基于Excel在鏈傳動設計中的應用研究

杜海彬 張長軍 張華瑾 馬俊 懷玉蘭

摘要：鏈傳動在農業機械、食品機械、自行車等機械設備中均有應用，利用Excel為鏈傳動設計開發出了相應設計計算文件，這大大簡化了設計計算過程，提高了設計計算效率、可靠性、實用性。

Abstract： Based on the application of Excel in chain drive design， chain transmission has been applied in agricultural machinery， food machinery， bicycle and other mechanical equipment. The design and calculation documents are developed for chain transmission design by Excel， which greatly simplifies the design and calculation process and improves the efficiency， reliability and practicability of design calculation.

關鍵詞：鏈傳動;Excel;設計計算

Key words： chain drivee;Excel;design calculation

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0209-03

0? 引言

鏈傳動應用廣泛，在農業機械、食品機械、等機械設備中均有應用，為保證所設計的鏈傳動安全、可靠的達到預期功能，有必要對鏈傳動進行設計計算。為了提高鏈傳動的設計計算效率，在理清設計計算變量之間關系的前提下，利用Excel開發出了相應設計計算技術文件，可大大提高設計計算效率。

1? 鏈傳動設計計算過程分析[1]

鏈傳動在很多機械上都有應用，要想設計計算鏈傳動，首先應明確這些條件：小鏈輪傳動功率P、轉速n1、傳動比i（或輸出輪轉速n2）、傳動用途，載荷性質、幾班制工作等情況，即可對鏈傳動進行設計計算。一般設計步驟如下：

1.1 確定帶輪齒數z1、z2

①小鏈輪的齒數z1推薦范圍計算公式如公式（1）所示，需要注意：一般鏈輪齒數不小于17。這里i屬于自變量，z1屬于因變量。

（1）

②大鏈輪的齒數z2可按計算公式（2）進行計算。一般最大齒數不超過120。這里i、z1屬于自變量，z2屬于因變量。

? （2）

1.2 確定設計功率Pc

為能更好的接近實際工作情況使計算更準確，引入若干修正系數對傳遞功率P進行修正。設計功率Pc可按式（3）進行計算，但其值不可超過額定功率P0。其中KA表示工況系數;Kz表示小鏈輪齒數系數;KL表示鏈長系數;Km表示多排鏈排數系數。其中KA、Kz、KL、Km屬于自變量，Pc屬于因變量。

（3）

①根據“滾子鏈額定功率曲線”圖，可選擇鏈號;根據“滾子鏈的基本參數和尺寸”表，可確定鏈的節距p。

②估算中心距a0，可按公式（4）進行計算，其中p表示自變量，a0屬于因變量。

（4）

③計算鏈節數Lp可根據公式（5）進行計算，然后圓整成偶數。其中a0、p、z1、z2均屬于自變量，Lp屬于因變量。

（5）

④計算理論中心距a，可根據公式（6）進行計算，其中Lp、p、z1、z2均屬于自變量，a屬于因變量。

（6）

⑤確定實際中心距a'，可按公式（7）進行計算，一般Δa=（0.002～0.004a）。其中a、Δa為自變量，a'為因變量。

（7）

⑥計算鏈速v，可按公式（8）進行計算，其中z1均屬于自變量，v屬于因變量。

（8）

⑦根據p、v結合“潤滑方式的選用”圖，選擇合適的潤滑方式。

⑧鏈輪的尺寸計算。

分度圓直徑d，可按公式（9）進行計算，其中z、p均屬于自變量，d屬于因變量。

（9）

齒頂圓直徑da，可按公式（10）進行計算，其中z、p均屬于自變量，da屬于因變量。

（10）

齒根圓直徑df，可按公式（11）進行計算，其中d、滾子直徑dr均屬于自變量，df屬于因變量。

（11）

齒側凸圓最大直徑dg，可按公式（12）進行計算，其中z、p均屬于自變量，dg屬于因變量。

（12）

2? 鏈傳動流程圖

根據對鏈傳動設計計算分析，已提煉出每個計算公式中的自變量和因變量，為能更好的、宏觀的認識整個設計過程，現以流程圖的形式進行展現，如圖1所示。掌握流程圖，可以輕松調整設計計算中的參數，使得整個設計計算更加快速合理。

3? Excel在鏈傳動設計中的應用[2][3]

①新建Excel工作表并將文檔命名為“鏈傳動設計技術文件”。然后將頁面布局設置成A4。設置第一行表格并填充顏色后輸入“鏈傳動設計”;在A2至A6單元格中分別輸入：“已知條件：”“傳動功率P=”“輸入輪轉速n1=”“傳動比i=”“（或輸出輪轉速n2=）”，在相應的B3至B6中填充成藍色代表已知量，在相應的C3、C4、C6中輸入單位。

②將A7至C7合并，在其中輸入“1、確定帶輪齒數z1、z2”;將A8、B8合并，在其中輸入“1）小鏈輪的齒數z1”;在A9中輸入“z1=”;將B9填充成紫色（以后紫色就代表因變量），在其中輸入計算公式“=29-2*B5”;將C9至E9合并，將其填充成綠色，在其中輸入判斷函數“=IF（B9<17，"齒數太少，請重新計算"，IF（B9<=120，"在選擇范圍，可以用"，IF（B9>120，"齒數太多，請重新計算"）））”，以作提示，降低出錯概率;將A10、B10合并，在其中輸入“2）大鏈輪的齒數z2”。

③在A11中輸入“z2=”;在B11填充紫色后，輸入“=B5*B9”;將C11至E11合并后，填充為綠色，并輸入“=IF（B11<17，"齒數太少，請重新計算"，IF（B11<=120，"在選擇范圍，可以用"，IF（B11>120，"齒數太多，請重新計算"）））”，以作提示，降低出錯概率。

④將A12、B12合并后輸入“2、確定設計功率Pc”;將A13、B13合并后輸入“工況系數KA=”，之后采用右鍵的方式“插入批注”;將C13填充成黃色，以后黃色就代表自變量;將A14、B14合并后輸入“小鏈輪齒數系數Kz=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13）），將C14填充成黃色;將A15、B15合并，在其中輸入“鏈長系數KL=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13）），將C15填充成黃色。

⑤將A16、B16合并，在其中輸入“多排鏈排數系數Km=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13）），將C16填充成黃色;將A17、B17合并，在其中輸入“額定功率P0=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13）），將C17填充成黃色。

⑥將A18、B18合并，在其中輸入“設計功率Pc=”;將C18填充成紫色，在其中輸入計算公式“=C13*B3/（C14*C15*C16）”;在D18中輸入“KW”;將E18至I18合并后填充成綠色，之后輸入判斷函數“=IF（C18<=C17，"功率滿足要求"，IF（C18>C17，"超過了額定功率，請重新計算"））”;將A19、B19合并，在其中輸入“3、確定鏈的節距p”。

⑦將A20、B20合并，在其中輸入“滾子鏈額定功率曲線”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13））;將C20、D20合并，在其中輸入“確定鏈的型號：”;選中E20，點擊“數據”→“數據驗證”→“設置”在允許里找“序列”，在來源里輸入“06B，08B，10A，12A，16A，20A，24A，28A，32A，40A”，這里需要注意，其中輸入的逗號是英文狀態下的逗號，這樣就創建好了下拉菜單。

⑧將A21、B21合并，在其中輸入“滾子鏈的基本參數和尺寸”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考？輥？輱？訛）。

⑨在B22中輸入“節距p=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13））;將C22填充成黃色;將D22至H22合并，將其填充成綠色，在其中輸入判斷函數“=IF（C22<8，"不在選擇范圍，請重新選擇"，IF（C22<=50.8，"在選擇范圍，可以用"，IF（B11>50.8，"不在選擇范圍，請重新選擇"）））”。

⑩將A23、B23合并，在其中輸入“4、估算中心距a0”;在B24中輸入“a0=”;在C24中輸入計算公式“=40*C22”，將其填充成紫色;在D24中輸入“mm”;將A25、B25合并，在其中輸入“5、計算鏈節數Lp”;在B26中輸入“Lp=”;在C26中輸入計算公式“=2*C24/C22+（B9+B11）/2+C22*（（B11-B9）/（2*PI（）））^2/C24”，將其填充成紫色。

？輥？輯？訛將A27、B27合并，在其中輸入“取偶數Lp=”;將C27填充成黃色;將A28、B28合并，在其中輸入“6、計算理論中心距a”;在B29中輸入“a=”;在C29中輸入計算公式“=（（C27-（B9+B11）/2）+POWER（（POWER（（C27-（B9+B11）/2），2）-8*POWER（（B11-B9）/（2*PI（）），2）），0.5））*C22/4”，將其填充成紫色;在D29中輸入“mm”;

？輥？輰？訛將A30、B30合并，在其中輸入“7、確定實際中心距a’”;在B31中輸入“Δa=”;在C31中輸入計算公式“=0.002*C29”，將其填充成紫色;在D31中輸入“～”;在E31中輸入計算公式“=0.004*C29”，將其填充成紫色;在F31中輸入“mm”;將A32、B32合并，在其中輸入“取Δa=”;將C32填充成黃色;在D32中輸入“mm”;在B33中輸入“a’=”;在C33中輸入計算公式“=C29-C32”;在D33中輸入“mm”。

？輥？輱？訛在A34中輸入“8、計算鏈速v”;在B35中輸入“v=”;將C35填充成紫色，并在其中輸入計算公式“=B9*B4*C22/60000”;在D35中輸入單位“m/s”;將E35至H35合并，將其填充成綠色，在其中輸入判斷函數“=IF（C35<0.6，"鏈速太低，請重新計算"，IF（C35>0.6，"鏈速合適"））”。

？輥？輲？訛將A36、B36合并后輸入“9、潤滑方式的選用”;在A37中輸入“潤滑方式為”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13））;將B37、C37合并，將其填充成黃色，點擊“數據”→“數據驗證”→“設置”在允許里找“序列”，在來源里輸入“Ⅰ油刷或油壺潤滑，Ⅱ滴油潤滑，Ⅲ油浴或飛濺潤滑，Ⅳ噴油潤滑”，這里需要注意，其中輸入的逗號是英文狀態下的逗號，這里就創建好了下拉菜單。

？輥？輳？訛將A38、B38合并后輸入“10、鏈輪的尺寸計算”;在A39中輸入“1）分度圓直徑d”;在B40中輸入“d1=”;在C40中輸入計算公式“=C22/SIN（PI（）/B9）”，并將其填充成紫色;在D40中輸入“mm”;在B41中輸入“d2=”;在C41中輸入計算公式“=C22/SIN（PI（）/B11）”，并將其填充成紫色;在D41中輸入“mm”。

？輥？輴？訛在A42中輸入“2）齒頂圓直徑da”;在B43中輸入“da1=”;在C43中輸入計算公式“=C22*（0.54+1/TAN（PI（）/B9））”，并將其填充成紫色;在D43中輸入“mm”;在B44中輸入“da1=”;在C44中輸入計算公式“=C22*（0.54+1/TAN（PI（）/B11））”，并將其填充成紫色;在D44中輸入“mm”;在A45中輸入“3）齒根圓直徑df。

？輥？輵？訛將A46、B46合并，在其中輸入“滾子直徑dr=”，然后右鍵→“插入批注”（具體操作方法，可參考13））;將C46填充成黃色;在D46中輸入“mm”;在B47中輸入“df1=”;在C47中輸入計算公式“=C40-C46”，并將其填充成紫色;在D47中輸入“mm”;在B48中輸入“df2=”;在C48中輸入計算公式“=C41-C46”，并將其填充成紫色;在D48中輸入“mm”。

？輥？輶？訛將A49、B49合并，在其中輸入“4）齒側凸圓最大直徑dg”;在B50中輸入“dg1=”;在C50中輸入計算公式“=C22*（1/TAN（PI（）/B9）-1）-0.8”，并將其填充成紫色;在D50中輸入“mm”;在B51中輸入“dg2=”;在C51中輸入計算公式“=C22*（1/TAN（PI（）/B11）-1）-0.8”，并將其填充成紫色;在D51中輸入“mm”。

開發出的技術文件部分展示如圖2所示。

4? 結論

開發者親自測試，鏈傳動設計計算技術文件開發前，手動設計計算鏈傳動一般需要3個小時左右能完成;開發完技術文件后，能夠在5分鐘內進行設計計算完畢，設計計算效率大大提高、可靠性也得到了提高，實現了：高效、快捷、可靠、實用的目的。

參考文獻：

[1]王玉.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2018.

[2]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊，郭山國.Excel在滾動軸承壽命校核中應用的研究[J].內燃機與配件，2020（17）：246-247.

[3]杜海彬，張長軍，張華瑾，馬俊.基于Excel深化改革《機械設計基礎》課程的研究[J].機械工程師，2020（12）：89-92.