多楔带自动张紧器简介

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1、第2期2005年4月内燃机Internal Combustion EnginesNo. 2Apr. 2005多楔带自动张紧器简介刘际仁，葛红(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261001)摘要：对自动张紧器的结构、工作原理做了详细的介绍，对采用自动张紧器皮带传动系统的受力进行分析与计算，并提岀了监控皮带老化伸变的方法。计算结果表明：自动张紧器保证的是皮带传动中松边拉力F2,而非自动张紧轮保证的皮带预紧力Fo。关键词：自动张紧器；张紧轮；预紧力F。；张紧力；皮带松边；有效拉力中图分类号:TK 423. 42文献标识码:B文章编号：1000 - 6494(2005) 02 - 0046 - 04Br

2、ief Introductionof An Automatic Wedge Belt TensionerLI U Ji - ren ,GE Hong(Weichai Rower Co. ,Ltd ,Weifang 261001 ,China)Abstract :This paper mainly introduces the structure and the working principle of the automatic tensioner in detail. It analyzesand calculates the forces on automatic tensioner dr

3、iving system. It puts forward a method monitoring belt aging. The calculation results show that the automatic tensioner is to guarantee the pulling force of tension release in belt gearing and the non - automatic ten2 sioner is to guarantee the pretension.Key words : automatic tensioner ；tension pul

4、ley ；pretension；tension ；tension release of belt ；effective pulling force1自动张紧器结构张紧器由皮带轮、摇臂、支座、回位弹簧、定位销 等组成。皮带轮通过轴承，轴销固定在摇臂上，皮带 轮绕其轴心自由旋转 。摇臂、回位弹簧（扭转弹簧） 与支座通过饺链相饺接。摇臂与支座之间可相对转动,见图1。第2期2005年4月内燃机Internal Combustion EnginesNo. 2Apr. 2005第2期2005年4月内燃机Internal Combustion EnginesNo. 2Apr. 20052工作原理2. 1皮带

5、轮外置图1自动张紧器结构作者简介：刘际仁（1938 -）,男，山东青州人，研究员级 高级工程师，主要从事内燃机设计工作。收稿日期:2004 - 10 - 20图2皮带轮外置式结构以WD61546柴油机为例说明：张紧器在自由状 态（回位弹簧处于未受工作扭转状态）通过定位销、M10六角头螺栓紧固在柴油机空压机齿轮盖上或传 动皮带附近其它部位，使支座成为柴油机的固定件。支座、皮带轮两者中心连线与水平线夹角成30 （见图2实线位置，其它机型视结构而定）。在装入皮带 的同时将摇臂皮带轮顺时针转动一定角度（理论转动角度为35见图2虚线位置），装入皮带。此后除 去转动力矩，皮带轮在回位弹簧回弹力的作用下紧

6、压在皮带上，使皮带具有所要求的预张力，在此预张 力的作用下皮带即可传递扭矩（功率）。此时回位弹簧力与皮带张紧力相平衡，在张紧器初始安装静止 状态，其扭转弹簧工作扭转角度及其它结构参数均 是固定的，对皮带施加的张紧力亦是固定的。在初第2期2005年4月内燃机Internal Combustion EnginesNo. 2Apr. 2005第2期2005年4月内燃机Internal Combustion EnginesNo. 2Apr. 2005c PohlLshiiig House. Alli.i48内燃机2005年4月47筒11 iigh第2期刘际仁等：多楔带自动张紧器简介必须的张紧力，两者之

7、差即是所谓的自动张紧范围3各力计算3. 1外置式皮带轮摇臂皮带轮由自由状态顺时针转动35 ,其扭矩（左）。皮带轮张紧皮带后其包角为42.866，皮带轮网呵fhiusiJounil EkctTMiic PwblLsliiiig House.始运转状态，皮带处于弹性变形范围内，扭转弹簧工所以皮带轮回转中心在安装状态和运转初始状态位置变化很小，皮带轮绕其回转中心线转动，当皮带产生塑性伸长后，整条皮带松边所受张力减小，与回位弹簧之间失去了力的平衡。摇臂、皮带轮在回位弹如此皮带不断地被塑性拉长，摇臂、皮带轮不断地调整新位置，不断地达到新的平衡，直至皮带张紧力等于传递功率所必须的最小张紧力，此时张紧器失效

8、也就是说新皮带安装初始张紧力远大于传递功率所（见图3虚线与双点画线位置）。2. 2皮带轮内置皮带轮压紧皮带工作面见图3（a），张紧器（该张紧器其扭转力矩方向与图2,3之张紧器相反）紧固逆时针方向转动一定的角度，装入皮带后，除去转动力矩，皮带轮在回位弹簧作用下紧压在皮带上，使皮带具有一定的张紧力，该张紧力大于或等于传动一定的功率所必须的张紧力时，皮带传动系便能可靠工作。其安装状态与初始运转状态和皮带出现塑性伸长后的力平衡过程均同皮带轮外置式结构2. 3多轮传动多轮传动为一个主动轮，一条皮带驱动多个独立的负荷，见图3（b）。紧轮，同时为增加某一独立负荷皮带与带轮之间的包角，加有导向轮。多轮传动中有

9、可能出现某一独立负荷之皮带轮为皮带非工作面传递功率（即相当于平皮带传动），此时，多轮传动的受力分析和计算较复杂一些为24. 9-30.3N?m，取中间值28N?m，力臂长（支座中心到皮带轮中心之距离）I = 0.09 m，则作用在皮带轮中心处的摇臂切向力Pi = 28/0. 09= 311 N，见图4图3皮带轮内置式结构图4外置式皮带轮受力图对皮带施加的径向压紧力集中在包角平分线上（见4（左）所示受力图，由图可计算出各力数值（假设力P2作用在皮带包角的中点上）。3.1.1各力数值计算P1为作用在皮带轮中心的绕摇臂迥转中心的切向力，P1 =28N?m/ l =28/0. 09 = 311 N;

10、P2 为皮带轮施加于皮带的径向压紧力，P2 = P1 Xcos32.866 =311 X0. 839 9 = 26. 1 N ; P3为垂直分力；P4为皮带与带轮之间摩擦阻力；P3 XI1 = P4 X I2,见图4（左），所 以各力平衡。P3 = P1 Xsin32. 866 = 311 X0. 542 6 =168.7 N ( P1 , P2, P3, P4之间关系及方向见图4为从动轮。皮带绕入主动轮的边称之为紧边 ，绕出主动轮的边称之为松边。张紧轮处于皮带松边且张紧轮负荷为零，故在运转中绕入绕出边的皮带张力近似相等。假如张紧轮又带有一定的负荷，情况就变了 （如中置风扇的 WD61578柴

11、油机的发电机皮带作扭转角减小很少，作用于皮带的张力降低亦很小簧的作用下逆时针转动，使各力之间达到新的平衡在空压机齿轮盖或柴油机其它固定件上,其对称中心线与铅垂线成 29。，见图3（a）虚线部分,将张紧器多轮传动张紧器安装、力系平衡过程等同自动张紧器外置式皮带轮结构。多轮传动一般为外置张图4左）,将各力简化到皮带轮中心上，则画出如图3.1.2皮带安装预紧张力计算从传动系（见图3）看出,WD615系列柴油机水泵 风扇传动系曲轴皮带轮为主动轮，水泵带轮、张紧轮48内燃机2005年4月轮），此时发电机带轮绕出边为紧边Ft =:1 000 X Pd/ v =12 X1 00C/19. 35 = 620N

12、F1 =Ft X( Kt/ 1Kt -1) =620 X(5/521)=775 NF2 =Ft X(1/ t -1)= 620 X1/4 = 155NF1 -Fo1 = Fo1 -F2Fo1=1/ 2( F1 +F2)=0. 5 X (775 + 155)=465 N（运转所需预紧力 一即采用非自动张紧式张紧轮时 的预紧力）按图4计算安装预紧拉力：F。安=F2 = P2/2 XCOS68 566 = 261.2/2 X0. 365 4 = 357.4 N式中，Fi为传动中皮带紧边拉力，N ; F2为传动中皮带松边拉力，N ; Ft为传递功率的有效拉力，N ;Pd为传递功率，kW;v为皮带速度v

13、 = n Dn/60（m/s）; Fo安为自动张紧器安装状态预紧拉力,N ; Fo1为运转所需预紧力,N;WD615系列机水泵传动皮带传递额 定功率一般不超过 12 kW;取Pd = 12kW; KT =5 （包 角a 180）为楔合系数。3. 1.3自动连续张紧轮与非自动张紧轮的比较传动相同功率时，自动连续张紧轮与非自动张 紧轮之间在出现 Fo1 Fo安时的分析如下：a. In F1/ F2 = fa，贝U F1/ F2 = e （ef a = T） , Fo = 0. 5 X F1 + F2），可推导出Ft与Fo安之间的关系式：Ft =2 Fo安 X （ JT - 1/ + 1） o从式中

14、可以看出，当结构 一定时Kt为常数，Ft % Fo安,传动功率一定时所需 Ft 也是定值，因此Fo安=Fo1,其物理意义是当摩擦系数f与包角一定时，皮带预紧力应满足 F。安=Fo1 ob. 采用非自动分级式张紧系统，一次张紧后，皮带预紧拉力F。安 Fo1时可靠传动功率。当皮带运转 后塑性有所伸长，致使F。安值减小，当减小到F。安 Fo1 oC.采用自动连续式张紧系统的情况就不同了，所谓自动连续式张紧就是当皮带松边拉力降低时，张紧系统会自动调整力系平衡，在静态和运转状态皮带松边均受到拉力Fo安（在皮带弹性变形范围内）的作用，F。安=F2,所以自动连续张紧系统保证了皮 带松边拉力 F2,从而保证了

15、 Ft（ Ft = F2 X （ Kt - 1）， 根据该公式中已知条件Ft，F2，对皮带传动系进行设计）。又由于皮带所受预紧拉力F。安在静止、启动、k咖期图5自动连续张紧系统力系平衡调整过程运转全过程几乎均是定值，启动过程与皮带、带轮之 间摩擦力的增加过程是同步进行的，保证了可靠启动和传动。d.自动连续张紧系统力系平衡调整过程见图5 o力系平衡调整过程是皮带伸长的过程，也是回位弹簧释放弹力的过程。回位弹簧为扭转弹簧Tn = TX（Tn为扭转力矩；T为扭转刚度；为扭转角）， 当T、力臂I 一定时，F2 = f （）：静止状态（见图5）皮带轮受力；P1为来自摇 臂的作用力，它分解为P2和P3,

16、P2为对皮带的压紧 力，从而 Fo安=F2 = P2/2 Xsin21.433 = 357 N ,见 图4 （右）;P3为垂直分力，它与皮带阻力相平衡，见图4（右）o进入运转状态时，皮带出现弹性伸长，其松边 拉力F2降低，力系失去平衡。尽管皮带伸长量很小， 皮带轮进行新平衡点的调整，力系达到新的平衡，F2 降低量很小，保证可靠传动，当皮带伸长到足够长 时，P1下降到一定值不能保证传动所需F2，需更换新皮带。张紧器工作力矩计算见图 4（左）。WD615系 列柴油机多楔皮带传递功率一般不大于12kW/2 400（r/min）。由前述计算得知 ，传递12 kW/2 400 （r/ min）时皮带松边

17、拉力 F2 = 155N。由图6看出，P2 = 2 X F2 Xsin21.5 = 2 X155 X0. 3665 = 113. 6N; P1 =P2/cos32 866 = 113. 6/ 0. 8399 = 135. 25N，工作 力矩 M = P1I = 135. 25 X0.09 = 12.2 N ?m; T = 28/35 = 0.8（设弹簧预紧力为零），此时工作角度 =12. 2/ 0. 8 = 15. 25（理论工作角度）。安装角度- 理论工作角度=皮带寿命角度（用a1表示），则a1 = 35- 15.25= 19.75，从而计算出寿命伸长量 ，进而可 用标记指示出更换皮带的警告

18、，见图6。48内燃机2005年4月48内燃机2005年4月 啊4200争Jornmal Ekdronic PwlLshingAll righls reserved48内燃机2005年4月49刘际仁等：多楔带自动张紧器简介48内燃机2005年4月48内燃机2005年4月图6警告标记图7内置式皮带轮受力图3.2内置式皮带轮a. 内置式张紧轮对皮带的压紧力与外置式相反 （回位弹簧方向相反）,其余参数同张紧轮外置式自动张紧器。所以 Pi = 28 +0.09 = 311N; P2 = Pi X cos28 = 274. 5 N ; F2 = 0. 5P2 +sin 12 = 530. 4 N ,其 余

19、计算同外置式结构。b. 内置式张紧轮示例图7与外置式张紧轮示例图4（左）位置，因包角不同，所以F2大小也不同。3. 3 多轮传动a. 皮带受力分析如图 7（a）所示。按能量守恒，Pd总=Pd1 + Pd2 + Pd3（未考虑传动效率），F1为皮带 紧边总拉力，F2为皮带松边拉力，Ft1为传动负荷Pd1 的有效拉力，Ft2为传动负荷 Pd2的有效拉力，Ft3为 传动负荷PdB的有效拉力，Ft总为传动负荷Pd1 + Pd2 + Pd3的总有效拉力。根据公式Ft = Pd X1 00C/ v, F1 =Ft X Kt/ Kt-1，则有 F1= Ft1 X Kt1/KT1 - 1 + Ft2XKt2/

20、 2 - 1+Ft3 X Kt3/KT3 - 1 , F2 =Ft总 X1/ Kt-1。b. 从“3. 3”（a）中公式推导可看出，多轮传动中各负荷及传动比一定时可对皮带轮及皮带包角进行 设计,从而保证可靠传动。c. 多轮传动中有可能出现类似于平皮带传动的皮带轮（见图7（a）中负荷Pd2）,此时应按平皮带传动 进行包角以及按皮带、带轮之间摩擦系数进行设计。多轮传动其余计算同外置式皮带轮自动张紧器。4结论a. 皮带传动存在Fo - F2 = F1 - Fo关系（Fo为预紧力；F1为传动中皮带紧边拉力；F2为传动中松边拉力）,所以非连续张紧皮带传动必须保证Fo,否则不能有效传动或有效传动持续时间很

21、短。连续自动张紧轮保证的传动中松边拉力F2，自动张紧器结构是由最基本而原始的方法演变而来的，见图8。从图8可看出，平衡重P是用来保证传动中松 边拉力F2的，因为平衡重P的摇臂及支座位置是始终不变的，所以皮带在弹性变形范围内F2基本保持不变。如果张紧轮位置不变，将摇臂固定（见图9）,此时F2= Fo。由此可见，非连续张紧皮带的预紧力 Fo往往大于保证连续张紧的F2,致使皮带及相关零件受有附加应力。其原因为连续自动张紧系统的 F2是由结构设计保证的，而非连续张紧系是靠人工 机械搬动张紧轮，对皮带进行张紧得到预紧力Fo,其受人为因素影响较大又难以计量，对用户而言尤甚。b. 自动连续张紧轮易做到自动提醒操作者对皮 带老化的监控（见图6）。c. 安装和更换皮带操作简单。d. 结构相对较复杂些，零、部件设计制造精度较 高，可靠性对其尤为重要。图8自动张紧器结构图9摇臂固定位置48内燃机2005年4月48内燃机2005年4月网-抄00 ChmaJournal Ekclronic PlLshing House. All righls reserved,