应在排它性替代词(诸如“任一”、“其中之一”、“仅其中之一”或“恰好是其中之一”)之后表示为排它性术语(即“一个或另一个，但不是两者都”)。“基本上由……组成”当被用在权利要求书中时应当具有如专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应当理解为是指从元件列表中的任何一个或多个元件中选择至少一个元件，但不必须包括元件列表中特别列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中元件的任何组合。该定义还允许除了短语“至少一个”所指代的元件列表内特别识别的元件之外的元件可能可选地存在，无论与那些特别识别的元件有关联还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或相等地，“A或B中的至少一个”，或相等地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代：在一个实施例中，指代至少一个、可选地包括多于一个的A，并且不存在B(并且可选地包括除B以外的元件)；在另一个实施例中，指代至少一个、可选地包括多于一个的B，并且不存在A(并且可选地包括除A以外的元件)；在另一个实施例中，指代至少一个、可选地包括多于一个的A，元件至少一个、可选地包括多于一个的B(以及可选地包括其它元件)；等等。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语，诸如“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“包括(composed of)”及类似短语将理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应当是封闭的或半封闭的过渡短语。
权利要求书不应被解读为限于所描述的顺序或元件(要素)，除非对此进行了说明。应当理解，本领域的普通技术人员可以在形式和细节上进行各种改变，而不脱离所附权利要求的精神和范围。要求保护落入所附权利要求书及其等同物的精神和范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种将传动带用于成角度驱动的方法，所述方法包括：
将扭转的几何形状施加到所述传动带的第一自由跨越部；
在所述第一自由跨越部的第一末端处经由自由旋转滑轮或从动滑轮来支承所述传动带的所述第一自由跨越部；以及
定位和定向所述旋转滑轮或所述从动滑轮中的至少一个从而使所述传动带的所述第一自由跨越部的几何中心线相对于所述第一自由跨越部的第二末端以给定的偏离角错位，
其中所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮包括一个或多个滑轮，所述一个或多个滑轮对于所述传动带的第一自由跨越部具有两个维度的引入的偏离角错位，所述传动带在所述滑轮的一个接合界面上具有扭转的进入部，并且在所述滑轮的另一个接合界面上具有直的离开部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动带的第一自由跨越部的给定偏离角的错位的方向和幅度与所述传动带的未扭转和错位的第二自由跨越部的方向和大小相对应，并且有支承滑轮，所述支承滑轮的在所述传动带的未扭转和未对齐的所述第二自由跨越部的接合界面处从一个边缘到相对边缘的横跨所述传动带的总张力差基本上与在具有扭转的几何形状的所述第一自由跨越部的接合界面处从所述第一自由跨越部的一个边缘到相对边缘的总张力差相反。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传动带的第一自由跨越部包括扭转的几何形状，所述扭转的几何形状所具有的扭转比为20：1或更小，并且所具有的偏离角在0.25至1.5度的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮包括一个或多个滑轮，所述一个或多个滑轮对于所述传动带的第一自由跨越部具有一个维度的引入的偏离角错位，所述传动带在所述滑轮的一个接合界面上具有扭转的进入部，并且在所述滑轮的另一个接合界面上具有直的离开部。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮包括一个或多个带凸缘的滑轮。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，定位在所述传动带的第一自由跨越部的第一末端的所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮被定位成与定位在所述传动带的第一自由跨越部的第二末端的另一个滑轮正交。
7.一种将传动带用于成角度驱动的设备，所述设备包括：
传动带，所述传动带具有以扭转的几何形状来构造的自由跨越部；
自由旋转滑轮和从动滑轮中的至少一个，所述自由旋转滑轮和从动滑轮中的至少一个支承所述传动带的自由跨越部的第一端；以及
滑轮支承组件，所述滑轮支承组件容纳所述自由旋转滑轮和/或所述从动滑轮，并且构造成将所述自由旋转滑轮和/或所述从动滑轮定位和/或定向，以使以所述扭转的几何形状来构造的所述传动带的所述自由跨越部的几何中心线错位，所述传动带的自由跨越部相对于被定位在所述传动带的自由跨越部的第二端的固定的滑轮以给定的偏离角错位，所述滑轮支承组件构造成将所述自由旋转滑轮和/或所述从动滑轮保持在所述给定的偏离角以维持所述错位，
其中所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮包括一个或多个滑轮，所述一个或多个滑轮对于所述传动带的自由跨越部具有两个维度的引入的偏离角错位，所述传动带在所述滑轮的一个接合界面上具有扭转的进入部，并且在所述滑轮的另一个接合界面上具有直的离开部。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述滑轮支承组件被构造成滑动的。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述滑轮支承组件被构造成枢转的。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述固定的滑轮与所述自由旋转滑轮和/或所述从动滑轮正交。
11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述自由旋转滑轮或所述从动滑轮包括一个或多个带凸缘的滑轮。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述传动带是平传动带。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述平传动带包括、或至少部分地包括钢、芳族聚酰胺、聚酯、聚氨酯和加强合成纤维中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述带凸缘的滑轮在所述滑轮的凸缘之间的宽度至少比平传动带宽1mm。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述传动带的自由跨越部包括扭转的几何形状，所述扭转的几何形状具有的扭转比为20：1或15：1。
16.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述传动带的自由跨越部包括扭转的几何形状，所述扭转的几何形状具有的扭转比为15：1或更小。
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