单侧钢带往复精密传动的方法研究_熊运昌

XIONG Yun-chang，LI Guo-hui （ Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，China）
（ 1） 导向槽的形状主要取决于产品的结构，但 由于钢带弯曲变形和较大的弹性，导向槽形状最好 与钢带弯曲的方向相一致，这样可以减小钢带对槽 壁的压力，进而减小钢带与槽壁的摩擦力。
（ 2） 导向槽的材料主要影响钢带与槽之间的摩 擦，在保证足够强度的情况下，应选择与钢带之间摩 擦系数小而本身耐磨性较好的材料，以降低摩擦，保 持导向精度。
由此可见，通过对钢带必要的限制，由单侧钢带 实现轮系的精密传动是可能的。
3 单侧钢带传动结构设计
3． 1 钢带材料的选择 钢带材料的选择取决于钢带受力状态和工作要
求。一般单侧钢带精密传动主要用于精密仪器的调 整或传动中，其工作时的受力较小，传动速度较慢， 因此对于强度的要求不高。但在这类传动中往往要 求反应灵敏、工作可靠、运动传递精度高、寿命较长。 为此常选 60SiZMnA—KH—I—QY 作为钢带传动的 首选材料［2］。同时为减少钢带弯曲应力，钢带厚度 一般取在 0． 2 ～ 0． 5 mm 之间。 3． 2 钢带与轮的联接
钢带的长度取决于导向槽的长度、主动轮的直 径及回转角度、钢带与轮的连接方式等，可视具体情 况加以计算。
4 传动误差分析与控制
4． 1 钢带的稳定性 当钢带在主动轮的作用下，逆时针转动驱动被
动轮转动时，此时钢带处于受压状态，在板内产生复 杂的应力状态。由于钢带厚度方向尺寸相对于其它 两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。 当材料内压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料 不能维持稳定变形而产生失稳变形或折断，必须通 过润滑等 方 式 减 小 传 动 阻 力，以 保 证 传 动 的 正 常 进行。 4． 2 传动误差分析
第 3 卷第 2 期 2 011 年3 月
南阳理工学院学报 JOURNAL OF NANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol． 3 No. 2 Mar． 2011
单侧钢带往复精密传动的方法研究
熊运昌，李国慧
（ 南阳理工学院 河南 南阳 473004）
摘 要： 为满足变中心距轮轴之间精密传动的要求，在对钢带传动特点分析的基础上，提出了采用单边钢带进行两 平行轮轴往复精密传动的设想，探讨了其实现的方法，并进行了传动误差分析。研究证明，通过文中方法，单钢带 往复精密传动是完全可以实现和应用的，该结构既可满足变中心距轮轴之间精密传动的要求，又具有钢带传动的 优点，在变中心距的传动中将会有更广泛的应用。 关键词： 单侧钢带； 往复； 精密传动； 结构设计
钢带实现两平行轴轮之间传动的方式不同，其 传动机理有较大差别，下面分别说明如下：
（ 1） 环形钢带进行连续精密传动 这种传动方式，类似于皮带、链、钢索传动，同时 又集三家之长于一身，因钢带能缓和载荷冲击，运行 平稳无噪声，制造和安装容易，过载时钢带在带轮上 打滑可防止其他零件损坏而在工业中得到了广泛的 应用［1］。如图 1 所示。 （ 2） 固定中心距两轮两侧对称设置钢带进行往 复精密传动 在钢带传动副中，与皮带传动相比，由于有钢接 头的存在 及 钢 带 不 宜 多 层 缠 绕 的 制 约，常 常 用 于 1∶ 1的有限角度往复传动副中。这时，在两轮两侧 对称设置钢带，两端与轮固联，带可以平行也可以交 叉使用，如图 2 所示。这种方式钢带传动中的关键 技术是钢带的联接设计、钢带预紧、钢带传动精度计 算、钢带性能的测试及传动误差的补偿。
由于钢带与挠性弹性体为在外力驱动下实现往 复回转运动，传动角度并不受到带轮直径而异，以不使钢带重叠为准，通常取 10° ～ 15°，带轮回转角度可达 330°，具体的回转角度 可根据产品需要确定。 3． 3 导向槽的设计
钢带导向槽是实现单侧钢带精密传动的保证， 主要涉及导向槽的形状、槽宽、材料和润滑等方面。
（ 3） 导向槽的润滑直接影响到钢带与导向槽之 间的摩擦力的大小，采用适宜的润滑材料，将有助于 保持传动的平稳性，提高钢带的寿命。
（ 4） 导向槽的宽度、长度及尺寸精度直接影响 到运动传递的精度，应根据钢带的厚度严格加以控 制，要求导向槽引起的传动误差△L 小于系统的允 差△T，即： △L≤△T。 3． 4 钢带长度的确定
1． 主动轮 2． 从动轮 3． 钢带 4． 轴 图 3 单侧设置钢带进行传动
2 单侧钢带往复精密传动的可能性 分析
的增多，所需拨动轮 3 逆时针旋转的力矩也需相应 加大。
由此可见，正反向拨动主动轮时，要实现从动轮 的转动，都必须克服轮系自身的摩擦阻力矩和钢带 的自恢复力矩，即只有当拨动轮系的力矩克服了系 统自身的阻力矩时才能实现传动。且由于正反向传 动时受力状态的不同，钢带产生不同的运动状态，无 法保证另一轮基本同步运行，即当钢带两端固定而 其余部分 处 于 自 由 状 态 时，无 法 实 现 轮 系 的 精 密 传动。
［2］ 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会． 机械工程手 册 － 传 动 设 计［M］． 2 版． 北 京： 机 械 工 业 出 版 社，1997．
［3］ 蔡宗耀，黄晓东． 钢带传动研究［J］． 机械制造，1997 （ 3） ： 11 － 14．
图 7 目镜传动系统结构图
STUDY ON RECIPROCATE PRECISION TRANSMISSION METHOD OF UNILATERAL STEEL BAND
通过钢带实现两平行轴轮之间的传动有三种方 式： 一是利用环形钢带进行连续精密传动； 二是在两 轮两侧对称设置钢带，两端与轮固联，带可以平行也 可以交叉使用； 三是钢带设置在两轮的一侧。
其中前两种在机械传动中应用较多，针对第三 种方式，笔者根据对钢带传动的的研究，提出了采用 单边钢带实现精密仪器两平行轮轴往复精密传动的 设想，并探讨了实现的方法，及可能出现的问题和解 决的办法。
0 引言
1 钢带精密传动机理分析
钢带传动作为挠性传动的一种方式，一般应用 于平行轴间的传动上，它依靠钢带与传动轮表面之 间的摩擦力来传递运动和动力。由于钢带具有传递 力矩 大、传 动 精 度 高、制 造 安 装 容 易、无 滑 动、无 噪 声、无磨损、无需维护等优点，在精密仪器、关节性机 器人等要求高速、高精度、大力矩、大轴间距、末端惯 量小的机构中，作为一种有效的传动手段而被广泛 采用。
·41·
本文所提出的方法，已成功的运用于如图 7 所 示的变倍望远镜目镜调焦系统中。由此可见，单钢 带往复精密传动是完全可以实现和应用的，该结构 既可满足变中心距轮轴之间精密传动的要求，又具 有钢带传动的优点，在变中心距的传动中将会有更 广泛的应用。
参考文献
［1］ 杨祖孝． 设计钢带精密传动系统［J］． 机械制造，2001， 39（ 440） ： 22 － 23．
由此可见，在拨动轮 1 正反向旋转时，通过钢带 均能实现 轮 2 的 同 向 旋 转，满 足 了 传 递 运 动 基 本 条件。 2． 2 单侧钢带精密传递运动的可能性
（ 1） 当钢带两端固定而其余部分处于自由状 态时：
1） 顺时针拨动轮 1 时，钢带 3 受拉由中鼓逐步 变得平直，并随之带动轮 2 作同向旋转。同时，随着 轮 1 上缠绕钢带圈数的增多，轮逆向力矩加大，所需 拨动轮系旋转的力矩需相应加大。
（ 2） 当钢带两端固定且中间部分的变形受到限 制时，如把钢带限制在一宽度略大于钢带厚度的导 向槽内时，即使不拨动主动轮，钢带也近似保持导向 槽的状态（ 受槽宽的限制） ，如图 4 所示。
2． 1 单侧钢带传递运动可能性 如图 3 所示，薄钢带 3 两端固定在轮 1、2 上，钢
带的长度大于两轮中心距，钢带处于受力弯曲状态。 由于钢带在受力状态下恢复其固有状态的特性，使 得钢带保持中鼓并处于平衡状态。
传动误差是指主动轮转动时将运动传递给从动 轮的偏差。可用从动轮与主动所转过的弧长之差
△L 来表示。下面根据主动轮正反转两种情况进行 分析。
（ 1） 当主动轮正转时 由图 4 可知，当主动轮正转时，钢带受拉保持平 直状态，钢带在拉力作用下的伸长量造成从动轮转 动弧长误差为：
△L = NL / EA 式中： E———为 刚 体 所 用 材 料 的 弹 性 模 量， 取E = 210 GPа； A———为刚体受力方向的截面积； L———为刚体受力方向的长度； N———为刚体沿变形方向的受力。 （ 2） 当主动轮反转时 当逆时针转动轮时，钢带受压，同时由于钢带的 弯曲弹性，导致钢带在导向槽内只会如图 5 所示打 一个弯，此时，从动轮的转动弧长误差由钢带的压缩 和钢带的弯曲构成，其中压缩量因压力很小可予忽 略，故其误差的大小主要由钢带的长度及导向槽与 钢带的间隙共同确定。为计算方便，将图 5 简化为 图 6。
1． 主动轮 2． 从动轮 3． 钢带 4． 轴 图 5 钢带自由状态示意图
图 6 传动误差分析
假设导向槽为一直槽，钢带厚度为
A
+ －
c d
，导向
槽
宽度为
B
+ －
a b
，导向槽长度为
L，系统允差为△T，导向
槽引起的传动误差为△L，则有如下要求： △L≤△T
由图可知
△B
=
x2
+ y
y2
×
arcsin
2xy x2 + y2
作者简介： 熊运昌（ 1964 － ） ，男，硕士，教授，主要研究方向： 机械制造技术。E-mail： xiongyunchang@ 126． com
第2 期
熊运昌等： 单侧钢带往复精密传动的方法研究
·39·
精密传动或环形钢带进行连续精密传动的条件也就 不复存在。如果在图 2 的情况下，去掉一侧的钢带， 并将钢带两端与轮固联（ 如图 3 所示） ，这样可满足 可变的中心距的要求。但这种情况下能否实现运动 的精确传递？ 如何实现？ 下面针对这一问题展开 讨论。