拋雪機的帶傳動連接設計

陳泳松

（中國重汽集團柳州運力科迪亞克機械有限責任公司，廣西 柳州 525112）

0 引言

同步帶傳動是一種常見的嚙合機械傳動，同步帶傳動具有傳動比精確、傳動效率高、傳動功率大等特點。同時，同步帶具有緩沖、減震作用，在傳動過程中能最大程度保證傳動的平穩，相比齒輪傳動有過載保護作用，可有效保護傳動系統內的動力輸出源。因此這種傳動方式常應用在機器人行業、汽車行業、數控機床、輕紡織行業、高速設備等行業。同步帶傳動的傳動功率范圍廣，可以從幾十瓦到幾百千瓦。

拋雪機是一種掛接在裝載機、重卡或者皮卡前部，帶有獨立動力源及獨立控制系統的除雪設備。這種除雪設備因為需要掛接在現有的獨立的行走設備前部，需要做到體積小及重量輕，所以在傳動布局的時候需要在保證傳動性能的前提下盡可能地讓結構緊湊、重量輕。同時考慮到除雪部件（即除雪絞龍和葉輪）轉動速度高，作業時阻力大，需要用較高的轉動扭矩驅動。傳動系統的平穩運行可以有效提高系統使用壽命、保證設備可靠性，所以在我公司生產的拋雪機中采用傳動軸傳動和同步帶傳動結合的方式作業功率的高效傳遞[1]。

本研究探討筆者所在公司的某型號拋雪機的帶傳動連接方案，著重分析該型號拋雪機的結構組成、工作原理以及帶傳動系統。設計的同步帶傳動系統為日益追求緊湊、輕量化高效可靠的除雪設備設計提供了一種思考的方向，并填補了國內除雪設備行業相關技術的應用空白。

1 拋雪機主要結構及工作原理

我公司生產的拋雪機主要由集雪絞龍、拋雪葉輪、作業發動機、連接掛架、電液控制系統四部分組成（圖1）。作業發動機③提供功率及扭矩輸出，通過傳動系統將功率及扭矩輸出到作業屬具拋雪葉輪①和集雪絞龍②上，積雪絞龍通過轉動將積雪收集，拋雪葉輪通過高速轉速動將收集到的積雪高速、遠距離拋出，達到除雪的目的。設備上電液控制系統⑤則用于實現拋雪作業左右動作的啟停、調速，以適應各種不同的除雪工況。連接掛架④是用于拋雪機與底盤設備的連接，使拋雪機輕松、快速安裝到底盤上。

圖1 拋雪機主要組成部分

拋雪機的傳動系統如圖2，與發動機連接的離合器⑧與同步帶系統⑨直接連接，同步帶系統⑨通過傳動軸⑦已分動箱⑥連接，分動箱⑥直接驅動拋雪葉輪⑤，同時分動箱⑥通過傳動軸④與分動箱②連接，分動箱②的兩個輸出口分別驅動集雪絞龍①、集雪絞龍③。

圖2 拋雪機傳動示意圖

2 拋雪機的基本參數和工作性能要求

定義發動機的額定功率為Pm，發動機轉速為n1，主動輪轉速為n2，從動輪的轉速為n3，分動箱⑥的輸入轉速為n4，分動箱⑥的輸出轉速為n5，分動箱⑥的速比為i1，主動輪與從動輪的安裝中心距為a，主動輪與從動輪間的速比為i2。

根據工作需求，拋雪葉輪需求轉速n6=450 r/min，同時該傳動系統為減速增扭系統，所以傳動方案中主動輪為小輪，從動輪為大輪。

根據結構設計及發動機選型，確定以下參數，并根據以下已知條件進行設計計算。

3 設計計算

為了在滿足使用要求的前提下，選擇成本最低、使用壽命長及噪聲適中的同步帶和同步帶輪，本文對作業發動機與拋雪葉輪之間的連接進行設計計算。根據發動機功率及轉速以及作業絞龍作業需求轉速等信息進行設計計算，通過選型計算確定同步帶傳動方案的強度和傳動速比。最終通過查閱相關技術標準確定同步帶及帶輪的型號[2]。

根據上述已知參數及結構，發動機與主動輪通過離合器是軸連接，有主動輪轉速等于發動機轉速：

從動輪轉速為：

根據上述介紹連接方案，分動箱⑥輸出端與葉輪為軸連接，分動箱輸出轉速與葉輪轉速相等，即

從動輪轉速與分動箱⑥輸入轉速相等，通過速比為的分動箱傳遞扭矩，

通過以上公式，確定同步帶系統的傳動速比：

初定帶傳動系統的傳動速比為1.052減速。

3.1 傳動系統設計功率Pd

kA為載荷修正系數,根據設備作業條件：拋雪機，24 h/日運轉，查表1工況系數，取kA=1.5。

表1 工況系數

3.2 確定帶的型號和節距

根據以上計算結果有設計功率Pd=141 kW，轉速n2=1800 r/min，查閱資料可知圓弧齒同步帶系統，能夠滿足大功率的傳動，其傳動功率比梯型齒和T型齒通常大3～5倍。所以本設計選用圓弧齒同步帶，同時通過圖3功率與轉速的交匯點落在14M同步帶的適用區域內，初步選用的14M圓弧齒同步帶，通過表2同步帶節距表，查閱得到14M圓弧齒同步帶的節距Pb=14 mm。

圖3 圓弧齒同步帶選型圖

表2 同步帶節距表（部分）

3.3 選擇小帶輪齒數z1

由于小帶輪齒數z1=1800 r/min，且選用的同步帶為14M圓弧齒同步帶，查表3圓弧齒最小帶輪齒數選型表得小帶輪最小需用齒數zmin=32。同時考慮到帶速與安裝尺寸允許時，z1盡量取較大值，本設計中參考設計安裝尺寸，同時該傳動系統為降速增扭系統，最小帶輪為從動輪，故選定z1=45。

表3 圓弧齒最小帶輪齒數選型表

3.4 確定帶輪節圓直徑

查機械設計手冊[3]表4圓弧齒節圓直徑得，小帶輪節圓直徑d1=200.53 mm。

表4 圓弧齒節圓直徑（部分）

帶速

大帶輪齒數

查表3圓弧齒最小帶輪齒數選型表取z2=47，大帶輪節圓直徑d2=209.45。

3.5 傳動中心距a0確定

查機械設計手冊有：

本機型結構設計要求傳動中心距a=450 mm，在的取值范圍內，所以確定a=450 mm。

3.6 確定同步帶的節線長度Lp

查表5圓弧齒帶的節線長度，取Lp=1610 mm，則有，同步帶齒數Zb=115。

表5 圓弧齒帶的節線長度

3.7 計算小齒輪嚙合齒數Zm

3.8 確定同步帶基準額定功率

查表6圓弧齒同步帶基準功率表，根據已知z1=45，n2=1800 r/min，所以P0取值可以大于31.60，小于34.47，本設計中取P0=33 kW。

表6 圓弧齒同步帶基準功率表（部分）

3.9 確定同步帶帶寬bs

查機械設計手冊一般bs＜d1=200.53，所以取bs=170。

4 設計結果整理

經過上述計算，整理可得需要的同步帶傳動系統的參數如下：

同步帶：選用14M圓弧齒同步帶，Zb=115，Lp=1610 mm，ds=170 mm，Pb=14

同步帶輪：z1=45，d1=200.53 mm，z2=47，d2=209.45 mm

傳動中心距：a=450 mm

帶輪的實際傳動速比為：

經過核算，葉輪實際轉速為：

n6＞設計需求450 r/min，且誤差為（453～450）/450=0.6%，小于5%的設計誤差，方案滿足。

5 結語

通過以上設計計算，實現了對拋雪機帶傳動系統的選型設計，得到滿足既定型號拋雪機的同步帶傳動系統的同步帶、同步帶輪的所有參數及設計規范內合理的同步帶帶、帶輪選型，最終完成該機型拋雪機的同步帶傳動系統的設計。同時也為后續其他型號拋雪機的同步帶傳動系統的設計提供設計參考。