皮带传动装置的两种传动模式

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  1 问题引入
  有这样一个题目:对如图1所示的皮带传动装置,下列说法中正确的是
  A.A轮带动B轮沿逆时针方向旋转
  B.B轮带动A轮沿逆时针方向旋转
  C.C轮带动D轮沿顺时针方向旋转
  D.D轮带动C轮沿顺时针方向旋转
  这是2005年上海市的一道高考试题,就试题本身我们暂不做讨论,下面就关于皮带传动装置的力学特征作个讨论分析.生产生活中的传动装置有皮带传动、齿轮传动、蜗杆传动、……而利用皮带来进行传动的装置,譬如老式拖拉机、收录机、流水线输送带等等.皮带传动具有可传递的距离远;运转稳定噪音低;自身通过带打滑起过载保护;且结构比较简单、设计精度要求不高的特点,所以在日常生产生活中被广泛使用.
  2 皮带传动的工作原理
  皮带传动是利用皮带来连接两个不直接接触的主动轮和从动轮,依靠皮带和主动轮之间的静摩擦力来传递动力的.在皮带传动中,皮带和皮带轮之间的静摩擦力如果变小了,皮带就会在皮带轮上打滑,从而不能带动机器正常运转,遇到这种情况可以紧一紧皮带,以增大皮带对皮带轮的压力,从而来增大皮带与皮带轮之间的静摩擦力.
  3 两种传动方式的比较
  在比较两种传动模式之前,首先得分清楚哪一个是主动轮、哪一个是从动轮.因为主动轮依靠皮带的摩擦力产生动力,而从动轮若受皮带的摩擦大则会增加传动时的阻力.
  (1)如图2所示的传动方式.主动轮逆时针转动,传动过程中如果皮带不打滑,皮带和皮带轮之间就存在静摩擦力,而静摩擦力的方向总与物体相对运动趋势方向相反.现在已知主动轮是逆时针转动的,假设此时皮带和主动轮之间不存在摩擦力,皮带相对于主动皮带轮的运动方向是顺时针的,因此可以 判定主动轮作用在皮带上的静摩擦力的方向是逆时针的.故皮带在静摩擦力f作用下,做逆时针转动.而对于从动轮来说,作用在皮带上的静摩擦力f的方向是顺时针的.皮带在两个皮带轮静摩擦力作用下,皮带轮上方的皮带会呈拉紧状态,轮下方的皮带则呈松弛状态.
  (2)皮带轮还有一种传动方式,如图3所示.它与第一种传动方式不同的是,主动轮和从动轮互换了位置,假设主动轮的转动方向仍是逆时针转动的.同理,可以知道主动轮作用在皮带上的静摩擦力f的方向是逆时针方向的,从动轮作用在皮带上的摩擦力f的方向是顺时针方向的.这种传动方式的特点是:皮带在两个皮带轮静摩擦力作用下,轮上方的皮带是松弛状态,轮下方的皮带则是拉紧状态.
  那么,这两种传动方式有什么不一样呢?传动的效果孰优孰劣?这里我们还有必要介绍一下传动装置中的一个概念——包角.包角是指皮带与皮带轮相互接触的圆弧所对的圆心角,包角的大小,反映皮带与轮表面间接触圆弧的长短.包角越大,相互接触的圆弧就越长,皮带和皮带轮的接触圆弧上产生的静摩擦力总和就越大,也就是产生的有效拉力越大,所以传动装置的传动能力也就越高.反之,包角越小,相互接触的圆弧就越短,接触的圆弧上产生的静摩擦力总和就越小,传动装置的传动能力也就越低,且皮带轮容易打滑.所以,为了提高皮带传动的承载能力,包角就不能太小,一般要求包角α≥120°.比较以上两种传动模式,很明显图3中皮带包围皮带轮的包角要大于图2中皮带包围皮带轮的包角.
  由上所述,图3的传动方式模式既保证了传动过程中皮带不打滑,同时又提高了皮带传动的效率,从而减少能量的损失,所以图3的传动方式好.
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